朱國林

（國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

國內(nèi)供電系統(tǒng)智能化開發(fā)一般按照優(yōu)先輸變電的開發(fā)思想，配電網(wǎng)絡(luò)的智能化開發(fā)落后于變電所。近些年盡管加大對城市配電網(wǎng)的工程建設(shè)，但重點(diǎn)仍大多聚集在城市配電網(wǎng)架的構(gòu)建和智能化等領(lǐng)域，以DTU/FTU 實(shí)現(xiàn)電路的“三遙”為主，而城市配電網(wǎng)的維護(hù)問題則仍然未能受到充分的關(guān)注[1]?；诖诵枰⑴潆娋W(wǎng)繼電保護(hù)體系和優(yōu)化配電網(wǎng)的繼電保護(hù)措施。

1 10kV 配電線路保護(hù)常見問題

在10 kV 配電線路的運(yùn)營中，線路的維護(hù)問題一直是其必須處理的主要問題，其經(jīng)常出現(xiàn)的問題大致有如下幾個方面。

1.1 設(shè)備運(yùn)行的問題

在配電線路的工作中，裝置設(shè)備的品質(zhì)也是主要影響因素，因?yàn)橐坏┰O(shè)備質(zhì)量發(fā)生了問題，對其供電線路的保護(hù)也將隨之產(chǎn)生障礙。但在有些供電線路中，部分用于保護(hù)作用的裝置因?yàn)殚L期不能進(jìn)行保養(yǎng)，導(dǎo)致發(fā)生電路老化以及器件損壞的現(xiàn)象，從而干擾裝置的正常工作，造成維護(hù)系統(tǒng)不能正常工作。

1.2 短路問題

在10 kV 配電線路的維護(hù)中，短路現(xiàn)象也是其中的一個主要故障原因。在當(dāng)前一些10 kV 配電線路的布置與設(shè)置中，通常采用了高壓架空的形式，但這些做法很容易導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生短路的故障，比如二相短路和三相短路等，而這種故障也會干擾10 kV 供電線路的正常工作。在供電線路的維護(hù)中，對上述短路問題處理不徹底，會使得上述短路問題無法得到妥善解決，影響供電線路的正常工作。

1.3 保護(hù)裝置的監(jiān)控問題

供電線路中保護(hù)裝置的監(jiān)測并不嚴(yán)格，也是其中的主要問題。在10 kV 以上供電線路的運(yùn)營中，對其線路的正常運(yùn)營狀況必須加以監(jiān)測。但在一些供電線路的運(yùn)營中，安全保護(hù)器的建設(shè)不夠嚴(yán)格，加上對安全保護(hù)器的監(jiān)管不力，現(xiàn)代信息技術(shù)的建設(shè)管理水平不高，從而使得供電線路的正常工作存在隱患問題。

2 10 kV 配電線路保護(hù)測控裝置的設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

配電測控保護(hù)裝置在完成傳統(tǒng)“三遙”自動化的技術(shù)基礎(chǔ)上，更加注重于進(jìn)行繼電保護(hù)控制系統(tǒng)技術(shù)方面的軟硬件技術(shù)開發(fā)，以新型高性能軟件、硬件網(wǎng)絡(luò)平臺為中心，完成了多路交換仿真信號、多路運(yùn)行狀態(tài)量收集和多路控制輸入輸出的控制功能。通過完成線路維護(hù)、變壓器設(shè)備維護(hù)和電容器維護(hù)等各種繼電保護(hù)功能，從而完成各種場合的應(yīng)用[2]。

該設(shè)備一般安置于城市配電網(wǎng)饋線電路的分段、聯(lián)接和支線等開關(guān)部，完成了對10 kV 配網(wǎng)線路的測控與維護(hù)等功能，與城市配網(wǎng)的智能化主站控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等一起組成城市配網(wǎng)的智能化體系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及本產(chǎn)品的使用場合如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場應(yīng)用場景

