CN107863823A - 一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，包括开关柜控制系统以及若干开关设备，各开关设备独立作为开闭所终端设备或馈线终端设备互联互通，开关柜控制系统包括通过开关柜内部总线和精确时钟信号线连接在主控制模块上的功能扩展模块，开关设备通过光电隔离现场总线与主控制模块相连，开关柜控制系统通过主控制模块与上级配电主站系统相连，主控制模块上还连接有电源模块和定位模块，本发明简化了系统内部互联结构，并具备功能扩展能力，大大简化各开关设备的线‑核互联数量，满足智能电网对设备通信能力的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关柜控制系统，特别涉及一种开关柜智能控制器。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展和生活资料的急剧膨胀，社会生产现状对输配电的质量要求越来越高。以环网柜、柱上断路器、柱上负荷开关为代表的中压一次设备及以DTU、FTU、TTU、RTU为代表的二次测控设备在中压配网自动化解决方案中获得了广泛应用，但经过一段时间的运行实践，这种基于一、二次设备组合而成的配网自动化解决方案也暴露了一些亟需解决的新问题，主要有：
一二次设备分开设计组装存在很多隐患。由于一、二次设备是由不同厂商分别设计制造后在用户端进行组合安装调试，普遍存在因使用年限、接口不兼容、布线混杂冗余等原因造成一、二次设备不匹配的问题，在事故发生后又无法高效地排查故障来源，从而不能及时划分事故责任，故障修复周期较长。
二次设备在监测管理功能方面的进展较慢。当前的二次设备普遍不具备中压输电线路线损精确管理的软硬件条件，无法实现10千伏同期分线线损管理及线损“四分”（分区、分压、分元件、分台区）同期管理目标。
遥信抖动问题尚未解决。目前开关柜的时间基准采用主站时钟同步方式实现，但由于对时是通过通信命令方式实现的，有较大的传输延迟及对时误差，导致系统状态发生变化时，关联开关的动作时序记录与实际不符，特别是反映在遥信数据的遥信抖动上。
配电网拓扑结构复杂，其故障定位一直是一个难点。过去的人工线路故障排查方式工作量大，耗时长，短期内无法恢复供电。目前，基于暂态行波的故障定位方法具有较强的适应性以及较高的定位精度，但对于较复杂的配电网络结构，传统单端和双端行波定位方法的计算误差会明显影响定位结果的可靠性，而传统多端行波定位法虽然适用性强，不存在伪故障点的问题，却仍需进行复杂的矩阵计算，难以有效应用。
为解决10千伏配电网络的上述问题，在国家电网主导下正积极推进中压配电网一二次设备深度融合相关的政策及技术规范的制定与实施，但目前国内的相关产品尚无法同时满足上述功能要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，以解决目前关于开关设备控制器的上述技术问题。
本发明的目的是这样实现的：一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，包括开关柜控制系统以及若干开关设备，各开关设备独立作为开闭所终端设备或馈线终端设备互联互通，所述开关柜控制系统包括通过开关柜内部总线和精确时钟信号线连接在主控制模块上的功能扩展模块，所述开关设备通过光电隔离现场总线与主控制模块相连，所述开关柜控制系统通过主控制模块与上级配电主站系统相连，所述主控制模块上还连接有电源模块和定位模块。
作为本发明的进一步限定，所述功能扩展模块包括测量保护模块、设备及线路状态量监测模块、故障定位模块、环境状态量监测模块。
作为本发明的进一步限定，所述主控制模块采用ARM-Cortex-M4为核心的处理器，所述功能扩展模块以DSP作为核心芯片，检测信号通过功能扩展模块前端安装的传感器及检测装置，经DSP由内部现场总线接入至ARM处理，同时ARM也通过精确时钟信号线为DSP功能模块提供时标信息，从而实现设备状态的智能监测功能。
作为本发明的进一步限定，所述开关柜控制系统的功能包括：
多路高精度数据采集，设备及线路状态量监测模块负责采集线路的三相电压、电流及零序电压和电流，监测设备分配电能的工作状态，它通过对线路电压、电流进行数字化测量，实时获得线路的运行参数，同时结合时间基准同步功能的精确亚微秒级时标，完成线路运行损耗的精确计算；
多路开关量输入/输出，通过光电隔离总线连接在主控制模块上的开关设备完成对开关设备开关信号的采集与控制，实时获取并记录个开关设备的状态参量；
