一种用于高弹性电网的量测物联型智能断路器的设计与开发

余 彬, 翁利国, 张阳辉

(1.国网浙江杭州市萧山区供电有限公司, 浙江 杭州 311201;2.浙江中新电力工程建设有限公司, 浙江 杭州 311201)

0 引 言

为了满足我国电力供应、传输、配电系统快速发展的需求,高弹性电网已成为电力研究和电网建设的热点。高弹性电网能够根据供需和电网运行场景的变化及时调度各种弹性资源,让电网运行得更高效、更安全、更经济、更清洁,可见实现高弹性电网的核心要素在于一次设备的智能化与二次设备的网络化[1-4]。

断路器智能化就是要使断路器具有感知决策和执行的能力,从而在保证可靠性的前提下提高其灵活性和智能性,为高弹性电网调度的实现提供基础保障。断路器的智能化是指使断路器产品具备智能传感、高精度电参数计量、拓扑识别、线损分析等功能,依靠传感器技术和信息传输技术,实现电网负荷的动态运行监控;进一步依靠能源服务平台,推动能源由精细开发向精细使用转变,进而实现电力发展由满足负荷平衡的刚性投资向提升电网辅助服务水平,提升社会综合能效转变[5-7]。

1 高弹性电网的概念与特征

电网中的沉睡资源被高弹性电网唤起,互联网以及物联网将这些沉睡资源协同调动起来,对电网进行资源优化配置。每一个资源要素的弹性都是有限的,但通过物联网、互联网的协同实现各要素的聚合,高弹性电网必将提升源-网-荷-储互动的频度、深度、广度[1]。

高弹性电网的主要特征是高承载、高互动、高自愈、高效能。高弹性电网需要很高的应对外界冲击的能力,包括极端自然灾害、严重系统故障、能源资源不足、恐怖袭击或人为破坏以及误操作等小概率而影响较大的事故。高自愈性指能实时准确掌握电网状态,及时发现、诊断和消除故障,对电网安全性、稳定性、可靠性实时评估、判断,自动恢复到正常运行状态,避免大面积停电事故。高弹性电网有着电力流、信息流及业务流多元素强融合的显著优势,利用各种新能源,使电网系统更加清洁高效。

2 高弹性电网中智能断路器的功能要求

2.1 智能断路器的基本原理

智能断路器与传统机械断路器的不同之处在于,使用数字化自动控制装置来取代常规开关等组成的旧机械单元,通过新型传感器将电网线路中的运行数据实时采集,输送给控制器进行处理和分析,有效判别电网线路是否存在的缺陷和故障,提前发出报警信号,便于工作人员采取措施防止或减少非计划停电事故的发生,也为高弹性电网提供用电秩序和用电交互的基本功能[8-12]。

智能断路器控制单元最基本的工作原理如图1所示,其中虚线框内表示断路器控制单元,是整个智能断路器的核心部分,主要由数据采集单元、智能识别单元和调节装置三个基本单元组成。数据采集单元主要将电网的模拟信号经过传感器、滤波、A/D转换器等电路转换成数字信号,提供给智能识别单元供其计算分析。智能识别单元可根据数字采集单元所釆集到的信息和预先设置好的整定参数进行分析、运算、对比判断,识别当前线路的运行状态,实现故障预警诊断及智能电力调度。调节装置包括现场人机调节界面和远程通信接口两大部分。人机调节界面由液晶显示器、键盘、报警电路组成,通过现场人机调节界面可以设置、修改保护动作触发的条件和系统的预设整定参数等;远程通信接口的设置是为了使远端控制室的工作人员能及时了解各电网线路的运行状态和故障数据,甚至通过远程通信接口修改保护动作触发条件的整定参数,实现电力系统集中管理监控的目的。此外,用户还可以根据实际需要加装功能模块扩展,使断路器更加智能化[13-14]。

2.2 功能要求

2.2.1 保护功能

(1) 三段电流保护。

① 过载长延时保护。当断路器工作时,如果系统的电流超过额定值,应及时发出脱扣指令,断开电路。

② 短路短延时保护。短路短延时保护是指,当负载电流超过反时限设定的最大电流值时,立即分断断路器。

③ 短路瞬时保护。控制器将每次采到的电流值与用户设定值作比较,若连续3次的电流采样值均大于设定值,则说明负载电路出现严重短路,控制器应该立即发出脱扣信号切断电路[2]。

(2) 过压保护。过压保护是防止电压超过电气用电规定的一种保护措施,如果实际电压为额定电压的 115%以上为过电压,需要单片机进行实时的检测。对于模拟电路,电压信号经过互感器后再经过调制电路进行采集,所得到的数据比较容易被干扰,需要进行滤波处理,因为过压保护检测是一个非常敏感的检测措施,遇到一个信号毛刺干扰就可能产生达到过压保护跳闸的数值要求。

(3) 欠压保护。如果实际电压为额定电压的35%～70%称之为欠电压,设备长期处于低压的状态下是非常危险的,容易造成设备的某些功能不可用,欠压保护采用与过压保护相同的算法进行保护。

