摘　要　指出配电自动化远方终端已向综合性的微机化自动装置发展，不仅具有传统RTU数据采集、传送命令的功能，还能够进行故障检测以及完成一些安装现场的当地自动监控功能；分析了配电线路上设备监控的特殊要求，着重介绍了应用于配电自动化系统远方终端的短路故障和小电流接地故障的检测技术、通信技术、交流采样技术和分步式设计思想。PZK-100配电自动化监控器是基于这些新技术和设计思想的配电自动化远方终端，给出了其在开闭所、柱上开关、环网柜监控中的应用举例。
关键词　配电自动化　远方终端　现场自动化单元
分类号　TM 764

0　引言

　　配电自动化远方终端用于配电系统变压器、断路器、重合器、分段器、柱上负荷开关、环网柜、调压器、无功补偿电容器的监视与控制，与配电自动化主站通信，提供配电系统运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配电设备的控制调节指令。根据应用对象的不同，配电自动化远方终端可分为两类：一类用于变电站、开闭所，称为站内RTU；另一类安装在户外线路上，用于柱上开关、环网柜等设备的监视及控制［1］，称为线路RTU或FTU(feeder terminal unit)，本文统一用FTU简称。
　　传统的调度自动化或远动系统的RTU仅是一个完成“上传数据，下达命令”任务的现场终端单元。在配电自动化系统中，人们愈来愈倾向于使用一个微机化自动装置完成更多的功能，RTU、保护、录波器、PLC(可编程逻辑控制器)以及仪表的界限正在消失。因此，配电自动化系统远方终端在向综合性的微机化自动装置发展，除了完成“上传下达”任务外，还能不依赖于主站完成一些当地自动控制功能，如低周减载、备用电源自投等；另一方面，一些过去相对独立的微机自动化装置，如线路、变压器保护装置等，要能够与主站通信，完成RTU所具有的数据采集和控制功能。
　　根据这一变化趋势，严格地讲，对安装在现场的配电网自动化装置不宜再简单地使用“远方终端”这个概念，这些装置既要完成为配电自动化主站服务的功能，又要能相对独立地完成当地的保护、控制功能，准确地说应该是现场自动化单元(field automation unit，简称为FAU)。本文所讨论的主要是没有保护功能的现场自动化单元，为叙述方便起见，把这类装置还是叫作配电自动化远方终端(以下简称DA—RTU)，当然，所讨论的DA—RTU功能也适用于能够与主站通信的继电保护装置。

1　基本功能

　　由于被监控的设备不同，应用要求也不同，故对实际工程中的DA—RTU来说，应根据具体的应用情况，对以下功能进行取舍。
1.1　常规的“四遥”功能
　　DA—RTU首先应具有常规的调度自动化RTU的遥测、遥信、遥控、遥调功能。除正常负荷状态下的电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、频率外，DA—RTU还要能够测量零序、负序电压及电流等反映系统不平衡程度的电气量。
1.2　配电网故障信息采集与处理功能
　　配电自动化系统是一个综合的配电网及设备运行管理系统，具有故障定位、自动隔离故障及恢复供电以及其它一些故障管理功能。因此，DA—RTU要能够采集、处理故障数据及信息，这是它区别于常规调度自动化RTU的一个重要特点。DA—RTU采集的故障信息一般要包括如下内容：
　　a.故障电流、电压值。实际应用中，可像故障录波器一样，记录故障电压、电流的波形；为了简化装置的构成及减少数据传输量，亦可以只记录几个关键的故障电流、电压幅值，如故障发生及故障切除前、后的值。
　　b.故障发生时间及故障历时。
　　c.故障方向。有些情况下，为了保证供电可靠性，或系统中有小型发电厂时，往往采用双端电源供电，DA—RTU需要测量故障电流方向，供确定故障位置使用。
　　d.小电流接地故障检测。DA—RTU应该能够检测小电流接地系统单相接地产生的零序电流，以供配电自动化系统确定接地故障的位置。
　　单纯从线路故障区段定位的角度讲，主站只需知道DA—RTU所监视的点有无故障电流流过即可，因此有些情况下，不要求DA—RTU精确地测量故障电流等数据，只需要产生一个标志有故障电流流过的“软件开关量”即可。
1.3　电能质量测量功能
　　DA—RTU应能够测量电能质量［2］。测量的内容主要包括供电电压中的谐波、电压波动、电压闪变等参数。
1.4　断路器在线监视功能
　　通过测量、记录断路器累计切断故障电流的水平、动作时间、断路器动作次数，可以监视断路器触头受电腐蚀的程度以及断路器的机械性能，为对断路器进行状态检修提供依据。DA—RTU测量记录的参数及数据有：
　　a.累计切断电流的水平，即：

