CN110380378A - 分布式10kv配电网测控保护系统及保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分布式10KV配电网测控保护系统及保护方法，包括综合测控通信单元和多个独立的测控保护单元，综合测控单元通过串口或网口与测控保护单元通信实现分布式区域保护测控；综合测控通信单元实现对10kV开关柜的通信数据管理以及与配网主站的信息交互，测控保护单元实现对故障区域的隔离和非故障区域的恢复；可实现智能FA保护逻辑。本发明实现了对10KV城区配电网综合测控管理功能，弥补了传统DTU设备只测控不保护的缺点，在故障发生时可及时识别、隔离故障、避免故障范围扩大，可有效提高配电网的可靠性，降低运维工作量，对配电网发展有着重要意义。

Description

分布式10KV配电网测控保护系统及保护方法
技术领域
本发明属于电力系统配电网自动化管理技术领域，具体涉及一种基于分布式的10KV配电网测控保护系统及其测控保护方法，可提高配电网的可靠性、降低运维工作量。
背景技术
国内电网长期以来受“重发、轻供、不管用”观念的影响，配电网的自动化发展滞后，近些年虽然加强了对配电网的建设，但关注点主要集中在配电网的建设与自动化方面，而配电网的监控保护问题还是没有得到足够的重视。
根据国家能源局提出的配网建设改造行动计划，“到2020年，中心城市(区)智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99％，供电质量达到国际先进水平；城镇地区供电能力及供电安全水平显著提升，供电可靠率达到99.88％以上”，这些客观需求都对10KV配电网自动化系统提出了更高的要求。
国内10KV配电网架构复杂，配网设备自动化水平参差不齐，客户对配电自动化功能需求多样化，投运的配电网自动化产品功能简单，不具备完善的继电保护功能。现有的配网自动化产品已不能很好地满足配电网自动化发展需求。
因此，针对城区10kV配电线路开发新一代高可靠性、高性价比的分布式测控保护系统，对提高10KV配电网自动化运行水平、缩短停电时间、提高供电可靠性、提高运维效率都有重要意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于分布式安装的10KV配电网测控保护系统，实现10KV配电网故障区域的快速隔离和非故障区域供电的快速恢复以及电网信息的监控。本发明所采用的技术方案如下：
一种基于分布式的10KV配电网测控保护系统，包括综合测控通信单元和多个独立的测控保护单元，综合测控单元通过串口或网口与测控保护单元通信实现分布式区域保护测控；
所述的综合测控通信单元采用高性能CPU和DSP芯片，实现公共单元的数据采集、运算，综合运用CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)跟踪频率、DSP控制的高速采样、幅值与相位自动校准、干扰数据筛查，进行相应信息的故障判断、谐波分析；具备DL/T634.5101、DL/T634.5104、Modbus、CDT、103多种规约协议，实现对10kV开关柜的通信数据管理以及与配网主站的信息交互；
所述的测控保护单元采用高性能的双核32位嵌入式处理器为核心控制单元，配置以大容量的RAM和FLASH存储器，采用可编程逻辑器件，对交流采样、A/D转换及控制出口进行设计，采用MQX实时操作系统作为装置的软件平台；根据线路的运行情况检测和区分出负荷过流、永久性故障、瞬时性故障，并实现对故障区域的隔离和非故障区域的恢复；采用基于GOOSE通信的故障自愈技术，结合电压电流型保护策略，通过保护单元之间的数据互传，判断线路状态，快速实现故障隔离和恢复供电。
优选地，所述的测控保护单元由键盘显示板、主板、遥测板、遥控/遥信板、电源板组成，各部件之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压的采集、转换并将信息传送到主板；遥控/遥信板通过与主板的信息交互实现开入量的采集及开出量的输出；电源板实现整个测控保护单元的系统供电；键盘显示板实现测控保护单元的人机交互；主板实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与综合测控单元的通信。
优选地，所述的综合测控通信单元由底板、CPU板、遥测板、POW/DO板、遥信板、键盘显示板组成，各部件之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压的采集、转换并将信息传送到CPU板；遥信板实现开入量的采集；PWR/DO板实现整个综合测控通信单元的系统供电及开出量的输出；键盘显示板实现综合测控通信单元的人机交互；CPU实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与测控保护单元的下行通信和与主站的上行通信，实现通信管理机的功能。
一种分布式10KV配电网测控保护方法，包括以下步骤：
步骤1、测控保护单元采集线路的电流、电压信息，采用16位AD芯片对数据进行转换处理，采用FFT算法对数据进行分析处理，测控单元对采集的电量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到调度主站；
