变电站智能化箱式探索

箱式变电站(简称箱变)自动化是城市配电网改造的重要环节，本文从具体的产品出发，以北京科锐公司生产的RDCU-3A为例，介绍适用于箱变自动化的配网终端系统、功能特点及设计原理。

一、引言

箱式变电站(简称箱变)适用于住宅小区、城市公用变、繁华闹市、施工电源等。其自问世以来，发展极为迅速，在国外已普遍使用，在国内已兴起，在欧洲发达国家箱变已占配电变压器的70%，美国已占90%。在国内，城市现代化建设正在飞速发展，城市配电网不断更新改造，箱变得到了广泛的应用。同时，随着国内配网自动化技术的日益成熟以及智能小区不断崛起，电力用户对供电质量提出了更高的要求，以前的站前操作、监测、读表等传统功能已不能满足现代电力设备管理和运行管理的要求，广大用电部门迫切需要箱式变电站能满足当今市场的需求，智能型箱式变电站应势而生。

作为箱式变电站、开闭所RTU等电力系统装置，要做到无人值守，首先要做到四遥(遥测，遥信，遥控，遥调)，而在智能化的处理上，主要是内部某个功能模块依据各种现场数据通过特定算法完成某种操作的判断和执行。

二、箱变自动化功能需求

1、具有四遥和在线统计功能

柜箱变自动化设备应能够实现对箱变进、出线及变压器的电流、电压、有功、无功、有功电度、无功电度、频率、相位等参数的检测；对配电变压器的运行情况进行统计，如电压合格率、各个电参数出现的峰值及时间；实现对开关分合位、有载调压档位等状态量的监视；实现对开关的远方控制；实现对变压器的油温检测及远方遥调。

2、具有FA功能

对于接在环网中的箱变，自动化设备应能够实现进出线的故障识别、故障隔离及非故障区自动送电功能。能够灵活配置三段式电流保护、一次重合闸及多次重合闸等保护功能，能够捕捉过流脉冲，能够实现电流型或电压型分段器功能。能够通过其他设备(如手机、笔记本、掌抄器)或装置操作界面灵活配置各种保护功能和查看实时数据。

3、具有微功耗特点

自动化设备应具有微功耗设计，这样可以减少对后备电源的要求，甚至取消后备电源，减少日常工作的维护量。

4、具有备自投功能

箱变自动化设备能够实现双电或多电源进线的备自投功能，可靠保证供电质量。备自投功能应根据接线方式可以进行多种备投方案的选择，以实现只要进线有电，则保证负荷有电为原则。

5、具有故障定位和及时报告功能

能够根据现场故障电流的流经通道，判断故障点，并通过手机短消息等渠道将故障信息发送给相关运行人员，便于运行人员及时赶到故障现场，对故障进行处理，减少了运行人员的寻线工作量，提高了工作效率。

6、具有无功补偿功能

在电力持续紧缺，节能要求日益迫切的今天，无功补偿功能具有非常现实的意义。箱变自动化设备应能够实现变压器出线的无功补偿功能，控制安装在配变低压侧的电容器进行动态无功补偿，减少通过配电变压器的无功电流，可以改善低压电压质量和降低功率损耗。

7、具有箱变安全防护功能(可选)

箱变自动化设备应能够实现温度、湿度、烟雾、盗警等信号的检测，实现就地报警及远方传送，根据检测到的信息，自动启动温控、湿控、灭火等功能。实现防盗、防火、防凝露等功能，确保箱变的安全运行，提高箱变的使用寿命

8、具有视频监控功能(可选)

箱变实时视频信息通过摄像头接入到自动化设备并远传到调度中心，实现对箱变实时的图像监控，从而实现对箱变的实时运行的监视。

三、智能箱变自动控制功能介绍

本节介绍根据箱变的不同结构和不同的开关类型，实现故障的智能处理和其他自动化功能的方案。智能箱变系统采用智能化的配电终端控制器，不仅实现了传统的SCADA系统中的远方“四遥”功能，并且由分布式智能配电终端实现了配电网故障自动检测、自动清除、自动隔离和自动转移供电等FA功能。

该系统采用分布式配电网保护和环网控制方案，由配电终端智能化地实现配电网保护和实时故障处理功能，故障处理过程不依赖主站，其故障处理速度也提高了数倍。

智能箱变系统的主要自动控制功能包括：

1、负荷开关的故障自动检测、指示和记录功能

当箱变的进、出线采用负荷开关时，控制器可以自动检测开关的电流、电压状况，记录故障电流脉冲并做出指示和告警。

2、断路器的继电保护和重合闸功能

对于箱变中的断路器开关，控制器配置有继电保护和重合闸功能(可投退)，并可通过内部通信网络实现箱变内断路器之间的保护快速配合，以及箱变之间的网络式保护配合，使距故障点最近的开关快速跳闸。

