CN103490516B - 具有故障录波功能的配电自动化馈线终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端及方法，包括：监控模块、录波模块和电源模块；所述监控模块与录波模块通过高速数据通道相连，所述监控模块定时从录波模块获取监控所需的配电网数据；本发明集成配电线路终端的监控功能与故障录波器的数据录波功能，实现带录波功能的配电终端代替普通的配电终端，与现有配电终端的外部接口兼容，不改变安装和接线方式，为配电网电磁暂态过程、稳态过程等各种工况提供完整可靠的记录手段，解决配电网发生故障后缺少故障分析数据的难题，弥补了现有配电终端功能上的不足。

Description

具有故障录波功能的配电自动化馈线终端及方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端及方法。

背景技术

配电网是现代电网的重要组成部分，分为高（35-110kV）、中（10kV）、低（0.4kV）压配电网，是控制和保证用户供电可靠性和供电质量的关键环节。我国配电网由于历史原因，还比较落后，是电网中最为薄弱的一环。配电网接点数量多、覆盖面积广、线路结构复杂且累加距离长、设备绝缘水平不高、各种防护措施不完善，以及运行环境恶劣（受气候、地理的环境影响较大），尤其在雷电、污染、内部过电压等诸多因素影响下，配电网故障频繁发生。近年来，随着我国经济的高速发展，配电网正发生深刻的变化。配电网的规模不断扩大，电缆线所占的比例不断提高（电缆电容性效应会导致稳态过电压）；普遍存在大容量波动性负荷（易造成电压波动和闪变）；分布式能源、电动汽车、储能装置等开始接入中压或低压配电网。传统配电网由无源网变为有源网、潮流由单向变为多向；分布式能源发电和电动汽车充电还具有分散和随机变动的特点，大批量接入将对配电系统的安全稳定运行产生极大的影响。

配电自动化系统是提高配网可靠运行的重要手段，配电自动化系统通过配电终端，实现对配电网的远程监测和控制。配电自动化馈线终端（Feeder Terminal Unit）是配电终端的一种，用于架空配电线路分段开关或联络开关的就地监控，实时监测开关位置、电压、电流等信息，并对开关进行遥控。但现有馈线终端仅是一种测控装置，向配电自动化主站秒级上送实时数据，配电主站对上送数据按分钟级存储，无法全面记录配电网故障时毫秒至微秒级的电网暂态过程的变化信息。

电力系统故障录波装置也称为故障录波器，电力部于1994年就已颁布《220-500kV电力系统故障动态记录技术准则》。故障录波器通过高速采样（每周波大于4K）计算电力系统运行时的各类参数，当系统发生故障或振荡（短路、接地、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等）时，对故障时刻前后的数据采集波形进行录波，是准确分析电网故障的必备手段。目前，故障录波器己成为变电站综合自动化系统的标准配置，通常可同时对多条电力线路进行录波。这种故障录波器安装于室内、体积大、成本高，不能用于室外配电线路。对配电网而言，目前还没有用于室外架空配电线路的故障录波装置。

中国专利ZL201220032081.X公开了一种配电自动化馈线终端，包括遥测板、遥控板、控制单元、电容管理单元以及电源管理单元，实现了多回线路模拟量的采集，同时提高了信号采集处理的实时性和可靠性，但该馈线终端不具备故障录波功能。

中国专利ZL201220561580.8公开了一种低压故障录波器，包括互感器单元、信号调理单元、A/D转换单元、数字量I/O、键盘、显示器、CPLD逻辑处理控制器、DSP处理器、GPS卫星同步时钟、存储器、通讯接口。该录波器不具备馈线终端的监测功能，未通过电压或电流互感器取电，不能用于配电线路。

现有配电馈线终端均不具备线路故障时录波功能，配电线路出现过电压、谐振、短路、接地等故障时，缺少反映配电网运行状态的毫秒级数据记录，对复杂配电网故障无法进行准确定位和原因分析。配电网络具有负荷小、分支多、投资少的特点，现场迫切需要一种功能完善、结构简单、安装方便、成本经济的新型馈线终端，将故障录波功能集成到馈线监控终端中，实现对配电网运行状态的全面监控。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端及方法，该装置与普通配电馈线终端的外部接口兼容，共用一套电压互感器和电流互感器，除具备普通馈线终端的监控功能外，还集成高速数据采样和录波处理功能，实现配电网运行异常与故障时的暂态波形的记录。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端，包括：监控模块、录波模块和电源模块；所述监控模块与录波模块通过高速数据通道相连，所述监控模块定时从录波模块获取监控所需的配电网数据；所述录波模块与电压互感器和配电线路负荷分段开关内置的电流互感器分别连接；所述电源模块与电压互感器连接，为监控模块和录波模块提供合适的电源。

