10 kV配電線路保護測控裝置的應(yīng)用設(shè)計

閆黎明，劉冰寒

（積成電子股份有限公司，山東 濟南 250104）

0 引 言

國內(nèi)電網(wǎng)自動化發(fā)展一般遵循優(yōu)先輸變電的發(fā)展思路，配電網(wǎng)的自動化發(fā)展滯后于變電站。近些年雖然加強了對配電網(wǎng)的建設(shè)，但關(guān)注點主要集中在配電網(wǎng)架的建設(shè)與自動化方面，以DTU/FTU實現(xiàn)線路的三遙為主，而配電網(wǎng)的保護問題還是沒有得到足夠的重視[1,2]。從減少故障停電范圍的作用來說，建設(shè)配電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)和完善配電網(wǎng)的繼電保護措施能顯著提高保護動作的選擇性及故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電的時效性，對提高配電網(wǎng)的可靠性有著重要意義[3]。

1 架構(gòu)設(shè)計

配電測控保護裝置在滿足傳統(tǒng)三遙自動化的基礎(chǔ)上，著重進行繼電保護方面的軟硬件設(shè)計，以高性能軟、硬件平臺為核心，實現(xiàn)多路交流模擬信號、多路狀態(tài)量采集以及多路控制輸出的功能。通過完善線路保護、變壓器保護、電容器保護及發(fā)電機保護等多種繼電保護功能，實現(xiàn)多種場景的應(yīng)用[4]。

本裝置主要安裝在配電網(wǎng)饋線回路的分段、聯(lián)絡(luò)以及支線等開關(guān)處，實現(xiàn)對10 kV配網(wǎng)線路的測控和保護功能，與配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)共同構(gòu)成配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)及本產(chǎn)品的應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場應(yīng)用場景

2 裝置總體設(shè)計

本裝置采用32位雙核處理器，采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，同時配置以大容量的RAM和FLASH存儲器，采用可編程邏輯器件，對交流采樣、A/D轉(zhuǎn)換及控制出口等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了全方位的高可靠性設(shè)計。支持串口和以太網(wǎng)通信，支持Modbus、IEC60870-5-101以及IEC60870-5-104等通信規(guī)約，且具有完善的線路保護和成熟的饋線自動化等[5,6]。裝置架構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主處理器板以32位工業(yè)級嵌入式雙核CPU為系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)核心算法、測控保護功能的計算，采用CPLD實現(xiàn)邏輯運算，配以大空間的RAM和FLASH存儲器，實現(xiàn)整個系統(tǒng)開入量、開出量、模擬量的信息采集，完成采集信息的分析計算，并啟動相應(yīng)的保護邏輯，控制對應(yīng)的開出量。具備強大的通信數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)多種通信規(guī)約的解析。采用了友好的人機交互接口設(shè)計，能夠方便實現(xiàn)設(shè)備的調(diào)試及維護[7,8]。

電源通信板實現(xiàn)設(shè)備供電系統(tǒng)和通信接口的設(shè)計。電源輸入接口采用兼容設(shè)計和防反接設(shè)計，可滿足配電網(wǎng)直流屏提供的直流24 V/48 V兩種電壓等級供電。電源板將外部輸入的工作電源轉(zhuǎn)換為各板卡的工作電源。

電源通信板提供兩路以太網(wǎng)口、兩路串口（RS232/RS485）作為通信接口使用，通過歐式插座與主控板進行網(wǎng)絡(luò)和串口等通信信號的信息交互，實現(xiàn)101、103、104及Modbus等不同規(guī)約的解析。

液晶顯示板卡實現(xiàn)裝置的人機交互，實時顯示裝置的運行狀態(tài)、三遙數(shù)據(jù)、保護事項以及規(guī)約通信數(shù)據(jù)幀，并實現(xiàn)裝置的按鍵值讀取和LED指示燈的功能。按鍵值的讀取及LED指示燈數(shù)值的寫入都是通過歐式插座與主處理器板上的CPLD進行邏輯譯碼來實現(xiàn)。

