芻議10kV配電網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)

羅意

摘 要：10kV配電網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)專業(yè)性強，設(shè)計過程復雜，具體實施過程中需要考量的專業(yè)要素比較多。利用ARM，將LPC2138處理器作為核心，依托內(nèi)部時鐘設(shè)置，調(diào)整主模塊，通過系統(tǒng)功能設(shè)計，提升各功能模塊有效性，使10kV配電網(wǎng)控制及保護系統(tǒng)達到良好的應用效果。

關(guān)鍵詞：10kV配電網(wǎng)；控制與保護；功能模塊；硬件電路板

中圖分類號：TM72 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0067-02

Abstract： The control and protection system of 10kV distribution network is professional， and the design process is complex， so many professional factors need to be considered in the implementation process. Using ARM， with LPC2138 processor as the core， this research relies on the internal clock settings， adjusts the main module， and， through the system functional design， improves the effectiveness of each functional module， so that the 10kV distribution network control and protection system can be made to achieve good application results.

Keywords： 10kV distribution network； control and protection； function module； hardware circuit board

前言

當前，配電網(wǎng)已經(jīng)逐步實現(xiàn)了智能化和自動化，但縣級地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)、技術(shù)裝備和供電能力等仍相對比較薄弱，電網(wǎng)水平低，導致配電網(wǎng)控制及保護受到嚴重干擾。電力工作人員要加大對10kV配電網(wǎng)控制及保護系統(tǒng)研究力度，提高縣級地區(qū)供電水平。分析10kV配電網(wǎng)控制及保護系統(tǒng)時，依托自動化控制和數(shù)據(jù)保護，明確負荷峰谷和負荷率等相關(guān)情況，促進10kV配電網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)優(yōu)化。

1 我國10kV配電網(wǎng)現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)不可或缺，其構(gòu)成復雜，包含輸配電、變電設(shè)備和各類線路等。輸、配電網(wǎng)共同組成電網(wǎng)，輸電網(wǎng)的電壓等級通常為35kV及以上，配電網(wǎng)的電壓等級為10kV及以下。其主要為用戶提供電力資源，為其日常生產(chǎn)及生活用電提供保障。在電網(wǎng)中，配電網(wǎng)非常關(guān)鍵，覆蓋面廣，可靠性和經(jīng)濟性要求高。

城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)是我國主要配電網(wǎng)形式，前者發(fā)展水平比較高，農(nóng)村電網(wǎng)則因受資金、技術(shù)等限制，無論是供電可靠性，還是自動化水平，都比較低。以往配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和自動化水平則存在明顯滯后性，配電自動化的實現(xiàn)離不開專業(yè)的電網(wǎng)改造。

早年間，受技術(shù)限制，輻射型結(jié)構(gòu)常被作為10kV配電網(wǎng)的優(yōu)選，線路之間無分段開關(guān)，故障狀態(tài)下大面積停電情況時有發(fā)生，而且時間長，為日常生產(chǎn)及生活帶來不便。城市化背景下，用電負荷的增加，使10kV環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)應用普遍，配電系統(tǒng)可靠性也隨之提高。該配電網(wǎng)形式不僅成本低，而且供電可靠性強。以“手拉手”環(huán)網(wǎng)供電為例，優(yōu)選開環(huán)運行方法，以聯(lián)絡(luò)開關(guān)為載體，將負荷開關(guān)或斷路器分段線路與另一電源連接，當聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，電網(wǎng)為開環(huán)運行。一旦變壓器或配電線路發(fā)生故障，分別采用分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)對故障區(qū)段進行隔離及轉(zhuǎn)移負荷，使非故障段能夠正常供電，雖減小了供電范圍，但供電過程極具可靠性。現(xiàn)如今，我國10kV配電網(wǎng)中各類問題層出不窮，供電性能有限，通過技術(shù)升級，優(yōu)化供電過程，為配電網(wǎng)絡(luò)自動化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)[1]。

2 基于ARM的10kV配電網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)