∑I2Δt

其中　I表示断路器切断故障电流的有效值；Δt为断路器触头拉弧时间，用断路器合位辅助触头变位和线路电流消失之间的时间差来近似。
　　b.断路器动作时间，一般用跳闸继电器动作和断路器合位辅助触头变位完毕之间的时间差来近似。
　　c.断路器动作次数，指断路器进行分/合操作的次数。
1.5　PLC功能
　　将PLC应用于DA—RTU，可以实现低周减载、备用电源自投、无功补偿电容器自动投切、线路自动故障分段等当地自动控制功能。
　　通常RTU的制造商提供的软件程序使用户可以很容易地用专用语言对RTU的模拟输入量、开关输入量及开关输出量装置进行编程，设定它所完成的逻辑控制功能。

2　FTU的特殊要求

　　a.能适应恶劣的运行环境，在-40 ℃～+80 ℃温度变化范围内正常工作。要具有良好的防潮、防雨、防腐蚀措施。装在电力线柱上或组合式配电柜内，应能承受高电压、大电流、雷电等干扰，具有很强的抗干扰能力。
　　b.体积小，便于安装。FTU一般安装在电力线柱上或组合式配电柜内，安装空间有限，因此要求体积尽量小。从减少体积、抗震、可靠等角度考虑，线路RTU不宜采用总线插件式结构，一般是做在一块印制板(PCB)上，如有必要使用多块PCB时，也应用电缆通过插针式接插件连接。
　　c.功耗要小。线路设备的控制装置一般由电压互(传)感器及蓄电池组供电，容量有限，因此FTU的功耗要尽量小。

3　故障检测技术

3.1　短路故障检测
　　按照常规的做法，DA—RTU使用保护电流互感器(TA)进行短路故障检测，但其电流变换精度不能满足要求。从简单、经济等方面考虑，特别是用于柱上开关、环网柜监视控制的FTU，不宜再采取同时接入保护与测量TA的做法，而只接入一种TA。使用测量TA虽然可以保证测量的精度，但短路故障时TA出现饱和现象，给故障检测带来了困难，现在已研制出利用TA饱和后的输出进行故障检测的方法，能够解决这一难题。国外研制出了用于柱上开关及环网柜监控的饱和型电流传感器(TA)，它的铁心是易饱和型材料，并带有一定的气隙。这种饱和型TA的特性实际上接近测量TA的特性，不过饱和电流值比一般测量TA要大一些。现在国内生产的线路配电自动化开关设备一般只装设保护TA，发展的趋势是安装饱和型或测量TA。
　　使用保护TA的DA—RTU完全可以采用馈线保护继电器比较成熟的故障检测方法。但DA—RTU的故障检测技术相对要简单一些：首先故障区段是由主站通过比较DA—RTU的故障检测结果确定的，因此，不要求它像保护继电器那样具有选择性，只要能够检测出有故障电流出现即可；另一方面，由于不要求像保护继电器那样输出跳闸信号，对DA—RTU的故障检测时间没有严格的要求，装置有较充分的时间对采样数据进行分析判断以可靠地检测故障。使用保护TA的DA—RTU故障检测一般采用过电流检测原理，即判断线路电流是否超过整定值来检测故障，而电流整定值的选择原则是躲过最大负荷电流值。有些线路在投入运行时，负荷“冷启动”电流可能很大，要注意用一动作延时躲开。
　　一般饱和型TA在线路电流超过额定电流两倍以上时才出现饱和现象，而负荷电流一般是在两倍的额定电流范围内变化。按照DA—RTU故障检测整定值躲过最大负荷电流的整定原则，可以通过检测电流互感器二次电流输出是否出现饱和现象来判断线路是否出现故障，利用每一周期TA饱和前这段时间的输出，可以估算出一次工频电流的幅值，以至检测故障电流的方向(详细内容见科汇电气有限公司1998年技术材料《配电网馈线自动化远方终端的故障检测技术》)。
3.2　小电流系统单相接地故障检测
　　我国配电网采用小电流接地方式。由于接地电流小等原因，单相接地故障的检测是一大难题。单相接地故障时，暂态零序电流值远大于稳态值，因此，利用暂态零序电流值检测有较高的灵敏度。另一方面，相当一部分单相接地故障是间歇式电弧接地故障，即故障点电弧不稳定，间歇性地在电压达到或接近峰值时故障点击穿拉弧，而在电流过零点时电弧熄灭。间隙性接地现象引起持续的暂态过程，影响基于稳态工频或谐波分量的检测方法的正确判断，而应用故障暂态高频电流的方法可以充分地利用故障暂态电流信号的能量。实际应用中可以计算故障时暂态零序电流采样值的真有效值(即均方根值)，通过比较在同一时刻不同的DA—RTU检测到的暂态零序电流真有效值，可以确定故障线路及故障区段。由于受信号记录及处理手段的限制，基于暂态零序电流分量的单相接地故障检测方法一直没有得到较好地发展，随着微处理机及通信技术的发展，人们可以很容易地以较低的成本以数百千赫兹的采样频率记录及实时处理信号，使基于暂态分量的单相接地故障检测方法付诸实施成为可能。
　　影响小电流接地故障检测的另一个关键技术是零序电流互感器的装设问题。对于电缆馈线来说，可以比较方便地装设零序电流TA以检测零序电流值。对于装设了三相TA的架空线路，可以把三相TA的输出相加后得到零序电流值。