(4) 温度保护。当智能断路器的工作环境温度由不可预知的原因变得过高或过低时,应进行断闸处理。

2.2.2 量测功能

通过互感器实时检测电网中的电力信号,包括三相交流电压、电流的有效值等。互感器承担了供电、瞬动保护电流采样和计量的多种功能,当多项功能启动时,互感器容量被占用,产生电流、功率的波动,无法保证其计量的精度等级。因此,采用双互感器,一组互感器采集高精度信息,另一组互感器采集保护信息。双互感器可以有效地避开功能与计量相互占用、干扰问题,增加互感器单独负责计量信号的采集,保证其采样的精度。在提高采样率和精度同时引入很多的波纹干扰,可以通过采用计量专用芯片处理互感器输出信号,并将经过计量芯片计算处理后的信息传递给控制器主芯片再做处理,提高信号的稳定性、准确性,提高其计量精度。

2.2.3 操作与故障记录功能

通过智能断路器物联通信功能,远程控制分合闸进行人工调控,记录断路器状态、操作、操作员、操作时间、操作失败等信息。断路器的故障动作信息存储可记忆五种故障信息(包括故障时的电压、电流有效值,动作时间、故障类型、故障时间),有助于操作人员正确判断线路故障,提高维修效率。

2.2.4 通信功能

目前各智能断路器采用不同的通信技术标准,给智能断路器的组网带来复杂化。由于组网实现需要通过外部转换卡实现,因此应用于智能电网中的智能断路器需要统一标准的通信规则。电网中的分布式电源一般都在比较偏僻的地方,而且分布区域不均匀,采用长距离无线通信技术来实现双向通信、网络化功能会更加方便灵活。

2.2.5 显示功能

人机交互界面采用液晶显示和按键,主要用于电网运行参数显示以及保护参数的设定,方便工作人员对电网进行维护。

2.2.6 拓扑识别技术的运用

通过拓扑识别技术的运用,实现户变及配电网拓扑关系自动生成,可用于分支路与分时段线损分析、三相不平衡监控和治理、故障定位及预警、电能表失准监测,为高弹性电网的降损增效奠定基础。

3 智能断路器硬件设计

3.1 主控芯片选择

采用STM32F103作为主控芯片,具有功耗低、成本低、性能高等优点,完全满足智能断路器系统设计的要求。STM32F103主要完成对系统的电压、电流、功率、开关状态等多种电力参数的读取与分析,以及液晶屏显示、控制指令发送等。内置的温度传感器用来检测系统周围温度变化情况,从而实现超温保护功能。

3.2 计量专用芯片

ATT7022EU是一款多功能防窃电三相电能专用计量芯片,集成七路二阶sigma-delta ADC,其中三路用于三相电压采样,三路用于三相电流采样,还有一路可用于中性线电流或其他防窃电参数的采样,输出采样数据和有效值。

计量芯片的采样电压输入采用进线端直接采样方式,采样电流输入采用电流互感器方式。采用ATT7022EU处理互感器输出信号,将信息传递给控制器主芯片再做处理,大大提高了信号的稳定性、准确性,其精度可达到±5‰,具有精度高、经济性好、结构简单等优点。

3.3 数据采集电路

数据采集电路的功能是将配电系统中的负载电流、电压信号经过一定的比例关系和处理后,转换成 MCU 的 A/D 接口所能准确识别的电平信号。

3.3.1 电流采集电路

保护电流信号采集通路原理图如图2所示。保护线路中的大电流信号通过电流互感器转换为小电流信号后需要整流桥BG进行整流,电阻R11再将其转换为电压信号。由于配电系统中线路电流变化非常大,在处理时需要用某种方法设定一个上下界限,将大小信号分开来采集、计算和判断。对于大信号,在运放处理时进行小倍数放大,甚至只滤波不放大;对于小信号,则相反。但是在设定倍数时需要保证输送给 I/O口的信号在微处理器能够准确识别的范围。本文设计中微处理器能够识别的信号在 0～3.3 V内,因此使处理后的信号最大达到2.6～3.0 V。

3.3.2 电压采集电路

电压采集电路原理图如图3所示。电压端的信号采集电路相对于电流信号采集稍微简单一些,是因为配电系统母线上的电压在系统运行过程中变化范围不大,甚至是基本不变的,不用考虑大小信号的切换问题。因此可以通过利用电容隔离、电阻分压取得电压采集信号,然后经过整流、滤波、调制和运放后输入给微处理器。但是电压信号采集的难点在于,由于控制器体积的限制,其没有经过整流桥转换成直流信号,单纯的分压处理得到的信号仍是交流,微处理器只能读取0～3.3 V信号,因此在设计中利用线性激励叠加原理,通过自生电源中的5 V电压对单纯分压后的电压信号进行整体叠加调制,选取适当的分压阻值和运放比例,将供给微处理器采集的UAA信号范围控制在0～3 V。