多信道多方式通信，主控制模块与各模块以及开关设备的连接方式提供多种通信信道及通信协议，实现测控数据的及时上传下达，满足智能电网对设备通信能力的要求，并将互联网、物联网技术的硬件集成到智能控制器中，各开关设备可通过现场总线互联，使设备具有互联互通及网络化运行维护的条件，为今后配网运营模式的改变和创新提供支撑；
时间基准同步，定位模块采用GPS、北斗、网络时钟标准时钟，为设备提供亚微级的同步时钟及精确的时间标签及地理信息；
多路高速数据采集，设备及线路状态量监测模块负责记录故障状态的暂态波形、局部放电信号雷击及操作过电压等瞬态信号波谱图，同时结合时间基准同步功能的精确亚微秒级时标，使相应的中压配电系统同时具备正常运行状态及故障状态下实时监测数据的广域同步分析能力；
脉冲功率注入，故障定位模块通过注入功率脉冲信号，在系统失电的情况下，尤其是在线检测地下电缆故障点时，能有效地实现线路故障的监测与定位；
操动机构状态监控，功能扩展模块负责监测操动机构的动作时间、动作速度、行程、弹跳等状态参量，同多路开关量输入/输出功能结合，实时获得开关设备自身的运行状态；
设备环境温度湿度监测，环境状态量监测模块负责监测温度、湿度等设备周围环境参量，及时反馈给智能控制平台和配电网系统后台，以便控制系统及时作出相应决策，预防凝露；
可扩展，可根据需要进行升级扩展，除基本的人机接口和可视化模块外，还可添加电缆接头温度测量、触头温度测量、气体泄漏测量、漏电流检测、触头电寿命监测等扩展功能。
作为本发明的进一步限定，多路高精度数据采集、多路开关量输入/输出、多信道多方式通信、多路高速数据采集、脉冲功率注入、设备环境温度湿度监测、可扩展均以模块的形式实现。
作为本发明的进一步限定，所述定位模块用以实现时间基准统一，实现时间基准统一的方法为：
步骤1）通过定位模块提取实时时间位置信息及精密定时时钟信号；
步骤2）将时间定位信息通过串口发送给主控制模块，精密定时时钟信号通过PPS脉冲信号的形式差动传送给功能扩展模块。
作为本发明的进一步限定，所述设备及线路状态量监测模块用以进行电压、电流测量；通过16路交流模拟量测量，采用不同的ADC工作方式，分别获得对应进线的高、低速电压、电流数据，从而得到线路或设备的运行状态参数、故障及开关动作等瞬态波形，实现状态监测和故障定位；对于节点电压U、电流I、功率P和Q、功角cosφ等参量，只需控制ADC在低速采样的工作模式下，每个周期采集256个点；对于实时电压/电流波形、开关动作及故障波形等参量，需使ADC工作在1MHz的高速采样模式下；考虑到故障时电流变化范围大，在设计保护措施时，接入光电耦合放大处理电路，保证测量电路可在正常工作电流的10 ~ 20倍下可靠运行。
作为本发明的进一步限定，所述故障定位模块通过PT/CT注入故障定位信号，即高频功率脉冲信号，结合故障时记录的高速同步瞬态数据，通过双端及多端法对行波数据处理，从而实现故障的快速定位。
作为本发明的进一步限定，注入高频功率脉冲信号时使用单脉冲注入方式， t1时刻发波信号，信号在故障点反射，t2时刻测得反射波，则有δt = t1-t2；那么故障点到测试点的距离l为l = δt×c’/2，其中c’为检测用电磁波速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用小型化、低功耗以及免维护的技术措施以提高设备可靠性和稳定性；每个智能控制平台的主控制模块采用以ARM-Cortex-M4为核心的处理器，该处理器体积小，能耗低，性价比高，功能强大，在通信、显示和测控等领域得到广泛应用；同时，功能扩展模块采用以DSP为核心的控制芯片，该芯片能耗较低，拥有多总线结构、流水线操作方式、专用硬件乘法器和快速的指令周期，适用于多机并行系统，运算精度很高，便于数据高速采集并有效处理；
首次在配网终端设备中采用定位模块（北斗、GPS）等多种授时技术统一设备间的时间基准，保证时间基准的可靠、准确与统一，可解决目前存在的遥信抖动问题，并使设备具备输电线路线损精确管理的软硬件条件；
通过对线路高速测量数据添加亚微秒精确时间标签，实现设备局放、输电线路雷击过电压、操作过电压的实时在线监测功能，同时结合高速功率脉冲注入技术，实现对失电状态的输电线路特别是地下电缆类输电线路故障的快速定位功能，提高故障处理的效率及准确度，解决目前存在无法精准确认故障点位置而导致故障处理周期长、复杂度高的问题；
