10 kV 配電線路保護測控裝置設計

朱國林

（國網鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

國內供電系統智能化開發一般按照優先輸變電的開發思想，配電網絡的智能化開發落后于變電所。近些年盡管加大對城市配電網的工程建設，但重點仍大多聚集在城市配電網架的構建和智能化等領域，以DTU/FTU 實現電路的“三遙”為主，而城市配電網的維護問題則仍然未能受到充分的關注[1]。基于此需要建立配電網繼電保護體系和優化配電網的繼電保護措施。

1 10kV 配電線路保護常見問題

在10 kV 配電線路的運營中，線路的維護問題一直是其必須處理的主要問題，其經常出現的問題大致有如下幾個方面。

1.1 設備運行的問題

在配電線路的工作中，裝置設備的品質也是主要影響因素，因為一旦設備質量發生了問題，對其供電線路的保護也將隨之產生障礙。但在有些供電線路中，部分用于保護作用的裝置因為長期不能進行保養，導致發生電路老化以及器件損壞的現象，從而干擾裝置的正常工作，造成維護系統不能正常工作。

1.2 短路問題

在10 kV 配電線路的維護中，短路現象也是其中的一個主要故障原因。在當前一些10 kV 配電線路的布置與設置中，通常采用了高壓架空的形式，但這些做法很容易導致保護裝置發生短路的故障，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 保護裝置的監控問題

供電線路中保護裝置的監測并不嚴格，也是其中的主要問題。在10 kV 以上供電線路的運營中，對其線路的正常運營狀況必須加以監測。但在一些供電線路的運營中，安全保護器的建設不夠嚴格，加上對安全保護器的監管不力，現代信息技術的建設管理水平不高，從而使得供電線路的正常工作存在隱患問題。

2 10 kV 配電線路保護測控裝置的設計

2.1 架構設計

配電測控保護裝置在完成傳統“三遙”自動化的技術基礎上，更加注重于進行繼電保護控制系統技術方面的軟硬件技術開發，以新型高性能軟件、硬件網絡平臺為中心，完成了多路交換仿真信號、多路運行狀態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、變壓器設備維護和電容器維護等各種繼電保護功能，從而完成各種場合的應用[2]。

該設備一般安置于城市配電網饋線電路的分段、聯接和支線等開關部，完成了對10 kV 配網線路的測控與維護等功能，與城市配網的智能化主站控制系統、通信系統等一起組成城市配網的智能化體系。系統結構以及本產品的使用場合如圖1 所示。

圖1 現場應用場景

2.2 裝置總體設計

本設備使用了32 位雙核處理器，支持實時多任務控制系統，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鍵環節，實現了完整的高可靠性設計。提供串行接口以及以太網通信，支持Modbus、IEC60870-5-101和IEC60870-5-104 的通信規約標準，并具備完備的線路保護系統和完善的饋線自動化技術等。系統結構如圖2 所示。

圖2 總體架構

2.3 系統硬件設計

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

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

液晶顯示器板卡完成設備的人機互動，即時展示設備的工作狀況、“三遙”數據信息、保護事項及其規約通信數幀等，并完成設備的鍵值讀寫和LED 指向燈的控制功能。鍵盤數字的讀取與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，再經過穩壓、濾波電路等對其加以處理，然后由ADC 收集。ADC 數據采集后的信息，經過歐式插座上的SPI 總線與主處理板CPU 實現了信息通信，當CPU 讀出ADC的信息后，可以對信息執行濾波、FFT 等操作，從而完成模擬量的工作。

遙信遙控、操作回路板，進行一次開關分、合狀態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據處理完成各種保護動作和報警指令傳遞。控制回路板與開出量結合，完成了控制電路斷線檢查、開關防跳、閉鎖分合閘操作和分合閘位置等指示功能[3]。

2.4 系統軟件設計

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

人機界面能夠進行良好的交流互動，各類電氣量與電力參量值，如壓力值、流量值、電量、功率因數及過流定數，還有開關量狀況等均能夠使用液晶板呈現。數據通信任務，完成了網絡和串行通信并且對各類數據通信規約分析的功用。數據處理任務一般是為了保存在程序執行過程中，由于保護邏輯而發生的所有歷史事件和所有電氣參數的保存。通過監聽任務完成了對各任務狀態的運行監視。主程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序流程

因為本設備使用場合存在相關要求，所以要確保設備工作的即時性和安全可靠，其開入量工作狀態和保持邏輯就無法放到同一工作中同時進行，所以必須采用FreeRTOS 的軟件計時器操作。設計了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 產生1 次中斷，即每周波128 個取樣時間點。將現場的電壓與電流模擬信號，經過轉換和抗干擾處理后連接16 個高精度A/D 轉換器。將數據收集后存在于緩存數組中，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，可以用來達到保護動作的高速度性，保護值為基波值，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 定時器可以實時收集開關狀態量，該設備可完成1 ms 中斷測量40 路遙信開關數量的功能。10 ms 定時器中算出了電壓、電流的保證值與檢測值，實時地通過穩壓值和電流值確定輸出功率大小，同時完成了保護邏輯的計算處理，從而保證了操作流程中產生事項以及進出口控制。另外，本器件還具有故障錄波特性，可對故障產生時的交流信號進行錄波[4]。

