變電站智能化箱式探索

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箱式變電站(簡稱箱變)自動化是城市配電網改造的重要環節，本文從具體的產品出發，以北京科銳公司生產的RDCU-3A為例，介紹適用于箱變自動化的配網終端系統、功能特點及設計原理。

一、引言

箱式變電站(簡稱箱變)適用于住宅小區、城市公用變、繁華鬧市、施工電源等。其自問世以來，發展極為迅速，在國外已普遍使用，在國內已興起，在歐洲發達國家箱變已占配電變壓器的70%，美國已占90%。在國內，城市現代化建設正在飛速發展，城市配電網不斷更新改造，箱變得到了廣泛的應用。同時，隨著國內配網自動化技術的日益成熟以及智能小區不斷崛起，電力用戶對供電質量提出了更高的要求，以前的站前操作、監測、讀表等傳統功能已不能滿足現代電力設備管理和運行管理的要求，廣大用電部門迫切需要箱式變電站能滿足當今市場的需求，智能型箱式變電站應勢而生。

作為箱式變電站、開閉所RTU等電力系統裝置，要做到無人值守，首先要做到四遙(遙測，遙信，遙控，遙調)，而在智能化的處理上，主要是內部某個功能模塊依據各種現場數據通過特定算法完成某種操作的判斷和執行。

二、箱變自動化功能需求

1、具有四遙和在線統計功能

柜箱變自動化設備應能夠實現對箱變進、出線及變壓器的電流、電壓、有功、無功、有功電度、無功電度、頻率、相位等參數的檢測；對配電變壓器的運行情況進行統計，如電壓合格率、各個電參數出現的峰值及時間；實現對開關分合位、有載調壓檔位等狀態量的監視；實現對開關的遠方控制；實現對變壓器的油溫檢測及遠方遙調。

2、具有FA功能

對于接在環網中的箱變，自動化設備應能夠實現進出線的故障識別、故障隔離及非故障區自動送電功能。能夠靈活配置三段式電流保護、一次重合閘及多次重合閘等保護功能，能夠捕捉過流脈沖，能夠實現電流型或電壓型分段器功能。能夠通過其他設備(如手機、筆記本、掌抄器)或裝置操作界面靈活配置各種保護功能和查看實時數據。

3、具有微功耗特點

自動化設備應具有微功耗設計，這樣可以減少對后備電源的要求，甚至取消后備電源，減少日常工作的維護量。

4、具有備自投功能

箱變自動化設備能夠實現雙電或多電源進線的備自投功能，可靠保證供電質量。備自投功能應根據接線方式可以進行多種備投方案的選擇，以實現只要進線有電，則保證負荷有電為原則。

5、具有故障定位和及時報告功能

能夠根據現場故障電流的流經通道，判斷故障點，并通過手機短消息等渠道將故障信息發送給相關運行人員，便于運行人員及時趕到故障現場，對故障進行處理，減少了運行人員的尋線工作量，提高了工作效率。

6、具有無功補償功能

在電力持續緊缺，節能要求日益迫切的今天，無功補償功能具有非?，F實的意義。箱變自動化設備應能夠實現變壓器出線的無功補償功能，控制安裝在配變低壓側的電容器進行動態無功補償，減少通過配電變壓器的無功電流，可以改善低壓電壓質量和降低功率損耗。

7、具有箱變安全防護功能(可選)

箱變自動化設備應能夠實現溫度、濕度、煙霧、盜警等信號的檢測，實現就地報警及遠方傳送，根據檢測到的信息，自動啟動溫控、濕控、滅火等功能。實現防盜、防火、防凝露等功能，確保箱變的安全運行，提高箱變的使用壽命

8、具有視頻監控功能(可選)

箱變實時視頻信息通過攝像頭接入到自動化設備并遠傳到調度中心，實現對箱變實時的圖像監控，從而實現對箱變的實時運行的監視。

三、智能箱變自動控制功能介紹

本節介紹根據箱變的不同結構和不同的開關類型，實現故障的智能處理和其他自動化功能的方案。智能箱變系統采用智能化的配電終端控制器，不僅實現了傳統的SCADA系統中的遠方“四遙”功能，并且由分布式智能配電終端實現了配電網故障自動檢測、自動清除、自動隔離和自動轉移供電等FA功能。

該系統采用分布式配電網保護和環網控制方案，由配電終端智能化地實現配電網保護和實時故障處理功能，故障處理過程不依賴主站，其故障處理速度也提高了數倍。

智能箱變系統的主要自動控制功能包括：

1、負荷開關的故障自動檢測、指示和記錄功能

當箱變的進、出線采用負荷開關時，控制器可以自動檢測開關的電流、電壓狀況，記錄故障電流脈沖并做出指示和告警。

2、斷路器的繼電保護和重合閘功能

對于箱變中的斷路器開關，控制器配置有繼電保護和重合閘功能(可投退)，并可通過內部通信網絡實現箱變內斷路器之間的保護快速配合，以及箱變之間的網絡式保護配合，使距故障點最近的開關快速跳閘。