系统设计采用两级总线结构（光电隔离现场总线、开关柜内部现场总线），实现DTU/FTU（开闭所终端设备/馈线终端设备）开关设备网络化管理；核心处理器通过内部仅通过内部现场总线和精确时钟信号线与各功能模块相连，简化了系统内部互联结构，并具备功能扩展能力；提供多信道多方式的通信手段，在供电所、开闭所不再需要专设DTU/FTU柜，每个开关柜都可通过软件将其设定为具有DTU/FTU功能的智能控制器，开关设备间除通讯线外无须其他接线互联，大大简化各开关设备的线-核互联数量，满足智能电网对设备通信能力的要求，并将互联网、物联网技术集成到项目设备功能中，使设备具有互联、互通及互换的网络化运行维护条件，为今后配网运营模式的改变和创新提供支撑。
附图说明
图 1为本发明硬件系统平台的结构示意图。
图 2为本发明中所包含的技术功能框图。
图 3为本发明中的精确时间统一方案示意图。
图 4为本发明中的电流测量方案示意图。
图 5为本发明中的电压测量方案示意图。
图 6为本发明利用PT/CT的脉冲功率注入技术方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
如图 1所示，本发明提出一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，包括多个开关柜控制系统，每个开关柜控制系统上连接有若干个开关设备，各开关设备独立作为开闭所终端设备或馈线终端设备互联互通，所述开关柜控制系统包括通过开关柜内部总线和精确时钟信号线连接在主控制模块上的功能扩展模块，所述功能扩展模块包括测量保护模块、设备及线路状态量监测模块、故障定位模块、环境状态量监测模块，所述开关设备通过光电隔离现场总线与主控制模块相连，每个开关柜控制系统通过主控制模块与上级配电主站系统相连，所述主控制模块上还连接有电源模块和定位模块；控制单元采用多核单处理器结构（DSP+ARM），可实现人机接口、时间基准、多种通讯功能接入以及多种监控功能，并且能根据未来测控功能需要，进行相应功能扩展；在该控制器所在开关柜控制系统中，每个开关设备都具有互联、互通和互换功能，方便进行设计、生产以及管理；每个开关设备都具有DTU/FTU的功能，除通讯线外无须其他接线互联，大大简化各开关设备的线-核互联数量；开关柜控制系统的主控制模块采用在通信、显示和测控等领域得到广泛应用的ARM-Cortex-M4作为核心处理器，同时，每个开关柜控制系统也可通过该主控制模块的通讯接口，与上级配电自动化主站系统进行通信；除电源模块和定位模块等非测控模块外，每个功能扩展模块采用在数字信号处理领域广泛应用的DSP作为控制芯片，检测信号通过前端安装的传感器及检测装置，经DSP由开关柜内部现场总线接入至ARM处理，同时ARM也通过精确时钟信号线为DSP功能模块提供时标信息，从而实现设备状态的智能监测功能。
如图 2所示，本发明中智能控制平台的主要功能和技术手段如下：
多路高精度数据采集模块负责采集线路的三相电压、电流及零序电压和电流，监测设备分配电能的工作状态，它通过对线路电压、电流进行数字化测量，实时获得线路的运行参数，同时结合时间基准同步模块的精确亚微秒级时标，完成线路运行损耗的精确计算；
多路开关量输入/输出模块完成对开关设备开关信号的采集与控制，实时获取并记录个开关设备的状态参量；
多信道多方式通信模块提供多种通信信道及通信协议，实现测控数据的及时上传下达，满足智能电网对设备通信能力的要求，并将互联网、物联网技术的硬件集成到智能控制器中，各开关设备可通过现场总线互联，使设备具有互联互通及网络化运行维护的条件，为今后配网运营模式的改变和创新提供支撑，并且采用本发明提出的通信技术方案后，在供电所、开闭所不再需要专设DTU柜，每个开关柜都可通过软件将其设定为具有DTU功能的智能控制器；
时间基准同步模块采用GPS、北斗、网络时钟等标准时钟，为设备提供亚微级的同步时钟及精确的时间标签及地理信息；
多路高速数据采集模块负责记录故障状态的暂态波形、局部放电信号雷击及操作过电压等瞬态信号波谱图，同时结合时间基准同步模块的精确亚微秒级时标，使相应的中压配电系统同时具备正常运行状态及故障状态下实时监测数据的广域同步分析能力；
脉冲功率注入模块通过注入功率脉冲信号，在系统失电的情况下，尤其是在线检测地下电缆故障点时，能有效地实现线路故障的监测与定位；
操动机构状态监控模块负责监测操动机构的动作时间、动作速度、行程、弹跳等状态参量，同多路开关量输入/输出模块结合，实时获得开关设备自身的运行状态；