2.2 裝置總體設(shè)計

本設(shè)備使用了32 位雙核處理器，支持實(shí)時多任務(wù)控制系統(tǒng)，并配以大容量的RAM 和FLASH 存儲器，通過可程序化邏輯裝置，對交流采集、A/D 切換和信號輸出等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了完整的高可靠性設(shè)計。提供串行接口以及以太網(wǎng)通信，支持Modbus、IEC60870-5-101和IEC60870-5-104 的通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，并具備完備的線路保護(hù)系統(tǒng)和完善的饋線自動化技術(shù)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 總體架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主處理器板上以32 位工業(yè)級的嵌入式雙核CPU作為系統(tǒng)平臺，進(jìn)行系統(tǒng)核心計算、監(jiān)測與控制等保護(hù)功能的計算，并通過復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）進(jìn)行邏輯計算，配以大空間的RAM 和FLASH 存儲，完成對整套操作系統(tǒng)開入量、開出量、模擬的信號收集，進(jìn)行采集信號的分析計算，并啟動對應(yīng)的保護(hù)邏輯，以監(jiān)控對應(yīng)的操作系統(tǒng)開出量。擁有超強(qiáng)的通信信息處理能力，可以完成各種通信規(guī)約的分析。使用了良好的人機(jī)交互界面設(shè)計，可以較為容易地進(jìn)行電子設(shè)備的調(diào)試和維修。

電源通信板完成了設(shè)備供電與通信連接的設(shè)計。電源輸入輸出端口采取兼容設(shè)計和防反接設(shè)置，能適應(yīng)配電網(wǎng)直流屏帶來的直流24 V/48 V 2 個電壓級別供應(yīng)。通過供電板將從外界進(jìn)口的工作供電轉(zhuǎn)化為各板卡的實(shí)際工作供電。

液晶顯示器板卡完成設(shè)備的人機(jī)互動，即時展示設(shè)備的工作狀況、“三遙”數(shù)據(jù)信息、保護(hù)事項(xiàng)及其規(guī)約通信數(shù)幀等，并完成設(shè)備的鍵值讀寫和LED 指向燈的控制功能。鍵盤數(shù)字的讀取與LED 指向燈值的輸入，都是利用歐式插座和主處理器板上的CPLD 進(jìn)行邏輯譯碼來完成。

遙測模塊收集由PT/CT 傳來的模擬信息，再經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波電路等對其加以處理，然后由ADC 收集。ADC 數(shù)據(jù)采集后的信息，經(jīng)過歐式插座上的SPI 總線與主處理板CPU 實(shí)現(xiàn)了信息通信，當(dāng)CPU 讀出ADC的信息后，可以對信息執(zhí)行濾波、FFT 等操作，從而完成模擬量的工作。

遙信遙控、操作回路板，進(jìn)行一次開關(guān)分、合狀態(tài)和隔離刀閘位置等的開入向量信號收集，并通過對主輸出電路的數(shù)據(jù)處理完成各種保護(hù)動作和報警指令傳遞?？刂苹芈钒迮c開出量結(jié)合，完成了控制電路斷線檢查、開關(guān)防跳、閉鎖分合閘操作和分合閘位置等指示功能[3]。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本次設(shè)計中，主要會借助到FreeRTOS，這一操作系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出及時性，并且可以一次性處理多個任務(wù)。這樣一來，便可以促使CPU 資源得到更為充分的應(yīng)用，從而更好地提升了操作系統(tǒng)的即時性與安全可靠性。本軟件設(shè)計時分為4 個主要任務(wù)，依次為人機(jī)界面各項(xiàng)任務(wù)、通信各項(xiàng)任務(wù)、信息處理各項(xiàng)任務(wù)和監(jiān)聽各項(xiàng)任務(wù)。

人機(jī)界面能夠進(jìn)行良好的交流互動，各類電氣量與電力參量值，如壓力值、流量值、電量、功率因數(shù)及過流定數(shù)，還有開關(guān)量狀況等均能夠使用液晶板呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信任務(wù)，完成了網(wǎng)絡(luò)和串行通信并且對各類數(shù)據(jù)通信規(guī)約分析的功用。數(shù)據(jù)處理任務(wù)一般是為了保存在程序執(zhí)行過程中，由于保護(hù)邏輯而發(fā)生的所有歷史事件和所有電氣參數(shù)的保存。通過監(jiān)聽任務(wù)完成了對各任務(wù)狀態(tài)的運(yùn)行監(jiān)視。主程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序流程

因?yàn)楸驹O(shè)備使用場合存在相關(guān)要求，所以要確保設(shè)備工作的即時性和安全可靠，其開入量工作狀態(tài)和保持邏輯就無法放到同一工作中同時進(jìn)行，所以必須采用FreeRTOS 的軟件計時器操作。設(shè)計了3 個定時器功能，分別是采樣定時器、1 ms 定時器和10 ms 定時器。

