- 頭條運行功耗動態變化的配電終端研發與應用2021-12-22 作者：王霄翔 王文龍 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語配電終端的后備電源一般分為蓄電池和超級電容兩種，相同體積下蓄電池供電時間長但壽命短，超級電容壽命長但供電時間短，且使用超級電容可以減少現場運維人員的工作量。南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員王霄翔、王文龍，在2021年第4期《電氣技術》上撰文，介紹一種運行功耗動態變化的配電終端。它的功耗可根據終端運行工況實時變化，外部有電時全功率運行，提供全部功能和全部運算能力，外部失電并滿足一定條件時，終端進入低功耗模式，降低運行功耗。在不增加后備電源容量的情況下，顯著增加超級電容為后備電源時的供電時間，減少現場運維壓力，延長配電終端免維護使用時間，具有良好的應用前景。
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及測量，形態上主要區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網柜內，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，只能起到監視線路狀態的作用。如今因配電自動化加速推進，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、一次開關的在線監測功能等。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。
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，外部通道數量的減少也導致饋線終端擴展能力差，不能滿足復雜情況下配電自動化的需要。
有研究者開發了配電網監測通信終端，主要選用低功耗元器件降低功耗。有研究者主要從終端芯片和一次開關入手來降低功耗。有研究者對配電終端CPU給出一套調度算法，但是實現較為復雜并且中斷周期較長，不符合配電終端發展趨勢。
本文介紹一種功耗動態變化的饋線終端，可根據線路實際情況動態調整運行工況，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 配電終端硬件設計
以饋線終端為例，介紹硬件設計方案。按照功能來列舉，饋線終端至少應有遙測、遙信、遙控、保護、通信和人機界面等功能模塊。按照模塊化設計思路，將每一部分功能設計成一個單獨的模塊，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采樣芯片和現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）芯片，負責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節，將默認主頻設定在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網絡接口，負責網口對外通信。
1.2 模擬量模塊
模擬量輸入功能由模擬量模塊實現，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兩側電壓、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視后備電源的電壓，共8路模擬量。
開關兩側的電壓既供電又采樣，是判斷線路運行狀態的重要信息，故無論任何情況均需要保證這兩路電壓的采樣，其他幾路采樣設計為可關斷，減少功耗。
1.3 開入模塊
一次開關側傳來的開關量至少有開關分位、開關合位、未儲能位，終端內部電源管理模塊也會有3～4個開關量需要采集，再加上遠方就地、就地分合閘按鈕等本地信息遙信，并預留2～3路遙信備用，一共按照14路開入進行設計。其中，開關分位與開關合位是最重要的開關量信息，除這兩路開入外，其他開入電路設計為可關斷。
1.4 開出模塊
開出模塊包含多路繼電器的輸出，負責終端出口功能，需要控制開關分、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。控制開關分、合為基本功能，開出模塊設計為整體可關斷。
1.5 通信模塊
通信模塊主要負責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、本地運維、接入線損模塊數據。本地運維和接入線損模塊數據串口設計為可關斷，在特定條件下節省裝置功耗。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，根據需要外接液晶模塊的輸出可關斷。
1.6 電源模塊
電源模塊負責終端電源的供給，輸入為DC 24V。設計兩種工作狀態，正常態穩態最大輸出為10W，低功耗態穩態最大輸出為5W。
1.7 硬件設計小結
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行優化，設計低功耗模式和全功耗模式兩種狀態，低功耗模式時通過硬件IO關斷一部分電路，降低功耗，硬件IO的控制由軟件實現。默認狀態下，硬件處于全功耗模式運行狀態。
2 配電終端軟件設計
2.1 軟件模塊組成
配電終端的軟件由保護功能、測量控制、通信和功耗控制四個部分組成。
1）保護功能。三段過電流保護、二段零序過電流保護、三次重合閘、電壓時間型饋線自動化、接地故障判別等保護功能。
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，支持的規約有國網101、國網104、南網101、南網104等，可根據實際需要進行擴展與開發。
4）功耗控制。根據采集到的模擬量、開關量判斷終端運行狀態，對終端功耗進行相應控制。
2.2 功耗控制邏輯
將裝置運行模式分為兩種：全功耗運行模式和低功耗運行模式。
1）全功耗模式下CPU主頻設定為866MHz，低功耗模式下CPU主頻設定為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（開關合位和開關分位），關斷其他通道。
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的判斷機制，通過模擬量、開入量、通信狀態等指標來判斷饋線終端的運行狀態，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，根據當前模擬量輸入情況，當電壓、電流模擬量低于閾值并持續時間超過閾值后，切換為低功耗模式；饋線終端處于低功耗模式時，當電壓模擬量高于閾值并持續時間超過閾值后，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，經過一定時間閾值后，若模擬量采樣值不能達到閾值，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行通信，配電主站發出遙控指令時，CPU模塊立即發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主站進行通信，配電網主站可主動發出指令，切換饋線終端運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，在正常運行工況下，饋線終端可以自行判斷運行模式，實現功耗的動態變化。
低功耗模式下，饋線終端仍保留了基本的開關位置采集、線路電壓采集、基本保護（過電流及告警功能）和對上串口101規約通信功能。現場一般只有在線路故障或停運的狀態下，饋線終端才會進入低功耗模式，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場使用帶來問題。
3 測試與現場應用
3.1 測試
饋線終端軟硬件開發完成后，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果
經過測試，在低功耗模式下，后備電源帶電時間長達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，效果達到預期。
3.2 現場應用
2019年10月，在廣東廣州若干配電網架空線路試運行一批帶超級電容后備電源的運行功耗動態變化的饋線終端，根據現場調試人員及運行后用戶反饋，后備電源帶電時間均達到4.5h以上，與配備鉛酸蓄電池的常規饋線終端性能指標一樣，現場運行達到預期目的。
4 結論
本文介紹了一種運行功耗動態變化的配電終端，根據線路運行情況可以降低終端功耗，配合大容量的超級電容，可以達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，便于遠程控制。研究成果達到了預期目的。
配電終端應用在電力行業，使用的芯片均采用工業級穩定性較高的芯片，相對于一些通信芯片，此種芯片在功耗控制和頻率調節方面能力較弱，不能大幅度降低空載時的運行功耗，故本文的功耗調節范圍仍然不夠大，后續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。
本文編自2021年第4期《電氣技術》，論文標題為“運行功耗動態變化的配電終端研發與應用”，作者為王霄翔、王文龍。
