行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
電力系統饋線自動化監控電路之分析與研製
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2622-E-009-002-CC3 執行期間： 94 年 05 月 01 日至 95 年 04 月 30 日 執行單位： 國立交通大學電機與控制工程學系(所) 計畫主持人： 廖德誠 計畫參與人員： 盧孟德、林家弘、張力文、宋朝源、黃韻華 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果完整報告
電力系統饋線自動化監控電路之分析與設計
計畫類別：5 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 94－2622－E－009－002－CC3 執行期間： 94 年 5 月 1 日至 95 年 4 月 30 日 計畫主持人：廖德誠 教授 計畫參與人員：彭雲絹、盧孟德、林家弘、張力文、宋朝源、黃韻華 處理方式：完整報告內容因涉及專利、技術移轉案或其他智慧財產權，不予公 開。 執行單位：國立交通大學電機與控制工程學系 中 華 民 國 95 年 6 月 28 日國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告
學門領域：控制工程 計畫名稱：電力系統饋線自動化監控電路之分析與研製 計畫編號：NSC 94－2622－E－009－002－CC3 執行期間：94 年 5 月 1 日至 95 年 4 月 30 日 執行單位：國立交通大學電機與控制工程學系 主 持 人：廖德誠 教授 參與學生： 姓 名 年級 (大學 部、碩士 班、博士 班) 已發表論文或已申請之專利 (含大學部專題研究論文、碩博 士論文) 工作內容 黃韻華 碩士班 台電對 FTU/FRTU 需求規格研究 及資料整理 宋朝源 碩士班 FTU/FRTU 相關軟體規格研究及 整理 張力文 碩士班 FTU/FRTU 之電壓/電流偵測電 路設計與資訊轉換電路設計 林家弘 碩士班 DNP 3.0 相關軟體功能制訂與 開發 盧孟德 碩士班 FTU/FRTU 之主控制模組設計 姓名 職稱 工作內容 彭雲絹 專任助理 研究計畫相關行政工作3 合作企業簡介 合作企業名稱：宜鋒營造工程有限公司 計畫聯絡人：廖珮琦 總經理 資本額：10,000 萬元 產品簡介：配電、輸電線路架設、施工、變電所興建、衛星定位測量 E-mail：p12117@ms15.hinet.net 電話：(02)2929-6026 研究摘要(500 字以內)：詳見報告內容 人才培育成果說明：詳見報告內容 技術研發成果說明：詳見報告內容 技術特點說明：詳見報告內容 可利用之產業及可開發之產品：詳見報告內容 推廣及運用的價值：如增加產值、增加附加價值或營利、增加投資/設廠、增 加就業人數………等。
一、 研究摘要：
近年來，由於電力系統自動化的快速推行，使得安裝於各變電所內的資訊 末端設備 (RTU，Remote Terminal Unit) 能迅速發展，而 RTU 具有處理資料 的能力，能夠主動收集、比較，並儲存資料於記憶體內，等接到主站的指令後， 再依事先儲存的組態資料（configured data）進行資料的交換。目前台電各 變電所之監控幾乎已完成全面自動化，而配電系統也進行另一波的配電饋線自 動化工程，以取代傳統人員至現場開關以手動方式操作，使得變電所饋線資訊 末端設備 (FRTU，Feeder Remote Terminal Unit)與饋線資訊末端設備 (FTU， Feeder Terminal Unit) 可提供配電饋線上的所有資訊，作為控制中心判斷事 故原因與負載轉供之依據等優點，因此， FRTU 與 FTU 將可促使配電饋線自動 化更廣泛的應用。然而，FRTU 與 FTU 技術的開發可能會遇到兩個問題，亦即 其規格之設計與相關軟體之開發。本研究計畫針對 FRTU 與 FTU 功能規格進行 分析、設計。藉由研發 FRTU 與 FTU 之關鍵技術，以期協助配合廠商提升其電 力事業之應用技術。
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二、 人才培育成果說明：
依據台電配電饋線自動化 91~96 年計畫，96 年前須完成 3,062 條饋線自 動化之目標(台電預估 96 年全配電系統饋線數 11,526 條佔比約 27﹪)。而以 世界趨勢來看，配電饋線自動化是改善事故停電時間與施工恢復供電時間最佳 利器，不僅可取代傳統人員至現場開關以手動操作方式，所以 FRTU 與 FTU 其 應用範圍將日趨廣泛，具有極高的市場經濟效益。台灣的中小企業以電子工業 起家，未來發展該項產品可先建立 FRTU 與 FTU 研發、生產、製造技術，配合 目前國內廠商現有 RTU 之高品質產品，加上台灣市場需求與未來世界趨勢，具 有極大的市場優勢。若能研發並配合技術引進整套系統整合技術，將可建立整 套產品之一貫性。 透過本計畫之執行，使得參與本計劃之學生能夠把平常課程所學到之知識實際的應用在 FRTU 與 FTU 的電路設計上。此外，藉由 FRTU 與 FTU 之關鍵技術
的研發，諸如電力電子技術、通訊相關技術、系統軟體之開發、各系統整合技
