况成忠 钟春裕 廖鹉嘉 陈子民 夏后鹏 万延康 孙勇卫

摘 要：智能化的馈线终端设备是实现输配电自动化的重要保障，该设备的主要功能就是实现对输配电线路的数据采集、实现输配电线路的故障自动隔离以及故障消失后自动恢复供电等功能。目前各大厂家生产的馈线终端千差万别，文章详细介绍了一种智能馈线终端模块的硬件组成结构及软件实现，并进行了验证性联调试验，该模块必须采用标准化设计，具备很好的兼容性，能够实现对同等作用的馈线终端模块的等效互换。

关键词：馈线;嵌入式;终端;标准化;互换性

中图分类号：TP242.6                          文献标识码：A                       文章编号：1001-5922（2021）07-0105-04

Research On Standardization And Interchangeability Of Intelligent Feeder Terminal Module

Kuang Chengzhong1， Zhong Chunyu1， Liao Wujia1， Chen Zimin1， Xia Houpeng1，

Wan Yankang1，Sun Yongwei2

（1.Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Nanning 530000， China;

2.Weisheng Electric Co.， Ltd.， Xiangtan 411100， China）

Abstract：Intelligent feeder terminal equipment is an important guarantee to realize power transmission and distribution automation. The main function of this equipment is to realize data acquisition of power transmission and distribution lines， automatic fault isolation of power transmission and distribution lines and automatic restoration of power supply after the fault disappears. At present each big manufacturer production of feeder terminal differ in thousands ways， this paper introduces a kind of intelligent feeder terminal module of hardware structure and software implementation， and conducts the confirmatory joint debugging test， the module must adopt a standardized design and have good compatibility， can achieve the equivalent interchange of feeder terminal modules with the same function.

Key words：feeder; embedded; terminal; standardization; interchangeability

在電力系统运行过程中，电网实时大数据在供配电调度辅助决策方面承担了重要任务。当配电网的馈线线路有故障产生时，一个迫切需要解决的问题便是馈线终端如何实现故障区域的快速识别，从而有选择性实现对故障区域的处理，因此灵活性、可控性、智能性是未来配电网发展的必要趋势。配电网自动化是结构错综复杂的体系工程，其涵盖了配电网运行过程中的全部数据流及全部的实时控制功能。我国的配电网架设布局属于架空式配电线路，其特点是网络节点多，线路分支多、覆盖范围广。很多情况下不仅要实时对故障予以定位，还得保障配电网供电正常，因此带故障运行并实时诊断故障点也是配电网自动化工程的一项重要的基本功能，这就需要强大的实时数据支撑。馈线终端在现场实时采集配电网相关运行数据，将数据进行处理后经过网络总线上传至主控制中心，主控制中心接收到馈线终端上传数据后即刻对数据进行实时分析，解析出馈线终端故障现场实际情况，指明故障发生区域，记录故障相关信息。馈线终端在配电网自动化系统中承担着“眼睛”的角色，为主控制中心的实时决策提供数据支持。馈线终端本身也必须具有一定的故障诊断、故障处理能力，例如现场突然产生瞬时过电流现象，而主控制中心对于故障的诊断并实时保护动作需要一定的时间，此时就需要馈线终端发挥实时故障处理功能，进行故障诊断并实施相应动作。

1 智能馈线终端系统优势

智能馈线能够实现故障的快速隔离与快速恢复，这样系统的快速性就有了保障，由智能馈线终端实时就地解决问题，尽可能减少配电网中各种分断设备的动作数量和动作次数，尽可能保障电力供应的持续性。

当系统中的各个馈线终端都处于正常工作状态时，其主控馈线终端能够快速准确对故障点进行定位，并根据程序中预先设置的应对预案来实现故障的快速隔离与快速恢复，避免了原有方法的多次尝试性操作，大大减小了系统冲击。在通信不在线情况下，馈线终端按照原有的电压时间型逻辑运行，结合断路器、母线、变压器等状态，通过近后备保护，实现各类设备的协同配合保护。其自身的智能化功能完善了配电网的故障自愈功能，提高了供电稳定性。

其监控功能主要包括：运行监控、系统维护，以及智能辅助分析功能。运行监控指常规状态下的检测控制，系统维护主要包括线路结构重构、控制策略组态、整定值的在线计算及下发等，而智能辅助分析功能包括故障场景还原，动作运行分析等。系统运行过程中，馈线终端将故障处理的过程信息实时反馈监控平台，这些信息包括故障类别、故障区域、电参量数值状态、通信在线离线状态、配电线路开关状态，实现故障处理的全程监视及实时分析，便于维保技术人员的故障排查，提高工作效率。

