運(yùn)行功耗動態(tài)變化的配電終端研發(fā)與應(yīng)用

王霄翔 王文龍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

配電終端一般分為站所終端和饋線終端。饋線終端一般用于柱上架空線路的保護(hù)及測量，形態(tài)上主要區(qū)分為罩式饋線終端和箱式饋線終端兩種類型。站所終端一般在開閉所或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)，大多為集中式。饋線終端和站所終端均配備超級電容或蓄電池作為后備電源。以饋線終端為例，一般來說，超級電容的后備電源供電時間不小于15min，壽命約為5 年；蓄電池后備電源供電時間不小于4h，壽命約為2 年。

以前運(yùn)行的配電終端功能很少，只有兩遙（遙信、遙測）功能，只能起到監(jiān)視線路狀態(tài)的作用。如今因配電自動化加速推進(jìn)，對配電終端功能的要求越來越高，不僅要滿足基本的三遙（遙信、遙測、遙控）功能，還要具備接地故障判別、電壓時間型饋線自動化、線損計量、一次開關(guān)的在線監(jiān)測功能等。同時，對配電終端的計算能力也提出了更高的要求，終端的功耗因此提高，對后備電源容量的要求也越來越高。目前使用的后備電源主要為蓄電池，其2～3 年維護(hù)一次已顯得較為繁瑣。用戶更希望使用容量稍大的超級電容，壽命長、維護(hù)成本低，但超級電容僅能維持15min 的供電時間。后備電源的容量受成本、體積、質(zhì)量的限制，不能無限增大，如何在滿足功能需求的前提下控制饋線終端的功耗顯得十分重要[1-5]。

為了延長后備電源的供電時間、降低饋線終端的功耗，有些研究人員選擇功耗低的芯片作為主計算芯片，并盡量減少模擬量、通信及開入開出的接口數(shù)量，這樣可以大幅度降低饋線終端的功耗，但功耗低的芯片性能不強(qiáng)，外部通道數(shù)量的減少也導(dǎo)致饋線終端擴(kuò)展能力差，不能滿足復(fù)雜情況下配電自動化的需要。文獻(xiàn)[6]是配電網(wǎng)監(jiān)測通信終端的開發(fā)，主要選用低功耗元器件降低功耗。文獻(xiàn)[7]主要從終端芯片和一次開關(guān)入手來降低功耗。文獻(xiàn)[8]對配電終端CPU 給出一套調(diào)度算法，但是實現(xiàn)較為復(fù)雜并且中斷周期較長，不符合配電終端發(fā)展趨勢。本文介紹一種功耗動態(tài)變化的饋線終端，可根據(jù)線路實際情況動態(tài)調(diào)整運(yùn)行工況，在后備電源大小不增加的情況下增加后備電源供電時間。

1 配電終端硬件設(shè)計

以饋線終端為例，介紹硬件設(shè)計方案。按照功能來列舉，饋線終端至少應(yīng)有遙測、遙信、遙控、保護(hù)、通信和人機(jī)界面等功能模塊。按照模塊化設(shè)計思路，將每一部分功能設(shè)計成一個單獨(dú)的模塊，拆分為CPU 模塊、模擬量模塊、電源模塊、開入模塊、開出模塊、通信模塊，最終通過一個總線板將所有模塊連接在一起。饋線終端硬件框圖如圖1所示。

圖1 饋線終端硬件框圖

1.1 CPU 模塊

CPU 模塊包含雙核處理器、雙路A-D 采樣芯片和現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array,FPGA）芯片，負(fù)責(zé)采樣計算和各種邏輯計算。為滿足小電流接地、高速錄波等高性能需求，選取最高主頻為866MHz 的處理器。該處理器支持主頻調(diào)節(jié)，將默認(rèn)主頻設(shè)定在866MHz，計算能力滿足各種需求；低功耗切換主頻后為667MHz，功耗降低，能滿足基本需求。CPU 模塊同時具有RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，負(fù)責(zé)網(wǎng)口對外通信。