術等，我們不僅協助廠商提升其電力電子之應用技術，進而協助該公司相關產 品之開發與產業升級。經由此產學計畫的合作，我們有效的訓練及培養出新一 代的專業人才並且建立起產學互動的良好機制，也有機會對國內電子工業競爭 力之提升盡一份心力。
三、 技術研發成果說明：
本研究計畫主要是針對應用於配電自動化系統之饋線資訊終端設備 (FTU，Feeder Terminal Unit) 的規格與功能作設計，進而研製客製化且供彈 性發展的 FTU 系統平台。採模組化的設計方式，我們將 FTU 系統切割為三個系 統方塊獨立開發，包括第一級 A/D 資料取樣轉換與前端硬體保護電路、第二級 嵌入式系統核心運算模組以及第三級 DNP3 通訊模組，系統切割示意如圖 3.1。 通訊模組 (DNP3) FTU核心 (Embedded Linux) TCP/IP GPIO
I/O Sensor & A/D Converter
FTU
圖 3.1 FTU 模組化示意圖
以下將分述各個系統方塊之設計： 1. I/O Sensor & A/D Converter：
在 FTU 前級系統處理訊號的電路之中，其電路的方塊圖如圖 3.2。採用交 流取樣的方式將完整的訊號資訊收集起來，經過適當的調整訊號強弱之後將資 料收集起來。 圖 3.2 前端電路訊號處理流程 2. FTU 核心模組： 主模組於擷取前級系統所取樣轉換之電力訊號後，做運算處理判斷是否有 事故(故障事件)發生，並建表紀錄一定長度的訊號歷史資料，以供使用者還原
7 與控制中心連線通訊，完成整個電力監控系統的運作。 3. DNP3 通訊模組： 整體 DNP3 通訊模組架構採用模組化的設計，分為(1)實體層 RS-232 I/O 的送收與 DNP3 資料連結層傳輸程序的應對；(2)資料連結層與應用層封包形式 的轉換；(3)對內與 FTU 核心經 TCP/IP 進行應用層封包的傳輸。程式語言為標 準 C 語言，是多數處理器所支援的，方便往後系統的移植。 DNP3 Communication Module RecvTPDU Buffer SendTPDU Buffer SendLPDU Buffer RecvLPDU Buffer SendAPDU Buffer RecvAPDU Buffer TCP/IP (Server) RS-232 SendBuffer RS-232 RecvBuffer Di sa ss em bl e Rea ssemble Physical Layer (RS-232) Application Layer (APDU) Pseudo Transport Layer (TPDU)
Data Link Layer (LPDU)
TCP/ IP R ecv TCP/I P Sen d 圖 3.3 DNP3 通訊模組的內部架構 此通訊模組經具公信力的 ASE2000 軟體驗證後，資料連結層中，大多數的 傳輸程序皆符合標準規範。至於可靠度測試，利用 ASE2000 模擬 Master，TCP/IP 端 自 行 發 展 一 個 可 自 動 回 應 訊 息 模 擬 FTU 核 心 的 程 式 ， 經 數 千 次 的 Request/Respond 傳輸測試後，可得知在資料連結層 Confirmed / Unconfirmed Send User Data 的傳輸模式下，皆是正確的運作。
本研究計劃建構了 FTU 平台，除了提供智慧型量測設備之功能外，藉由整 合網路資料傳輸，將資訊彙整於監控系統控制中心，以達成配電自動化系統即 時監控與有效管理的目標。
四、 技術特點說明：
1. 廣大的電流取樣範圍 0.3A~20A。 2. 多通道同步取樣包含 3 相 4 線的電壓及電流數值。 3. 隨時紀錄近 50ms 資訊。 4. 具備突波保護。 5. 提供彈性之故障診斷判別方式設定。 6. 儲存故障發生前後共 20 週波之訊號，以還原資訊進而了解可能事故原因。 7. 完整之資料庫建立。 8. DNP3 應用層處理與物件定義符合規範，能相容標準化之控制中心軟體。 9. DNP3 通訊模組符合標準規範，相容性佳。 10. DNP3 通訊模組採用模組化設計及標準 C 語言，方便移植。 11. DNP3 通訊模組採用可調式應用層封包緩衝區，並根據其封包 Class 優先 權次序處理。 12. DNP3 通訊模組運作穩定。9
五、 可利用之產業及可開發之產品：
FTU 系統規劃採取模組化開發方式的原因，除了提供設計的彈性外，更能 透過系統整合將系統切割之模組應用於其他相關產業與產品，或者提供相關領 域之設計參考。以前級 I/O Sensor & A/D Converter 為例，電壓電流的取樣 技術，在電力系統相關領域之中應用的相當廣泛，對於電力公司而言抓取訊號 作為控制輸配電線路的維護及管理，工廠內的電源控管與紀錄，及社區電力管 理等等，不間斷的收集最新的電源資訊，以利此些相關應用系統能夠直接針對 所擷取之資訊做運算處理，提昇開發時效性。至於 FTU 核心模組的相關應用 上，包括軟硬體開發流程與嵌入式系統週邊控制之方法流程，都可提供一般嵌 入式系統平台開發參考。最後就後級系統 DNP3 通訊模組而言，由於 DNP3 通訊 協定是常見的 SCADA 系統通訊協定，特色是公開、免授權金，而且簡單有效率 且可靠的通訊協定，因此適用於一般以微處理或是嵌入式系統為主的網路監控 系統資料傳輸應用，例如：RFID 監控系統的資料傳輸、電力、油、瓦斯或自 來水的管線監控系統等等。因此，本研究計畫除了 FTU 系統建構外，更提供系 統模組之獨立技術發展應用，為相關領域之產品與研究綿盡一份心力。
