配电自动化终端的技术发展历程、现状和趋势

引  言    供电企业为了提高供用电质量水平、提高对电力用户的服务质量，开展与实现配电自动化是必由之路。配电自动化终端装置是实现配电自动化的基础环节，一般指用于配电网监控的馈线配电终端（FTU），配电变压器配电终端（TTU），开闭所远方监控终端（DTU），中压远方站控终端。其功能是实现配电网设备的监控，具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测、继电保护、通信转发等功能。    配电自动化终端装置一般在户外运行，其工作环境与变电站自动化的终端装置相比，要恶劣得多，因此，对于配电自动化终端装置的适应温度、湿度范围、防磁、防震、防潮、防雷、电磁兼容性等方面的要求也要更加严格。    配电自动化技术随着信息技术、计算机技术及自动控制技术的发展而日新月异，系统升级换代很快，本文将对配电自动化终端装置的发展历程、现状及其进展进行分析。    发展历程    国内最早的配电自动化终端装置一般都依赖进口设备，但是，随着国内自动化技术水平的提高，配电自动化的关键设备由依赖进口逐步转向相信国产设备，配电终端已有了国产的入网许可产品，其功能与性能价格比更有利于各供电部门选用。    1  功能的进展    配电终端经历了监控功能的配电远动装置—具有故障诊断功能的集中式配电终端装置一具有面保护功能的分布式配电终端装置几个发展阶段。    我国在20世纪90年代初期，部分电力自动化企业根据配电网监控的要求，开始研制监控功能的配电远动装置，技术从RTU移植过来，具有三遥功能，但是不具有馈线自动化功能。    在20世纪90年代后期，随着配电自动化在全国的试点全面启动，全网的配电自动化的实现由通过重合器时序整定配合的方式逐步过渡到通过FTU（馈线自动化终端）进行故障检测结合通信技术进行故障隔离和非故障区域恢复供电。部分电力自动化企业开始研制具有故障诊断和处理功能的配电终端，以满足集中式处理的馈线自动化功能。    本世纪初期，馈线自动化功能由集中式处理方式向分布式处理方式发展，故障诊断、隔离与恢复的面保护方式成为一种新的技术方向，部分电力自动化企业相继推出具有面保护功能的分布式配电终端装置。当然，面保护方式对通信的可靠性和通信速率提出了更高的要求。    2  通信方式的进展    配电终端FTU经历了串行通信系统—网络型系统的发展阶段。    配电终端的通信方式在很长一段时间是以串行通信方式进行的，通过配电终端的串口与各种不同类型的Modem接口进行信息传输。2001年，东方电子推出了基于光纤以太网通信的配电终端装置，使得配电终端进入了网络型系统的时代。    配电终端采用光纤以太网通信，使配电自动化系统的通信速度大幅度提高，配电自动化功能的进一步分散、分布，设备之间可以相互冗余配置，信息路由简单易行，通信组网灵活方便，可以实现多个配电终端对等通信，为面保护方式提供较好的通信条件。    3  嵌入式软件的进展    配电终端FTU经历了中断加循环的软件结构模式—基于嵌入式实时操作系统软件结构的发展阶段。    早期的配电终端由于受CPU及存储器容量和处理速度的限制，嵌入式软件只能以常规的中断加循环的模式来处理，随着32位CPU及ARM芯片的大量使用，使得嵌入式实时操作系统软件得以应用，这就大大提高了配电终端软件的可靠性和可重用性以及实时响应能力。    技术现状    配电终端技术发展的现状有以下几个方面。    1  普遍采用基于DSP处理技术进行快速采集与计算分析    DSP数字处理技术具有较快的数据处理能力，对于高速交流采样，以及快速故障诊断处理与计算具有较好的适应性，因此在配电自动化终端的设计中被广泛采用，目前在配电终端中广泛使用的有TI公司的和AD公司DSP处理芯片。在设计上，一般采用和主CPU进行双向读写的方式进行交流采样接口，DSP处理芯片进行快速计算，主CPU进行人机对话和通信的功能。    