所述负荷分段开关为一体式三相开关，所述负荷分段开关的电源侧AB相和负荷侧BC相各接入一个电压互感器(分别为AB相电压互感器、CB相电压互感器)。两个电压互感器的二次侧B相公共端相连并接地，两个电压互感器二次侧输出端（A相和C相端）分别接入所述录波模块和电源模块。

所述监控模块包括：主控制器与开关量采集板、控制量输出板、网络通信板、GPRS通信板和红外通信板分别连接；所述主控制器通过网络通信板和GPRS通信板与远方配电自动化主站通讯，所述主控制器通过红外通信板与就地的人工手持终端通讯；所述主控制器基于ARM平台；所述开关量采集板具有8路输入，采用光耦隔离；所述控制量输出板具有4路输出。

所述录波模块包括录波处理器与高速模拟信号采集板、GPS时钟板、高速内存和外部存储扩展卡分别连接；所述录波处理器基于DSP平台；所述高速模拟信号采集板具有8路输入，采用高精度高速14位AD转换器；所述外部存储扩展卡可热插拔，用于存储录波数据。

所述电源模块包括电源管理器、蓄电池和电源切换开关；所述电源管理器通过外接电压互感器取电，所述电源切换开关由主控制器控制，所述电源切换开关有3个位置，分别接入AB相电压互感器二次侧、CB相电压互感器二次侧和悬空。

所述具有录波功能的配电线路馈线终端外壳为非金属材料，全密闭设计，具有不低于IP54的防护等级；所述具有录波功能的配电线路馈线终端的外部接口采用防水航空插头。

一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端的工作方法，正常情况下，录波处理器只对电压和电流数据进行采集，当满足录波启动条件时，启动故障录波；录波处理器首先将录波数据存储到高速内存，当录波结束后，录波处理器再将该条录波数据转存到外部存储扩展卡；根据录波状态，主控制器控制电源切换开关在AB相电压互感器二次侧、CB相电压互感器二次侧和悬空三个位置进行切换。

所述录波启动的条件包括但不限于：（1）AB、CB线电压突变量越限启动；（2）A、B、C三相和零序电流突变量越限启动；（3）谐波越限启动；（4）开关位置启动；（5）手动和遥控启动。

所述主控制器控制电源切换开关的过程为：

（1）故障录波未启动时，主控制器控制电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，以电压互感器作为外部电源，通过电源管理器为整个装置供电，同时为蓄电池充电。

（2）故障录波启动后，主控制器控制电源切换开关切换到悬空位置，切断外部电源的输入，整个装置由蓄电池供电。

（3）故障录波结束后，主控制器控制电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，直至录波结束。

（4）当启动长周期稳态录波时，外部电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，保持外部电源的正常供电。

本发明的有益效果是：本发明集成配电线路终端的监控功能与故障录波器的数据录波功能，实现带录波功能的配电终端代替普通的配电终端，与现有配电终端的外部接口兼容，不改变安装和接线方式，提供基于启动元件的暂态波形记录（采样率1k～10kHz）、稳态向量记录（记录间隔最小20ms）、无启动元件长录波（采样率1k～2kHz）三种数据记录方式，为配电网电磁暂态过程、稳态过程等各种工况提供完整可靠的记录手段，解决配电网发生故障后缺少故障分析数据的难题，弥补了现有配电终端功能上的不足。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构示意图；

图2为本发明安装示意图。

其中，1.监控模块，2.录波模块，3.电源模块，4.主控制器，5.网络通信板，6.GPRS通信板，7.红外通信板，8.开关量采集板，9.控制量输出板，10.录波处理器，11.GPS时钟板，12.高速内存，13.外部存储扩展卡，14.高速模拟信号采集板，15.电源管理器，16.蓄电池，17.电源切换开关。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种带有故障录波功能的配电自动化馈线终端，包括监控模块1、录波模块2和电源模块3，其中监控模块1包括主控制器4、开关量采集板8、控制量输出板9、网络通信板5、GPRS通信板6、红外通信板7；录波模块2包括录波处理器10、GPS时钟板11、高速模拟信号采集板14、高速内存12、外部存储扩展卡13；电源模块3包括电源管理器15、蓄电池16和电源切换开关17。