步骤2、测控保护单元采集开关柜的开关状态信息，对开入量信息进行隔离、去抖、去颤处理，存入测控保护单元内部的存储芯片；测控保护单元对采集的开关量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到调度主站；
步骤3、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若无故障数据，则测控保护单元通过与综合测控通信单元的配合，实现对整个环网柜的运行状态检测，将信息实时传输给调度主站，若接收到调度主站的遥控命令，则由综合测控通信单元对调度主站的规约信息进行解析，再按地址传输到对应的测控保护单元，由保护测控单元的开出量实现对环网柜的分、合控制；
步骤4、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若有故障数据产生，测控保护单元根据设置的故障判别模式进行相应的故障判断；
步骤5、若故障模式设置为传统的电流保护，则启动电流保护、重合闸保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电；
步骤6、若故障模式设置为电压时间型、电压电流型就地馈线自动化，则启动就地化保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电；
步骤7、若故障模式设置为智能FA保护逻辑，则启动智能分布式保护逻辑，测控保护单元通过基于GOOSE的通信与相邻的测控保护单元进行信息交互，然后对故障区域进行判断，从而确定故障区间，进一步隔离故障；
步骤8、故障处理完毕后，测控保护单元将故障处理过程的信息传送给综合测控通信单元，并由综合测控通信单元对数据进行规约组帧处理后转发给调度主站。
本发明的有益效果：
本发明实现了对10KV城区配电网综合测控管理功能，本系统弥补了传统DTU设备只测控不保护的缺点，不仅满足目前配网自动化的测控需求，又具备继电保护的功能，在故障发生时可及时识别、隔离故障、避免故障范围扩大，可有效提高配电网的可靠性，降低运维工作量，对配电网发展有着重要意义。
附图说明
图1为10KV配电网区域系统架构图；
图2为单个成套10KV环网柜系统框图；
图3为测控保护单元的结构示意图；
图4为综合测控通信单元的结构示意图；
图5为10KV配电环网线路智能分布式方案拓扑结构图；
图6为10KV配电环网线路智能分布式方案的通信建模图。
具体实施方案
本发明提供一种基于分布式安装的10KV配电网测控保护系统，实现10KV配电网故障区域的快速隔离和非故障区域供电的快速恢复以及电网信息的监控。下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施列提供的10KV配电网测控保护系统，其区域系统架构图如图1所示，一个10KV配电城区区域自动化开关由若干个成套环网柜组成，各成套柜之间通过光纤或无线网络互联并与配网主站进行信息交互。综合测控通信单元具备多种电力规约协议，可以进行对10kV开关柜的通信数据管理以及与配网主站的信息交互，实现对10KV配电网的信息监控。各测控保护单元通过各成套柜配套的网络交换机进行全网通信，各开关间隔的开关量、运行状态等信息可以对等交互，以实现区域故障区域的快速隔离和非故障区域供电的快速恢复。
单个成套10KV环网柜系统框图如图2所示，成套柜由母线PT间隔、进出线间隔、进出线PT间隔以及综合测控保护系统组成。综合测控通信单元和测控保护单元采用分布式安装在环网柜各间隔的二次小室柜门上面，综合测控通信单元负责采集本柜体所有测控保护单元及母线、进线PT柜公共单元的信息与配网主站进行信息交互，完成集中式测控功能。综合测控通信单元对通信数据进行加密，确保配电业务数据的保密性和完整性。测控保护单元对进出线间隔线路进行管理，采集线路电量信息，开关柜运行信息以及在线路故障时及时、有效的进行故障隔离。
一种分布式10KV配电网测控保护系统，包括综合测控通信单元和多个独立的测控保护单元，综合测控单元通过串口或网口与测控保护单元通信实现分布式区域保护测控；
所述的综合测控通信单元采用高性能CPU和DSP芯片，实现公共单元的数据采集、运算，综合运用CPLD跟踪频率、DSP控制的高速采样、幅值与相位自动校准、干扰数据筛查等技术，进行相应信息的故障判断、谐波分析；具备DL/T634.5101、DL/T634.5104、Modbus、CDT、103等多种规约协议，实现了对10kV开关柜的通信数据管理以及与配网主站的信息交互；
所述的测控保护单元采用高性能的双核32位嵌入式处理器为核心控制单元，同时配置以大容量的RAM和FLASH存储器，采用可编程逻辑器件，对交流采样、A/D转换及控制出口等关键环节进行了全方位的高可靠性设计，采用MQX实时操作系统作为装置的软件平台。先进可靠的软硬件平台，保证装置具有强大的数据处理逻辑运算和信息存储能力和高可靠性。在抗电气干扰能力方面，通过采用一系列硬件屏蔽和软件滤波技术，使得装置能够满足IEC规定的4级电磁兼容性抗扰度要求；
所述测控保护单元具有强大的故障逻辑判断能力，可以根据线路的运行情况检测和区分出负荷过流、永久性故障、瞬时性故障等故障类型，并实现对故障区域的隔离和非故障区域的恢复。根据不同的设置，装置可实现常规三段过流保护、零序保护，重合闸逻辑，电压时间型、电压电流型就地馈线自动化，智能FA等保护功能。装置具备故障录波功能，可对故障发生时刻的交流信号进行录波；