3 10kV 配電線路保護配置方法

3.1 做好事前準備

在10 kV 配電線路安全保護器的設計與施工之前，首先，要做好事前的預備工作。做好配電維護裝置設備品質的檢測工作，要對設備的品質做全方位檢測，確保其后續運行工作可以順利實施。其次，在10 kV 配電線路的安全保護器方案設計過程中，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計防護裝置，這樣才能夠進一步提高安全保護器的工作效率與水平。再次，在設計配電線路時要做好監測運行。在安全保護器的工程設計中，可利用科學技術和信息，構成一定的網絡系統，設立安全保護器的綜合中心，如果安全保護器工作中發生問題，能夠及時反映到行控中心，并適時派人對安全保護器實施檢測，從而大大提高安全保護器的工作品質和工作效率。

3.2 完善二次回路的監視

數字式安全保護器本身就具有狀態檢測的作用，而作為電網“安全衛士”的繼電保護除設備本體之外，通常還含有二次回路，一般包括電壓回路、穩壓電路、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監視。因為電流回路的斷線會產生保護誤操作，所以，電流監控回路中需要經常檢查電流回路的異常現象，其基本原理就是在無零序電流的情形下檢測零序電流，以發現電流回路非正常，此時對單片機的延時閉鎖是對誤動作的防范，并產生報警信號待專業的技術人員解決。電壓回路斷線失壓而產生距離保護器的誤操作，所以，監控回路必須監測回路的異常情況，主要機理就是距離保護器通過電流突變量而啟動，當電壓中斷時由于電流無突變量，所以距離保護器也不會誤動作。

3.3 電纜環網單元供電

在對10 kV 供電線路保護裝置的設計中，電纜環網供電系統就是當中的一項重點內容。在實施單元供電系統的設置時，應先對使用者的單臺供電變壓器設備的電容加以測試，并按照其電容大小對單元供電系統的形式加以選擇，當使用者單臺供電變壓器設備體積達到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行安全性。另外，在電纜環網的單元供電系統中也必須結合現場的實際狀況加以研究，在使用單臺變壓器的容積范圍為400～1 000 kVA時，安全保護器就必須通過低負荷開關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 內切斷故障電流，再外加一個限流作用，才能更有效維護變壓器系統設備。另外，根據用戶速斷保護動作電流，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 供電母線的保護裝置上，就必須針對不同的實際狀況對電纜環網的單元供電系統方法加以選擇，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器中，變壓器電氣設備體系是其最主要的組成部分，在采用變壓器系統電氣設備臺架連接時，首先要確定其連接方法的可靠性。當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運轉，從而提升供電線路的工作質量。其次，安全保護器的定值后備保護時間與時限配置也要嚴格按照客戶的終端配電變壓器的容積范圍加以設計，從而保證供電線路的運營效率。另外，如果在變壓器設備的臺架接線上選擇跌落型熔斷裝置時，應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器中，高壓室內接線主要適用于供電變壓器容量很大的用戶，因為一旦電源容量超過處于800 kVA 時，其線路就必須設置在高壓室內接線。在實施高壓室內接線過程中，首先要對用戶的配電線路實施檢測，再對用戶的入線實施檢測，而當使用10 kV 進線為一主一備進線，或雙進線加母線分段等方法時，則規定了用戶應當同時在主進間距和備用間距之間設置繼電保護系統裝置，而安全保護器的定值整定時間與時限配合，必須由供電企業調度中心統一完成后備維護，如此才能保證配電線路的正常運行。

3.6 建立保護狀態檢修的技術管理

建立保護狀態檢修的技術管理需要通過科學合理化的管理來保障。繼電保護系統裝置在電力系統中一般是保持靜止狀態的，在電力系統中，必須掌握繼電保護系統裝置在電力系統故障時如何能夠迅速且正確地展開動作，即要掌握繼電保護系統裝置動態的“狀態”。可以利用仿真繼電保護裝置在電氣事故和異常情況下的參數變化，使繼電保護裝置開啟和動作，從而檢驗繼電保護裝置所具備的邏輯功能和動態特征，以便認識和掌握繼電保護裝置狀態，所以這種繼電保護裝置的試驗研究，對電力系統來說是非常有必要的。做好繼電保護裝置狀態檢測，完善對每組保護裝置的設備變更記錄是十分關鍵的基本技術管理工作。設備變更記錄中應詳盡記述機器設備從投運至報廢的全部使用過程，機器設備軟、硬件部分所發生的重大變動，包括軟件系統的版本升級、硬件插件的改變、二次回路的改變、反事故安全措施的落實情況和試驗數據的改變情況。類似的設備變更記錄其實是對該保護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判斷的重要依據。

4 結束語

綜上所述，在本文中所闡述的供電系統測控保護裝置，綜合了傳統的電力自動化設備與繼電保護系統裝置的優勢，既具有防護性能又可進行配網智能化典型的區域事故自愈，由于技術領先、功用良好且靈活使用，可以提高供電系統網絡故障分離與修復供電系統的有效性，從而大大提高了供電系統安全性。