配电自动化终端设计浅析

摘要：配电自动化终端是为了适应社会发展的需要以及满足人们的正常用电需求而逐渐发展起来的。本文重点分析了配电自动化终端的优势及设计要求，对配电自动化终端的研究有利于促进智能电网及泛在物联网的发展。

关键词：配电网；自动化终端；设计

Analysis of distribution automation terminal design

Abstract: Distribution Automation Terminal is developing graduall to meet the needs of social development and guarantee people's normal demand for electricity. This paper focuses on the analysis of the advantages and design requirements of distribution automation terminal.The research on distribution automation terminal is beneficial to the development of Smart Grid and the Internet of Power things.

Keyword: distribution  network ;  automatic terminal; design

 

 

 

 

一、配电自动化终端具有的优势

配电自动化终端是对配电网的电气设备进行远方实时监视、管理和控制的一个集成系统。配电自动化终端集成了遥控、遥测、遥信等功能可大大提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，从而对用户和供电企业均能带来可观的效益。为了更好地认识与了解配电自动化系统，先对配电自动化终端存在的优势进行简单的分析阐述：

1. 供电系统的稳定性得到了保证。配电系统将一些相关的自动化技术应用到系统当中就是为了确保供电系统的稳定性。当配电系统发生故障之后，配电自动化终端可以根据逻辑分析快速地确定故障发生的具体位置，然后对整段线路实施保护。除此之外，配电自动化终端还可以将故障位置与没有出现故障的位置进行隔离，以此来保证故障不会影响到整个供电系统的正常运行，配电自动化终端的保护及切除故障功能缩小了故障发生的范围以及大大地降低了维修的难度，同时也降低了维修的成本。配电自动化终端保证了整个供电系统的稳定性，最终确保了用户对电能的正常使用^[1]。
2. 初投资以及维护费用降低。配电自动化终端的保护及故障分析功能降低了初投资以及维修费用。配电自动化终端在配电系统中应用之后，使得线路投资的费用、停电时间以及维修费用等方面存在的问题都得到了有效的解决。
3. 提高了管理水平和供电质量。通过配电自动化终端可以对配电系统的运行过程进行有效的监测，一些故障问题出现之后能够及时的发现自动排除故障并上报故障信息。有关部门则可以根据故障信号安排维修人员以最快的速度解决故障问题，从而确保了供电质量^[3]。

二、配电自动化终端的设计要求 

（1）具有故障自动检测与分析功能

通过采集线路的电流、电压量，提供过电压、线路过负荷、线路三相过电流、零序过电流等检测功能。装置根据采集到的电流电压大小及设置的定值，通过逻辑分析能够自动快速判别线路是否发生故障，并区分故障电流方向、识别单相接地或相间短路故障，将故障信息和性质及时主动上报给主站，以便进行相应故障处理。

（2）提供可靠的不间断电源

配电终端应用场合特殊，尤其在架空线柱上或户外环网柜上安装，配备不间断电源十分重要。配电自动化系统在故障自动处理过程中，当馈线环路出现永久性故障时，环路出线开关保护动作跳闸，导致馈线全线停电，这时配电终端、通信设备、一次设备开关的操作都要求不间断电源供电。因此，提供可靠的不间断电源是配电终端开发设计中首要考虑的问题^[2]。

（3）满足户外工作环境的要求

架空线柱上的配电终端（FTU ）大多是户外安装，工作环境较恶劣， 户外温度范围为- 40℃～+70℃，最湿月的月平均最大相对湿度为 95％，要求表面无凝露也不结冰，大气压力：70kPa～106kPa。安装在户外的装置其结构应紧凑、小巧，外壳密封，能防尘、防雨，防护等级不得低于GB/T 4208规定的IP55的要求，安装在遮蔽场所的装置，防护等级不得低于IP54，安装在室内的装置，防护等级不得低于IP20的要求。对配电终端的元器件选择、软硬件设计、制作工艺，都要适应户外环境的工作条件^[5]。