3、在终端用户时的备自投功能

多数时候，箱变是为终端用户供电，为提高供电的可靠性，采用双电源备用的方式。智能箱变控制器具有电源备自投功能，当一侧电源失电或发生故障时，自动隔离故障并投入备用电源。

假设S1常开，为备用电源一侧，S2侧外部故障或电源失压时，S2会自动断开，S1自动合闸，投入备用电源。

4、在SCADA系统中的远方四遥功能、由主站实现的配电自动化功能

除以上自动化功能外，智能箱变系统的监控装置完全按照FTU功能设计，因此可以完成SCADA系统中的四遥功能，即遥测、遥信、遥控、遥调(远方调整参数)。控制终端将本地测量数据、开关状态、故障信息等数据通过GSM或其他通信方式发送给主站，主站将综合分析和监控系统状态，并在线路发生故障时，综合整个系统状况，可以给出更加精准的故障处理方案。智能箱变的网络自动重构功能可以由用户选择投入或退出，或仅作为主站的故障处理方案的后备。

四、智能箱变的控制系统结构

智能箱变的控制系统利用现代高性能微处理器技术、交流采样技术、数字信号处理技术和网络拓扑技术等，对现场的电流、电压和开关状态进行采集、计算、判断，执行相应的自动控制功能，同时，通过适当通信通道，可与上级控制中心通信。系统采用面向对象的模块化结构设计，每个开关、装置或功能对应配置一个监控模块，模块的功能可以根据用户的不同需求进行灵活配置和扩展，从而减小用户的初期投资和定货风险。

在该系统中，通信管理单元属于系统核心处理部分，它通过内部通信总线收集每个开关控制器/控制模块采集到的电流、电压、开关状态及过流信息等，对这些信息进行分析处理，将处理结果通过远动口(101协议或104协议)送给上级主站，上级主站下发的遥控命令经通信管理机处理后下发给相应开关控制器/控制模块，由这些模块控制相应的开关动作，从而完成SCADA功能。同时，通信管理单元可以与远方保护子站通过高速信息交换口进行通信，交换系统故障信息，判断故障类型和故障位置，从而实现故障的快速清除和隔离。总的来看，该控制系统具有以下特点：

1、模块化结构

每个控制模块对应于一个开关、设备或功能对象，不同的对象可以配置不同的功能模块，但采用的是相同的硬件平台，便于维护。所有模块通过系统内部通信总线交换信息，简化了系统的构成逻辑，便于系统将来的升级和扩展，减小单元间的相互影响。

2、可以根据应用场合自动配置功能

根据开关类型和进出线的不同，可以通过软件配置不同的功能。

3、灵活的电源和通信系统

系统可以利用直流屏供电，也可以直接利用现场交流供电，并可自配后备电源。系统提供多种内部和外部通信方式。内部通信总线主要采用RS-485或CAN总线，可以根据模块的多少、类型及系统对数据实时性要求的高低，确定内部通信总线的个数，通常选用2组通信总线，特殊要求时可以选用2组以上内部通信总线。外部通信提供多种通信接口方式(RS232和以太网接口)，支持多种通信协议(IEC870-5-101和104等)和多种通信媒介(光纤、GSM、有线等)。

4、适合各种使用环境

系统可以在户内使用，也可以全户外运行。与全户外箱变配套时，采用箱式、插拔式模块化结构。箱体采取了防雨、防潮等各种措施，适应各种恶劣环境。在户内使用时，可以将各单元模块分散、就地安装在不同的开关柜上，通过通信总线互联。也可以集中组屏，或直接采用柜式的插拔式结构。

5、智能箱变控制器的具体实现

多功能测控模块主要负责采集所管辖的电力对象运行状态的模拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心下发的控制和调度命令。

硬件上采用现场总线技术，支持模块热插拔。采用模块式结构设计，由各自独立的CPU处理模块组成，系统内模块间使用CAN网通信，摒弃传统的并行总线结构，从根本上解决了插件接触不良的问题。所有板与板之间进行了完全的电气隔离，没有任何电的联系，从而使得任何插件故障时保证不会影响其他插件的正常运行，在维护故障插件时，可以任意带电插拔插件而无须关掉整机电源，这样就克服了由于开关整机电源所造成的一些错误信息。

软件方面主控模块采用了嵌入式实时操作系统，同时在此操作系统上构建了针对电力系统装置的二次平台，所有的应用程序将基于该二次平台上开发，使得项目开发人员可以不需要了解较深的软硬件知识，便可以开发出专业的功能软件，嵌入到该系统中，从而使得该系统的可靠性和快速开发性能得到很大的提高。

