馈线终端：配电自动化终端/子站中的重要组成部分

馈线终端（FTU）是安装在配电网馈线回路的柱上等处并具有遥信、遥测、遥控等功能的配电终端。FTU可分为插板式FTU和固定式FTU。插板式FTU三遥端子设计为插槽，可根据现场实际路数进行增减；固定式FTU三遥路数在出厂后即确定，应用场合相对固定。图3-20所示为两个典型FTU的结构型式。

（1）硬件设计

主控模块作为整个FTU的核心模块，包括以下几个组成部分：交流量采集回路、数字量采集回路、数字量输出（或开关量输出）回路、通信接口以及CPU和RAM、ROM等核心芯片，有时还加入DSP芯片以追求高性能的滤波和数字信号处理能力。I/O模块、电流电压端子等均由主控模块引出。

图3-20 FTU结构

图3-21为一个典型的FTU控制器的系统框图。

图3-21 FTU控制器系统框图

1）交流量采集回路。交流量采集回路设计需考虑FTU的应用场合，如需要监视的交流通道数和各通道的输入范围，前置低通滤波器的参数、A-D转换的精度、输入范围和转换速度。馈线终端一般只需监视1条馈线，监视参数包括三相电压、三相电流共计6个交流量。如FTU需监视分段器，则需要考虑引入分段器两侧的馈线电压量以用于备用电源自动投入，此时监视参数量就达到了9个（6路电压、3路电流）。目前柱上FTU基本上基于这种考虑，设计9路交流量输入。

交流输入的量程既要满足FTU正常遥测的精度，又要满足故障检测的范围。一般在变电站设计时，保护TA的选择主要考虑在最大运行方式下的出口短路电流不致TA饱和，测量TA的选择则考虑额定运行时可保证足够的精度。通常故障电流往往是额定电流的几倍甚至几十倍，这两者通常是矛盾的，因而变电站综合自动化系统应用的许多场合中，保护TA与测量TA也就往往是分开的。而配网自动化系统则有所不同，配电网柱上开关、分段开关、环网柜等开关设备的数量庞大，若所有开关的保护和测量TA均分开的话，则配网建设投资将大大增加，另一方面，FTU需要上送的遥测量主要用于负荷控制和窃电监视等功能，并非用于电量计费，因此对FTU的测量精度要求也就大大降低，同时FTU的故障检测功能也主要是为指示故障，本身并不需要像传统的继电保护那样提供足够的精度来达到各级开关的配合。为便于安装调试，目前在用的开关中往往已经集成了TA/PT或电压、电流传感器。若再集成一组高精度的TA用于测量，开关的体积和制造费用就上升了。综合多个方面，在配电网自动化设计中，TA的选取往往就采取折中做法，既能保证一定的测量精度，又能满足短路故障时不会深度饱和。根据国网公司Q/GDW514-2010《配电自动化终端/子站功能规范》规定：FTU电流、电压遥测精度不低于0.5级；当输入电流为10倍额定电流时，其故障电流的总误差应不大于±5%。

2）数字输入回路。数字输入回路（也称遥信回路、开入回路或DI回路）较为简单。FTU内部工作电源一般取DC24V或DC48V，数字量采集回路的电源通常也采用DC24V或DC48V。FTU需监控的开关主要有开关开合状态、储能状态、接地开关状态、开关压力信号、工作电源状态等，因此每馈线提供6～8个数字量输入即可满足要求。数字量输入回路的设计主要应考虑触点防抖问题，配电网中一般要求FTU准确提供真正变位的触头的第一次变位时间，有效滤除变位后的抖动，同时还能防止电磁干扰影响或机械振动影响的虚假变位导致遥信误报。因此，FTU一般在硬件上增加低通滤波回路防止高频电磁干扰，软件上则采用变位记录并延时确认的方式避免触头抖动造成遥信误。

FTU一般安装在户外甚至杆上，检修维护不便，设计时最好能考虑到遥信量自检功能。

FTU数字量输入回路如发生变位，应立即上报主站。为降低FTU与主站系统的数据吞吐量，保证重要遥信及时上送，一般采用以下做法：不带时标的开关变位信息在第一时间上送主站，带时标的事件顺序记录（SOE）则允许延时上送，或召唤时才上传。

3）数字量输出回路。数字量输出回路（又称遥控输出回路、开关量输出回路或DO回路）是FTU的遥控执行接口，其安全可靠地工作对FTU至关重要。数字量输出从软件和硬件设计都应考虑为顺序逻辑控制出口（SBO），以保证动作可靠性。遥控输出宜提供相应的返校回路，由于机械执行机构需要一定时间才能完成一次分/合操作，提供返校通道能保证在错误的遥控命令已发出的情况下，通过返校回路还能及时发现错误命令并立即闭锁遥控出口，避免事故发生。返校回路也能保证FTU定期对遥控回路监视。FTU在遥控执行时，返校通道上将产生由l到0的变位信号，CPU将利用该信号与遥控命令核对，如错误则立即闭锁命令；如正确则独立记录遥控执行情况，以便于事后分析。

遥控输出设计的另一个问题是触头容量问题。一般FTU控制器提供的继电器大都是焊接在PCB上的继电器，其特点是体积小，动作速度快，驱动电流小，但触头容量有限，一般为AC250V/5A或DC30V/5A。此容量可能不足以驱动某些开关操作，因此往往需要在FTU箱体内提供分、合闸重动继电器一对，同时在机构故障时还能起到保护FTU主控单元的作用。(www.xing528.com)