所述监控模块1的主控制器4基于ARM平台和嵌入式Linux系统，是整个终端的控制中心。所述录波模块2的录波处理器10基于DSP平台，利用其信号处理和数据运算方面的强大功能，实现配电网电压及电流的高速录波。

所述高速模拟信号采集板14具有8路输入，采用高精度高速14位AD转换器。所述开关量采集板8具有8路输入，采用光耦隔离。所述控制量输出板9具有4路输出。

当配电线路供电时，所述电源管理器15通过外接电压互感器取电，为配电馈线终端内其它板卡提供电源，并为蓄电池16充电；当配电线路断电时，由蓄电池16为配电终端供电。所配蓄电池16采用免维护铅酸蓄电池，电压为DC24V，容量不小于7Ah。

所述主控制器4通过网络通信板5和GPRS通信板6与远方配电自动化主站通讯，所述主控制器4通过红外通信板7与就地的人工手持终端通讯。

基本工作原理：

本装置与普通配电馈线终端的外部接口兼容，共用一套电压互感器和电流互感器，除具备普通馈线终端的监控功能外，集成高速数据采样和录波处理功能，实现配电网运行异常与故障时的暂态波形的记录。

负荷分段开关接入配电线路A、B、C三相，负荷分段开关的电源侧AB相和负荷侧BC相各接入一个电压互感器(分别为AB相电压互感器、CB相电压互感器)。两个电压互感器的二次侧B相公共端相连并接地，两个电压互感器二次侧输出端（A相和C相端）分别接入录波模块2和电源模块3。

AB相及CB相电压互感器的变比为10/0.22，额定容量应不小于100VA，二次侧输出AC220V，二次绕组内阻不大于10Ω。终端正常运行时功率小于20W，工作电流小于0.1A。两个电压互感器除作为电压信号采集源外，还作为终端的外部电源。

AB及CB相电压互感器经过3位置电源切换开关17接入电源管理器15。所述电源切换开关17有3个位置，分别接入AB相电压互感器二次侧、CB相电压互感器二次侧和空位置。电源切换开关17由主控制器4控制，根据两路外部电源带电情况和装置录波状态，进行切换。

故障录波未启动时，电源切换开关17切换到AB相或CB相电压互感器作为外部电源。外部电源通过电源管理器15为整个装置供电，同时为蓄电池16充电，蓄电池16充电电流限制在1A以下，以减少电压互感器的负载。当故障录波启动后，电源切换开关17切换到空位置，切断外部电源的输入，整个装置由蓄电池16供电，避免压互感器作为电源对电压信号采集精度的影响；故障录波结束后，电源切换开关17切换到AB相或CB相电压输入位置。直至录波结束，以减少对电压采集信号精度的影响。当启动长周期稳态录波时，电源切换开关17不切换到空位置，仍保持外部电源的正常供电。

所述监控模块1的主控制器4基于ARM平台和嵌入式实时Linux操作系统，基于Linux操作系统可屏蔽底层硬件的细节，减少软件编程的开发工作量。所述录波模块2的录波处理器10采用高速DSP处理器，利用DSP信号处理和数据运算能力强的特点，实现多路模拟量的微秒级录波。所述主控制器4与录波处理器10通过高速数据通道相连，主控制器4定时从录波处理器10获取监控所需的配电网电压及电流数据。

所述故障录波模块2配置数据存储扩展卡13，用于存储大数量的录波数据，数据存储扩展卡可热插拔。数据存储时按日期建子目录，录波数据文件以启动时间命名。

所述监控模块1的网络通信板5提供网络通讯接口，GPRS通信板6提供无线通讯接口，红外无线通信板7提供与就地手持式数据读取器的通讯功能。

配电线路分段开关的位置经开关量采集板8变成电信号，再经光耦隔离后，接入主控制器4。在正常情况下,录波处理器10只对电压、电流进行采集，对位置只进行扫描。当满足录波启动条件时，启动故障录波。录波处理器10首先将录波数据存储到高速内存12，当录波结束后，录波处理器10再将该条录波数据转存到外部存储扩展卡13。外部存储扩展卡13取出后插入计算机，通过离线程序显示波形曲线图。

