10 kV 配电线路保护测控装置设计

2022-10-19朱国林

科技创新与应用 2022年29期

朱国林

（国网盐城供电公司，江苏盐城 224000）

国内供电系统智能化开发一般按照优先输变电的开发思想，配电网络的智能化开发落后于变电所。近些年尽管加大对城市配电网的工程建设，但重点仍大多聚集在城市配电网架的构建和智能化等领域，以DTU/FTU 实现电路的“三遥”为主，而城市配电网的维护问题则仍然未能受到充分的关注[1]。基于此需要建立配电网继电保护体系和优化配电网的继电保护措施。

1 10kV 配电线路保护常见问题

在10 kV 配电线路的运营中，线路的维护问题一直是其必须处理的主要问题，其经常出现的问题大致有如下几个方面。

1.1 设备运行的问题

在配电线路的工作中，装置设备的品质也是主要影响因素，因为一旦设备质量发生了问题，对其供电线路的保护也将随之产生障碍。但在有些供电线路中，部分用于保护作用的装置因为长期不能进行保养，导致发生电路老化以及器件损坏的现象，从而干扰装置的正常工作，造成维护系统不能正常工作。

1.2 短路问题

在10 kV 配电线路的维护中，短路现象也是其中的一个主要故障原因。在当前一些10 kV 配电线路的布置与设置中，通常采用了高压架空的形式，但这些做法很容易导致保护装置发生短路的故障，比如二相短路和三相短路等，而这种故障也会干扰10 kV 供电线路的正常工作。在供电线路的维护中，对上述短路问题处理不彻底，会使得上述短路问题无法得到妥善解决，影响供电线路的正常工作。

1.3 保护装置的监控问题

供电线路中保护装置的监测并不严格，也是其中的主要问题。在10 kV 以上供电线路的运营中，对其线路的正常运营状况必须加以监测。但在一些供电线路的运营中，安全保护器的建设不够严格，加上对安全保护器的监管不力，现代信息技术的建设管理水平不高，从而使得供电线路的正常工作存在隐患问题。

2 10 kV 配电线路保护测控装置的设计

2.1 架构设计

配电测控保护装置在完成传统“三遥”自动化的技术基础上，更加注重于进行继电保护控制系统技术方面的软硬件技术开发，以新型高性能软件、硬件网络平台为中心，完成了多路交换仿真信号、多路运行状态量收集和多路控制输入输出的控制功能。通过完成线路维护、变压器设备维护和电容器维护等各种继电保护功能，从而完成各种场合的应用[2]。

该设备一般安置于城市配电网馈线电路的分段、联接和支线等开关部，完成了对10 kV 配网线路的测控与维护等功能，与城市配网的智能化主站控制系统、通信系统等一起组成城市配网的智能化体系。系统结构以及本产品的使用场合如图1 所示。

图1 现场应用场景

2.2 装置总体设计

本设备使用了32 位双核处理器，支持实时多任务控制系统，并配以大容量的RAM 和FLASH 存储器，通过可程序化逻辑装置，对交流采集、A/D 切换和信号输出等关键环节，实现了完整的高可靠性设计。提供串行接口以及以太网通信，支持Modbus、IEC60870-5-101和IEC60870-5-104 的通信规约标准，并具备完备的线路保护系统和完善的馈线自动化技术等。系统结构如图2 所示。

图2 总体架构

2.3 系统硬件设计

主处理器板上以32 位工业级的嵌入式双核CPU作为系统平台，进行系统核心计算、监测与控制等保护功能的计算，并通过复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行逻辑计算，配以大空间的RAM 和FLASH 存储，完成对整套操作系统开入量、开出量、模拟的信号收集，进行采集信号的分析计算，并启动对应的保护逻辑，以监控对应的操作系统开出量。拥有超强的通信信息处理能力，可以完成各种通信规约的分析。使用了良好的人机交互界面设计，可以较为容易地进行电子设备的调试和维修。

电源通信板完成了设备供电与通信连接的设计。电源输入输出端口采取兼容设计和防反接设置，能适应配电网直流屏带来的直流24 V/48 V 2 个电压级别供应。通过供电板将从外界进口的工作供电转化为各板卡的实际工作供电。