遙測板采集PT/CT單元傳來的模擬信號，通過穩(wěn)壓、濾波電路對信號處理后供ADC采集。ADC采集后的數(shù)據(jù)通過歐式插座上的SPI總線與主處理板CPU進行信息交互，CPU讀取ADC的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行濾波、FFT等運算，最終實現(xiàn)模擬量采集功能。

遙信遙控、操作回路板實現(xiàn)一次開關(guān)分、合狀態(tài)和隔離刀閘位置等開入量信息采集，并根據(jù)主回路的數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)各種保護動作及告警指示輸出。操作回路板與開出量配合實現(xiàn)控制回路斷線檢測、開關(guān)防跳、閉鎖分合閘以及分合閘位置等指示功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本裝置采用FreeRTOS實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以更合理且更有效地利用CPU資源，采用其任務(wù)調(diào)度機制，更好地保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。本次軟件設(shè)計分出4個任務(wù)，分別是人機界面任務(wù)、通信任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及監(jiān)聽任務(wù)。

人機界面能實現(xiàn)友好的人機交互，各電氣量和電氣參數(shù)值，如電壓值、電流值、功率、功率因數(shù)、過流定值以及開關(guān)量狀態(tài)等都可以通過液晶顯示板顯示。通信任務(wù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與串行通信及各種通信規(guī)約解析的功能。數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要是保存程序執(zhí)行過程中，因為保護邏輯產(chǎn)生的各種歷史事項及各類電氣參數(shù)的存儲。監(jiān)聽任務(wù)實現(xiàn)對各任務(wù)狀態(tài)的運行監(jiān)控。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

由于本裝置應(yīng)用場合的要求，為了保護裝置動作的實時性和可靠性，各開入量狀態(tài)和保護邏輯就不能放在任務(wù)中執(zhí)行，需要用到FreeRTOS的軟件定時器功能。軟件設(shè)計中設(shè)計3個定時器功能，分別為采樣定時器、1 ms定時器以及10 ms定時器。

采樣定時器中，同時采集16路交流模擬量，采用定時器中斷方式，每156.25 μs產(chǎn)生一次中斷，即每周波128個采樣點。現(xiàn)場電壓和電流模擬信號經(jīng)轉(zhuǎn)換與抗干擾處理后接入16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集完畢存在緩存數(shù)組中，采用全波傅里葉算法，快速解析出各電氣量基波和各次諧波。目前采用13次諧波，為了實現(xiàn)保護動作的快速性，保護值采用基波值，測量值采用的是基波和各次諧波的累加值。

1 ms定時器實時采集開關(guān)狀態(tài)量，本裝置能實現(xiàn)1 ms中斷采集40路遙信開關(guān)量的功能。

10 ms定時器中計算出電壓、電流的保護值和測量值，實時根據(jù)電壓值與電流值得出功率大小，并且實現(xiàn)了保護邏輯的運算處理，保護動作過程中產(chǎn)生事項及出口控制。此外，本裝置具備故障錄波功能，可對故障發(fā)生時刻的交流信號進行錄波。

5 保護功能

裝置能實現(xiàn)電力系統(tǒng)保護中規(guī)定的常規(guī)過流保護（三段）、零序保護（二段）、重合閘功能、小電流接地保護以及過負荷保護，同時具備電壓型饋線自動化和智能分布式等區(qū)域自動化功能[9-11]。以上功能已經(jīng)成熟應(yīng)用于南網(wǎng)配電網(wǎng)中。

6 結(jié) 論

本文介紹的配電測控保護裝置綜合了傳統(tǒng)配電自動化裝置和繼電保護設(shè)備的優(yōu)點，既具備保護功能又能實現(xiàn)配網(wǎng)自動化典型的區(qū)域故障自愈，技術(shù)先進、功能強大且靈活應(yīng)用，能夠進一步提高配電網(wǎng)故障隔離和恢復(fù)供電的時效性，提高供電可靠性。