采樣計時器中，需要測量16 路的交流仿真量，通常采取定時器中斷方法，每156.25 μs 產(chǎn)生1 次中斷，即每周波128 個取樣時間點(diǎn)。將現(xiàn)場的電壓與電流模擬信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換和抗干擾處理后連接16 個高精度A/D 轉(zhuǎn)換器。將數(shù)據(jù)收集后存在于緩存數(shù)組中，并通過全波傅里葉算法，可以快速分析出各種電氣測量基波和各次諧波信息。目前使用13 次諧波技術(shù)，可以用來達(dá)到保護(hù)動作的高速度性，保護(hù)值為基波值，而檢測值則使用的是基波值和各次諧波信息的累加值。1 ms 定時器可以實(shí)時收集開關(guān)狀態(tài)量，該設(shè)備可完成1 ms 中斷測量40 路遙信開關(guān)數(shù)量的功能。10 ms 定時器中算出了電壓、電流的保證值與檢測值，實(shí)時地通過穩(wěn)壓值和電流值確定輸出功率大小，同時完成了保護(hù)邏輯的計算處理，從而保證了操作流程中產(chǎn)生事項(xiàng)以及進(jìn)出口控制。另外，本器件還具有故障錄波特性，可對故障產(chǎn)生時的交流信號進(jìn)行錄波[4]。

3 10kV 配電線路保護(hù)配置方法

3.1 做好事前準(zhǔn)備

在10 kV 配電線路安全保護(hù)器的設(shè)計與施工之前，首先，要做好事前的預(yù)備工作。做好配電維護(hù)裝置設(shè)備品質(zhì)的檢測工作，要對設(shè)備的品質(zhì)做全方位檢測，確保其后續(xù)運(yùn)行工作可以順利實(shí)施。其次，在10 kV 配電線路的安全保護(hù)器方案設(shè)計過程中，要對配電線路狀況加以了解，在掌握配電線路的基本狀況以后，再針對配電線路的具體狀況設(shè)計防護(hù)裝置，這樣才能夠進(jìn)一步提高安全保護(hù)器的工作效率與水平。再次，在設(shè)計配電線路時要做好監(jiān)測運(yùn)行。在安全保護(hù)器的工程設(shè)計中，可利用科學(xué)技術(shù)和信息，構(gòu)成一定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)立安全保護(hù)器的綜合中心，如果安全保護(hù)器工作中發(fā)生問題，能夠及時反映到行控中心，并適時派人對安全保護(hù)器實(shí)施檢測，從而大大提高安全保護(hù)器的工作品質(zhì)和工作效率。

3.2 完善二次回路的監(jiān)視

數(shù)字式安全保護(hù)器本身就具有狀態(tài)檢測的作用，而作為電網(wǎng)“安全衛(wèi)士”的繼電保護(hù)除設(shè)備本體之外，通常還含有二次回路，一般包括電壓回路、穩(wěn)壓電路、直流電路及操作控制回路，這些電路一般都具有比較完善的狀態(tài)監(jiān)視。因?yàn)殡娏骰芈返臄嗑€會產(chǎn)生保護(hù)誤操作，所以，電流監(jiān)控回路中需要經(jīng)常檢查電流回路的異?，F(xiàn)象，其基本原理就是在無零序電流的情形下檢測零序電流，以發(fā)現(xiàn)電流回路非正常，此時對單片機(jī)的延時閉鎖是對誤動作的防范，并產(chǎn)生報警信號待專業(yè)的技術(shù)人員解決。電壓回路斷線失壓而產(chǎn)生距離保護(hù)器的誤操作，所以，監(jiān)控回路必須監(jiān)測回路的異常情況，主要機(jī)理就是距離保護(hù)器通過電流突變量而啟動，當(dāng)電壓中斷時由于電流無突變量，所以距離保護(hù)器也不會誤動作。

3.3 電纜環(huán)網(wǎng)單元供電

在對10 kV 供電線路保護(hù)裝置的設(shè)計中，電纜環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)就是當(dāng)中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。在實(shí)施單元供電系統(tǒng)的設(shè)置時，應(yīng)先對使用者的單臺供電變壓器設(shè)備的電容加以測試，并按照其電容大小對單元供電系統(tǒng)的形式加以選擇，當(dāng)使用者單臺供電變壓器設(shè)備體積達(dá)到400 kVA 或更大時，便可選擇與箱式變電站加以連接，這才能夠保證供電線路的運(yùn)行安全性。另外，在電纜環(huán)網(wǎng)的單元供電系統(tǒng)中也必須結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際狀況加以研究，在使用單臺變壓器的容積范圍為400～1 000 kVA時，安全保護(hù)器就必須通過低負(fù)荷開關(guān)和高開斷能力的后備式限流熔斷器，其開斷電壓較大，且具備速斷效果，能在10 ms 內(nèi)切斷故障電流，再外加一個限流作用，才能更有效維護(hù)變壓器系統(tǒng)設(shè)備。另外，根據(jù)用戶速斷保護(hù)動作電流，按不大于供電變壓器的最大額定電流的5～7 倍加以整定。因此，在10 kV 供電母線的保護(hù)裝置上，就必須針對不同的實(shí)際狀況對電纜環(huán)網(wǎng)的單元供電系統(tǒng)方法加以選擇，從而改善供電線路的工作性能。