(1)模块的硬件设计

主控模块采用了高性能的32位单片机模块，1M的SRAM，512KFLASH，并能提供4个RS422/485/232接口，1个以太网接口，1个CAN口，支持在线直接更新FLASH，主控模块主要完成和调度通讯，以及和下面智能仪表的通讯，存储所有的现场数据供各个智能模块使用。

智能模块则根据功能的不同的分别采用了INTEL的80C196KC和TI的DSPTMS320F206。每个智能模块主要完成遥信，遥测数据的采集，遥控的执行，无功补偿电容的投切，同样适用于保护，故障诊断等多种功能的运行。

主控模块以及各个智能模块的通讯采用了现场总线CANBUS，该现场总线的主要特点是：

CAN总线属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。全球很多大的汽车公司都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

CAN总线采用了CSMA/CD的载波侦听多路访问冲突检测机制，同时CAN本身提供了循环冗余校验，加之CAN协议本身使得每个报文帧非常短小，又有出错重发机制，使得CAN具有非常好的健壮性。比较适合于电力系统这种需要高可靠性和数据量小的场合。另外CAN具有非常优秀的广播和组播机制，对于数据的共享带来很大的便利。甚至当主控单元失控的时候依然可以保证功能模块得到正常的执行。

由于以现场总线方式通讯，所以各个模块可能实现热插拔，当某个智能模块需要维修的时候，可以直接拔下来而不会影响其他模块的正常运行。由于采用双绞线的介质，使得系统的电磁兼容性大大增强。同时由于模块之间完全通过CAN来完成所有的联系，每个智能模块的独立性增强，可能很容易的完成单个模块的升级。另外可以很容易的挂接新的功能模块。只要每个功能模块遵守CAN网通讯规约即可。

(2)模块的软件设计

①主控模块的软件设计

装置的软件设计中，主控单元采用了嵌入式实时操作系统，其他智能模块根据实际情况决定是否使用操作系统，因为智能模块往往功能单一，无需使用操作系统，同时可以节约很多资源。本文介绍的软件设计主要针对于最为复杂的主控单元的软件设计。

装置中采用原码公开的uC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，该操作系统是全球十大嵌入式实时操作系统之一。该操作系统需要大约20KB的FLASH和1.5KB的RAM。对系统资源需求较少。和正常的商业实时操作系统一样，该系统采用了抢占式的调度方式。根据任务优先级的不同来决定哪个任务可以优先得到执行权。相比于以前的循环过程控制方式，系统的实时性得到了很大的提高。该操作系统是多任务操作系统，支持多线程的调度方式。在我们的设计中，可以让每个功能的执行为一个单独的线程加以执行。由于各个线程都是独立执行的，这使得项目的组织规划比较容易，项目组成员的目标明确，而且可以不受相互进度的干扰。

uC/OS-Ⅱ操作系统有一个很重要的特点就是它是开放源码的，同时是不收取版权费的，使得这款操作系统的性价比比较高。

②力装置的二次平台

由于电力系统装置的很多共性，我们开发了电力装置的二次平台，使得整个系统更加富有层次感，程序更加模块化，同时使得编程更加简单，错误更容易排查，开发人员可以更加专注于自身专业软件的开发。该二次平台由内存实时数据库和通信协议函数库构成：

内存实时数据库

我们设计的内存实时数据库就是数据以一个规定的方式常驻在内存中并能实时更新的内存区。同时它能够将数据根据它的重要性进行分类，并能根据内存实时数据库的配置文件及时通知需要这些数据的应用程序。这样应用程序可以无需去不停的查询它所需要的数据，而只需要等待内存数据库的通知即可。使得系统资源的利用率得到大大的提高。内存实时数据库由一个具有特殊数据结构的缓冲区，一个配置文件，和数据接口三块构成，其中缓冲区的大小是根据配置文件来确定的。配置文件中则决定该内存数据库应该包含哪些数据。这些数据的优先级别。从而使得该内存实时数据库具有相当的主动性，使实时性能得到更好的体现。由于内存数据库中缓冲区的开辟是根据配置文件得出的，不需要在使用是时进行内存分配，既可以使整个系统的运行更加稳定，而且使得内存的使用能够得到量化。

通信协议函数库

通信协议函数库一直处于一种动态变化的过程，每一个具有通用性的经过长期验证过的协议函数都会被随时加入该函数库。目前该通用函数库中主要包含一些常用协议及其他公司的协议，如IEC8705-101，104，DNP3.0，DL645等。

总的来看，箱变目前正在向体积小型化、结构简单化、运行环保化、绝缘无油化和智能化发展，智能型箱变就是设备二次均采用微机自动化保护装置，具备遥控、遥信、遥测、遥调和故障识别、隔离及恢复供电功能，并可对变压器出线实现自动无功补偿等功能。使变电站运行水平达到较高的智能化程度，操作简单，适用性强。■