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集成芯片化DTU智能环网柜的设计与实现

摘要：近些年来，智能化电网取得了前所未有的进步，同时在开关方面也逐渐向自动

化、信息化的方向转变。开关柜智能操控装置的内部结构采用了一体化布局，使得开关柜

的面板设计得以简化，同时面板布局也进行了美化设计。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，“加强城市配电网建设，推进电网智能化”是城市

基础建设重点任务之一，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、储能装置等大量接入，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。

关键词：集成芯片DTU；智能环网柜；设计

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DTU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DTU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DTU的同时需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。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

FA，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，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。

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ZYNQ系列芯片，属于SoC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ARMCPU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。

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240mm，宽180mm，高100mm；3）使用一体式机壳、采

用防锈铝材料，密封设计，实现IP67防护等级，与外部采用航空插头接口；4）优化结构

布局，让CPU芯片元件通过导热硅胶与外壳直接接触，降低关键元件的温度，保证装置可

靠工作于-40-70度高温。

2.3芯片化DTU功能设计

2.3.1测控功能
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、无功功率、视在功率、功率因数、频率、直流电压等。遥信输入类型可定义（单

点遥信输入、双点遥信输入、脉冲输入等），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。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，任意接入相

关智能设备。提供对接入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，提供IEC60870-5-101、

IEC60870-5-104、CDT92、MODBUS、DNP3.0等多种常用规约及IEC61850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、PT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