所述终端的录波启动条件可配置，包括但不限于以下几种情况：1）AB、CA线电压突变量及越限启动；2）A、B、C相和零序电流突变量及越限启动；3）谐波越限启动；4）开关位置启动；5）手动和遥控启动。

如图2所示，配电线路负荷分段开关为三相并箱的真空开关，内设联动隔离刀闸，内置3相及零序电流互感器（CT），接入所述具有录波功能的配电终端。

所述负荷分段开关安装在配电线路杆塔上，所述具有录波功能的配电线路馈线终端固定于同一杆塔，位于负荷开关下方。所述具有录波功能的配电线路馈线终端外壳为非金属材料，全密闭设计，具有不低于IP54的防护等级。所述具有录波功能的配电线路馈线终端的外部接口采用防水航空插头，连接牢靠。

所述具有录波功能的配电终端具有多种通讯接口。通过光纤以太网或GPRS与配电自动化主站进行通讯，向配电自动化主站上送所采集的配电网状态和录波数据。通过红外无线通信与用户手持终端端相连，可现场修改配置或下载录波数据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端的工作方法，其特征是，所述具有故障录波功能的配电自动化馈线终端，包括：监控模块、录波模块和电源模块；所述监控模块与录波模块通过高速数据通道相连，所述监控模块定时从录波模块获取监控所需的配电网数据；所述录波模块与电压互感器和配电线路负荷分段开关内置的电流互感器分别连接；所述电源模块与电压互感器连接，为监控模块和录波模块提供合适的电源；

所述监控模块包括：主控制器与开关量采集板、控制量输出板、网络通信板、GPRS通信板和红外通信板分别连接；所述主控制器通过网络通信板和GPRS通信板与远方配电自动化主站通讯，所述主控制器通过红外通信板与就地的人工手持终端通讯；所述主控制器基于ARM平台；所述开关量采集板具有8路输入，采用光耦隔离；所述控制量输出板具有4路输出；

所述录波模块包括录波处理器与高速模拟信号采集板、GPS时钟板、高速内存和外部存储扩展卡分别连接；所述录波处理器基于DSP平台；所述高速模拟信号采集板具有8路输入，采用高精度高速14位AD转换器；所述外部存储扩展卡可热插拔，用于存储录波数据；

所述电源模块包括电源管理器、蓄电池和电源切换开关；所述电源管理器通过外接电压互感器取电，所述电源切换开关由主控制器控制，所述电源切换开关有3个位置，分别接入配电线路电源侧AB相电压互感器二次侧、配电线路负荷侧CB相电压互感器二次侧和悬空；

所述配电自动化馈线终端的工作方法包括：

正常情况下，录波处理器只对电压和电流数据进行采集，当满足录波启动条件时，启动故障录波；录波处理器首先将录波数据存储到高速内存，当录波结束后，录波处理器再将该条录波数据转存到外部存储扩展卡；根据录波状态，主控制器控制电源切换开关在配电线路电源侧AB相电压互感器二次侧、配电线路负荷侧CB相电压互感器二次侧和悬空三个位置进行切换；

所述主控制器控制电源切换开关的过程为：

（1）故障录波未启动时，主控制器控制电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，以电压互感器作为外部电源，通过电源管理器为整个装置供电，同时为蓄电池充电；

（2）故障录波启动后，主控制器控制电源切换开关切换到悬空位置，切断外部电源的输入，整个装置由蓄电池供电；

（3）故障录波结束后，主控制器控制电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，直至录波结束；

（4）当启动长周期稳态录波时，电源切换开关切换到AB相或CB相电压互感器位置，保持外部电源的正常供电。

2. 如权利要求1所述的一种具有故障录波功能的配电自动化馈线终端的工作方法，其特征是，所述录波启动的条件包括但不限于：（1）AB、CB线电压突变量越限启动；（2）A、B、C三相和零序电流突变量越限启动；（3）谐波越限启动；（4）开关位置启动；（5）手动和遥控启动。