运行功耗动态变化的配电终端研发与应用
运行功耗动态变化的配电终端研发与应用
原创2021-08-13 17:58·
配电终端的后备电源一般分为蓄电池和超级电容两种，相同体积下蓄电池供电时间长但寿命短，超级电容寿命长但供电时间短，且使用超级电容可以减少现场运维人员的工作量。南京南瑞继保电气有限公司的研究人员王霄翔、王文龙，在2021年第4期《电气技术》上撰文，介绍一种运行功耗动态变化的配电终端。
它的功耗可根据终端运行工况实时变化，外部有电时全功率运行，提供全部功能和全部运算能力，外部失电并满足一定条件时，终端进入低功耗模式，降低运行功耗。在不增加后备电源容量的情况下，显著增加超级电容为后备电源时的供电时间，减少现场运维压力，延长配电终端免维护使用时间，具有良好的应用前景。
配电终端一般分为站所终端和馈线终端。馈线终端一般用于柱上架空线路的保护及测量，形态上主要区分为罩式馈线终端和箱式馈线终端两种类型。站所终端一般在开闭所或环网柜内，大多为集中式。馈线终端和站所终端均配备超级电容或蓄电池作为后备电源。以馈线终端为例，一般来说，超级电容的后备电源供电时间不小于15min，寿命约为5年；蓄电池后备电源供电时间不小于4h，寿命约为2年。
以前运行的配电终端功能很少，只有两遥（遥信、遥测）功能，只能起到监视线路状态的作用。如今因配电自动化加速推进，对配电终端功能的要求越来越高，不仅要满足基本的三遥（遥信、遥测、遥控）功能，还要具备接地故障判别、电压时间型馈线自动化、线损计量、一次开关的在线监测功能等。同时，对配电终端的计算能力也提出了更高的要求，终端的功耗因此提高，对后备电源容量的要求也越来越高。
目前使用的后备电源主要为蓄电池，其2～3年维护一次已显得较为繁琐。用户更希望使用容量稍大的超级电容，寿命长、维护成本低，但超级电容仅能维持15min的供电时间。后备电源的容量受成本、体积、质量的限制，不能无限增大，如何在满足功能需求的前提下控制馈线终端的功耗显得十分重要。
为了延长后备电源的供电时间、降低馈线终端的功耗，有些研究人员选择功耗低的芯片作为主计算芯片，并尽量减少模拟量、通信及开入开出的接口数量，这样可以大幅度降低馈线终端的功耗，但功耗低的芯片性能不强，外部通道数量的减少也导致馈线终端扩展能力差，不能满足复杂情况下配电自动化的需要。
有研究者开发了配电网监测通信终端，主要选用低功耗元器件降低功耗。有研究者主要从终端芯片和一次开关入手来降低功耗。有研究者对配电终端CPU给出一套调度算法，但是实现较为复杂并且中断周期较长，不符合配电终端发展趋势。
本文介绍一种功耗动态变化的馈线终端，可根据线路实际情况动态调整运行工况，在后备电源大小不增加的情况下增加后备电源供电时间。
1 配电终端硬件设计
以馈线终端为例，介绍硬件设计方案。按照功能来列举，馈线终端至少应有遥测、遥信、遥控、保护、通信和人机界面等功能模块。按照模块化设计思路，将每一部分功能设计成一个单独的模块，拆分为CPU模块、模拟量模块、电源模块、开入模块、开出模块、通信模块，最终通过一个总线板将所有模块连接在一起。馈线终端硬件框图如图1所示。
图1 馈线终端硬件框图
1.1 CPU模块
CPU模块包含双核处理器、双路A-D采样芯片和现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）芯片，负责采样计算和各种逻辑计算。为满足小电流接地、高速录波等高性能需求，选取最高主频为866MHz的处理器。
该处理器支持主频调节，将默认主频设定在866MHz，计算能力满足各种需求；低功耗切换主频后为667MHz，功耗降低，能满足基本需求。CPU模块同时具有RJ45网络接口，负责网口对外通信。
1.2 模拟量模块
模拟量输入功能由模拟量模块实现，由若干小PT/小CT组成，主要作用是将一次互感器的二次信号转换为A-D芯片可以采样的小电压电流信号。馈线终端需要采集开关两侧电压、零序电压、三相电流及零序电流，再增加一路直流电压采集用于监视后备电源的电压，共8路模拟量。
开关两侧的电压既供电又采样，是判断线路运行状态的重要信息，故无论任何情况均需要保证这两路电压的采样，其他几路采样设计为可关断，减少功耗。
1.3 开入模块
一次开关侧传来的开关量至少有开关分位、开关合位、未储能位，终端内部电源管理模块也会有3～4个开关量需要采集，再加上远方就地、就地分合闸按钮等本地信息遥信，并预留2～3路遥信备用，一共按照14路开入进行设计。其中，开关分位与开关合位是最重要的开关量信息，除这两路开入外，其他开入电路设计为可关断。
1.4 开出模块
开出模块包含多路继电器的输出，负责终端出口功能，需要控制开关分、合和控制电源管理模块活化、停止活化，一共需要两组（四路）出口。控制开关分、合为基本功能，开出模块设计为整体可关断。
1.5 通信模块
