一种模块化智能配电终端及其自愈控制方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种模块化智能配电终端以及应用该终端的自愈控制方法。

背景技术

目前，国家电力组网的基本完成、输电技术的进一步提高，但伴随着智能化、网络化的不断发展，对传统的电力设备提出了新的要求。如何提高供电的安全性、可靠性、稳定性，如何降低组网费用、提高电网安全性、稳定性成为一项重要的课题。因此建设智能化、自动化的电网已经成为电力行业的主要发展方向，是进一步推动电力工业的变革与进步主要动力。作为智能电网的重要组成部分，直接与用户接触等的配电网的智能化、自动化、安全性、稳定性与否至关重要。一个智能化、自动化、安全可靠的配电终端对于实现智能电网建设的整体目标有着举足轻重的作用。

目前配电网所采用的配电终端虽然也能实现智能化控制，但其结构均采用传统箱式结构来进行设计，智能化构建通过插装到机箱固定位置来实现不同应用场景及现场配置，机箱的插槽数限制了组件的数量。当电网出现故障时，大规模的停电会对生活产生极大的不便并对生产造成严重的经济损失。同时，由于配电终端内各种芯片多采用5V直流电源，目前的解决方案多是配备外接直流电源，这样不仅导致终端结构复杂还容易引起事故。

因此，为了更好的适应智能化电网的发展，需要设计出可以使用电网电力、安装方便、扩展灵活、快速诊断等需求的新型配电终端。

发明内容

本发明的主要目的是针对目前电力设备中配电终端的不足之处，提供一种具有自愈控制系统的模块化智能配电终端。

本发明的另一目的是针对目前电力设备中配电终端的不足之处，提供一种具有自愈控制系统的模块化智能配电终端的自愈控制方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种模块化智能配电终端，其包括机箱、导轨组件、模块底座以及功能模块单元，所述导轨组件安装于所述机箱内底部，用于安装所述模块底座，所述模块底座安装在所述导轨组件上，用于安装所述功能模块单元，所述功能模块单元与所述模块底座内部通过总线连接；所述功能模块单元包括电源模块、核心控制模块、遥控模块、遥测模块、遥信模块、通讯模块、定位模块、扩展模块，所述电源模块、核心控制模块、遥控模块、遥测模块、遥信模块、通讯模块、定位模块、扩展模块依次安装于所述模块底座上。

进一步的方案中，在所述导轨组件的边缘处设有多个螺纹孔，并通过螺栓连接安装于所述机箱内底部，其中，所述导轨组件设置为中空结构。

更进一步的方案中，所述模块底座下方设有与所述导轨组件表面配合设置的滑道，多个所述模块底座的滑道与所述导轨组件表面采用卯榫结构连接，通过螺栓连接与所述导轨组件固定并排列安装在所述导轨组件上。

更进一步的方案中，所述模块底座表面具有双排母座，用于安装所述功能模块单元，所述双排母座与所述总线连接。

更进一步的方案中，所述核心控制模块采用双CPU结构，分别用于实现配电终端的数据采样处理和自愈控制的各种通信规约，两个CPU之间通过高速串口相连、通讯。

更进一步的方案中，所述总线包括电源线和高速信息传输总线，分别用于供电和在各个功能模块之间进行传输信息，其中，所述高速信息传输线采用CAN总线传输和交流模拟量SPI传输混合的方式。

更进一步的方案中，所述通讯模块包括以太网通讯模块和无线通信模块，所述以太网通讯模块包括物理接口收发器芯片、变压器以及RJ45物理接口，用于与主站之间进行通信，所述无线通信模块采用ZigBee通信技术，通过ZigBee芯片实现短距离内的无线通讯。

更进一步的方案中，所述核心控制模块的双CPU结构包括采样CPU以及通讯CPU，所述采样CPU用于配电终端内模块的数据采集和实时处理，并实现配电终端的保护功能；所述通讯CPU用于各种通信规约解析与组装、运行数据的存储。