2.1 饋線自動化解決方案及終端實現(xiàn)功能

常用的饋線自動化系統(tǒng)分別以自動化開關(guān)設(shè)備或饋線自動化終端設(shè)備為依托。

配電自動化開關(guān)設(shè)備能夠自動隔離故障區(qū)域，使系統(tǒng)中有充足的重合器、分段器等開關(guān)設(shè)備可自動恢復供電。該系統(tǒng)應用過程中，無需通信信道支持，僅依托各配電自動化開關(guān)配合，即可通過隔離故障區(qū)段，使供電正常。

饋線自動化終端設(shè)備，簡稱FTU。以FTU為基礎(chǔ)的饋線自動化，無論在輻射型，還是環(huán)形、多電源網(wǎng)絡(luò)式中都適用。其應用原理是將柱上FTU分別安裝在變電站出口斷路器和戶外饋線分段開關(guān)部位，借助通信網(wǎng)絡(luò)，將其與SCADA系統(tǒng)連接，充分發(fā)揮計算機軟件后臺處理作用，構(gòu)建有效的智能式饋線自動化系統(tǒng)。運行時的配電網(wǎng)，能夠監(jiān)控柱上開關(guān)部位饋線電壓和電流及饋線分段狀態(tài)等。依托通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，熟悉全網(wǎng)運行信息，繼而優(yōu)化配電網(wǎng)，借助FTU遠方遙控分段開關(guān)轉(zhuǎn)移負荷或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，凸顯設(shè)備容量優(yōu)勢，降低線損。一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，F(xiàn)TU會向主站上傳故障信息，后者經(jīng)故障分析和處理后，借助FTU遙控分段開關(guān)，分別隔離故障及恢復供電[2]。

以FTU為基礎(chǔ)的集中式饋線自動化系統(tǒng)應用界面廣，分層結(jié)構(gòu)往往是其優(yōu)選。如圖1所示，基于FTU的集中式饋線自動化系統(tǒng)組成。

該方案背景下，集中式在配電主站實現(xiàn)了故障遠程處理，故障定位和恢復快捷準確。FTU控制和監(jiān)測功能兼?zhèn)洌粌H具備智能化特點，而且便于信息集成，將這一系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)等同步使用，效果好，即便配電自動化網(wǎng)絡(luò)復雜，也具備適用性。

處于正常運行狀態(tài)下的配電網(wǎng)，具備實時監(jiān)測配網(wǎng)運行、控制斷路器、故障隔離等性能，能夠在第一時間恢復供電。該系統(tǒng)具備遙測、遙信、遙控、對時、通信、遠方閉鎖和手動操作、自檢和自恢復功能，而且能夠記錄事故、事件順序、修改和召喚定值等。

2.2 FTU硬件總體設(shè)計

以所選的饋線自動化方案為基礎(chǔ)，對與之相配合的饋線自動化終端進行研究。如圖2所示，F(xiàn)TU硬件總體框圖。

FTU主要硬件功能模塊主要構(gòu)成元素有CPU主模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊和無線遙控模塊。CPU主模塊是FTU系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素及核心內(nèi)容，該過程中會用到ARM7核心的LPC2138處理器，與CPLD相互配合，發(fā)揮主體功能；電源管理模塊的價值在于通過雙電源切換，保持蓄電池電源充足，繼而進行過放保護；數(shù)據(jù)采集模塊除了對PT進行監(jiān)測之外，還會輸入CT信號等；開關(guān)量輸入輸出模塊，主要是輸入監(jiān)測儲能信號、開關(guān)狀態(tài)等，并對出口實施繼電保護；通信模塊，負責FTU和通信板接口，調(diào)試PC機；無線遙控模塊，主要被用于FTU本地無線遙控[3]。

