集成芯片化DTU智能环网柜的设计与实现

集成芯片化DTU智能环网柜的设计与实山东中实易通集团有限公司山东省济南市250000摘要：近些年来，智能化电网取得了前所未有的进步，同时在开关方面也逐渐向自动化、信息化的方向转变。开关柜智能操控装置的内部结构采用了一体化布局，使得开关柜的面板设计得以简化，同时面板布局也进行了美化设计。人们对电能质量、供电可靠性和企业的优质服务水平提出了更高的要求，“加强城市配电网建设，推进电网智能化”是城市基础建设重点任务之一，这是近年来在国家层面上第一次将加强建设智能配电网上升到战略高度。同时，随着分布式电源快速发展，电动汽车、储能装置等大量接入，配电网由无源网成为有源网，潮流由单向变为多向，要求配电网提高适应能力，加快升级改造显得日益紧迫。关键词：集成芯片DTU；智能环网柜；设计1、概述配电自动化建设中，环网柜以其体积小、结构紧凑、安装方便、维护简单、安全可靠、方便供电等诸多优点而被广泛应用。随着智能配电网的建设，环网柜要求小型化、智能化、网络化，实现配网自动化的功能。目前常用的做法是利用现有的产品，在普通环网柜的基础上配置电流互感器、电压互感器、电动操作机构、故障指示器、继电保护模块、配电终端单元（DTU）等，使环网柜具备测控与保护功能，实现基本配电自动化功能。传统DTU的架构是核心单元加外围部件，并配备后备电源及通信模块.其不足之处：1）DTU里面的功能部件过于冗杂，造成DTU本身体积较大，安装维护不方便；2）环网柜对DTU依赖性很强，如环网柜使用的是DTU自带后备电源，如DTU故障，易造成环网柜整个二次控制回路掉电，不利于提高供电的可靠性；3）环网柜中功能模块重复，如环网柜在配备DTU的同时需要在出线间隔配置看门狗保护装置，功能冗余重复，整体功耗高，不利于设备整体功能及性能的优化；4）环网柜整体结构远没有达到理想的架构，各功能模块之间的配合没有实现优化组合。随着监测与传感、通信与实时数据处理、机械与电气融合等技术的发展，更多种技术的融合是实现配电开关设备智能化的技术，也是未来的发展必然趋势。以环网开关设备在线监测，环境监测与故障诊断为技术基础，结合馈线自动化FA，继电保护与测控，绝缘技术，将逻辑功能，装置结构与开关本体一体化集成设计智能环网柜。通过优化设计，实现环网柜的一二次有机融合。同时芯片化DTU采用标准化设计，实现即插即用，方便系统运行维护，提高系统可靠性，芯片化智能环网柜的设计与改造，芯片化DTU的集成和通信方式研究。2、芯片化智能环网柜的设计改造2.1芯片化DTU硬件平台设计芯片化DTU装置采用Xilinx公司的ZYNQ系列芯片，属于SoC的一种，装置具体实施时，将部分功能由外设芯片实现；采用双核AMP模式，ZYNQ芯片两个ARMCPU运行工作在不同模式下，其中一个是实时系统下完成保护功能，一个是在LINUX操作系统下完成测控和通信管理功能。2.2芯片化DTU结构设计1）采用分布式DTU设计方案，芯片化DTU按单元配置，可就地安装在开关柜内；2）芯片化DTU结构尺寸：长240mm，宽180mm，高100mm；3）使用一体式机壳、采用防锈铝材料，密封设计，实现IP67防护等级，与外部采用航空插头接口；4）优化结构布局，让CPU芯片元件通过导热硅胶与外壳直接接触，降低关键元件的温度，保证装置可靠工作于-40-70度高温。2.3芯片化DTU功能设计2.3.1测控功能芯片化DTU实现对开关的监测，包括三相电压、三相电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、直流电压等。遥信输入类型可定义（单点遥信输入、双点遥信输入、脉冲输入等），提供大容量的事件顺序记录（SOE），遥信防抖时间及SOE容量软件可设。接受主站下发的遥控命令，输出触点闭合时间软件可设。2.3.2通信管理功能装置支持多个通道、多种远动规约同时运行，各通道可以灵活配置规约，任意接入相关智能设备。提供对接入数据的二次处理能力，并可以按数据项重新组合成新的虚设备或以设备为单位进行数据转发。装置支持多主站，规约丰富，提供IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT92、MODBUS、DNP3.0等多种常用规约及IEC61850规约；规约支持以动态库方式加载，添加新规约或升级规约均非常方便。2.3.3就地保护功能故障检测以开关为单位，实现三段式过流检测、零流检测、故障跳闸、重合闸、过负荷告警、PT断线/失压告警、过电压检测等功能，这些功能均可以通过软压板投退。另外装置支持故障录波，故障信息通过传统虚拟遥信方式和专用故障信息通道上送。2.3.4网络化保护功能网络化保护即智能分布式FA功能，芯片化DTU支持对等通信，通过相邻装置间的信息交互实现故障快速定位、隔离功能。相邻的芯片化DTU之间建立以太网通信通道，通信规约采用GOOSE。开关间信息交互内容包括：1）故障定位逻辑:对于一个检测到故障的闭合开关来说，如果它左侧相邻所有闭合的开关都没有检测到故障，则表明故障点在它左侧节点；右侧亦然。对于一个未检测到故障的闭合开关来说，如果它左侧相邻所有闭合的开关有且只有一个开关检测到故障，则表明故障点在它左侧节点；右侧亦然。2）故障隔离逻辑。对于一个检测到故障的合闸状态的断路器来说，如果故障点在它相邻左侧或右侧节点，则直接跳闸隔离故障；开关分闸后，向上游相邻断路器发送隔离成功信号。对于一个检测到故障的合闸状态的负荷开关来说，如果故障点在它相邻左侧或右侧节点，则等待三相无流或无压，条件满足后跳闸隔离故障；开关分闸后，向上游相邻断路器发送隔离成功信号。对于一个未检测到故障的合闸状态的开关来说，如果故障点在它相邻左侧或右侧节点，则直接跳闸隔离故障；开关分闸后，向下游侧相邻开关发送隔离成功信号。2.4集成和通信方式2.4.1通信接口配置1）以太网：芯片化DTU提供2个以太网口考虑到千兆以太网不能向下自适应，在配网应用中，接入信号和调试都很不方便，设计时考虑2个以太网改为电口。2)串口：提供4个RS-485/RS-232串口电缆头温度传感器通信接入1路，环网柜内温湿度传感器通信接入1路，DTU各传感器厂家通信不兼容，如果传感器厂家通信兼容，RS-485串口可以减少到1个。3)内置无线通信模块：芯片内部集成无线GPRS模块，可支持3G、4G网络通信。2.4.2分布式DTU通信方案一个环网柜中各单元的分布式DTU将信息汇总到其中一台分布式DTU中，由该DTU对主站通信。汇集DTU对主站的通信方式考虑采用汇集DTU主备方案，一个环网柜内可设置2台DTU分别作为汇集DTU。结语：集成芯片化DTU的智能环网柜是以环网开关设备在线监测与故障诊断技术为基础，结合继电保护和测控技术，基于芯片化系统技术SOC的新型10kV智能环网柜。新型智能环网柜将传统DTU的功能，包括测控、保护、通信等功能集成于单个芯片，以该芯片为核心研发单插件式采集控制装置，并采用嵌入式的安装方式集成到智能环网柜中。参考文献：康在强，周志洋，周行，等.智能化环网柜的系统设计和应用实现[J]