2  集中处理方式下的故障信息诊断技术    由于受通信条件的限制，目前配电自动化中主流的方式仍然是集中控制模式，该模式将配电终端的信息全部收集到一个配电子站中，在该机中对收集到的故障信息进行比较判断，查出故障区段，进行故障隔离与恢复，实现全线路的隔离与恢复。    3  面保护的处理方式    面保护的处理方式在少数通信条件比较好的现场已经开始采用，在该模式下配电终端除了采集本装置的信息外，还通过通信收集本线路相邻的其他设备的信息，作为判断故障点的依据，实现故障的快速隔离。面保护要求通信网实现对等通信的机制，装置根据自身的信号和其他开关的信息，自主进行故障处理功能，具有分布式处理、故障隔离时间较快的特点。    4  配电终端网络化    随着网络技术的发展，以太网在工业控制领域得到了广泛应用，基于以太网的配电自动化终端已逐步成为当前各个自动化厂家开发的主要方式，以太网技术不仅在光纤通信中得到应用，同时在配电终端的配电载波、GPRS以及CDMA通信也得到了应用。    5  软件广泛使用嵌入式实时多任务操作系统    为了提高配电终端的实时响应性能以及软件的性能可靠性和可扩展性，主流厂家普遍采用了嵌入式实时多任务操作系统作为软件系统的支撑平台。目前在配电终端中广泛使用的有VxWorks、pSOS、Nuclear以及嵌入式Linux等。嵌入式实时多任务操作系统通常具有与硬件相关的底层驱动软件、设备驱动接口、通信协议（如：TCP／IP等）以及系统内核。    6  广泛采用工业级芯片提高强电磁环境的适应能力    由于配电终端工作在户外恶劣环境下，在温度范围和湿热试验等方面的型式试验都比常规的户内使用的终端设备有更高的要求。各主流厂家的配电终端广泛采用工业级芯片和抗干扰设计来满足终端的可靠性要求。    我国的电力主管部门自20世纪90年代就开始在远动终端和变电站自动化系统中强制推行入网许可证以来，有效地提高了终端产品的产品质量。配电终端的入网许可证是在90年代后期才开始实行的。    7  多种系统通信方式的广泛支持    通信速率和通信可靠性必须满足馈线自动化要求，系统通信结构应满足在一点通信故障时，数据畅通且功能馈线自动化正常实现，并能够解决配电自动化系统信息量大可能造成的信息瓶颈效应，    选择经济且可靠的配电网通信方式仍然是配电自动化能否大面积推广，真正走向实用的关键因素，国内现有的主要配电自动化终端装置一般都可以支持多种通信方式。    存在的问题和发展趋势    1  主要存在问题    当前配电自动化终端的国产化进程取得了很大的进步，但是，仍然面临一些挑战，主要存在的问题有：    （1）配电终端长期运行的可靠性离实用化要求还有一定的距离。    （2）作为配电终端备用电源的蓄电池的寿命满足不了长期运行的要求。    （3）部分设备出厂前没有通过严格的质量测试，系统在恶劣环境下运行存在质量隐患。    （4）配电自动化系统出厂试验和现场试验没有指导性的试验规范和验收标准。    配电自动化要真正做到实用化，配电终端必须解决以上存在的问题，能够保证在户外长时间可靠运行，当然，由于配电终端运行环境的特点，对其折旧的时间应该和户内自动化产品有所区别，建议行业主管部门在制定折旧时间上适当减少。    2  配电自动化终端的发展趋势     配电自动化相对于调度自动化和变电站自动化来说，还是一个年轻的学科方向，具有很大的技术发展空间，下一代配电自动化终端将从以下几个方面取得突破：    （1）具有和面向对象变电站自动化系统的IEC61850接口。    （2）基于光传感器OPT、OCT的全数字配电自动化终端。    （3）与一次开关设备一体化设计的配电自动化终端。    光传感器的技术发展将使得其成本不断降低，运行可靠性不断提高，由于光传感器能够克服常规传感器的磁饱和特性，配电终端对故障电气参数的测量将更为准确，并且可以不用数模转换，直接构成数字测控终端。IEC61850标准将于近期在国内得到推广，与变电站自动化系统的IEC61850接口将使得配电自动化终端和变电站自动化统一建模，应用更加集成。与一次开关设备一体化设计将使得配电终端在电气和结构上得以更加匹配，便于使用维护，降低成本。