3.4 通信模块

3.4.1 RS-485通信

断路器控制器的通信电路接收从PC机或其他通信设备发来的查询或修改参数等指令,并能够将采集到的电信号和自身的连接状态等信息传给PC机或其他通信设备。通信单元由RS-485半双工串行总线或以太网收发器组成,操作人员可以单独选择某一种通信方式,或者同时用两种。本文采用RS-485通信。

RS-485标准的最大传输距离约为1 219 m,对RS-485收发器的带负载能力要求不高。因此选用SP3485EN芯片,其具有低功耗等优点,同时能兼容工业标准规范,满足断路器项目的设计要求[2]。

智能断路器应用于各种复杂的环境,通信模块与上位机之间有可能需要较长的传输距离,为了提高RS-485收发器的可靠性和抗干扰能力,在芯片收发接口处增加共模抑制器芯片B82789C0513。该总线扼流圈能有效抑制耦合干扰并防止总线信号发出干扰,防止系统中出现电磁兼容性(EMC)问题,提高可靠性。

3.4.2 宽带载波HPLC通信

宽带载波HPLC模块可直接应用于单相智能载波表及其他设备内,实现了基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换,具备通信中继功能,可自动实现载波快速组网、主动上报、台区区分、自动识别线路异常等功能。

该模块可进行宽带规约的电力载波信号、DL/T 698.45、标准DL/T 645—2007等协议的串口信号之间的转换,可支持DLMS等应用协议的数据透明传输,完成物理层、数据链路层、网络层、传输层四层通信功能。设计采用宽带载波通信(HPLC)抄读,内置HPLC载波模块通过电力线与采集终端通迅,具有无需布线、安装便捷、通信速率较高、稳定性强等优点。

3.5 拓扑识别模块

通过HPLC载波模块控制负载投切方式,在电网中馈送设定规律的特征电流,在变压器二次侧或分支侧检测该频点特征电流,实现户变及拓扑关系识别[15]。

整个拓扑识别流程如下:当主站收到进行拓扑识别指令后,主站给安装有HPLC载波模块的智能电表发送命令。智能电表接收指令并启动特征电流发射模组控制负载投切方式。模组启动后,会在相线、中性线之间产生一定的特征电流,该电流符合相应的频域规律。在线路的相应位置有带交采功能的终端设备,这些终端设备会对线路上的电流信号进行实时的采样分析,记录并上传识别到的特征电流时间参数。最后主站通过对所有时间参数进行对比分析,实现整个台区的户变及拓扑识别工作。

特征电流拓扑识别原理如图4所示。

设计采用恒阻特性的特征电流发射电路。强电主回路使用大功率插件电阻串联产生峰值为450 mA的特征电流,MOS管与主回路串联,同时并上保护MOS管的RC吸收回路,MOS驱动采用经典的推挽驱动电路[14]。驱动供电电路通过并联稳压为MOS驱动电路提供稳定的12 V直流电源。弱电控制与MOS驱动通过光耦连接,在进行控制信号传输的同时实现强弱电隔离。

3.6 按键模块

系统参数的查看和电流、时间整定值的更改都是通过键盘电路操作查看的,考虑到系统设计的按键较少,且系统I/O资源比较宽裕,故系统选用独立式按键。键盘电路如图5所示,按键输入为低电平有效,上拉电阻在确保有按键断开时,I/O口上能出现确定的高电平。

系统设计中可通过按键选择进行整定值设定和页面显示,S1键为确认键,S2键为向上(增加)键,S3键为向下(减少)键,S4键为返回键,S5键为位数选择键。系统进入主页面后通过S2或S3键来选择要进入的页面,然后按下S1键确认进入,例如当页面成功进入整定时间设定页面后,继续按下S5键,选择要改变数字的位,此时的S2或S3键就变为数字加减键,来更改整定时间,然后按确认键S1确认更改,按下S4键返回主页面,这样就可以实现整定值的更改。

3.7 液晶显示模块

用于显示整定的电流、时间和线路中实时的电力参数,使操作简单,方便工作人员对系统进行查看,减少操作失误等。系统采用的ILI9325D TFT液晶显示驱动芯片作为人机对话的硬件核心。

3.8 电源模块

系统所涉及到的电压有:为CPU提供5 V的供电电源,在采集单元中选取的LM324运放器同样需要提供一个±5 V的工作电源。

系统设计了一个将220 V交流电转换为系统所需要的±5 V直流电源的电路。将变压器一次侧接入三相电的任意两项间,通过变压器二次侧降压到24 V电压,再经过整流桥整流把交流转为直流,加上滤波电容和稳压后得到所需要的±5 V电源。

4 结 语

高弹性电网的发展对智能断路器的设计有更高的要求,智能断路器不再仅仅作为一个电流保护的电力设备,而且需要对电力运行的各现场电力参数进行检测保护,对测量的精度要求也提出更高要求。智能断路器为适应智能电网配电的要求必须要沿着更高智能化、更可靠通信化的方向发展。在传统断路器的基础上,本文设计进一步实现了电能高精度计量、物联通信、拓扑识别等功能,具备网络化、信息化等智能控制功能,可以接入高弹性电网,成为基础一次智能设备。