4　通信技术

4.1　与主站的通信技术
　　一般来说，DA—RTU的通信数据量比过去调度自动化系统RTU要小得多，在过去调度自动化系统中使用较多的循环(CDT)规约，通道利用率低，不适合作为DA—RTU与主站间的通信规约。一般的查询式(Polling)规约也不太适合于DA—RTU，因为，配电自动化通信点众多，主站常采用一点多址的通信方式，采用问答方式访问所有的点，占用时间长，往往会影响重要的信息，如故障信息的及时上传。因此，比较合适的方式是DA—RTU能主动向控制主站报告遥信量变位、遥测量越限及故障信息等，主站间隔一定的时间(如0.5 h)访问各DA—RTU，以确认DA—RTU是否工作正常。
　　与传统的调度自动化系统相比，配电自动化系统规模大，涉及到的现场自动化装置数量大、种类多，有关的制造商往往也比较多，为了做到不同厂商生产的装置、系统能够方便地互联，采用开放的标准通信规约十分重要。目前，国际电工委员会制定的IEC 870—5及在北美地区较流行的DNP 3.0规约［3］是两个比较合适的配电自动化系统的通信规约，它们支持RTU主动报告方式，能及时报告故障信息，供参考使用。DNP 3.0是符合OSI系统模型的开放式规约，与IEC 870—5基本兼容，并根据实际需要进行了修改，已被IEEE推荐为在RTU与主站间通信的规约。
4.2　局域通信技术
　　DA—RTU一般都设计有局域网通信接口，可以是RS—232/485接口，也可以是CAN，LonWorks等现场总线接口。主要有3个用途：
　　a.通过该接口数个同类型的DA—RTU装置互联，构成分布式系统，下一节将专门介绍。
　　b.使DA—RTU作为数据集中器，例如用于柱上开关或环网柜的FTU可利用该接口与附近小区的其它电子智能装置，如自动抄表装置等连接，起到数据转发作用，以优化通信通道配置，减少通信通道投资。
　　c.使得DA—RTU能够接入由其它装置构成的局域网，其上、下行数据由其它数据转发器或具有数据转发功能的自动装置转发。