（4）满足电磁兼容性（EMC）的要求

配电终端和高压一次设备在一起，强电和弱电同处一个环境，因此，为保证终端工作的可靠性，在设计中必须考虑电磁兼容性。具体要求如下：

高频干扰：可承受 GB/T 15153.1 中规定的试验严酷等级为 IV 级干扰试验；

静电放电干扰：可承受 GB/T 15153.1 规定的Ⅳ级（接触放电 8kV）静电放电干扰试验。

工频磁场和阻尼振荡磁场干扰：可承受 GB/T 15153.1 规定的Ⅳ级（100V/m）的工频磁场和阻尼振荡磁场干扰试验。

配电终端设备必须通过专业的EMC试验室严格测试并符合相应的EMC 国标要求^[2]。

（5）支持多种通信方式和通信协议

配电终端是DAS的基本控制单元。配电终端对上与配电子站或主站进行通信，将终端采集的实时信息上报，同时接收子站/主站下达的各种控制命令； 对下要求与附近的配变终端（TTU）通信，TTU的信息通过配电终端传送到子站或主站；配电终端内部的通信，例如环网柜或开闭所的配电终端采用分散式设计，分散的监控单元与通信控制单元间需要通信，配电终端与站内或开关设备等其他智能控制单元间也需要通信。因此，对配电终端通信功能要求比较严格，无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足DA的要求，主要包括：

1、硬件设计要求终端具备多种类型的通信接口。①串行接口： RS-232，RS-485；②工业现场总线接口：CANBUS或Lonworks；③以太网接口^[4]。

2、支持多种通信协议。支持DL/T 634.5101、DL/T 634.5104规约，并在条件成熟时支持DL/T860(IEC 61850)传输协议。

（6）具有远程维护、诊断和自诊断功能

配电终端安装在柱上或户外这一特定环境，而且数量多，不可能全靠人工维护， 要求终端本身具有完备的自维护能力，同时具有远方维护功能，包括远方参数整定、远方下载、远方诊断。

1.定值远方修改和召唤定值。为了能够在故障发生时及时地启动事故记录等过程，必须对FTU进行整定，并且整定值应能随着配网运行方式的改变而自适应。为此，应使DAS控制中心能够远程召唤并修改FTU的定值。

2.控制闭锁与手动操作功能。在检修线路或开关时，相应的FTU应具有控制闭锁的功能，包括远方闭锁和和就地控制出口压板，以确保操作的安全性，避免误操作造成事故。同时，FTU应能提供手动合闸/分闸按钮，以便在开出通道出现故障时能进行手动操作，避免上杆直接操作开关。

 

 

7. 三遥功能

1. 遥信功能。实现状态量采集，包括：开关分/合闸位置、远方/就地操作把手位置、弹簧储能位置、接地刀闸位置、熔断器熔断信号、SF6开关低气压信号、母线故障信号、交流失电信号、后备电源欠压信号、柜（所）门打开信号等。  

    双点遥信的合成：能够根据采集到的开关分闸及合闸位置信息，自动生成具有故障态、中间态、合闸及分闸表述能力的双点遥信信号。

软遥信生成，包括：装置故障信号，各线路的过负荷、单相接地、过电流、相间短路、零序过电压、零序过电流信号等；故障信号优先传送。

2. 遥测功能。FTU应能采集线路的电压、负荷电流和有功功率、无功功率等模拟量。一般线路的故障电流远大于正常负荷电流，要采集故障信息必须能适应输入电流较大的动态变化范围。采集、转换、处理模拟量并可同时向主站传送，实现电流、电压量的测量，实时监视馈电线路的运行状况，按线路分，每条线路采集、转化并处理的模拟量包括：

    三相电压Ua、Ub、Uc或两路线电压Uab、Ucb、Uca；

    三相测量电流Ia、Ib、Ic及三相保护电流Ipa、Ipb、Ipc；

    总有功功率P、总无功功率Q；

    零序电压3U0、零序电流3I0；

    频率F；

    总功率因数COSф；

    各相电压、各相电流的实时相位角； 

    低端小电流采集优势，在安装600/5的CT时，最小能精确采集到7A的一次电流；

    电度量累积：累积四象限电量正向有无功电量及反向有无功电量；

    直流量采集：完成三路直流量的采集功能，直流量的输入范围为－5V～＋5V。

3.遥控功能。FTU应能接受远方命令控制柱上开关合闸和跳闸，以及启动贮能过程等。装置具有远方控制功能和当地控制功能。装置接受并执行来自主站或子站的遥控指令，完成开关的分、合闸及分合闸闭锁操作。具有当地控制功能，可就地实现开关的分、合闸及分合闸闭锁操作。

