集成芯片化DTU智能环网柜的设计与实现

第25卷第—期电子计工程2017^ 4月Vol.25 No.24 Electronic Design Engineering Dec. 2017集"#$%D T U&'(网*+ ,针与/规陈波1蔡田田1肖卓典1乔峰2许健2吴恒2(1.中国南方电网有限责任公司广东广州510000? 2.北京四方继保自动化股份有限公司北京100085)摘要：随着分布式电源快速发展以及智能配电网的建设，环网柜偏向于小型化、智能化、网络化的 发展趋势，以满足配网自动化的功能需求。

而传统的环网柜对配电网终端（DTU)依赖性很强，DTU 功能部件设计又过于冗杂，因此整体结构远没有达到理想的架构，各功能模块之间的配合没有实 现优化组合。

本文通过标准化的方式，优化设计了集成芯片化DTU的智能环网柜，集成测控、继电 保护、在线状态监测、电能质量分析和通信等功能于一体，实现了环网柜的一二次有机融合，方便 系统运行维护，提高了系统可靠性。

关键词+智能环网柜；配电网终端；芯片化；配网自动化中图分类号：TN99 文献标识码：A文章编号+ 1674-6236(2017)24-0001-05 Design and implementation of the intelligent ring main unit with integrated DTU chipCHENBo1，CAI Tian-tian1,XIAOZIuo-dian1,QIAOFeng2,XUJian2,WU Heng2(1. China Southern Power Grid Company Limited,Guangzhou510000 ,China; 2.Beijing SifangAutomation co.，LLD，Beijing 100085 ,China)Abstract：With the rapid development of distributed power supply and the construction of smart distribution network，the ring main unit tends trend to be small，intelligent and networking，in order to meet the functional requirements of distribution automation.However the traditionairing main unit mightily dependent the DTU,and DTU functional unit design is too jumbled，so the overall structure is far from reaching the ideal architecture，cooperation between the various functional modules did not achieve optimal combination.Through standardization and optimization of the design of the intelligent ring network cabinet with integrated DTU chip，which integrated control，relay protection，online condition monitoring，electric to quality analysis and communication.By the Integration of the primary andsecondary equipment,Intelligent Ring Main Unit can make operation and maintenance conveniently，and improve the reliability of the distribution system.K e y wo r ds:ring main unit;DTU;chip;distribution automation随着我国社会经济持续健康的发展和人民生活 水平的不断提高，人们对电能质量、供电可靠性和企 业的优质服务水平提出了更高的要求。

同时，为了 应对全球气候变化，保障社会经济的可持续性发展，满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求，从 国家能源战略和宏观政策层面上，对电力系统的发 展也提出了更高的要求。

2013年7月31日，国务院 总理李克强主持召开的国务院常务会议确定，“加强 城市配电网建设，推进电网智能化”是城市基础建设六项重点任务之一，这是近年来在国家层面上第一 次将加强建设智能配电网上升到战略高度。

同时，随着分布式电源快速发展，电动汽车、储能装置等大 量接人，配电网由无源网成为有源网，潮流由单向变 为多向，要求配电网提高适应能力，加快升级改造显 得日益紧迫[1_2]。

1概述配电自动化建设中，环网柜以其体积小、结构紧 凑、安装方便、维护简单、安全可靠、方便供电等诸多收稿日期：2016-11-03 稿件编号：201611020基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2014AA051902)作者简介：陈波（1970—），男，壮族，广西扶绥人，博士，高级工程师。

研究方向：电力系统自动化。

《电子设计工程》2017年第24期优点而被广泛应用。

随着智能配电网的建设，环网 柜要求小型化、智能化、网络化，实现配网自动化的 功能。

目前常用的做法是利用现有的产品，在普通 环网柜的基础上配置电流互感器、电压互感器、电动操作机构、故障指示器、继电保护模块、配电终端单 元(DTU )等，使环网柜具备测控与保护功能，实现基 本配电自动化功能)]。

传统DTU 的架构是核心单元加外围部件，并配 备后备电源及通信模块.其不足之处+1) DTU 里面的功能部件过于冗杂，造成D TU 本身体积较大，安装维护不方便；2) 环网柜对DTU 依赖性很强，如环网柜使用的 是D T U 自带后备电源，如DTU 故障，易造成环网柜整个二次控制回路掉电，不利于提高供电的可靠性；3) 环网柜中功能模块重复，如环网柜在配备 D T U 的同时Z 要在出线间隔配置看门狗保护装置， 功能冗余重复，整体功耗高，不利于设备整体功能及性能的优化；4) 环网柜整体结构远没有达到理想的架构，各 功能模块之间的配合没有实现优化组合。