设备环境温度湿度监测模块负责监测温度、湿度等设备周围环境参量，及时反馈给智能控制平台和配电网系统后台，以便控制系统及时作出相应决策，预防凝露；
可扩展模块可根据需要进行升级扩展，除基本的人机接口和可视化模块外，还可添加电缆接头温度测量、触头温度测量、气体泄漏测量、漏电流检测、触头电寿命监测等扩展功能；
此外，本发明还结合对时间信号的管理使用及通信协议的编程，在满足国家电网、南方电网对DTU、FTU功能要求的基础上，实现中压配电网设备级一、二次功能的深度（无缝）融合。
如图 3所示，本发明中可实现一种时间基准统一技术方案；此方案采用GPS/北斗定时技术来实现，通过定位模块及其外接天线提取GPS/北斗的实时时间位置信息及精密定时时钟信号，其实时时间位置信息通过串口传给ARM主控制模块，而精密定时时钟信号通过以PPS脉冲信号的形式差动传送给各功能扩展模块。一方面，对于各子开关柜控制系统，其时间信息共用GPS/北斗的统一时间，可以在中压配网线路的不同节点处达到同步，保证各监测结点采集信号的同时性，便于精确计算各节点分段线路的损耗，也可以精确计算故障行波信号的传输时间差δt，从而实现故障点的精确快速定位；另一方面，对于一般的定位模块（北斗/GPS），其PPS信号的脉冲前沿在60 ns左右，通过采用差动驱动技术，可以减小该定时时钟脉冲传输过程中所需的驱动电平，增大传输电流，从而减少该时钟信号的传输延时，保证各功能模块测量数据的精确时间同步，进而就可以对线路节点的各测量数据添加精确的时间标签，使设备内部各功能模块具备精确监测和计算的功能，尤其是对于开关量和模拟量等信号的暂态情况监测；此外，本发明提出的时间统一技术方案对遥信数据监测的定时精度是亚微秒级的，且有准确的时标，这为中压配电系统解决精确线损测量及遥信抖动问题提供了硬件条件，还可以在复杂的中压配电网络监控应用中实现广域监测数据的同步。更重要的是，该方案与测量功能融为一体，并不增加成本与检测的复杂度。
如图 4和图 5所示，本发明分别提供一种电流测量和一种电压测量方案；通过16路交流模拟量测量，采用不同的ADC工作方式，分别获得对应进线的高、低速电压、电流数据，从而得到线路或设备的运行状态参数、故障及开关动作等瞬态波形，实现状态监测和故障定位。对于节点电压U、电流I、功率P和Q、功角cosφ等参量，只需控制ADC在低速采样的工作模式下，每个周期采集256个点；对于实时电压/电流波形、开关动作及故障波形等参量，需使ADC工作在1MHz的高速采样模式下；此外，考虑到故障时电流变化范围大，在设计保护措施时，接入光电耦合放大处理电路，保证测量电路可在正常工作电流的10 ~ 20倍下可靠运行。
如图 6所示，本发明还提供一种利用PT/CT的高频脉冲功率注入技术；该技术方案主适用于系统失电状态下，特别是地下电缆类的输电线路故障快速定位；该方案通过PT/CT注入故障定位信号，即高频功率脉冲信号，结合故障时记录的高速同步瞬态数据，通双端及多端法对行波数据处理，从而实现故障的快速定位；为保证定位信号的有效传递，本发明中注入脉冲时使用单脉冲注入方式， t1时刻发波信号，信号在故障点反射，t2时刻测得反射波，则有δt = t1-t2；那么故障点到测试点的距离l为l = δt×c’/2，其中c’为检测用电磁波速度。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，包括开关柜控制系统以及若干开关设备，各开关设备独立作为开闭所终端设备或馈线终端设备互联互通，所述开关柜控制系统包括通过开关柜内部总线和精确时钟信号线连接在主控制模块上的功能扩展模块，所述开关设备通过光电隔离现场总线与主控制模块相连，所述开关柜控制系统通过主控制模块与上级配电主站系统相连，所述主控制模块上还连接有电源模块和定位模块。
2.根据权利要求1所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述功能扩展模块包括测量保护模块、设备及线路状态量监测模块、故障定位模块、环境状态量监测模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述主控制模块采用ARM-Cortex-M4为核心的处理器，所述功能扩展模块以DSP作为核心芯片，检测信号通过功能扩展模块前端安装的传感器及检测装置，经DSP由内部现场总线接入至ARM处理，同时ARM也通过精确时钟信号线为DSP功能模块提供时标信息，从而实现设备状态的智能监测功能。