为了实现上述的另一目的，本发明提供的一种模块化智能配电终端的自愈控制方法，所述模块化智能配电终端是采用上述的模块化智能配电终端，所述方法包括：对配电终端的基本信息和相邻开关的通讯信息进行初始化；根据初始化阶段获取到的相邻设备的通讯信息，获取相邻配电终端的基本信息；计算各个邻域馈线负荷并转换为电流大小以及各个出口断路器的额定电流；判断相邻开关是否为联络开关；进入故障启动阶段，进行故障定位与隔离；控制联络开关恢复非故障区供电。

进一步的方案是，故障启动阶段的启动条件包括：在每个配电终端的采样CPU中配置有保护模块，当有配电终端发生过流故障或收到相邻开关发送的过流故障信息时，启动自愈控制，主动向相邻开关发送已检测到的故障信息及开关状态，生成地址信息对其定位隔离，并监听相邻开关的故障信息及开关状态。

由此可见，本发明通过采用上述技术方案，使得本发明具有以下有益效果：

1、采用轨道固定底座，摆脱传统机箱卡槽对模块数量的限制，可在整个机箱导轨上实现模块数量的自由组合。

2、功能组件模块化可实现每个模块的快速拆解与组装，维护更加方便、使用更加便捷。

3、电源模块使用整流、分压技术将电网电力直接作为终端供电电流，而无需外加电源。

4、通讯模块采用以太网和无线通信系统兼具远距离传输与近距离控制的智能化操作。

5、定位模块和自愈技术的应用可实现在配电网中对配电终端故障的监测和定位、导航，并将故障影响控制在局部范围，有效抵抗自然灾害或者设备故障给配电网带来的影响。

附图说明

图1是本发明一种模块化智能配电终端实施例中导轨组件的结构示意图。

图2是本发明一种模块化智能配电终端实施例中模块底座的结构示意图。

图3是本发明一种模块化智能配电终端实施例的原理图。

图4是本发明一种模块化智能配电终端实施例的采样程序功能配置流程示意图。

图5是本发明一种模块化智能配电终端实施例的通讯结构示意图。

图6是本发明一种模块化智能配电终端的自愈控制方法实施例的流程框图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图3，本发明的模块化智能配电终端包括机箱、导轨组件、模块底座以及功能模块单元，机箱起保护作用，导轨组件安装于机箱内底部，用于安装模块底座，模块底座安装在导轨组件上，用于安装功能模块单元，功能模块单元与模块底座内部通过总线连接。

在本实施例中，功能模块单元包括电源模块、核心控制模块、遥控模块、遥测模块、遥信模块、通讯模块、定位模块、扩展模块，电源模块、核心控制模块、遥控模块、遥测模块、遥信模块、通讯模块、定位模块、扩展模块依次安装于模块底座上。

在导轨组件的边缘处设有多个螺纹孔，并通过螺栓连接安装于机箱内底部，其中，导轨组件设置为中空结构，用于布线，其表面与模块底座类似卯榫结构，其表面设有螺丝孔，通过螺栓固定，可在机箱内任意安放，本实施例安装有两条导轨在机箱内底部，打破了传统卡式模块受限于卡扣数量的弊端。当然，导轨数量可以按照用户需求选择。

其中，模块底座下方设有与导轨组件表面配合设置的滑道，多个模块底座的滑道与导轨组件表面采用卯榫结构连接，通过螺栓连接与导轨组件固定并排列安装在导轨组件上。

其中，模块底座表面具有双排母座，用于安装功能模块单元，双排母座与总线连接。作为优选，本实施例的双排母座可选用WXRKDZ的2*8p型排座，用以安装模块，排座与总线连接。模块底座统一制式，每个模块底座仅安装一个功能模块。

