一種配電終端殘壓模塊方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 210000)

0 引言

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)突飛猛進(jìn)及人民生活水平的提高，人們對(duì)電力的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)供電可靠性和質(zhì)量提出了更高的要求。如何減少用戶的停電時(shí)間，提高用電的可靠性，是當(dāng)前配電自動(dòng)化關(guān)注的焦點(diǎn)。饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化建設(shè)的核心之一，而就地型饋線自動(dòng)化[1]能極大地縮短配電線路故障檢測(cè)、故障隔離、非故障區(qū)域恢復(fù)供電的時(shí)間[2]。

目前使用較多的是電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化方案。該方案是通過開關(guān)“無壓分閘，來電延時(shí)合閘”[3]的工作特性配合變電站出線開關(guān)二次合閘來實(shí)現(xiàn)就地型饋線自動(dòng)化。一次合閘隔離故障區(qū)間，二次合閘恢復(fù)非故障段供電。但該方案在饋線上發(fā)生的瞬時(shí)性故障按照永久性故障的時(shí)間順序來處理，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)供電。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，線路上瞬時(shí)性故障出現(xiàn)的概率較大，甚至達(dá)到線路故障的70%～80%,因此引出了電壓電流時(shí)間型饋線自動(dòng)化方案。此方案在電壓時(shí)間型方案的基礎(chǔ)上增加了對(duì)故障電流及接地電流的判別，遵循得電X時(shí)限合閘，X時(shí)限檢測(cè)到殘壓閉鎖合閘，合閘后Y時(shí)限內(nèi)失壓且檢測(cè)到故障電流閉鎖分閘的基本邏輯。

所以，需要在傳統(tǒng)的配電饋線終端(FTU)上加入一個(gè)殘壓模塊用來采集殘壓，并能在裝置正常上電后告知FTU主中央處理器(CPU)，從而完成反向閉鎖的邏輯。

1 硬件方案

2017年8月國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《國(guó)家電網(wǎng)公司一二次融合柱上開關(guān)及環(huán)網(wǎng)箱入網(wǎng)專業(yè)檢測(cè)大綱》[4](以下簡(jiǎn)稱《檢測(cè)大綱》)將瞬時(shí)電壓反向閉鎖試驗(yàn)作為一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容。具體內(nèi)容如下(本文中額定電壓Un為220 V，額定電流In為5 A)。

(1)終端失電后且無后備電源時(shí)，線路上有電壓≥50%Un，持續(xù)時(shí)間≥80 ms時(shí)，柱上負(fù)荷開關(guān)應(yīng)能完成反向閉鎖。

(2)終端失電后且后備電源有效時(shí)，線路上有電壓≥30%Un，持續(xù)時(shí)間≥80 ms時(shí)，柱上負(fù)荷開關(guān)應(yīng)能完成反向閉鎖。

根據(jù)《檢測(cè)大綱》的具體需求，提出的解決方案主要遵從以下原則：殘壓模塊需要具備儲(chǔ)能功能，在終端失電后，能將線路上瞬時(shí)來電儲(chǔ)存起來，并能提供殘壓模塊短時(shí)運(yùn)行；殘壓模塊需要一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，啟動(dòng)及運(yùn)行速度快，能及時(shí)判斷殘壓邏輯并將殘壓信息記錄下來；殘壓模塊需要一個(gè)輸入輸出(IO)，能在正常供電時(shí)通過IO口將殘壓信息發(fā)送給主CPU。根據(jù)以上原則，殘壓模塊硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 殘壓模塊硬件設(shè)計(jì)方案Fig.1 Hardware design of residual voltage module

由上述方案可知，采用兩個(gè)電壓互感器采集左右兩側(cè)的單相電壓，經(jīng)過整流和濾波后供給儲(chǔ)能電容，然后通過一段寬范圍輸入電源電路后，輸出3.3 V，5.0 V供給CPU芯片和串口芯片使用。儲(chǔ)能電容可以將殘壓的電能存儲(chǔ)起來，從而能使殘壓模塊的CPU短時(shí)工作，完成包括采樣、邏輯判斷及殘壓信息存儲(chǔ)等工作。