3.4 變壓器臺架接線

在供電線路的安全保護(hù)器中，變壓器電氣設(shè)備體系是其最主要的組成部分，在采用變壓器系統(tǒng)電氣設(shè)備臺架連接時，首先要確定其連接方法的可靠性。當(dāng)客戶單臺配電變壓器容積范圍在315 kVA 或以下時，選擇臺架和柱上真空斷路器的連接方法，通過這樣的連接方法保障供電線路的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提升供電線路的工作質(zhì)量。其次，安全保護(hù)器的定值后備保護(hù)時間與時限配置也要嚴(yán)格按照客戶的終端配電變壓器的容積范圍加以設(shè)計，從而保證供電線路的運(yùn)營效率。另外，如果在變壓器設(shè)備的臺架接線上選擇跌落型熔斷裝置時，應(yīng)按照融斷電流滿足用戶配電變壓器滿容量時輸出電流的1.5 倍加以選擇[5]。

3.5 高壓室接線

在10 kV 配電線路的安全保護(hù)器中，高壓室內(nèi)接線主要適用于供電變壓器容量很大的用戶，因?yàn)橐坏╇娫慈萘砍^處于800 kVA 時，其線路就必須設(shè)置在高壓室內(nèi)接線。在實(shí)施高壓室內(nèi)接線過程中，首先要對用戶的配電線路實(shí)施檢測，再對用戶的入線實(shí)施檢測，而當(dāng)使用10 kV 進(jìn)線為一主一備進(jìn)線，或雙進(jìn)線加母線分段等方法時，則規(guī)定了用戶應(yīng)當(dāng)同時在主進(jìn)間距和備用間距之間設(shè)置繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置，而安全保護(hù)器的定值整定時間與時限配合，必須由供電企業(yè)調(diào)度中心統(tǒng)一完成后備維護(hù)，如此才能保證配電線路的正常運(yùn)行。

3.6 建立保護(hù)狀態(tài)檢修的技術(shù)管理

建立保護(hù)狀態(tài)檢修的技術(shù)管理需要通過科學(xué)合理化的管理來保障。繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置在電力系統(tǒng)中一般是保持靜止?fàn)顟B(tài)的，在電力系統(tǒng)中，必須掌握繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置在電力系統(tǒng)故障時如何能夠迅速且正確地展開動作，即要掌握繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置動態(tài)的“狀態(tài)”?？梢岳梅抡胬^電保護(hù)裝置在電氣事故和異常情況下的參數(shù)變化，使繼電保護(hù)裝置開啟和動作，從而檢驗(yàn)繼電保護(hù)裝置所具備的邏輯功能和動態(tài)特征，以便認(rèn)識和掌握繼電保護(hù)裝置狀態(tài)，所以這種繼電保護(hù)裝置的試驗(yàn)研究，對電力系統(tǒng)來說是非常有必要的。做好繼電保護(hù)裝置狀態(tài)檢測，完善對每組保護(hù)裝置的設(shè)備變更記錄是十分關(guān)鍵的基本技術(shù)管理工作。設(shè)備變更記錄中應(yīng)詳盡記述機(jī)器設(shè)備從投運(yùn)至報廢的全部使用過程，機(jī)器設(shè)備軟、硬件部分所發(fā)生的重大變動，包括軟件系統(tǒng)的版本升級、硬件插件的改變、二次回路的改變、反事故安全措施的落實(shí)情況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的改變情況。類似的設(shè)備變更記錄其實(shí)是對該保護(hù)裝備全部檢測記載的匯總與縮影，從而能夠成為對裝置狀態(tài)判斷的重要依據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在本文中所闡述的供電系統(tǒng)測控保護(hù)裝置，綜合了傳統(tǒng)的電力自動化設(shè)備與繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置的優(yōu)勢，既具有防護(hù)性能又可進(jìn)行配網(wǎng)智能化典型的區(qū)域事故自愈，由于技術(shù)領(lǐng)先、功用良好且靈活使用，可以提高供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障分離與修復(fù)供電系統(tǒng)的有效性，從而大大提高了供電系統(tǒng)安全性。