基于智能模块化的新型配电终端系统设计

张翠文

（国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000）

0 引 言

近年来配电网安全事故频发，经常出现变压器烧坏、大规模停电等现象，不仅为电力企业带了经济损失，而且也影响了人们的日常生活。因此，提高电力系统供电质量，保证电力设备可靠、安全运行成为了电力行业发展过程中的重要内容，研制性能良好、功能全面的模块化配电终端系统已经迫在眉睫。

1 基于智能模块化的配电终端系统设计

1.1 配电终端系统功能分析

基于智能模块化的配电终端系统主要具备以下功能。

（1）配电终端系统具有交流和直流转换功能，当系统交流电失效时会自动切换至直流电供电，以保证系统的正常运行。

（2）可以读取用户用电信息，具备防窃电功能。

（3）能够检测电能质量，并进行无功补偿，可以改善电能质量。

（4）防漏电保护功能，能够检测接地漏电等异常放电行为，保证用电安全。

（5）具备检测数据自动上传功能，能够与主站进行实时通信，如接收后台指令、数据等，同时也可以自动上传配电终端系统检测信息和用户用电信息等。

由于采用模块化设计，功能模块之间互不干扰，能可靠且无故障地运行，配电终端系统性能要求如下文所述。

（1）高实时性：智能配电终端作为监控装置，其实时性要求较高。首先，须确保设备与所有外围连接设备之间的通信，以便于正确处理监测到的异常情况并防止设备损坏，同时主动上传设备监控的异常信息[1]。

（2）多种通信模式：基于模块化的配电终端系统包括各种通信方式，如通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）通信、网络通信、光纤通信、中压载波通信以及与主站的本地串口通信；外围设备通信方式包括低压载波通信、485通信等。多通信模式要求配电终端系统具备协同处理能力，不同通信模式之间的共存不可避免地导致一些矛盾，配电终端系统需要具备处理协调通信模式共存的能力。

（3）可扩展性：基于模块化的配电终端系统对于扩展性要求较高，配电终端系统需要预留一些接口用于二次开发。

（4）模块化设计：配电终端系统采用模块化设计，因此其集成度较高。在功能不变的情况下，体积比以前的设备小。此外，模块化设计便于维护、维修和更换部分电路，即使部分电路出现故障，也不会影响整个配电终端系统的运行，提高了配电终端系统运行的可靠性[2]。

1.2 配电终端系统总体设计方案

智能模块化配电终端系统功能包括交流电与直流电供电功能、三相电压和三相电流信息采集功能、系统漏电异常信息监测和信息处理功能、无功补偿功能、输电线路输电质量分析功能、电力用户信息自动抄表功能以及与后台主站多种通信功能[3]。

模块化终端配电系统具有采集、保护和监控功能，系统单个中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的处理速度较慢，数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）的价格较贵，且管理难度大，因此本系统采用双核设计思想，即系统为双CPU设计，可以实现数据采集分析和设备管理，同时在保证高速处理系统信息的情况下，提高系统运行稳定性。总体设计方案如图1所示。管理CPU模块主要用于显示信息以及协调各模块工作；执行CPU负责采集各模块运行信息。

图1 模块化配电终端系统设计方案

为实现系统维护和扩展的便利性，配电系统模块化单元之间均为单独设计、调试、修改，可以进一步提高配电终端系统的使用寿命。系统各单元模块图如图2所示。各单元模块之间相互独立互不干扰，即使其中1个单元模块发生故障后，其他单元模块均可以正常运行。此外，管理CPU模块可以实现对其他模块的统计协调管理和调配。

图2 系统各单元模块图

2 模块化单元设计方案

2.1 管理CPU模块设计

配电终端系统核心控制单元即管理CPU模块，主要用于管理所有外围模块，具备进线采集、数据分析、外观采集、交直流控制、变压器电能信息读取和控制、用户用电信息读取和控制以及无功补偿控制等功能。

基于以上功能需求分析，配电终端系统采用lpc1788处理器。lpc1788具有低功耗、高处理速度和多个外围接口的优点。处理器工作温度范围为38～82℃，可在恶劣的室外环境中使用。它包括4种不同类型控制器，具有丰富的资源，十分适合用于工业控制。

管理CPU模块运行方案如图3所示。核心模块连接到主板插座，可以实现同时与多个不同的外围模块进行数据交换。此外，管理CPU与大容量存储器进行连接，可以储存收集到的数据，同时提供历史信息检索等服务。配电终端系统配备多个通信接口，可以实现设备信息的手动更改。