可见，模块底座下方预制与导轨组件配合的滑道，其内部中空，其中部预制与导轨配合的螺纹孔，模块底座通过螺栓与导轨固定并排列安装在导轨上，其表面具有普通排座，用以安装模块，排座与总线连接。模块底座统一制式，每个模块底座仅安装一个功能模块。

在本实施例中，核心控制模块采用双CPU结构，分别用于实现配电终端的数据采样处理和自愈控制的各种通信规约，两个CPU之间通过高速串口相连、通讯。可见，核心控制模块采用双CPU设计，以实现配电终端的数据采样处理和自愈控制的各种通信规约。

进一步地，核心控制模块主要负责各模块协调控制、信息安全、数据采集汇总、数据分析处理及远传，同时接收远程控制中心对本地的各种控制操作。采用双CPU设计，分别实现配电终端的数据采样处理和自愈控制的各种通信规约，两块CPU之间通过高速串口相连、通讯。除此之外，核心控制模块还配有多个接口以实现外接设备的接入。

在本实施例中，核心控制模块的双CPU结构包括采样CPU以及通讯CPU，采样CPU用于配电终端内模块的数据采集和实时处理，并实现配电终端的保护功能；通讯CPU用于各种通信规约解析与组装、运行数据的存储。

优选的，本实施例采用德州仪器(TI)公司的STM32F746BE型作为核心控制模块的处理器，TMS320C6713芯片为采样CPU，MICRON公司的NAND flash作为存储设备，美国国家半导体公司的DP83640为通讯CPU，SN65HVD230为CAN收发器。除此在外，核心控制模块还配有4路RS232/485复用接口以实现外接设备的接入。

在本实施例中，总线包括电源线和高速信息传输总线，分别用于供电和在各个功能模块之间进行传输信息，其中，高速信息传输线采用CAN总线传输和交流模拟量SPI传输混合的方式。

在本实施例中，通讯模块包括以太网通讯模块和无线通信模块，以太网通讯模块包括物理接口收发器芯片、变压器以及RJ45物理接口，用于与主站之间进行通信，无线通信模块采用ZigBee通信技术，通过ZigBee芯片实现短距离内的无线通讯。

本实施例选择的STM32F746BE处理器本身带有以太网控制器，因此以太网通讯模块仅需物理接口收发器芯片、变压器以及RJ45物理接口即可。作为优选，物理接口收发器芯片采用LAN8742A-CZ-TR芯片，可以支持以太网所有的协议内容，为节约空间，与变压器之间采用差分走线方式，并采用选择内部集成变压器的RJ45器件。

本实施例的无线通信模块采用ZigBee通信技术，以E18-MS1-IPX为主要模块，通信距离可以达到100米以上，空中速率250kbps。能够实现短距离内的无线通讯。

进一步地，配电终端具有精确定位模块，可以实现北斗/GPS双重定位，以便在处理故障时的定位、导航。作为优选，定位模块选择ATGM336H全星定位导航模块，可以实现北斗/GPS双重定位，以便在处理故障时的定位、导航。

进一步的，电源模块包括整流桥、电容、电阻、降压型开关稳压器、继电器、三极管等，用于将市电或工业用电直接转化为对其他模块的供电电压和对通讯量的控制电压。具体地，输入电流采用市电220V或工业用电380V，通过整流桥将交流电转换为直流电。直流电一路通过电阻分压和三极管转换的方式，获取PI、PO信号，并经过芯片的转换接入控制器进行通信处理；另一路通过电容稳定，经过降压型开关稳压器，得到不同电压的电流对各个模块供电。此外，继电器可以用于活化外部虚电源。

例如，在获取PI、PO信号后，经过PB331芯片的转换成为TTL信号，接入核心控制模块进行通信处理；另一路通过电容稳定，使用TPS5410D降压型开关稳压器芯片将电压转换为DC 5V和DC 24V分别给各模块中芯片以及遥信模块中的光耦供电。同时，电源模块中配备两个继电器实现外置虚电源的活化功能。