同時(shí)，殘壓模塊擴(kuò)展了一個(gè)串口，在終端正常上電后，殘壓模塊可以將殘壓信息通過串口發(fā)送給主CPU，以便主CPU將殘壓信息加入邏輯判斷。

2 軟件方案

根據(jù)《檢測(cè)大綱》，殘壓模塊只提供了短時(shí)電能(電壓≥30%Un，持續(xù)時(shí)間≥80 ms)以供CPU運(yùn)行，所以程序需要在上電后盡可能快地執(zhí)行。在軟件方案中，殘壓模塊使用了飛思卡爾的K64平臺(tái)，操作系統(tǒng)使用了一種輕量級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)(MQX)，并盡可能裁剪掉使用不到的功能，只保留MQX內(nèi)核及串口功能，從而保證在上電后的足夠短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)、采樣、判斷存儲(chǔ)等一系列工作。殘壓模塊軟件設(shè)計(jì)方案如圖2所示，圖中：UL為左側(cè)電壓；UR為右側(cè)電壓。

圖2 殘壓模塊軟件設(shè)計(jì)方案Fig.2 Software design of residual voltage module

3 方案特點(diǎn)及測(cè)試結(jié)果

在國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《檢測(cè)大綱》后，出現(xiàn)了兩種技術(shù)方案。一種是通過純硬件電路完成的殘壓模塊，殘壓信息通過遙信的方式來通知主CPU，這種方案的優(yōu)勢(shì)為簡(jiǎn)單，模塊化程度高，不需要主CPU和殘壓模塊之間通信，廠家可以將殘壓模塊作為一個(gè)模塊單獨(dú)出售；缺點(diǎn)為所有的定值都是固定的，沒有途徑去更改有壓定值、殘壓定值、時(shí)間定值等一系列參數(shù)，靈活度不夠高。

另外一種方案就是本文提出的通過軟硬件協(xié)同工作的方式來完成。缺點(diǎn)為模塊化程序不夠，需要主CPU和殘壓模塊之間配合通信的方式來完成殘壓閉鎖合閘的邏輯；優(yōu)點(diǎn)為可根據(jù)不同的場(chǎng)景、不同的電壓等級(jí)，靈活設(shè)置保護(hù)定值及其他參數(shù)，能夠在不修改程序的前提下適配各種場(chǎng)景。方案完成及軟硬件都具備后，執(zhí)行如圖3所示的場(chǎng)景測(cè)試。

圖3 饋線自動(dòng)化故障處理Fig.3 Feeder automation troubleshooting

就地型饋線自動(dòng)化[5]故障隔離過程如下。

(1)F002和F003之間發(fā)生故障，變電站出線斷路器CB1檢測(cè)到線路故障，保護(hù)動(dòng)作跳閘，線路1所有開關(guān)執(zhí)行無壓分閘邏輯。

(2)CB1重合閘，然后F001，F(xiàn)002依次執(zhí)行來電延時(shí)合閘邏輯。

(3)合閘于故障，CB1再次保護(hù)動(dòng)作跳閘，此時(shí)開關(guān)F002，F(xiàn)003執(zhí)行殘壓閉鎖合閘，完成故障點(diǎn)的定位。

使用繼電保護(hù)測(cè)試儀的狀態(tài)序列模擬F002，F(xiàn)003的故障處理過程，在電壓為30%Un，電流為In，持續(xù)時(shí)間為50 ms時(shí)，測(cè)試10次，殘壓模塊都能順利完成殘壓信息的判斷及存儲(chǔ)，終端主CPU能正確執(zhí)行閉鎖合閘邏輯，測(cè)試結(jié)果優(yōu)于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的80 ms。

4 結(jié)束語

就地型饋線自動(dòng)化不依賴主站，不依賴配電終端之間的相互通信，通過線路重合器與分段器之間的邏輯配合和時(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)線路故障的就地識(shí)別，隔離和非故障線路的恢復(fù)供電，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。但為了保證識(shí)別某些故障，終端需要更多的判據(jù)去識(shí)別故障特點(diǎn)。本文主要論述了一種殘壓模塊的軟硬件的實(shí)現(xiàn)方案，用來給終端提供殘壓信息這個(gè)判據(jù)，來實(shí)現(xiàn)就地自動(dòng)化中閉鎖合閘的邏輯，從而加速故障隔離的過程。