液晶显示器板卡完成设备的人机互动，即时展示设备的工作状况、“三遥”数据信息、保护事项及其规约通信数帧等，并完成设备的键值读写和LED 指向灯的控制功能。键盘数字的读取与LED 指向灯值的输入，都是利用欧式插座和主处理器板上的CPLD 进行逻辑译码来完成。

遥测模块收集由PT/CT 传来的模拟信息，再经过稳压、滤波电路等对其加以处理，然后由ADC 收集。ADC 数据采集后的信息，经过欧式插座上的SPI 总线与主处理板CPU 实现了信息通信，当CPU 读出ADC的信息后，可以对信息执行滤波、FFT 等操作，从而完成模拟量的工作。

遥信遥控、操作回路板，进行一次开关分、合状态和隔离刀闸位置等的开入向量信号收集，并通过对主输出电路的数据处理完成各种保护动作和报警指令传递。控制回路板与开出量结合，完成了控制电路断线检查、开关防跳、闭锁分合闸操作和分合闸位置等指示功能[3]。

2.4 系统软件设计

在本次设计中，主要会借助到FreeRTOS，这一操作系统能够表现出及时性，并且可以一次性处理多个任务。这样一来，便可以促使CPU 资源得到更为充分的应用，从而更好地提升了操作系统的即时性与安全可靠性。本软件设计时分为4 个主要任务，依次为人机界面各项任务、通信各项任务、信息处理各项任务和监听各项任务。

人机界面能够进行良好的交流互动，各类电气量与电力参量值，如压力值、流量值、电量、功率因数及过流定数，还有开关量状况等均能够使用液晶板呈现。数据通信任务，完成了网络和串行通信并且对各类数据通信规约分析的功用。数据处理任务一般是为了保存在程序执行过程中，由于保护逻辑而发生的所有历史事件和所有电气参数的保存。通过监听任务完成了对各任务状态的运行监视。主程序流程如图3 所示。

图3 主程序流程

因为本设备使用场合存在相关要求，所以要确保设备工作的即时性和安全可靠，其开入量工作状态和保持逻辑就无法放到同一工作中同时进行，所以必须采用FreeRTOS 的软件计时器操作。设计了3 个定时器功能，分别是采样定时器、1 ms 定时器和10 ms 定时器。

采样计时器中，需要测量16 路的交流仿真量，通常采取定时器中断方法，每156.25 μs 产生1 次中断，即每周波128 个取样时间点。将现场的电压与电流模拟信号，经过转换和抗干扰处理后连接16 个高精度A/D 转换器。将数据收集后存在于缓存数组中，并通过全波傅里叶算法，可以快速分析出各种电气测量基波和各次谐波信息。目前使用13 次谐波技术，可以用来达到保护动作的高速度性，保护值为基波值，而检测值则使用的是基波值和各次谐波信息的累加值。1 ms 定时器可以实时收集开关状态量，该设备可完成1 ms 中断测量40 路遥信开关数量的功能。10 ms 定时器中算出了电压、电流的保证值与检测值，实时地通过稳压值和电流值确定输出功率大小，同时完成了保护逻辑的计算处理，从而保证了操作流程中产生事项以及进出口控制。另外，本器件还具有故障录波特性，可对故障产生时的交流信号进行录波[4]。

3 10kV 配电线路保护配置方法

3.1 做好事前准备

在10 kV 配电线路安全保护器的设计与施工之前，首先，要做好事前的预备工作。做好配电维护装置设备品质的检测工作，要对设备的品质做全方位检测，确保其后续运行工作可以顺利实施。其次，在10 kV 配电线路的安全保护器方案设计过程中，要对配电线路状况加以了解，在掌握配电线路的基本状况以后，再针对配电线路的具体状况设计防护装置，这样才能够进一步提高安全保护器的工作效率与水平。再次，在设计配电线路时要做好监测运行。在安全保护器的工程设计中，可利用科学技术和信息，构成一定的网络系统，设立安全保护器的综合中心，如果安全保护器工作中发生问题，能够及时反映到行控中心，并适时派人对安全保护器实施检测，从而大大提高安全保护器的工作品质和工作效率。