2.3 FTU各功能模塊設(shè)計

CPU主模塊。主CPU為ARM7核心LPC2138，其不僅處理速度快，而且片內(nèi)資源和外設(shè)都非常豐富，僅少量外部資源，便可對所需功能進行滿足，抗干擾能力強。LPC2138含2個8路10位A/D，無論是精度，還是轉(zhuǎn)換速度，都比較弱，而FLASH和RAM空間容量比較大，使FTU功能復雜，不需要外擴。該背景下，F(xiàn)TU具備RTC、32768Hz晶體、紐扣鋰電等精準的時鐘參數(shù)，ISP為軟件仿真調(diào)試提供便利，開發(fā)周期短。確保復位電路可靠性，ARM芯片方能正常工作，當系統(tǒng)掉電時，無論是電源監(jiān)控電路，還是復位電路，均能對存儲器和系統(tǒng)控制器予以保護。

電源管理模塊。該模塊中包括FTU電源供電和蓄電池監(jiān)控電路兩個方面的設(shè)計內(nèi)容。斷路器中PT為FTU提供電源，穩(wěn)定性強，為使FTU在故障狀態(tài)下仍能正常工作，需要設(shè)置蓄電池。故而，電源管理模塊具備切換雙電源、為蓄電池充電、保護等功能。選擇密封免維護鉛酸蓄電池，輔之以浮充電壓，并設(shè)計專用充電電路，以免出現(xiàn)過充及過放情況，使蓄電池使用壽命延長。

數(shù)據(jù)采集模塊。這一背景下，既要設(shè)計信號調(diào)理電路，還要進行硬件同步采樣設(shè)計。測量模擬量，方能充分發(fā)揮FTU測量及保護功能。具體實施過程中，需要依托計算機軟件，對模擬量輸入、PT、CT、零序電壓、零序電流等進行設(shè)計。優(yōu)選某10kV線路作為試驗線路，開展研究工作，分別對正常運行狀態(tài)下的電流及最大故障電流進行設(shè)置，在各指標已知的情況下開展設(shè)計工作。執(zhí)行硬件同步采樣設(shè)計工作時，可選擇全波傅氏算法，使數(shù)據(jù)采樣更加準確。

開關(guān)量輸入輸出模塊。線路分段開關(guān)選用具備短路電流斷開功能的斷路器，該過程中，開關(guān)數(shù)字控制依據(jù)為永磁機構(gòu)。FTU設(shè)計過程專業(yè)性強，且非常嚴謹，要借助ARM，對各開關(guān)量輸入信號實施監(jiān)測，兼顧電平轉(zhuǎn)換，并進行相關(guān)隔離。光耦隔離將輸入信號轉(zhuǎn)換至3.3V邏輯信號，在ARM或CPLD的I/O口中進行輸入。選用TIP521-4作為光電隔離芯片[4]。

CPLD模塊。其能夠減少系統(tǒng)分立元件樹立，控制PCB板面積和電源功耗等，使系統(tǒng)性能得到改善，增加設(shè)計靈活性及內(nèi)容保密性。依托CPLD對繼電器出口邏輯進行設(shè)計，使FTU更加可靠。無線遙控模塊。優(yōu)勢在于對斷路器的分、合閘動作進行遙控操作。通信模塊。設(shè)計原理是在高頻載波上調(diào)制信息，繼而依托耦合器，以相地方式，將高頻信號耦合至10kV中壓線路，達到良好的數(shù)據(jù)傳輸效果。

3 結(jié)束語

綜上所述，10kV配電網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)中涵蓋的技術(shù)及工藝要素比較多，設(shè)計過程復雜。該過程執(zhí)行能夠提升該系統(tǒng)整體質(zhì)量，達到良好的應用效果。具體操作過程中，要明確我國當前10kV配電網(wǎng)現(xiàn)狀，以ARM為基礎(chǔ)，提出具體控制及保護思路，達到良好的設(shè)計效果，為后續(xù)各項操作的實施奠定良好基礎(chǔ)，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少10kV配電網(wǎng)運行和控制過程中的各類故障和問題，實現(xiàn)系統(tǒng)保護目標。

參考文獻：

[1]尹萍.智能配電網(wǎng)保護控制的設(shè)計研究[J].通訊世界，2017（12）：182-183.

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[4]李斌，張慧穎，等.主動配電網(wǎng)保護控制的設(shè)計與研究[J].電力建設(shè)，2015，36（01）：91-96.