1.2 模擬量模塊

模擬量輸入功能由模擬量模塊實現(xiàn)，由若干小PT/小CT 組成，主要作用是將一次互感器的二次信號轉(zhuǎn)換為A-D 芯片可以采樣的小電壓電流信號。饋線終端需要采集開關(guān)兩側(cè)電壓、零序電壓、三相電流及零序電流，再增加一路直流電壓采集用于監(jiān)視后備電源的電壓，共8 路模擬量。開關(guān)兩側(cè)的電壓既供電又采樣，是判斷線路運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，故無論任何情況均需要保證這兩路電壓的采樣，其他幾路采樣設(shè)計為可關(guān)斷，減少功耗。

1.3 開入模塊

一次開關(guān)側(cè)傳來的開關(guān)量至少有開關(guān)分位、開關(guān)合位、未儲能位，終端內(nèi)部電源管理模塊也會有3～4 個開關(guān)量需要采集，再加上遠(yuǎn)方就地、就地分合閘按鈕等本地信息遙信，并預(yù)留2～3 路遙信備用，一共按照14 路開入進(jìn)行設(shè)計。其中，開關(guān)分位與開關(guān)合位是最重要的開關(guān)量信息，除這兩路開入外，其他開入電路設(shè)計為可關(guān)斷。

1.4 開出模塊

開出模塊包含多路繼電器的輸出，負(fù)責(zé)終端出口功能，需要控制開關(guān)分、合和控制電源管理模塊活化、停止活化，一共需要兩組（四路）出口?？刂崎_關(guān)分、合為基本功能，開出模塊設(shè)計為整體可關(guān)斷。

1.5 通信模塊

通信模塊主要負(fù)責(zé)串口通信和外置液晶功能。饋線終端需要具備至少3 路串口，分別用于對上無線通信、本地運(yùn)維、接入線損模塊數(shù)據(jù)。本地運(yùn)維和接入線損模塊數(shù)據(jù)串口設(shè)計為可關(guān)斷，在特定條件下節(jié)省裝置功耗。通信模塊還具備一路外接液晶模塊的輸出接口，可以外接液晶操作界面，根據(jù)需要外接液晶模塊的輸出可關(guān)斷。

1.6 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)終端電源的供給，輸入為DC 24V。設(shè)計兩種工作狀態(tài)，正常態(tài)穩(wěn)態(tài)最大輸出為10W，低功耗態(tài)穩(wěn)態(tài)最大輸出為5W。

1.7 硬件設(shè)計小結(jié)

在滿足饋線終端功能要求的前提下，對各個模塊針對功耗進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計低功耗模式和全功耗模式兩種狀態(tài)，低功耗模式時通過硬件IO 關(guān)斷一部分電路，降低功耗，硬件IO 的控制由軟件實現(xiàn)。默認(rèn)狀態(tài)下，硬件處于全功耗模式運(yùn)行狀態(tài)。

2 配電終端軟件設(shè)計

2.1 軟件模塊組成

配電終端的軟件由保護(hù)功能、測量控制、通信和功耗控制四個部分組成。

1）保護(hù)功能。三段過電流保護(hù)、二段零序過電流保護(hù)、三次重合閘、電壓時間型饋線自動化、接地故障判別等保護(hù)功能。

2）測量控制。實時的電壓、電流、頻率和功率的計算，遙控功能，同期功能。

3）通信。對上通信，支持的規(guī)約有國網(wǎng)101、國網(wǎng)104、南網(wǎng)101、南網(wǎng)104 等，可根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展與開發(fā)。

4）功耗控制。根據(jù)采集到的模擬量、開關(guān)量判斷終端運(yùn)行狀態(tài)，對終端功耗進(jìn)行相應(yīng)控制。

2.2 功耗控制邏輯

將裝置運(yùn)行模式分為兩種：全功耗運(yùn)行模式和低功耗運(yùn)行模式。

1）全功耗模式下CPU 主頻設(shè)定為866MHz，低功耗模式下CPU 主頻設(shè)定為667MHz。

2）全功耗模式下模擬量采集模塊開放所有通道，低功耗模式下模擬量采集模塊僅開放兩路電壓采集通道，關(guān)斷其他通道。

3）全功耗模式下開入模塊開放所有通道，低功耗模式下開入模塊僅能采集兩路開入（開關(guān)合位和開關(guān)分位），關(guān)斷其他通道。

4）全功耗模式下開出模塊開放所有通道，低功耗模式下開出模塊整體關(guān)斷。

5）全功耗模式下通信模塊開放所有串口和外置液晶輸出功能，低功耗模式下僅支持一路RS 232 串口，關(guān)斷其他串口和外置液晶輸出功能。

CPU 模塊有一套饋線終端工作狀態(tài)的判斷機(jī)制，通過模擬量、開入量、通信狀態(tài)等指標(biāo)來判斷饋線終端的運(yùn)行狀態(tài)，可以控制終端在全功耗模式與低功耗模式之間切換。功耗切換邏輯包括：