3.2 完善二次回路的监视

数字式安全保护器本身就具有状态检测的作用，而作为电网“安全卫士”的继电保护除设备本体之外，通常还含有二次回路，一般包括电压回路、稳压电路、直流电路及操作控制回路，这些电路一般都具有比较完善的状态监视。因为电流回路的断线会产生保护误操作，所以，电流监控回路中需要经常检查电流回路的异常现象，其基本原理就是在无零序电流的情形下检测零序电流，以发现电流回路非正常，此时对单片机的延时闭锁是对误动作的防范，并产生报警信号待专业的技术人员解决。电压回路断线失压而产生距离保护器的误操作，所以，监控回路必须监测回路的异常情况，主要机理就是距离保护器通过电流突变量而启动，当电压中断时由于电流无突变量，所以距离保护器也不会误动作。

3.3 电缆环网单元供电

在对10 kV 供电线路保护装置的设计中，电缆环网供电系统就是当中的一项重点内容。在实施单元供电系统的设置时，应先对使用者的单台供电变压器设备的电容加以测试，并按照其电容大小对单元供电系统的形式加以选择，当使用者单台供电变压器设备体积达到400 kVA 或更大时，便可选择与箱式变电站加以连接，这才能够保证供电线路的运行安全性。另外，在电缆环网的单元供电系统中也必须结合现场的实际状况加以研究，在使用单台变压器的容积范围为400～1 000 kVA时，安全保护器就必须通过低负荷开关和高开断能力的后备式限流熔断器，其开断电压较大，且具备速断效果，能在10 ms 内切断故障电流，再外加一个限流作用，才能更有效维护变压器系统设备。另外，根据用户速断保护动作电流，按不大于供电变压器的最大额定电流的5～7 倍加以整定。因此，在10 kV 供电母线的保护装置上，就必须针对不同的实际状况对电缆环网的单元供电系统方法加以选择，从而改善供电线路的工作性能。

3.4 变压器台架接线

在供电线路的安全保护器中，变压器电气设备体系是其最主要的组成部分，在采用变压器系统电气设备台架连接时，首先要确定其连接方法的可靠性。当客户单台配电变压器容积范围在315 kVA 或以下时，选择台架和柱上真空断路器的连接方法，通过这样的连接方法保障供电线路的平稳运转，从而提升供电线路的工作质量。其次，安全保护器的定值后备保护时间与时限配置也要严格按照客户的终端配电变压器的容积范围加以设计，从而保证供电线路的运营效率。另外，如果在变压器设备的台架接线上选择跌落型熔断装置时，应按照融断电流满足用户配电变压器满容量时输出电流的1.5 倍加以选择[5]。

3.5 高压室接线

在10 kV 配电线路的安全保护器中，高压室内接线主要适用于供电变压器容量很大的用户，因为一旦电源容量超过处于800 kVA 时，其线路就必须设置在高压室内接线。在实施高压室内接线过程中，首先要对用户的配电线路实施检测，再对用户的入线实施检测，而当使用10 kV 进线为一主一备进线，或双进线加母线分段等方法时，则规定了用户应当同时在主进间距和备用间距之间设置继电保护系统装置，而安全保护器的定值整定时间与时限配合，必须由供电企业调度中心统一完成后备维护，如此才能保证配电线路的正常运行。

3.6 建立保护状态检修的技术管理

建立保护状态检修的技术管理需要通过科学合理化的管理来保障。继电保护系统装置在电力系统中一般是保持静止状态的，在电力系统中，必须掌握继电保护系统装置在电力系统故障时如何能够迅速且正确地展开动作，即要掌握继电保护系统装置动态的“状态”。可以利用仿真继电保护装置在电气事故和异常情况下的参数变化，使继电保护装置开启和动作，从而检验继电保护装置所具备的逻辑功能和动态特征，以便认识和掌握继电保护装置状态，所以这种继电保护装置的试验研究，对电力系统来说是非常有必要的。做好继电保护装置状态检测，完善对每组保护装置的设备变更记录是十分关键的基本技术管理工作。设备变更记录中应详尽记述机器设备从投运至报废的全部使用过程，机器设备软、硬件部分所发生的重大变动，包括软件系统的版本升级、硬件插件的改变、二次回路的改变、反事故安全措施的落实情况和试验数据的改变情况。类似的设备变更记录其实是对该保护装备全部检测记载的汇总与缩影，从而能够成为对装置状态判断的重要依据。