新型配电自动化远方终端设计方案

　　1 引言

　　配电系统具有元件多。结构复杂的特点。据统计约80％的用户停电事故均由配电系统障碍引起。因此配电系统供电可靠性对提高供电质量非常重要，而配电自动化系统的持续改造和升级是提高配电系统可靠性的重要手段。

　　传统的远方终端单元RTU(remote terminal unit)仅是一个完成“上传数据，下达命令”任务的现场终端单元。在配电自动化系统中，为提高故障切除的快速性、准确性，以及配电网供电可靠性，需使用微机化自动装置完成除RTU所具有的数据采集和控制功能外，还能实现不依赖于主站的本地自动控制功能，如低周减载、备用电源自投等。由于这些装置既要完成配电自动化主站服务功能，又要独立完成本地保护、控制功能，即现场自动化单元FAU(field automation unit)。因此，提出一种无保护功能的现场自动化单元，将这种装置称为配电自动化远方终端DA-RTU(distribution automation-remote terminal unit)。

　　2 DA-RTU基本功能

　　由于被监控的设备不同，应用要求也不同，故对实际工程DA-RTU来说，应根据具体的应用情况，选择以下功能：

　　(1)常规的“四遥”功能DA-RTU首先应具有常规的调度自动化RTU的遥测、遥信、遥控、遥调功能。除正常负荷状态下的电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、频率外，DA-RTU还要能够测量零序、负序电压及电流等反映系统不平衡程度的电气量。

　　(2)配电网故障信息采集与处理功能配电自动化系统是一个综合的配电网及设备运行管理系统，具有故障定位、自动隔离故障及恢复供电以及其他故障管理功能。因此，DA-RTU能够采集、处理故障数据及信息，这是区别于常规调度自动化RTU的一个重要特点。DA-RTU采集的故障信息包括：故障电流、电压值；故障发生时间及故障历时；故障方向；小电流接地故障检测。

　　(3)电能质量测量功能DA-RTU应能测量电能质量。测量的内容包括：供电电压中的谐波、电压波动、电压闪变等参数。

　　(4)断路器在线监视功能通过测量、记录断路器累计切断故障电流的水平、动作时间、断路器动作次数，监视断路器触头受电腐蚀的程度以及断路器的机械性能，为断路器状态检修提供依据。DA-RTU测量记录的参数及数据有：累计切断电流的水平、断路器动作时间以及断路器动作次数。累计切断电流的水平，即： ∑I2△t。其中，I为断路器切断故障电流有效值，△t为断路器触头拉弧时间，近似于断路器合位辅助触头变位和线路电流消失之间的时间差；断路器动作时间一般是近似于跳闸继电器动作和断路器合位辅助触头变位完毕之间的时间差；断路器动作次数是指分／合操作断路器的次数。

　　(5)PLC功能 PLC应用于DA-RTU实现低周减载、备用电源自投、无功补偿电容器自动投切、线路自动故障分段等本地自动控制功能。通过编写响应的软件程序设置RTU的模拟输入量、开关输入量及开关输出量装置，设定所完成的逻辑控制功能。

　　3 DA-RTU故障检测功能

　　3．1 短路故障检测

　　配电网系统故障区段检测是由主站通过比较DA-RTU的故障检测结果确定的，不要求它像保护继电器那样具有选择性，以及输出跳闸信号，只要能检测出有故障电流出现即可，要求时间相对较长，装置有充分的时间对采样数据进行分析判断以可靠地检测出故障。

　　DA-RTU使用保护电流互感器(TA)检测短路故障，不采取同时接入保护与测量TA的方法，为同时满足故障检测和测量需求，采用饱和型TA。饱和型TA 的特性在负荷电流区间接近测量TA的特性，额定电流2倍以上时故障快速饱和。DA-RTU故障检测整定值按照躲过负荷电流的整定原则，通过检测电流互感器二次电流输出是否出现饱和现象判断线路出现故障，利用每一周期TA饱和前这段时间的输出，估算出工频电流的幅值，以及检测故障电流的方向。

　　3．2 小电流系统单相接地故障检测

　　我国配电网采用小电流接地方式。由于接地电流小，单相接地故障检测是一难题。单相接地故障时，暂态零序电流值远大于稳态值，因此，利用暂态零序电流值检测有较高的灵敏度。另一方面，相当一部分单相接地故障是间歇式电弧接地故障，即故障点电弧不稳定，间歇性地在电压达到或接近峰值时故障点击穿拉弧，而在电流过零点时电弧熄灭。间隙性接地现象引起持续的暂态过程，影响基于稳态工频或谐波分量的检测方法的正确判断，而应用故障暂态高频电流的方法可充分利用故障暂态电流信号的能量。为满足基于暂态分量的单相接地故障检测要求，DA-RTU设计了具有数百千赫兹的采样频率记录及实时处理能力，经计算可检测到暂态零序电流有效值。主站通过比较在同一时刻不同的DA-RTU检测到的暂态零序电流有效值，可确定故障线路及故障区段。