后台监控系统，能够实现配电网馈线拓扑的维护分析，并实现各类电参量整定值的在线计算、校核和大大提高了系统维护的效率。系统自身即可自治实现配网的故障处理功能，安装实施简单可靠，维护简便，便于推广应用。

无线WIFI通信技术是架空配电线路的标配，本系统要求提高投资收益比，即要求实现无线WIFI功能前提下不增加现有投资，资金充裕前提下采用光纤通信则可得到理想效果;在资金紧张时，可使用其他替代方式（诸如GPRS）构建通讯网络，同样快速实现故障快速隔离及快速恢复。但是故障隔离的选择性大不如前。

2 智能馈线终端的工作原理及硬件功能

智能馈线终端在配电网自动化系统中主要承担数据的实时采集、传输，以及执行主控制中心下发的执行指令，它在整个配电自动化系统中起到最基本的测控功能，是系统的基础单元。

由于该智能馈线终端提出了可互换性的要求，因而对于对外接口提出了多样性要求，其主控CPU的对外通信接口应当能够兼容各种常规制式的通信协议，模拟量遥信量采集单元同时具有多种电参量等级的采样通道，以适应不同电参量等级的输入信号，其供电电源应该能适应各种供电制式的电源输入。

智能馈线终端七大核心部件，主控制单元、模拟量采集单元、遥信量采集单元、人机接口单元、供电单元、无线数据传输单元、输出驱动单元以及一个选配部件，残压闭锁单元。其组成框架如图1所示。

主控制单元是控制器的核心，主要有CPU处理器、SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、以太网接口、RS232串行接口、数据总线、地址总线、CAN总线等组成。

主控模块CPU处理采用双CPU，分为主控CPU和测控CPU，二者功能划分如图2所示。主控CPU采用ARM9芯片，充分利用ARM系统的管理功能，包括通信及文件系统，主要实现通讯及显示和规约解析等，如数据存储、ESAM安全加密、以太网通讯、RS458/RS232通讯和液晶显示等功能。测控保护系统采用DSP高端芯片，性能优越，主要实现信号采集，包括遥信和交流电压电流信号采集，保护逻辑及出口动作。

模拟量采集单元采集交流电压、交流电流和直流电压，采集模拟量为：AB线电压、BC线电压、电源侧零序电压、负荷侧零序电压、A相电流、B相电流、C相电流、零序电流、电池电压。其中零序电压均为电子式互感器信号。遥信量采集单元采集多个遥信量，例如开关合位、開关分位、未储能等。人机接口单元实现液晶显示、指示灯、按钮等。

由于智能馈线终端安装在户外，对于控制器电源所用的元器件要求较高，应适应环境条件，才能保证其正常工作，应考虑电源输入端与输出端之间的绝缘电阻和介电强度。对于配网控制器设备来说，其供电要求相对较高，在常规的交流电源掉电后仍旧需要保证设备在相当长的一段时间内能够正常工作，这就要求电源装置具有类似于蓄电池的储能单元，并且要求具有能量管理功能。直接从供电电网，对设备的电网适应性能力和其输入电压的范围都提出了非常高的要求。电源的供电设备较多，包含了不同的电压等级类型，因而其输出需要有多路电压等级。对于二次设备，输出电压一般为5、15、24V等;对于一次设备则相对差别较大，如24V储能操作机构、110V永磁操作机构、交流操作机构等，要求配网设备电源系统应可以根据需要输出满足要求的直流电。

馈线终端采用双交流供电方式，主电源使用配网行业专用电源，输入为标准220VAC，输出为27V带超级电容（或者蓄电池）管理功能，输出功率可达300W，输入和出输出隔离4kV耐压，后备电源选用27V、30F超级电容，保证在交流失电后，驱动开关分/合闸操作各3次后装置正常工作15min以上，确保故障信息传输至主控制中心。

无线数据传输单元属于远程通讯设备。是一种基于大数据物联网系统的通信工具，利用通信运营商的无线通信资源为用户远程数据通信功能。设备同时兼容RS232和RS485 通信协议，可直接通过计算机的串行通信接口连接到设备，实现数据的多元化传输功能。输出驱动单元提供了分合控制输出，输出驱动从CPU发出驱动信号，经光耦隔离驱动后，接入遥控分闸和合闸驱动继电器的线圈，驱动继电器的常开接点接通电源，引入到开关本体的分闸和合闸线圈，完成开关的分合闸操作。其具体功能主要包括如下5点：①控制器接受并执行来自主站或子站的遥控命令，完成开关的分、合闸操作;②具有远方/本地转换开关：可就地实现开关的分、合闸操作;③分别记录并保存主站及当地遥控记录;④软硬件防误动措施，保证控制操作的可靠性;⑤每个遥控接点可以单独设置动作保持时间。