5　交流采样技术

　　现在的RTU一般使用交流采样技术，即直接利用输入的电压、电流信号计算所需的各种电气量，并进行故障检测，计算量很大，普通的CPU很难胜任。一般采用专用的数字信号处理芯片(DSP)计算所需的各种模拟量，计算结果通过其接口送普通的主(host)CPU,主CPU仍然像在常规RTU里那样，负责通信、开关量的处理等功能。DA—RTU使用交流采样技术的优点是：
　　a.省去了直流变送器，降低了造价，简化了装置构成。
　　b.测量功能强，可以测量故障电流等用直流采样方法不易测量的参数。
　　c.各种电气量计算更加灵活、方便。
　　d.调试、校正方便，测量精度高。交流采样RTU把交流输入通道、传感器等误差校正系数贮存在不挥发内存里，对A/D转换后的原始数据及校正参数进行数字运算后，得到所需要的电气量，因此具有很高的测量精度。给RTU输入标准信号，运行校正程序，输入标准值，RTU能够自动计算，生成误差校正系数，写入不挥发内存中。

6　分布式设计技术

DA—RTU应用的场合从只监控一条线路的柱上开关，到几条线路的环网柜，甚至到十几条线路的开闭所、变电站，对输入输出量的个数要求从几个到上百个不等，传统的集中式结构很难适应不同的应用要求。因此，DA—RTU应采用分布式设计技术。
　　分布式设计技术的实质是一个DA—RTU具有一定量的输入输出配置，完成一个或数个配电设备的监控功能，DA—RTU设计有局域网接口，通过这个局域网接口将数个DA—RTU连接在一起，完成更多的配电设备的监控工作。DA—RTU具有数据转发功能，其中任何一个DA—RTU均可以作为主RTU与主站通信。一个普通的DSP芯片能够处理的交流输入量为十几个，可以监视1条～4条线路，所以一个DA—RTU的输入输出配置一般不超过监控4条线路所需要的数量。

7　配置及维护

　　现代DA—RTU正朝着一个开放的电力自动化装置平台方向发展。其硬件本身采用模块化设计，可扩展性能好，而软件采用实时多任务操作系统，可以很容易地植入新的功能模块。RTU实际所完成的功能由装置不挥发内存的配置方式字所确定，用户可通过修改配置方式字改变装置的功能，减少了工程应用开发工作量，提高了装置的性能价格比。
　　DA—RTU设有专用的维护通信口，把该口与PC机相连，运行专用程序，用户可在PC机上在线检查、修改装置的配置方式字，监视装置的测量数据及运行状态。有些DA—RTU甚至可以做到通过该口下载应用程序模块，以更改有错误的程序，增加新的功能。通过DA—RTU的主站通信口，操作人员应该能够在主站通过通信通道上装或下载装置的配置方式字。

8　PZK—100配电自动化监控器

　　PZK—100配电自动化监控器，是基于上述设计思想，采用最新微电子技术研制成功的多功能配电自动化远方终端(DA—RTU)。其应用举例如下。
8.1　用于开闭所、变电站的分布式RTU
　　每个PZK—100可以监视二条线路，站内所有的PZK—100用LonWorks局域网连接在一起，其中一个PZK—100作为主RTU与主站通信。使用这一分布式RTU可以完成“四遥”、短路故障记录、小电流接地检测、电能质量检测、PLC等功能。
8.2　用于柱上开关的监视控制
　　PZK—100配备相应的操作控制、电源回路构成柱上开关控制器。它可以完成SCADA监控功能、短路故障检测及记录、小电流接地故障检测等功能。应用PLC功能，PZK—100可以不依赖主站通信完成开关的故障自动分段控制。
8.3　用于环网柜的监视与控制
　　一个PZK—100可监控两路开关，一般使用二三个PZK—100即可完成开关柜内所有开关的监视控制。PZK—100用LonWorks连在一起，其中一个PZK—100与主站通信。这里PZK—100可以完成SCADA监控、短路故障检测及记录、小电流接地故障检测等功能。

作者单位:科汇电气有限公司　255031　山东淄博
作者简介:徐丙垠，男，1961年生，现任山东工程学院教授、淄博科汇电气有限公司总经理。主要研究方向是电缆、架空电力线路故障探测及配电系统自动化技术。

参考文献

［1］　徐丙垠.馈线自动化技术.电网技术，1998，22(3)
［2］　GB 12326-90.电能质量：电压允许波动和闪变.北京：中国标准出版社，1991
［3］　蔡运清.IEC 870-5系列及DNP 3.0规约简介.电力系统自动化，1998，22(1)