CN108448724A - 一种智能微机保护的环网柜控制系统及其实现方法 - Google Patents
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Classifications
-
- H02J13/0013—
Abstract
本发明公开了一种智能微机保护的环网柜控制系统，环网柜包括一次室和二次室；一次室内的配电线路及开关线路均分别加装电流互感器、电压互感器；其特征是，所述电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，所述环网柜一次室监控传感器和二次室通过数据线连接，一次室内配备有断路器，控制器中的数据处理模块通过对输出线路的各相数值和设定的标准值进行对比判断是否发生非正常输出，判断该线路为故障线路。本发明的优点是：CPU微机装置可实现数据的在线监测和现场管理显示，以便工作人员及时处理，可靠性较高,便于统一管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种电器设备技术领域，更具体的说，是涉及一种智能微机保护的环网柜控制系统及其实现方法。
背景技术
环网柜（Ring Main Unit）是一组输配电气设备（高压开关设备）装在金属或非金属绝缘柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部分采用负荷开关和熔断器，具有结构简单、体积小、价格低、可提高供电参数和性能以及供电安全等优点。它被广泛使用于城市住宅小区、高层建筑、大型公共建筑、工厂企业等负荷中心的配电站以及箱式变电站中。
目前，对于配网的馈线自动化系统方案主要通过重合闸来实现，有以下几种 ：
采用电压型负荷开关，配合馈线出线断路器开关二次重合闸，实现永久性故障区域的隔离。
这种传统的馈线自动化模式具有设备配置简单，无需通讯联络，隔离故障成功率高的特点，但也具有以下缺点 ：每次故障都会导致馈线出线开关跳闸；非故障段也会引起停电；隔离故障需要馈线出线开关多次分闸、合闸配合，造成非故障区域的多次重复停电以及对系统的多次冲击；隔离故障所需时间长，需要逐段延时合闸分段负荷开关；不能实现馈线潮流、开关工况的远方监视控制。
常见的电力系统智能保护方式有就地控制和远程控制两种；就地控制不依赖远程通讯,依靠故障识别、断路器等设备,实现就地识别和故障隔离,可靠性较高,但难于统一管理,故障维修工作也比较繁琐。远程控制实现了控制站集中管理,实现遥测、遥信、遥控等功能,方便快速,但其对通讯系统依赖性较高,故障隔离由主站以遥控方式集中控制，因此，该方式对通信的可靠性要求比较高，一旦系统通信方式故障，将直接导致馈线自动化的功能丧失，稳定性不如就地控制。
经检索，中国专利CN 202435021 U公开了一种配网馈线自动化故障隔离系统，通过在主干网的各个节点上设置环网开关站，可直接隔离短路故障点，无需变电站的断路器跳闸及重合，从而实现不间断供电，达到“零”停电的目的，使配网系统具备短路故障的自保护和自愈能力。然而该系统只能实现简单的故障隔离，无法实现针对不同性质的故障，进行针对性的处理。
发明内容
本发明针对现有产品的不足，而提供一种切断故障线路保证其他正常线路正常工作并收集故障数据将故障进行分类处理的一种智能微机保护的环网柜控制系统及其实现方法。
本发明的一种智能微机保护的环网柜控制系统，环网柜包括一次室和二次室；一次室内的配电线路及开关线路均分别加装电流互感器、电压互感器；其特征是，所述电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，所述环网柜一次室监控传感器和二次室通过数据线连接，一次室内配备有断路器，控制器中的数据处理模块通过对输出线路的各相数值和设定的标准值进行对比判断是否发生非正常输出，判断该线路为故障线路，并将该故障线路的信息进行标定并储存；控制器发送指令给故障线路上的断路器，故障线路上的断路器隔离，其他断路器正常运行，通过远程遥控或手动解除输出线路的故障，发送指令给故障线路上的断路器合闸，恢复正常运行；电流互感器、电压互感器通过导线和控制器的信号调理电路连接，信号调理电路和信号采样模块电连接，所述信号采样模块和主控芯片的SPI端口连接，主控芯片的I/O接口和开关光耦隔离模块连接，开关光耦隔离模块控制智能断路器实现合闸，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸，主控芯片通过UART接口分别和Ziggbee连接模块、以太网连接模块、GPRS连接模块、RS232接口、RS485接口；主控芯片还设置有数据存储模块和时钟管理模块；所述控制器通过和CPU微机装置电路连接，所述CPU微机装置包括：电源模块、数据采样模块、输出模块、输入模块、数字信号处理器、人机交互显示器；所述输出模块、输入模块通过光耦驱动模块和数字信号处理器连接，所述数据采样模块通过RS232接口、RS485接口和控制器的信号采样模块连接，所述数字信号处理器通过数据线和人机交互显示器连接，人机交互显示器上设置有指示灯、操作按钮模块；CPU微机装置可实现数据的在线监测和管理显示，以便工作人员及时处理，可靠性较高,便于统一管理。