通信模块主要负责串口通信和外置液晶功能。馈线终端需要具备至少3路串口，分别用于对上无线通信、本地运维、接入线损模块数据。本地运维和接入线损模块数据串口设计为可关断，在特定条件下节省装置功耗。通信模块还具备一路外接液晶模块的输出接口，可以外接液晶操作界面，根据需要外接液晶模块的输出可关断。
1.6 电源模块
电源模块负责终端电源的供给，输入为DC 24V。设计两种工作状态，正常态稳态最大输出为10W，低功耗态稳态最大输出为5W。
1.7 硬件设计小结
在满足馈线终端功能要求的前提下，对各个模块针对功耗进行优化，设计低功耗模式和全功耗模式两种状态，低功耗模式时通过硬件IO关断一部分电路，降低功耗，硬件IO的控制由软件实现。默认状态下，硬件处于全功耗模式运行状态。
2 配电终端软件设计
2.1 软件模块组成
配电终端的软件由保护功能、测量控制、通信和功耗控制四个部分组成。
1）保护功能。三段过电流保护、二段零序过电流保护、三次重合闸、电压时间型馈线自动化、接地故障判别等保护功能。
2）测量控制。实时的电压、电流、频率和功率的计算，遥控功能，同期功能。
3）通信。对上通信，支持的规约有国网101、国网104、南网101、南网104等，可根据实际需要进行扩展与开发。
4）功耗控制。根据采集到的模拟量、开关量判断终端运行状态，对终端功耗进行相应控制。
2.2 功耗控制逻辑
将装置运行模式分为两种：全功耗运行模式和低功耗运行模式。
1）全功耗模式下CPU主频设定为866MHz，低功耗模式下CPU主频设定为667MHz。
2）全功耗模式下模拟量采集模块开放所有通道，低功耗模式下模拟量采集模块仅开放两路电压采集通道，关断其他通道。
3）全功耗模式下开入模块开放所有通道，低功耗模式下开入模块仅能采集两路开入（开关合位和开关分位），关断其他通道。
4）全功耗模式下开出模块开放所有通道，低功耗模式下开出模块整体关断。
5）全功耗模式下通信模块开放所有串口和外置液晶输出功能，低功耗模式下仅支持一路RS 232串口，关断其他串口和外置液晶输出功能。
CPU模块有一套馈线终端工作状态的判断机制，通过模拟量、开入量、通信状态等指标来判断馈线终端的运行状态，可以控制终端在全功耗模式与低功耗模式之间切换。功耗切换逻辑包括：
1）馈线终端处于全功耗模式时，根据当前模拟量输入情况，当电压、电流模拟量低于阈值并持续时间超过阈值后，切换为低功耗模式；馈线终端处于低功耗模式时，当电压模拟量高于阈值并持续时间超过阈值后，切换为全功耗模式，逻辑框图如图2所示。
图2 切换逻辑1
2）馈线终端处于低功耗模式时，若检测到遥信输入量的变化，则自动切换为全功耗模式，经过一定时间阈值后，若模拟量采样值不能达到阈值，则馈线终端切换为低功耗模式，逻辑框图如图3所示。
图3 切换逻辑2
3）CPU模块通过通信模块可以与配电主站进行通信，配电主站发出遥控指令时，CPU模块立即发出指令唤醒馈线终端，切换至全功耗模式，逻辑框图如图4所示。
图4 切换逻辑3
4）CPU模块通过通信模块可以与配电网主站进行通信，配电网主站可主动发出指令，切换馈线终端运行模式为全功耗模式或低功耗模式，逻辑框图如图5所示。
图5 切换逻辑4
通过以上四种逻辑，在正常运行工况下，馈线终端可以自行判断运行模式，实现功耗的动态变化。
低功耗模式下，馈线终端仍保留了基本的开关位置采集、线路电压采集、基本保护（过电流及告警功能）和对上串口101规约通信功能。现场一般只有在线路故障或停运的状态下，馈线终端才会进入低功耗模式，虽然减少了一部分模拟量采集、开入和开出通道，但不会给馈线终端的现场使用带来问题。
3 测试与现场应用
3.1 测试
馈线终端软硬件开发完成后，配合63V、84F超级电容，终端功耗及后备电源带电时间见表1。
表1 终端功耗和后备电源测试结果
经过测试，在低功耗模式下，后备电源带电时间长达5h30min，包含馈线终端带柱上SF6断路器三次分闸、三次合闸（包含储能），相比全功耗模式后备电源带电时间增加30%左右，效果达到预期。
3.2 现场应用
2019年10月，在广东广州若干配电网架空线路试运行一批带超级电容后备电源的运行功耗动态变化的馈线终端，根据现场调试人员及运行后用户反馈，后备电源带电时间均达到4.5h以上，与配备铅酸蓄电池的常规馈线终端性能指标一样，现场运行达到预期目的。
4 结论
本文介绍了一种运行功耗动态变化的配电终端，根据线路运行情况可以降低终端功耗，配合大容量的超级电容，可以达到铅酸蓄电池的供电水平，超级电容相比铅酸蓄电池寿命长、损耗低，可以极大地减少用户的运维成本。延长后备电源带电时间可以给线路检修和故障排查留出更多的时间，使终端在线时间更长，便于远程控制。研究成果达到了预期目的。
配电终端应用在电力行业，使用的芯片均采用工业级稳定性较高的芯片，相对于一些通信芯片，此种芯片在功耗控制和频率调节方面能力较弱，不能大幅度降低空载时的运行功耗，故本文的功耗调节范围仍然不够大，后续还需要在保证终端功能的前提下，在软硬件双重层面寻找减少终端功耗的可能。
本文编自2021年第4期《电气技术》，论文标题为“运行功耗动态变化的配电终端研发与应用”，作者为王霄翔、王文龙。