4）通信接口。作为配电自动化远方终端，FTU除了需完成交流采样和故障检测外，还应与配电网主站或子站通信，及时将遥测、遥信和故障信号传到主站或子站，并执行主站或子站的遥控命令。FTU与主站系统的多种通信方案，常用的有光纤网络（包括有源工业以太网和无源EPON网络）、无线公网（GPRS、CDMA、3G等）、无线专网等方式，电力线载波和串口通信基本淘汰。通信规约采用IEC-60870-5-104协议。

国网公司Q/GDW514-2010《配电自动化终端/子站功能规范》要求FTU应具备以太网接口、RS232或USB调试接口、CAN口等接口，随着FTU通信协议的统一、远程升级功能的要求，基本不采用串口作为调试口，而是以RJ45以太网口取代。

（2）软件实现

FTU软件设计包括测量功能（交流电压、电流、功率、频率、功率因数等电量信号）、故障检测功能和通信协议实现。下面以故障检测功能的实现为例说明。

FTU检测到故障之后，经计算生成故障信息，记录相关的故障测量信息和故障特征信息。故障测量信息包括故障前、故障起始、故障结束以及故障后的电压、电流幅值或波形；故障特征信息包括故障方向、故障发生时间及持续时间等。所有的记录信息可供FTU中其他应用软件使用，也可被远方按一定规约和格式调用。故障记录信息可以采用先进先出的方式，保证最近的几次故障能被随时访问。

1）相间短路故障检测。FTU应能够自动检测配电网的各种短路故障，记录故障数据，并根据既定的通信规约上报主站。FTU通过检测流入的交流相电流或零序电流（考虑到测量方便，实际上使用的是3I₀）是否超过整定值来判别短路故障。

整定值的整定一般遵循以下原则：

①电流整定值一般应大于线路的最大负荷电流值。

②零序电流整定值要躲过系统正常运行时的不平衡电流值。

若线路挂接配变数量较多时，合闸时会发生较明显的励磁涌流现象，涌流电流最大时可以达到配电变压器额定电流的6～8倍，在配电网中励磁涌流通常需要0.1～0.15s才衰减完毕。为避免此FTU误判，可借鉴变压器保护常用的二次谐波制动原理，有效区分线路合闸和馈线故障。当并联电容器投入时，也会出现很大的合闸冲击电流，不过它衰减更快，可以通过二次谐波制动方案结合两个周波（100ms）的故障延时确认，来避免误报故障信号。

2）单相接地故障检测。单相接地选线和定位在配电网中是—个技术难点，如何快速准确地找到接地点，是国内外配网自动化系统必须面对的问题。实际上，配电自动化已经使小接地电流检测得到极大的改善：一方面借助FTU的丰富测量功能可获取线路三相电流、三相电压，使得电气特征量的选取可以不再局限于零序电流；另一方面FTU测量精度和采样频率的逐渐提高，有利于特征量的提取；而配电自动化的通信系统又使得新一代小接地电流方案可以综合广域的FTU测量的数据进行比较判断。研究表明，对于配电网小电流接地系统的接地故障检测，采用暂态零序电流或负序电流突变量方案比传统的稳态零序分量具有更大的优越性。配电主站通过分布于线路各点FTU搜集到的负序、零序电气量后，经过综合分析故障特征，可以比较准确地确定出故障线路及故障区段。配网自动化系统可以根据线路的结构对各FTU上送的接地检测数据进行比较判断：在含有接地点的电网中，比较变电站所有出线的暂态零序电流或负序电流有效值，如某一线路电流有效值明显大，则被选定为接地线路；比较接地线路上安装在不同位置的FIU送上来的暂态零序电流或负序电流有效值，如果某一区段两端装置测量到的暂态零序电流有效值有明显差别且靠近电源侧有效值大，则认定接地点在该区段上。

零序电流的测量有直接和间接两种方式。直接方式是FTU直接接入零序电流互感器，通过AD采样计算出零序电流值；间接方式是FTU接入三个相电流，通过软件计算三个相电流之和，间接获取零序电流值。负序电流测量能通过软件计算间接求得。

由于电流互感器误差、FTU模拟电路处理及计算误差，即便是在一次电流对称、不接地的情况下，由三个相电流间接计算求得的零序电流或负序电流值也不为零，此电流称为不平衡电流。为了保证故障线路及线路区段检测的准确性，FTU用于接地检测的特征量必须是暂态突变分量。条件允许的情况下，FTU在检测到接地故障发生的同时，应将故障前后的各相电压、电流波形记录下来，远方主站可召唤录波数据，进行更为详尽准确的技术分析，以求接地故障的精确定位。在接地检测中，还存在一个各FTU数据同步问题，除通过远方发广播命令进行同步记录外，也可以在故障发生时刻同时标志，即通过检测零序电压的瞬时值是否超过门槛值来起动单相接地故障记录，门槛值可设定为10%额定相电压幅值。在没有接入零序电压的情况下，为了克服负荷不平衡电流的影响，FTU通过检测暂态零序电流或负序电流突变量是否超过门槛值起动故障记录。