进一步，所述主控芯片采用RS232接口、RS485接口将监测数据采用异步传输通信的发送方式。
进一步，环网柜的一次室内的断路器触头、软连接处、电缆接头处均按照有温湿度传感器；所述温湿度传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接，采用数字信号输出；所述断路器的每一相末端连杆处通过磁性安装座和振动传感器安装连接，振动传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接；环网柜的一次室内的SF6气箱内壁上安装有数个高频传感器子簇头节点和一个高频传感器集成簇头节点，高频传感器子簇头节点将采集信号发送给高频传感器集成簇头节点，高频传感器集成簇头节点数据接口和主控芯片的数据接口连接，高频传感器集成簇头节点通过套管从SF6气箱内引出，用于监测SF6气箱的放电位置及强度。
本发明还提供了一种智能微机保护的环网柜控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，控制器的主控芯片的数据处理模块对监测数据进行分析判断；
步骤2、控制器的数据处理模块根据计算值，发送控制命令给开关光耦隔离模块，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸、分闸；
步骤3、温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等将数据采集通过通讯模块将数据发送给监控服务器；
步骤4、主控芯片将故障执行数据通过通讯模块发送给监控服务器，监控服务器将数据传输给监控数据库，远程监控平台通过数据线和监控服务器连接；远程监控平台将保护动作信息，故障的不同类型、故障出现的时间和相别、零序电流和电压、操作机构动作或异常的信息等数据进行收集、分析管理；
步骤5、CPU微机装置通过人机交互显示器上的指示灯显示环网柜的状态包括温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等监测的数据；操作按钮模块可以实现保护定值的人工录入；
步骤6、远程监控平台将跳闸、告警、电气参数、状态参数、控制器参数、动作记录、通道情况等信息通过主站操作管理模块发送到移动管理终端。
进一步，骤1中数据处理模块对监测数据进行分析判断，控制器在满足故障线路上的检测灵敏度条件下，瞬时零序电流数值判断，将故障线路的瞬时零序电流和正常线路的零序电流进行比对，提取瞬时零序电流的最大数值进行判断，判断公式为：；所述为故障后零序电流的第r个数据采样值，N为总次数。
进一步，步骤1中数据处理模块对监测数据进行分析判断，正负方向判断，所述控制器选择任意一个输出线路作为样线，再分别采集其他输出线路的数据信息，计算比对正负方向来确定输出线路是否正常，判断公式为：，所述为参考样线第R个数据采集值，N为总次数，为非正常的第Y输出线路的第R个数据采集值；大于零说明输出线路正常，小于零说明输出线路非正常。
本发明的有益效果是：
（1）电流互感器、电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，控制器的数据处理模块对采集的数据进行计算分析，实现了针对不同性质的故障，进行针对性的处理。
（2）主控芯片集成了多种数据接口，保证断路器故障自动切除功能的实现，保证环网柜安全可靠运行，保证信息数据的顺利可靠安全的传输，从而使得数据信号顺利发送送到控制器。
（3）温湿度传感器实现了对环网柜内的温度和湿度进行监控，高频传感器实现SF6气箱绝缘状态数据监控；提前发现故障进行排除。
（4）CPU微机装置可实现数据的在线监测和管理显示，以便工作人员及时处理，可靠性较高,便于统一管理。
附图说明
图1 为本发明的使用原理图；
图2 为本发明的控制器的结构示意图；
图3 为本发明的远程监控平台的运行流程图；
图4为本发明的高频传感器的结构示意图。