3、在終端用戶時的備自投功能

多數時候，箱變是為終端用戶供電，為提高供電的可靠性，采用雙電源備用的方式。智能箱變控制器具有電源備自投功能，當一側電源失電或發生故障時，自動隔離故障并投入備用電源。

假設S1常開，為備用電源一側，S2側外部故障或電源失壓時，S2會自動斷開，S1自動合閘，投入備用電源。

4、在SCADA系統中的遠方四遙功能、由主站實現的配電自動化功能

除以上自動化功能外，智能箱變系統的監控裝置完全按照FTU功能設計，因此可以完成SCADA系統中的四遙功能，即遙測、遙信、遙控、遙調(遠方調整參數)?？刂平K端將本地測量數據、開關狀態、故障信息等數據通過GSM或其他通信方式發送給主站，主站將綜合分析和監控系統狀態，并在線路發生故障時，綜合整個系統狀況，可以給出更加精準的故障處理方案。智能箱變的網絡自動重構功能可以由用戶選擇投入或退出，或僅作為主站的故障處理方案的后備。

四、智能箱變的控制系統結構

智能箱變的控制系統利用現代高性能微處理器技術、交流采樣技術、數字信號處理技術和網絡拓撲技術等，對現場的電流、電壓和開關狀態進行采集、計算、判斷，執行相應的自動控制功能，同時，通過適當通信通道，可與上級控制中心通信。系統采用面向對象的模塊化結構設計，每個開關、裝置或功能對應配置一個監控模塊，模塊的功能可以根據用戶的不同需求進行靈活配置和擴展，從而減小用戶的初期投資和定貨風險。

在該系統中，通信管理單元屬于系統核心處理部分，它通過內部通信總線收集每個開關控制器/控制模塊采集到的電流、電壓、開關狀態及過流信息等，對這些信息進行分析處理，將處理結果通過遠動口(101協議或104協議)送給上級主站，上級主站下發的遙控命令經通信管理機處理后下發給相應開關控制器/控制模塊，由這些模塊控制相應的開關動作，從而完成SCADA功能。同時，通信管理單元可以與遠方保護子站通過高速信息交換口進行通信，交換系統故障信息，判斷故障類型和故障位置，從而實現故障的快速清除和隔離。總的來看，該控制系統具有以下特點：

1、模塊化結構

每個控制模塊對應于一個開關、設備或功能對象，不同的對象可以配置不同的功能模塊，但采用的是相同的硬件平臺，便于維護。所有模塊通過系統內部通信總線交換信息，簡化了系統的構成邏輯，便于系統將來的升級和擴展，減小單元間的相互影響。

2、可以根據應用場合自動配置功能

根據開關類型和進出線的不同，可以通過軟件配置不同的功能。

3、靈活的電源和通信系統

系統可以利用直流屏供電，也可以直接利用現場交流供電，并可自配后備電源。系統提供多種內部和外部通信方式。內部通信總線主要采用RS-485或CAN總線，可以根據模塊的多少、類型及系統對數據實時性要求的高低，確定內部通信總線的個數，通常選用2組通信總線，特殊要求時可以選用2組以上內部通信總線。外部通信提供多種通信接口方式(RS232和以太網接口)，支持多種通信協議(IEC870-5-101和104等)和多種通信媒介(光纖、GSM、有線等)。

4、適合各種使用環境

系統可以在戶內使用，也可以全戶外運行。與全戶外箱變配套時，采用箱式、插拔式模塊化結構。箱體采取了防雨、防潮等各種措施，適應各種惡劣環境。在戶內使用時，可以將各單元模塊分散、就地安裝在不同的開關柜上，通過通信總線互聯。也可以集中組屏，或直接采用柜式的插拔式結構。

5、智能箱變控制器的具體實現

多功能測控模塊主要負責采集所管轄的電力對象運行狀態的模擬量和狀態量，監視并向調度中心傳送這些模擬量和狀態量，執行調度中心下發的控制和調度命令。

硬件上采用現場總線技術，支持模塊熱插拔。采用模塊式結構設計，由各自獨立的CPU處理模塊組成，系統內模塊間使用CAN網通信，摒棄傳統的并行總線結構，從根本上解決了插件接觸不良的問題。所有板與板之間進行了完全的電氣隔離，沒有任何電的聯系，從而使得任何插件故障時保證不會影響其他插件的正常運行，在維護故障插件時，可以任意帶電插拔插件而無須關掉整機電源，這樣就克服了由于開關整機電源所造成的一些錯誤信息。

軟件方面主控模塊采用了嵌入式實時操作系統，同時在此操作系統上構建了針對電力系統裝置的二次平臺，所有的應用程序將基于該二次平臺上開發，使得項目開發人員可以不需要了解較深的軟硬件知識，便可以開發出專業的功能軟件，嵌入到該系統中，從而使得該系統的可靠性和快速開發性能得到很大的提高。