4.根据权利要求3所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述开关柜控制系统的功能包括：
多路高精度数据采集，设备及线路状态量监测模块负责采集线路的三相电压、电流及零序电压和电流，监测设备分配电能的工作状态，它通过对线路电压、电流进行数字化测量，实时获得线路的运行参数，同时结合时间基准同步功能的精确亚微秒级时标，完成线路运行损耗的精确计算；
多路开关量输入/输出，通过光电隔离总线连接在主控制模块上的开关设备完成对开关设备开关信号的采集与控制，实时获取并记录个开关设备的状态参量；
多信道多方式通信，主控制模块与各模块以及开关设备的连接方式提供多种通信信道及通信协议，实现测控数据的及时上传下达，满足智能电网对设备通信能力的要求，并将互联网、物联网技术的硬件集成到智能控制器中，各开关设备可通过现场总线互联，使设备具有互联互通及网络化运行维护的条件，为今后配网运营模式的改变和创新提供支撑；
时间基准同步，定位模块采用GPS、北斗、网络时钟标准时钟，为设备提供亚微级的同步时钟及精确的时间标签及地理信息；
多路高速数据采集，设备及线路状态量监测模块负责记录故障状态的暂态波形、局部放电信号雷击及操作过电压等瞬态信号波谱图，同时结合时间基准同步功能的精确亚微秒级时标，使相应的中压配电系统同时具备正常运行状态及故障状态下实时监测数据的广域同步分析能力；
脉冲功率注入，故障定位模块通过注入功率脉冲信号，在系统失电的情况下，尤其是在线检测地下电缆故障点时，能有效地实现线路故障的监测与定位；
操动机构状态监控，功能扩展模块负责监测操动机构的动作时间、动作速度、行程、弹跳等状态参量，同多路开关量输入/输出功能结合，实时获得开关设备自身的运行状态；
设备环境温度湿度监测，环境状态量监测模块负责监测温度、湿度等设备周围环境参量，及时反馈给智能控制平台和配电网系统后台，以便控制系统及时作出相应决策，预防凝露；
可扩展，可根据需要进行升级扩展，除基本的人机接口和可视化模块外，还可添加电缆接头温度测量、触头温度测量、气体泄漏测量、漏电流检测、触头电寿命监测等扩展功能。
5.根据权利要求4所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，其中，多路高精度数据采集、多路开关量输入/输出、多信道多方式通信、多路高速数据采集、脉冲功率注入、设备环境温度湿度监测、可扩展均以模块的形式实现。
6.根据权利要求4所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述定位模块用以实现时间基准统一，实现时间基准统一的方法为：
步骤1）通过定位模块提取实时时间位置信息及精密定时时钟信号；
步骤2）将时间定位信息通过串口发送给主控制模块，精密定时时钟信号通过PPS脉冲信号的形式差动传送给功能扩展模块。
7. 根据权利要求4所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述设备及线路状态量监测模块用以进行电压、电流测量；通过16路交流模拟量测量，采用不同的ADC工作方式，分别获得对应进线的高、低速电压、电流数据，从而得到线路或设备的运行状态参数、故障及开关动作等瞬态波形，实现状态监测和故障定位；对于节点电压U、电流I、功率P和Q、功角cosφ等参量，只需控制ADC在低速采样的工作模式下，每个周期采集256个点；对于实时电压/电流波形、开关动作及故障波形等参量，需使ADC工作在1MHz的高速采样模式下；考虑到故障时电流变化范围大，在设计保护措施时，接入光电耦合放大处理电路，保证测量电路可在正常工作电流的10 ~ 20倍下可靠运行。
8.根据权利要求4所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，所述故障定位模块通过PT/CT注入故障定位信号，即高频功率脉冲信号，结合故障时记录的高速同步瞬态数据，通过双端及多端法对行波数据处理，从而实现故障的快速定位。
9. 根据权利要求8所述的一种具有广域同步测量功能的中压开关设备智能控制系统，其特征在于，注入高频功率脉冲信号时使用单脉冲注入方式， t1时刻发波信号，信号在故障点反射，t2时刻测得反射波，则有δt = t1-t2；那么故障点到测试点的距离l为l = δt×c’/2，其中c’为检测用电磁波速度。
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