图5为本发明的CPU微机装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1-5所示，一种智能微机保护的环网柜控制系统，所述环网柜包括一次室和二次室；一次室内的配电线路及开关线路均分别加装电流互感器、电压互感器；所述电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，所述环网柜一次室监控传感器和二次室通过数据线连接，一次室内配备有断路器，控制器中的数据处理模块通过对输出线路的各相数值和设定的标准值进行对比判断是否发生非正常输出，并将该故障线路的信息进行标定并储存；控制器发送指令给故障线路上的断路器，故障线路上的断路器隔离，其他断路器正常运行，通过远程遥控或手动解除输出线路的故障，发送指令给故障线路上的断路器合闸，恢复正常运行。
控制器中的数据处理模块判断故障计算方法如下：
瞬时零序电流数值判断，控制器在满足故障线路上的检测灵敏度条件下，将故障线路的瞬时零序电流和正常线路的零序电流进行比对，提取瞬时零序电流的最大数值进行判断，判断公式为：；所述为故障后零序电流的第r个数据采样值，N为总次数。
正负方向判断，所述控制器选择任意一个输出线路作为样线，再分别采集其他输出线路的数据信息，计算比对正负方向来确定输出线路是否正常，判断公式为：，所述为参考样线第R个数据采集值，N为总次数，为非正常的第Y输出线路的第R个数据采集值；大于零说明输出线路正常，小于零说明输出线路非正常。
所述电流互感器、电压互感器通过导线和信号调理电路连接，信号调理电路和信号采样模块电连接，所述信号采样模块和主控芯片的SPI端口连接，主控芯片的I/O接口和开关光耦隔离模块连接，开关光耦隔离模块控制智能断路器实现合闸，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸，主控芯片通过UART接口分别和Ziggbee连接模块、以太网连接模块、GPRS连接模块、RS232接口、RS485接口；主控芯片还设置有数据存储模块和时钟管理模块。主控芯片是控制器的核心部件，集成了多种数据接口，保证了断路器故障自动切除功能的实现，保证环网柜安全可靠运行。
所述主控芯片采用RS232接口、RS485接口将监测数据采用异步传输通信的发送方式。为了保证信息数据的顺利可靠安全的传输，如果RS232接口输出出现断线，光调制解调器将数据通过RS485发送形成一个回环通信，从而使得数据信号顺利发送送到控制器。
环网柜的一次室内的断路器触头、软连接处、电缆接头处均按照有温湿度传感器；所述温湿度传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接，采用无线数字信号输出；
所述断路器的每一相末端连杆处通过磁性安装座和振动传感器安装连接，振动传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接；振动传感器会根据断路器合闸和分闸的振动情况进行记录，形成一个独特的故障识别信息，用于监测分析和记录断路器的运行情况,防止执行部件出现“拒动”、“误动”情况的发生，执行命令无法有效执行，导致故障扩大，如果断路器接受到控制器发送的命令指令后，振动传感器监测断路器没有执行命令进而动作，出现了“拒动”、“误动”的情况，振动传感器将监测到振动信息反馈给控制器，控制器通过控制电路强制执行，避免了“拒动”、“误动”情况的发生。
环网柜的断路器触头、软连接处、电缆接头处是重点监测区，由于大电流、高压的使用条件下，监测区的电阻发生波动，就会导致监测区的温度上升，一旦监测区的温度升高，没有及时排除将会导致断路器的损坏，形成不良循环。
环网柜的一次室内的SF6气箱内壁上安装有数个高频传感器子簇头节点和一个高频传感器集成簇头节点，高频传感器子簇头节点将采集信号发送给高频传感器集成簇头节点，高频传感器集成簇头节点数据接口和主控芯片的数据接口连接，高频传感器集成簇头节点通过套管从SF6气箱内引出，用于监测SF6气箱的放电位置及强度。
SF6气箱是一个全部密封的金属箱体，将高频传感器安装在内部可以提高数据获取效率高且有效避免外界信号的干扰。
通过高频传感器集成簇头节点采集的SF6气箱的气体状态和电缆局部放电的数据，将数据发送给主控芯片数据接口，实现SF6气箱绝缘状态数据监控；
所示高频传感器包括一个用于接收环网柜控制器发出的超高频电磁波信号的超高频天线，选用设置有内置异形反射腔体频率为500MHz-1.5GMHz的阿基米德天线；超高频天线和一个用于提高超高频天线灵敏度的前置放大电路连接，前置放大电路的频率为500MHz-1.5GMHz；前置放大电路和一个用于过滤干扰信号的滤波电路连接，滤波电路和射频检波电路连接，射频检波电路通过锁相放大电路和局部放电检测信号连接；