(1)模塊的硬件設計

主控模塊采用了高性能的32位單片機模塊，1M的SRAM，512KFLASH，并能提供4個RS422/485/232接口，1個以太網接口，1個CAN口，支持在線直接更新FLASH，主控模塊主要完成和調度通訊，以及和下面智能儀表的通訊，存儲所有的現場數據供各個智能模塊使用。

智能模塊則根據功能的不同的分別采用了INTEL的80C196KC和TI的DSPTMS320F206。每個智能模塊主要完成遙信，遙測數據的采集，遙控的執行，無功補償電容的投切，同樣適用于保護，故障診斷等多種功能的運行。

主控模塊以及各個智能模塊的通訊采用了現場總線CANBUS，該現場總線的主要特點是：

CAN總線屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。全球很多大的汽車公司都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

CAN總線采用了CSMA/CD的載波偵聽多路訪問沖突檢測機制，同時CAN本身提供了循環冗余校驗，加之CAN協議本身使得每個報文幀非常短小，又有出錯重發機制，使得CAN具有非常好的健壯性。比較適合于電力系統這種需要高可靠性和數據量小的場合。另外CAN具有非常優秀的廣播和組播機制，對于數據的共享帶來很大的便利。甚至當主控單元失控的時候依然可以保證功能模塊得到正常的執行。

由于以現場總線方式通訊，所以各個模塊可能實現熱插拔，當某個智能模塊需要維修的時候，可以直接拔下來而不會影響其他模塊的正常運行。由于采用雙絞線的介質，使得系統的電磁兼容性大大增強。同時由于模塊之間完全通過CAN來完成所有的聯系，每個智能模塊的獨立性增強，可能很容易的完成單個模塊的升級。另外可以很容易的掛接新的功能模塊。只要每個功能模塊遵守CAN網通訊規約即可。

(2)模塊的軟件設計

①主控模塊的軟件設計

裝置的軟件設計中，主控單元采用了嵌入式實時操作系統，其他智能模塊根據實際情況決定是否使用操作系統，因為智能模塊往往功能單一，無需使用操作系統，同時可以節約很多資源。本文介紹的軟件設計主要針對于最為復雜的主控單元的軟件設計。

裝置中采用原碼公開的uC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統，該操作系統是全球十大嵌入式實時操作系統之一。該操作系統需要大約20KB的FLASH和1.5KB的RAM。對系統資源需求較少。和正常的商業實時操作系統一樣，該系統采用了搶占式的調度方式。根據任務優先級的不同來決定哪個任務可以優先得到執行權。相比于以前的循環過程控制方式，系統的實時性得到了很大的提高。該操作系統是多任務操作系統，支持多線程的調度方式。在我們的設計中，可以讓每個功能的執行為一個單獨的線程加以執行。由于各個線程都是獨立執行的，這使得項目的組織規劃比較容易，項目組成員的目標明確，而且可以不受相互進度的干擾。

uC/OS-Ⅱ操作系統有一個很重要的特點就是它是開放源碼的，同時是不收取版權費的，使得這款操作系統的性價比比較高。

②力裝置的二次平臺

由于電力系統裝置的很多共性，我們開發了電力裝置的二次平臺，使得整個系統更加富有層次感，程序更加模塊化，同時使得編程更加簡單，錯誤更容易排查，開發人員可以更加專注于自身專業軟件的開發。該二次平臺由內存實時數據庫和通信協議函數庫構成：

內存實時數據庫

我們設計的內存實時數據庫就是數據以一個規定的方式常駐在內存中并能實時更新的內存區。同時它能夠將數據根據它的重要性進行分類，并能根據內存實時數據庫的配置文件及時通知需要這些數據的應用程序。這樣應用程序可以無需去不停的查詢它所需要的數據，而只需要等待內存數據庫的通知即可。使得系統資源的利用率得到大大的提高。內存實時數據庫由一個具有特殊數據結構的緩沖區，一個配置文件，和數據接口三塊構成，其中緩沖區的大小是根據配置文件來確定的。配置文件中則決定該內存數據庫應該包含哪些數據。這些數據的優先級別。從而使得該內存實時數據庫具有相當的主動性，使實時性能得到更好的體現。由于內存數據庫中緩沖區的開辟是根據配置文件得出的，不需要在使用是時進行內存分配，既可以使整個系統的運行更加穩定，而且使得內存的使用能夠得到量化。

通信協議函數庫

通信協議函數庫一直處于一種動態變化的過程，每一個具有通用性的經過長期驗證過的協議函數都會被隨時加入該函數庫。目前該通用函數庫中主要包含一些常用協議及其他公司的協議，如IEC8705-101，104，DNP3.0，DL645等。

總的來看，箱變目前正在向體積小型化、結構簡單化、運行環?；?、絕緣無油化和智能化發展，智能型箱變就是設備二次均采用微機自動化保護裝置，具備遙控、遙信、遙測、遙調和故障識別、隔離及恢復供電功能，并可對變壓器出線實現自動無功補償等功能。使變電站運行水平達到較高的智能化程度，操作簡單，適用性強?！?/p>