进一步地，遥测模块主要实现对运行线路的模拟量的采集，装有电流互感器(CT)、电压互感器(PT)和AD转换芯片，通过CT、PT完成电压电流测量并通过AD转换芯片将电平信号传输到核心控制模块。通过对直流电压电流的采集还可以实现地外接蓄电池的监测。可见，遥测模块主要实现对运行线路中交流电信号的采集，采用TV3154电压互感器(PT)和TA5222电流互感器(CT)将交流模拟量进行压变转换，选用AD7606作为AD转换芯片将电平信号传输到核心控制模块。

进一步地，遥信模块主要实现对运行线路的开关量信号的采集。由于配电网中的电压较高，需要安装光耦对电气隔离并实现对开关量的采集，采集到的信号跳线方法选择数字量信号输入电平。其中，由于配电网中的电压需要采集信号的电压一般为100V、220V甚至更高，所以需要采用隔离器件以保护采集引脚，因此安装TLP620型光耦对电气隔离并实现对直流、交流开关量的采集，采集到的信号跳线方法选择数字量信号输入电平。

进一步地，遥控模块主要实现对配电终端的遥控功能，其装有光电耦合器、三极管、继电器。核心控制模块输出的电平信号的经过放大得到较高的电压以驱动各种设备的开关，实现遥控功能。并且遥控模块设有防误动措施，只有执行遥控操作时，继电器电源才会打开。其中，核心控制模块输出的电平信号的经过光电耦合器的放大和隔离，达到12V的电压，使用光电耦合器驱动三极管进而驱动继电器来输出12V的开关电压。继电器输出的12V电压基本可以驱动配电终端中的全部设备。

进一步地，配电终端可以选配电能表，与核心模块中RS-485接口相连，实现实时的观测或计费。

进一步地，预留扩展模块的安装位置，以便进行功能扩展。

进一步地，如图4所示，核心控制模块的采样CPU负责配电终端其他模块的数据的采集和实时处理并实现配电终端的保护功能。在工作之前需要完成对遥控模块、遥测模块、遥信模块等“三遥”参数、通道类型、线路参数、保护定值等的配置。其中，三遥参数包括采集到的模拟量、线路遥控通道等的数量和遥控合分闸的延时时间；通道类型具体指按模块和采集的顺序完成模拟量的电压、电流及直流量三种属性的配置；线路参数指的是模拟量的自定义排列；保护定值是各种保护功能的配置与实现，通过预设的临界数值与实时采集值的比对完成保护功能。

进一步地，如图5所示，核心控制模块的通讯CPU接口负责各种通信规约解析与组装、运行数据的存储及高级应用的实现。本发明的自愈控制技术的实现就是依靠通讯CPU。该通讯CPU通过串口实时获取采样数据，完成对数据进行处理、整理、归档、保存，并利用预设的算法根据处理后的数据完成自愈控制。

本发明提供一种模块化智能配电终端的自愈控制方法实现上述的自愈控制技术，具体的，本发明的一种模块化智能配电终端的自愈控制方法，应用于上述的模块化智能配电终端，参见图6，该自愈控制方法包括以下步骤：

步骤S1、初始化阶段：对配电终端的基本信息(电压、电流、开关状态、三遥信号等)和相邻开关的通讯信息(IP地址、MAC地址、端口号)进行初始化。

具体地，在初始化阶段中，通过GOOSE-61850通讯实现获取相邻设备的通讯信息，配置SCD模型文件制定配电终端之间的GOOSE订阅关系，报文带优先级标签的无连接模式，可以绕开以太网的TCP层和IP层直接通过数据链路层和物理层进行数据收发，网络交换机收到带优先级标签的报文时，将优先转发以缩短转发延时。无连接模式可以省去来回确认的麻烦以提高发送效率，一帧报文放到网上所有订阅者都能收到。