残压闭锁模块为可选模块，利用高速磁保持继电器获取X时限内的短时间电压瞬时脉冲，做到能够检测出60V及以上持续20ms及以上的残压脉冲并在住控制器启动时给予触发闭锁信号。

3 统一的内外接口

馈线终端单元采样插拔式结构，统一定义馈线终端各模块的外部接口和内部接口，实现不同厂家馈线终端各模块的互换。

4 智能馈线终端的模拟量采集算法

由于实时数据采集是智能馈线终端的主要功能，因此模拟量的采集算法直接对整个系统运行稳定性产生影响。

电压、电流等模拟量信号经过信号调理电路和AD转换电路后成为数字量信号，测控CPU对这些数字量信号进行处理，得到最终所需得信号类型。模拟量采集算法的主要任务是从包含有干扰信号的输入信号中，快速准确提取所需的电参量。本文采用的是全波傅里叶算法。

假设数字量信号是与时间相关的的周期性函数，其周期为T，an和bn为谐波的正余弦幅值，由此得到基波分量表达式为：

其中，

根据第1个和第N个采样点，则可以得到：

这样就得到了基波分量表达式。

5 案例实证

由于测试条件和测试环境不允许，对馈线终端的故障定位功能进行了模拟测试。根据测试要求组建测试平台，利用串口将馈线终端与人机接口对接，对配电网终端进行相关参数的配置，并通过标准的三相功率源对馈线终端装置提供电参量信息。正常工作时，馈线终端的最大线路电压为220V，电流为5A，模拟给定故障电流为10A。如图3所示为系统故障记录，图4为操作记录。

分析数据可知，3号、4号、6号继电器动作，故障发生时间为09：55：3：87时刻，继电器动作时间09：55：18：746，保护动作时间5s左右。与传统的故障保护动作时间相对，采用新算法及新保护方法大大提高了保护速度，进一步减少了故障对设备的影响程度和缩小了故障区域，且只需要一次分闸动作即可实现保护。

6 结语

文章设计了一种智能化的馈线终端，其能够实现多配电场合的应用，实现对原有馈线终端的等效替代功能，具有标准化设计流程，和非常好的可互换性及可替代性。对硬件结构和功能进行了分析，列举了其优越性。最终通过实验室模拟测试的方法验證了其有效性。

参考文献

[1]曾先锋，朱中华，侯炜，等.负相序供电对馈线终端影响分析[J].湖北电力，2019，5（2）：23-26.

[2]C.Bhargave，P.S.R.Murthy，V.Krishna Murthy.Reliability Analysis of Distribution Automation on Different Feeders[J].Bonfring International Journal  of Power Systems and Integrated Circuits，2011（1）：32-38.

[3]傅宁，李温静，马军，等.基于北斗短报文的智能化馈线终端研究[J].中国新通信，2019，12（2）：33-35.

[4]王孟定.配电网馈线自动化技术分析[J].自动化应用，2019，11（4）：4-8.

[5]Qinsheng Du，Baohua Jiang，Yonglin Tang，et al.Design and Implementation of the Embedded Based Web Camera System[J].Journal of Software，2012，7（11）：2560-2566.

[6]朱毅然，安光辉.IEC61850馈线终端的运行问题及其解决方案[J].电工技术，2018，03（5）：47-51.

[7]李昕.分布式馈线终端的开发与应用[J].山东工业技术，2018，19（2）：26-29.

[8]喻文球，靳坤.配电网络馈线终端装置的供电电源研究[J].电源技术，2016（2）：39-41.

[9]姚颂青.浅谈配电网馈线自动化技术的应用和发展[J].企业技术开发，2014（1）：25-27.

[10]Xiaoming Liu， Lian Pan.The Study of Target Tracking Based on ARM Embedded Platform[J]. Journal of Computers，2012，7（8）：2015-2023.

[11]周洪，罗星，邓其军.基于DSP的智能配电网环网柜FTU的设计[J].电力自动化设备，2011，02（4）：124-128.

[12]郭阳春.馈线终端单元的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2015.

[13]孔永超，董张卓，李养俊.基于馈线终端单元的馈线故障定位矩阵算法研究[J].科学技术与工程， 2014，02（4）：24-28.

[15]刘芳华.基于ARM的WIFI无线通信终端的研究与实现[D].武汉：武汉科技大学，2011.