1）饋線終端處于全功耗模式時，根據(jù)當(dāng)前模擬量輸入情況，當(dāng)電壓、電流模擬量低于閾值并持續(xù)時間超過閾值后，切換為低功耗模式；饋線終端處于低功耗模式時，當(dāng)電壓模擬量高于閾值并持續(xù)時間超過閾值后，切換為全功耗模式，邏輯框圖如圖2所示。

圖2 切換邏輯1

2）饋線終端處于低功耗模式時，若檢測到遙信輸入量的變化，則自動切換為全功耗模式，經(jīng)過一定時間閾值后，若模擬量采樣值不能達(dá)到閾值，則饋線終端切換為低功耗模式，邏輯框圖如圖3 所示。

圖3 切換邏輯2

3）CPU 模塊通過通信模塊可以與配電主站進(jìn)行通信，配電主站發(fā)出遙控指令時，CPU 模塊立即發(fā)出指令喚醒饋線終端，切換至全功耗模式，邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 切換邏輯3

4）CPU 模塊通過通信模塊可以與配電網(wǎng)主站進(jìn)行通信，配電網(wǎng)主站可主動發(fā)出指令，切換饋線終端運(yùn)行模式為全功耗模式或低功耗模式，邏輯框圖如圖5 所示。

圖5 切換邏輯4

通過以上四種邏輯，在正常運(yùn)行工況下，饋線終端可以自行判斷運(yùn)行模式，實現(xiàn)功耗的動態(tài)變化。

低功耗模式下，饋線終端仍保留了基本的開關(guān)位置采集、線路電壓采集、基本保護(hù)（過電流及告警功能）和對上串口101 規(guī)約通信功能?，F(xiàn)場一般只有在線路故障或停運(yùn)的狀態(tài)下，饋線終端才會進(jìn)入低功耗模式，雖然減少了一部分模擬量采集、開入和開出通道，但不會給饋線終端的現(xiàn)場使用帶來問題。

3 測試與現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 測試

饋線終端軟硬件開發(fā)完成后，配合63V、84F超級電容，終端功耗及后備電源帶電時間見表1。

表1 終端功耗和后備電源測試結(jié)果

經(jīng)過測試，在低功耗模式下，后備電源帶電時間長達(dá)5h30min，包含饋線終端帶柱上SF6斷路器三次分閘、三次合閘（包含儲能），相比全功耗模式后備電源帶電時間增加30%左右，效果達(dá)到預(yù)期。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2019 年10 月，在廣東廣州若干配電網(wǎng)架空線路試運(yùn)行一批帶超級電容后備電源的運(yùn)行功耗動態(tài)變化的饋線終端，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試人員及運(yùn)行后用戶反饋，后備電源帶電時間均達(dá)到4.5h 以上，與配備鉛酸蓄電池的常規(guī)饋線終端性能指標(biāo)一樣，現(xiàn)場運(yùn)行達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種運(yùn)行功耗動態(tài)變化的配電終端，根據(jù)線路運(yùn)行情況可以降低終端功耗，配合大容量的超級電容，可以達(dá)到鉛酸蓄電池的供電水平，超級電容相比鉛酸蓄電池壽命長、損耗低，可以極大地減少用戶的運(yùn)維成本。延長后備電源帶電時間可以給線路檢修和故障排查留出更多的時間，使終端在線時間更長，便于遠(yuǎn)程控制。研究成果達(dá)到了預(yù)期目的。

配電終端應(yīng)用在電力行業(yè)，使用的芯片均采用工業(yè)級穩(wěn)定性較高的芯片，相對于一些通信芯片，此種芯片在功耗控制和頻率調(diào)節(jié)方面能力較弱，不能大幅度降低空載時的運(yùn)行功耗，故本文的功耗調(diào)節(jié)范圍仍然不夠大，后續(xù)還需要在保證終端功能的前提下，在軟硬件雙重層面尋找減少終端功耗的可能。