8. 数据存储

    1.电能质量

    过、欠压时间累加统计，失压时间累加统计，电压合格率统计；电压、电流、功率极值统计。

    2.负荷曲线

    具有大容量历史数据存储功能，可以保存各线路负荷曲线数据，保存周期以分钟为单位任意配置。

    曲线数据类型可在各线路电压Ua（Uab）、Ub、Uc（Ucb）、测量电流Ia、Ib、Ic、功率P、Q、保护电流Ipa、Ipb、Ipc、频率、功率因数、零序电压、零序电流、直流量等遥测数据量中根据需要选定，最多可选定120个数据量。

    3.事件顺序记录

    记录系统状态量发生变化的时刻和先后次序，记录数量可通过配置文件在装置存储空间允许的范围内任意配置，分辨率≤1mS；

记录馈线发生的异常及时间，包括：零序过电压、零序过电流、线路过负荷、线路三相过电流、单相接地及相间短路等；记录电源发生的异常及时间；记录装置自检时发现的异常及时间；开关操作记录。        

4.断电负荷记录

装置准确能够记录线路断电前的负荷数据。

9. 电气绝缘

在正常试验大气条件下，设备的被试部分应能承受500-2500V的50Hz交流电压1min的绝缘强度试验，无击穿、无闪络现象。

    对于交流工频电量输入端子与金属外壳之间，电压输入与电流输入的端子之间应满足施加50Hz，2kV电压，持续时间为1min的要求。

（10）机械性能

设备应能承受f为2-9Hz，振幅为0.3mm及f为9-500Hz，加速度为1m/s²的振动。振动之后，设备不应发生损坏和零部件受损脱落现象，各项性能完好。

（11）辅助功能。

1.对时。FTU及子站应具备对时功能，接收主站对时命令，或接收网络、北斗（GPS）等对时命令，与系统时钟保持同步^[5]。

2.事件顺序记录（SOE）。按照先后顺序记录状态量发生变化的时刻以及瞬时值。

3.事故记录。记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间的负荷数据，以便分析事故，确立故障区段，为恢复健全区段供电时进行负荷重新分配提供依据。

4.具有良好的维修性。由于FTU安放在分段开关处，因此当FTU故障时必须能够不停电检修，否则会造成较大面积停电。　

5.重合闸

    重合闸充电时间为 20s，重合闸的“充电”和“放电”条件见充/放电及启动条件表3-1。

重合闸充电时间 Tcd = 一次重合后全恢复时间。整组复归时间 Tzzf=900s。

    对于三相二次重合闸，第一次跳闸后，经第一次合闸时限（d411）延时，会进行第一次重合闸。重合后，若在二次重合闸闭锁时限（d203）内再次跳闸，则不再重合闸。若没有再跳闸，则从合闸时开始计时，经过一次重合后全恢复时间（d412）后，重合闸复归，装置仍处于充电状态，可以进行下一轮二次重合闸。如果在大于 d203 小于 d412 的时间内再跳，经二次重合闸时限（d201）后，第二次重合。二次重合闸闭锁时间（d203）是指第一次重合闸后在“闭锁时间”内又发生故障导致开关再次跳闸，此时应闭锁第二次重合闸，而直接启动重合闸整组复归，清除所有标志。因此整定时 d412 必须大于 d203 和 d201，否则无法重合。三相二次重合闸逻辑具体如图3-1。

表3-1 重合闸的充/放电及启动条件

图3-1 三相二次重合闸逻辑图

四、结语

本文主要对配电自动化终端具有的优势和设计要求进行了分析，配电自动化终端应用于配电系统，提高了配电系统的自动化程度，有效节约了维护成本，提高了配电系统的稳定性。

参考文献：

[1]黄仲镇．配电自动化新技术及发展研究[J]．机电信息，2013（6）

[2]张晓丹．配电自动化终端的设计[D]．天津大学硕士学位论文，2007

[3]张耀忠．对于国外配电自动化技术与发展趋势的探讨[J]．科技创新与应用，2011（23）

[4]配电自动化终端技术分析[DB/OL]．天天文库，2019

[5]DLT/721-2013配电自动化远方终端[S].中华人民共和国电力行业标准，2013