温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等将数据采集后最总通过通讯模块将数据发送给监控服务器，监控服务器将数据传输给监控数据库，远程监控平台通过数据线和监控服务器连接；远程监控平台设置有用于采集网络故障信息的信息平台，信息平台设置有故障信息处理模块、就地操控管理模块、主站操作管理模块。
故障信息处理模块：用于在线路故障保护动作后，故障现场控制器采集数据并在监控数据库内保留三个月；采集数据包括：保护动作信息，故障的不同类型、故障出现的时间和相别、零序电流和电压、操作机构动作或异常的信息；设备故障信息，为机械类老式机械类电流保护动作提供动作信息，包括电源停电时间上报，电流二次断线缺相、电压二次断线缺相报告等；
故障测距信息，提供测量的阻抗换算距离，用于精确定位，方便电缆、绝缘线、瓷瓶和避雷器等隐蔽电气设备的查找等；设备测量信息，包括高阻零序电流方向，设备位置坐标，故障前后的数字录波，便于故障原因的分析。
就地操控管理模块：对于设备的管理者，手机安装远程注册认证过的APP软件，对于就地控制器，使用动态或者远方认证，取消静态密码管理方式；操作认证管理，通讯正常的，采用动态二维码的方式进行认证；对于通讯不畅的，通过蓝牙（BT）、近距离无线通讯（NFC）、射频识别（RFID）、动态口令等技术与控制器之间进行密码认证。
保护参数设置，在就地相间保护、接地保护，对于就地保护装置，由控制面板进行管理，在控制器上实现保护定值的人工录入，也可进行远程管理。
主站操作管理模块是全网设备管理中心，主要用于完成数据的收集、分析与管理，具体实现如下：
手机端注册，许可操作人员及管理设备主人维护，设备状态变更后，操作人信息查询。
动态事件推出，跳闸、告警的同时，主站推出画面，给出测距参考；远程方式调整，在线路联络开关、站所母联开关操作后，引起系统结构变动，动态调整各级的层次关系，保护定值切区；远方数据采集：指定断路器召测，包括电气参数、状态参数、控制器参数、动作记录、通道情况等，实现远方召集功能。根据报警信息及时确定故障点和故障详情，而无需逐个排查，检修时间相应缩短，从而能够节省大量人力物力。
本发明还提供了一种智能微机保护的环网柜控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，控制器的主控芯片的数据处理模块对监测数据进行分析判断；
步骤2、控制器的数据处理模块根据计算值，发送控制命令给开关光耦隔离模块，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸、分闸；
步骤3、温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等将数据采集通过通讯模块将数据发送给监控服务器；
步骤4、主控芯片将故障执行数据通过通讯模块发送给监控服务器，监控服务器将数据传输给监控数据库，远程监控平台通过数据线和监控服务器连接；远程监控平台将保护动作信息，故障的不同类型、故障出现的时间和相别、零序电流和电压、操作机构动作或异常的信息等数据进行收集、分析管理；
步骤5、CPU微机装置通过人机交互显示器上的指示灯显示环网柜的状态包括温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等监测的数据；操作按钮模块可以实现保护定值的人工录入；
步骤6、远程监控平台将跳闸、告警、电气参数、状态参数、控制器参数、动作记录、通道情况等信息通过主站操作管理模块发送到移动管理终端。
通过控制器控制开关及时切除故障线路,实现电力系统的保护,提高供电稳定性；能够对线路进行实时过流保护、电流速断保护和零序保护,及时隔离故障线路，控制器通过光纤通道与GPRS网络与远程监控平台进行通信,上传实时电力数据和故障信息,进行故障分段定位,同时,通过手持移动终端进行近距离就地控制,实现远程控制和就地控制的有机结合。既具有完备的就地故障识别、定位、切除和重合巧保护功能,保证电力系统运行稳定,又可通过远程通信实现电力数据传输和人工指令变更,便于控制中屯、进行监控和管理。