步骤S2、读取相邻设备信息：根据初始化阶段获取到的相邻设备的通讯信息，获取相邻配电终端的基本信息，如电压、电流、开关状态、三遥信号等。

具体地，通过GOOSE-61850通讯实现获取相邻配电终端的基本信息，用稳定的时间间隔T0(通常设定为5s)进行持续循环发送数据集，线路故障时相邻配电终端之间通过对等通信交换线路上所有开关的位置、保护故障信息。

步骤S3、计算邻域馈线负荷：计算各个邻域馈线负荷并转换为电流大小以及各个出口断路器的额定电流等任务，得出配电房馈线柜负荷电流总和与联络开关断路器容量大小。

步骤S4、判断相邻开关是否为联络开关，该阶段在初始化和自愈控制结束时自动启动判定。

其中，本实施例通过将配电房馈线柜负荷电流总和与联络开关断路器容量大小进行比较，对相邻开关进行判断其是否为联络开关。

其中，本实施例通过设备开关属性判断其是否为联络开关，若为联络开关则启动转供电自愈逻辑，通过将配电房馈线柜负荷电流总和与联络开关断路器容量大小进行比较确认是否合闸。

步骤S5、故障启动阶段：进入故障启动阶段。

步骤S6、故障定位与隔离：对发生故障的配电终端进行故障定位与隔离。

步骤S7、非故障区恢复供电：控制联络开关恢复非故障区供电。

在本实施例中，当控制联络开关恢复非故障区供电时，具体包括：

节点故障：若流经本节点的相电流、零序电流大于整定定值，则判定本节点故障，并瞬时触发“节点故障”GOOSE输出信号。

故障切除：M侧和N侧节点中有且只有一侧的节点未发出“节点故障”GOOSE信号，则经过整定故障跳闸时限后动作跳本节点开关。

故障隔离：若本节点未检测到故障且收到M侧或N侧有且仅有一个节点的“节点故障”GOOSE信号，则经过整定故障跳闸时限后动作跳本节点开关。

非故障区恢复供电：联络开关收到故障切除成功以及故障隔离成功后，非故障区域负荷总电流小于联络柜断路器容量，则延时合闸恢复非故障区供电。

进一步的，故障启动阶段的启动条件包括：在每个配电终端的采样CPU中配置有保护模块，当有配电终端发生过流故障或收到相邻开关发送的过流故障信息时，启动自愈控制，主动向相邻开关发送已检测到的故障信息及开关状态，生成地址信息对其定位隔离，并监听相邻开关的故障信息及开关状态。

因此，本发明创新地采用导轨实现模块化配置，电源模块使用整流、分压技术将电网电力直接作为终端供电电流。采用以太网和无线通信系统兼具远距离传输与近距离控制的智能化操作。通过自愈控制技术和定位模块实现故障的自动检索、定位、导航和非故障区的恢复。受益于配电终端的模块化以及自愈技术的应用，实现了配电终端的即插即用、结构简单、安全可靠、智能自愈，为后期模块升级、物联网化改造等方面带来了巨大的优势。

由此可见，本发明通过采用上述技术方案，使得本发明具有以下有益效果：

1、采用轨道固定底座，摆脱传统机箱卡槽对模块数量的限制，可在整个机箱导轨上实现模块数量的自由组合。

2、功能组件模块化可实现每个模块的快速拆解与组装，维护更加方便、使用更加便捷。

3、电源模块使用整流、分压技术将电网电力直接作为终端供电电流，而无需外加电源。

4、通讯模块采用以太网和无线通信系统兼具远距离传输与近距离控制的智能化操作。

5、定位模块和自愈技术的应用可实现在配电网中对配电终端故障的监测和定位、导航，并将故障影响控制在局部范围，有效抵抗自然灾害或者设备故障给配电网带来的影响。

需要说明的是，在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实例描述的具体特征、结构或者特点包含在本申请概括描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明内。尽管这里参照本发明的多个解释性实例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式降落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题结合布局的组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显。