随着监测与传感、通信与实时数据处理、机械与电气融合等技术的发展，更多种技术的融合是实现配电 开关设备智能化的技术，也是未来的发展必然趋势)]。

文中以环网开关设备在线监测，环境监测与故 障诊断为技术基础，结合馈线自动化F A ，继电保护 与测控，绝缘技术，将逻辑功能，装置结构与开关本 体一体化集成设计智能环网柜。

通过优化设计，实 现环网柜的一二次有机融合)]。

同时芯片化DTU 采 用标准化设计，实现即插即用，方便系统运行维护， 提高系统可靠性。

文中主要研究内容包括：芯片化智能环网柜的设计与改造，芯片化DTU 的集成和通信方式研究，以及智能环网柜整体实现方案研究。

2芯片化智能环网柜的设计改造2.1芯片化DTU 硬件平台设计芯片化DTU 装置采用Xilinx 公司的ZYN Q 系列 芯片，属于S 〇C 的一种，装置具体实施时，将部分功能由外设芯片实现;采用双核AMP 模式，ZYNQ 芯片两个ARM CPU 运行工作在不同模式下，其中一个是 实时系统下完成保护功能，一个是在LINUX 操作系 统下完成测控和通信管理功能。

图1芯片化DTU 原理框图2.2芯片化DTU 结构设计1)采用分布式DTU 设计方案，芯片化DTU 按单 元配置，可就地安装在开关柜内；2) 芯片化DTU 结构尺寸：长240 mm ,宽180 mm ， 高 100 mm ;3)使用一体式机壳、采用防锈铝材料，密封设 计，实现IP 67防护等级，与外部采用航空插头接口；-2-4)优化结构布局，让CPU 芯片元件通过导热桂胶与外壳直接接触，降低关键元件的温度，保证装置可靠工作于-40〜70度高温。

2"芯片化DTU 功能设计 2.3.1测控功能1)芯片化DTU 实现对开关的监测，包括三相电 压、三相电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功C P U板连接器C P U板连接器A I连接器A I连接器陈波，等集成芯片化DTU 智能环网柜的设计与实现功率、视在功率、功率因数、频率、直流电压等!]。

2)遥信输人类型可定义（单点遥信输人、双点遥信输人、脉冲输人等），提供大容量的事件顺序记录(SOE )，遥信防抖时间及SOE 容量软件可设。

3) 接受主站下发的遥控命令，输出触点闭合时间软件可设。

2.3.2通信管理功能装置支持多个通道、多种远动规约同时运行，各 通道可以灵活配置规约，任意接人相关智能设备。

提供对接人数据的二次处理能力，并可以按数据项 重新组合成新的虚设备或以设备为单位进行数据转 发。

装置支持多主站，规约丰富，@A lE C 60870-5- 101、IEC 60870-5-104、CDT 92、MODBUS 、DNP 3.0等 多种常用规约及：[E C 61850规约；规约支持以动态库 方式加载，添加新规约或升级规约均非常方便。

2.3.3就地保护功能故障检测以开关为单位，实现三段式过流检测、 零流检测、故障跳闸、重合闸、过负荷告警、P T 断线/ 失压告警、过电压检测等功能，这些功能均可以通过 软压板投退。

另外装置支持故障录波，故障信息通 过传统虚拟遥信方式和专用故障信息通道上送。

2.3.4网络化保护功能网络化保护即智能分布式F A 功能，芯片化DTU 支持对等通信，通过相邻装置间的信息交互实现故 障快速定位、隔离功能!_8]。

相邻的芯片化DTU 之间建立以太网通信通道， 通信规约采用GOOSE 。

开关间信息交互内容包括：①本开关F A 信息：开关标识、开关状态、通信状 态、F A 相关配置状态等;②本开关另一侧开关信息1) 故障定位逻辑"对于一个检测到故障的闭合开关来说，如果它 左侧相邻所有闭合的开关都没有检测到故障，则表 明故障点在它左侧节点；右侧亦然。

对于一个未检测到故障的闭合开关来说，如果 它左侧相邻所有闭合的开关有且只有一个开关检测 到故障，则表明故障点在它左侧节点；右侧亦然!_11]。

2) 故障隔离逻辑对于一个检测到故障的合闸状态的断路器来 说，如果故障点在它相邻左侧或右侧节点，则直接跳 闸隔离故障;开关分闸后，向上游相邻断路器发送隔 离成功信号。