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种智能微机保护的环网柜控制系统，环网柜包括一次室和二次室；一次室内的配电线路及开关线路均分别加装电流互感器、电压互感器；其特征是，所述电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，所述环网柜一次室监控传感器和二次室通过数据线连接，一次室内配备有断路器，控制器中的数据处理模块通过对输出线路的各相数值和设定的标准值进行对比判断是否发生非正常输出，判断该线路为故障线路，并将该故障线路的信息进行标定并储存；控制器发送指令给故障线路上的断路器，故障线路上的断路器隔离，其他断路器正常运行，通过远程遥控或手动解除输出线路的故障，发送指令给故障线路上的断路器合闸，恢复正常运行；电流互感器、电压互感器通过导线和控制器的信号调理电路连接，信号调理电路和信号采样模块电连接，所述信号采样模块和主控芯片的SPI端口连接，主控芯片的I/O接口和开关光耦隔离模块连接，开关光耦隔离模块控制智能断路器实现合闸，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸，主控芯片通过UART接口分别和Ziggbee连接模块、以太网连接模块、GPRS连接模块、RS232接口、RS485接口；主控芯片还设置有数据存储模块和时钟管理模块；所述控制器通过和CPU微机装置电路连接，所述CPU微机装置包括：电源模块、数据采样模块、输出模块、输入模块、数字信号处理器、人机交互显示器；所述输出模块、输入模块通过光耦驱动模块和数字信号处理器连接，所述数据采样模块通过RS232接口、RS485接口和控制器的信号采样模块连接，所述数字信号处理器通过数据线和人机交互显示器连接，人机交互显示器上设置有指示灯、操作按钮模块。
2.根据权利要求1所述的一种智能微机保护的环网柜控制系统，其特征是，环网柜的一次室内的断路器触头、软连接处、电缆接头处均按照有温湿度传感器；所述温湿度传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接，采用数字信号输出；所述断路器的每一相末端连杆处通过磁性安装座和振动传感器安装连接，振动传感器通过数据接口和主控芯片的数据接口连接；环网柜的一次室内的SF6气箱内壁上安装有数个高频传感器子簇头节点和一个高频传感器集成簇头节点，高频传感器子簇头节点将采集信号发送给高频传感器集成簇头节点，高频传感器集成簇头节点数据接口和主控芯片的数据接口连接，高频传感器集成簇头节点通过套管从SF6气箱内引出，用于监测SF6气箱的放电位置及强度。
3.根据权利要求1所述的一种智能微机保护的环网柜控制系统的实现方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1、电流互感器和电压互感器将采集的监测数据发送到二次室内的控制器，控制器的主控芯片的数据处理模块对监测数据进行分析判断；
步骤2、控制器的数据处理模块根据计算值，发送控制命令给开关光耦隔离模块，开关光耦隔离模块通过控制电路控制智能断路器实现合闸、分闸；
步骤3、温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等将数据采集通过通讯模块将数据发送给监控服务器；
步骤4、主控芯片将故障执行数据通过通讯模块发送给监控服务器，监控服务器将数据传输给监控数据库，远程监控平台通过数据线和监控服务器连接；远程监控平台将保护动作信息，故障的不同类型、故障出现的时间和相别、零序电流和电压、操作机构动作或异常的信息等数据进行收集、分析管理；
步骤5、CPU微机装置通过人机交互显示器上的指示灯显示环网柜的状态包括温湿度传感器、高频传感器、振动传感器、电流互感器、电压互感器等监测的数据；操作按钮模块可以实现保护定值的人工录入；
步骤6、远程监控平台将跳闸、告警、电气参数、状态参数、控制器参数、动作记录、通道情况等信息通过主站操作管理模块发送到移动管理终端。
4.根据权利要求3所述的一种智能微机保护的环网柜控制系统的实现方法，其特征是，步骤1中数据处理模块对监测数据进行分析判断，控制器在满足故障线路上的检测灵敏度条件下，瞬时零序电流数值判断，将故障线路的瞬时零序电流和正常线路的零序电流进行比对，提取瞬时零序电流的最大数值进行判断，判断公式为：；所述为故障后零序电流的第r个数据采样值，N为总次数。
5.根据权利要求3所述的一种智能微机保护的环网柜控制系统的实现方法，其特征是，步骤1中数据处理模块对监测数据进行分析判断，正负方向判断，所述控制器选择任意一个输出线路作为样线，再分别采集其他输出线路的数据信息，计算比对正负方向来确定输出线路是否正常，判断公式为：，所述为参考样线第R个数据采集值，N为总次数，为非正常的第Y输出线路的第R个数据采集值；大于零说明输出线路正常，小于零说明输出线路非正常。
6.根据权利要求1所述的一种智能微机保护的环网柜控制系统，其特征是，所述主控芯片采用RS232接口、RS485接口将监测数据采用异步传输通信的发送方式。
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