图3 管理CPU模块工作方案

2.2 用户出线交流采集模块设计

该模块的功能基本与进线采集模块相似，均用于收集出线位置三相电流和三相电压数据，并将采集信息传输至管理CPU模块中，以便于对数据的管理和分析，因此出线和进线功能模块之间主要采用信息接口实现相互通信。在本配电终端系统中，通信接口线路主要采用串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线，执行CPU可以轻松采集出线模块的数据，然后计算和分析线路状况，以便于对配电终端系统的管理。用户出线交流采集模块的硬件结构如图4所示。

图4 出线交流采集模块

2.3 无功补偿控制模块设计

基于模块化的配单终端系统无功补偿功能主要依据采集电路电流和电压值，然后根据系统功率因素等各项指标判断系统是否需要进行无功补偿。无功补偿模块主要由补偿电容器并联构成，该电容器具有结构简单、经济实用等优点，其主要具备以下功能：提高线路功率因数，减少无功功率；减少用电设备电能损耗；提高输电质量。

本文构建系统采用集中补偿方式，配电终端系统与电容器之间采用485通信方式，配电终端系统可以实时对电容器投切运行情况进行监测，并通过计算线路输电需求，减少或增加电容器投切量进而达到改善线路输电质量的目的。

电容器投切模块与管理CPU模块之间采用内部集成电路（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信方式，每组光耦连接16路电容器，光耦采用I2C芯片进行控制，进而实现光耦的协同统一控制[4]。

2.4 通信接口与遥控模块设计

通信接口与遥控模块硬件结构如图5所示，该模块包括抄读计量总量接口、电流保护器通信接口、传输控制断路器接口以及分合闸等。

图5 通信接口与遥控模块

该系统主要利用插座实现管理CPU、通信接口和遥控模块之间的连接，采用RS485接口连接外围设备和电流保护器，管理CPU模块可以实时读取电流保护器状态，根据其运行参数控制电流保护器。当外围设备有多个不同的电流保护器时，配电终端系统可以通过识别地址的方式区分电流保护器[5]。另外，通信接口与遥控模块和变压器计量总表之间采用RS485接口连接，可以实现对变压器计量总表实时检测、窃电报警、用户信息采集等功能。当外围设备包括多个计量总表时，配电终端系统也可以通过地址对其进行区分。

3 基于模块化的配电终端系统测试

3.1 电压采集精度测试

根据国家电网发布的电力系统测试技术规范要求，本文利用模块化配电终端系统对额定频率下三相平衡电流和电压采集精度进行测试。

额定功率下三相电压幅值如表1所示，最小测试值为1 V，最大测试值为100 V，测试试验共6组，输入信号频率为50 Hz，允许误差为标准值的0.5%[6]。

从表1中可以看出，在额定功率下A相电压最大误差绝对值为0.119 7 V，最小误差绝对值为0.000 7 V，测量误差均在允许范围内，测量精度较高；B相电压最大误差绝对值为0.039 2 V，最小误差绝对值为0.009 0 V；C相电压最大误差绝对值为0.045 5 V，最小误差绝对值为0.001 2 V[7]。三相电压测量误差均在允许误差范围内，由此可见本文设计的测量系统测量精度较高，满足电压测量精度要求。

表1 三相电压测试结果

3.2 电流采集精度测试

额定功率下三相电流幅值如表2所示，测试试验共5组，最大电流测试值为5 A，最小电流测试值为0.5 A，输入信号频率为50 Hz，电流测试允许误差量程为0.5%。

表2 三相电流测试结果

从表2中可以看出，在额定频率下A相电流采集精度较高，最大误差和最小误差绝对值均为0；B相电流最大误差绝对值为0.002 7 A，最小误差绝对值为0.000 2 A；C相电流最大误差绝对值为0.003 7 A，最小误差绝对值为0.000 4 A。三相电流采集精度均在允许误差值范围内，满足电流采集精度要求[8]。

4 结 论

综上所述，本文对模块化配电终端系统功能进行了分析，并提出了模块化配电终端系统整体设计方案，对每个模块进行了分析，包括管理CPU模块、用户出线交流采集模块、无功补偿控制模块和通信接口与遥控模块。最后对本文设计的模块化配电终端系统三相电流和电压采集精度进行了测试，测量结果精度均在允许值范围内，满足系统设计要求。