　　4 DA-RTU通信技术

　　以DA-RTU为现场单元构成的配电网系统中(见图1)通信技术非常重要。具体通信分为与主站的通信和局域通信两部分。

　　4．1 与主站的通信技术

　　DA-RTU的通信数据量比先前的调度自动化系统RTU要小得多。DA-RTU能主动向控制主站遥信量变位、遥测量越限及故障信息等，主站间隔一定的时间(如0．5 h)访问各个DA-RTU，以确认DA-RTU是否工作正常。与传统的调度自动化系统相比，配电自动化系统规模大，涉及到的现场自动化装置数量大、种类多。有关制造商较多，为了做到不同厂商生产的装置、系统能够方便地互联，采用开放的标准通信规约。目前，国际电工委员会制定的IEC 870-5及在北美地区较流行的DNP 3．0规约是两个比较合适的配电自动化系统的通信规约，支持RTU主动方式，能及时故障信息。DNP 3．0是符合OSI系统模型的开放式规约，与IEC 870-5基本兼容，并根据实际需要进行修改，已被IEEE推荐为在RTU与主站间通信的规约。

　　4．2 局域通信技术

　　DA-RTU设计有局域网通信接口，可以是RS-232／485接口，也可以是CAN，LonWorks等现场总线接口。主要有3个用途：(1)通过该接口多个同类型的DA-RTU装置互联，构成分布式系统；(2)DA-RTU作为数据集中器，例如用于柱上开关或环网柜的 FTU可利用该接口与附近小区的其他电子智能装置(如自动抄表装置)连接，实现数据转发，以优化通信通道配置，减少通信通道投资；(3)DA-RTU能够接人由其他装置构成的局域网，其上、下行数据由其他数据转发器或具有数据转发功能的自动装置转发。

　　5 DA-RTU交流采样技术

　　现在的RTU一般使用交流采样技术。即直接利用输入的电压、电流信号计算所需的各种电气量，并进行故障检测，计算量很大，普通的CPU很难胜任。因此，一般采用专用的数字信号处理器(DSP)计算所需的各种模拟量，计算结果通过其接口送普通的主(host)CPU，主CPU仍像在常规RTU那样实现通信、开关量的处理等功能。DA-RTU使用交流采样技术的优点是：省去直流变送器，降低造价，简化装置构成，测量功能强，可测量故障电流等用直流采样方法不易测量的参数，计算各种电气量更灵活、方便；调试、校正方便，测量高。交流采样RTU把交流输入通道、传感器等误差校正系数储存在不挥发内存里，对 A／D转换后的原始数据及校正参数进行数字运算后，得到所需的电气量，因此具有很高的测量。给RTU输入标准信号，运行校正程序，输入标准值，RTU 能够自动计算，生成误差校正系数，写入不挥发内存中。

　　6 DA-RTU分布式设计技术

　　DA-RTU应用的场合从只监控一条线路的柱上开关到几条线路的环网柜，甚至到十几条线路的开闭所、变电站，对输入输出量的个数要求从几个到上百个不等，传统的集中式结构很难适应不同的应用要求。因此，DA-RTU应采用分布式设计技术。

　　分布式设计技术实质是一个DA-RTU，具有一定量输入输出配置。完成一个或多个配电设备的监控功能，DA-RTU设计有局域网接口。通过该局域网接口将多个DA-RTU连接在一起，完成更多配电设备的监控工作。DA-RTU具有数据转发功能，其中任何一个DA-RTU均可作为主RTU与主站通信。一个普通的DSP能够处理的交流输入量为十几个，监视1~4条线路，所以一个DA-RTU的输入输出配置一般不超过监控4条线路所需的数量。

　　7 DA-RTU配置及维护

　　现代DA-RTU正朝着一个开放的电力自动化装置平台方向发展，其硬件本身采用模块化设计，可扩展性好，而软件采用实时多任务操作系统，可以很容易地植入新的功能模块。RTU实际所完成的功能由装置不挥发内存的配置方式字所确定，用户可通过修改配置方式字改变装置的功能，减少了工程应用开发工作量，提高了装置性价比。

　　DA-RTU设有专用维护通信口，把该口与PC机相连，运行专用程序，用户可在PC机上在线检查、修改装置的配置方式字，监视装置的测量数据及运行状态。有些。DA-RTU甚至可做到通过该口应用程序模块，以更改有错误的程序，增加新的功能。通过DA-RTU的主站通信口，操作人员应该能够在主站通过通信通道上装或装置的配置方式字。

　　8 结束语

　　随着计算机软硬件技术和通信技术的发展，配电网自动化技术会不断发展，逐步实现配电网的监控、馈线自动化及就地保护、控制功能，配电网自动化系统运行将更加稳定，电网供电更加可靠，电网供电质量将进一步得到提高。