所述测控保护单元采用基于GOOSE通信的故障自愈技术，结合电压电流型保护策略，通过保护单元之间的数据互传，判断线路状态，快速实现故障隔离和恢复供电。智能FA分为速动型和缓动型两种逻辑，速动型配套开关为断路器，可先于变电站出口开关动作实现故障隔离和转供电；缓动型配套开关为负荷开关，先由变电站跳闸，然后根据故障时刻线路状态，实现故障隔离操作，最后变电站重合，实现非故障区域的恢复供电；
所述测控保护单元通过扩展104规约的方法实现远程维护，包括参数设置、运行程序更新等。
如图3所示，为测控保护单元的结构示意图。所述测控保护单元由键盘显示板、主板、遥测板、遥控/遥信板、电源板等模块组成，各模块之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压等电量信息的采集、转换并将信息传送到主板；遥控/遥信板主要通过与主板的信息交互实现开入量的采集及开出量的输出；电源板实现整个单元的系统供电；键盘显示板实现单元的人机交互；主板实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与综合测控单元的通信。
如图4所示，为综合测控通信单元的结构示意图。所述综合测控通信单元由底板、CPU板、遥测板、POW/DO板、遥信板、键盘显示板等模块组成，各模块之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压等电量信息的采集、转换并将信息传送到CPU板；遥信板实现开入量的采集；PWR/DO板实现整个单元的系统供电及开出量的输出；键盘显示板实现单元的人机交互；CPU实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与测控保护单元的下行通信和与主站的上行通信，实现通信管理机的功能。
一种基于分布式的10KV配电网测控保护方法，包括以下步骤：
步骤1、测控保护单元采集线路的电流、电压等电量信息，采用16位AD芯片对数据进行转换处理，采用FFT算法对数据进行分析处理。测控单元对采集的电量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到主站。
步骤2、测控保护单元采集开关柜的开关状态信息，对开入量信息进行隔离、去抖、去颤等软硬件处理，存入单元内部的存储芯片。测控单元对采集的开关量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到调度主站。
步骤3、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若无故障数据，则测控保护单元通过与综合测控通信单元的配合，实现对整个环网柜的运行状态检测，将信息实时传输给主站，若接收到调度主站的遥控命令，则由综合测控通信单元对主站的规约信息进行解析，再按地址传输到对应的测控保护单元，由保护测控单元的开出量实现对环网柜的分、合控制。
步骤4、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若有故障数据产生，测控单元根据设置的故障判别模式进行相应的故障判断。
步骤5、若故障模式设置为传统的电流保护，则启动电流保护、重合闸保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电。
步骤6、若故障模式设置为电压时间型、电压电流型就地馈线自动化，则启动就地化保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电。
步骤7、若故障模式设置为智能FA保护逻辑，则启动智能分布式保护逻辑，测控保护单元通过基于GOOSE的通信与相邻的测控保护单元进行信息交互，然后对故障区域进行判断，从而确定故障区间，进一步隔离故障。
步骤8、故障处理完毕后，测控保护单元将故障处理过程的信息传送给综合测控通信单元，并由综合测控通信单元对数据进行规约组帧等处理后转发给调度主站。
智能FA的技术关键在于通信模型的建立，需要做到主干线路上所有开关控制器都能实时监控相邻进出线及其支线的状态，为其逻辑处理提供可靠的信息。以如图5所示的二供一备开环运行的10KV配电环网线路智能分布式方案拓扑结构为例，进行通信建模的说明，整个网络的通信建模如图6所示。图5中，CB1：变电站1出线断路器；CB2：变电站2出线断路器；CB3：变电站3出线断路器；K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9分别代表环网柜进出线开关；其他1、其他2为整个配电网网络拓扑中存在的实际设备，这样能更好地描述整个配电网的网络架构，在实际应用中都需要配置本发明的测控保护单元，但是总体描述过程过于复杂不宜理解，因此本发明截取了部分线路进行逻辑的说明。
以#1环网柜为例进行FA逻辑说明，K1实时接收K3、K2及其他支线的数据(包含故障标志、开关状态等)，K3实时接收K1、K2、K4及其他支线的数据，其它开关通信交互信息同K1，K3，由此做到主干线路上所有开关控制器仅实时监控相邻进出线及其支线的状态。通信模型建立完毕后，可根据线路信息进行故障区域的判断，以图6中K3、K4之间发生故障进行缓动型FA逻辑的说明，F3、F4之间故障发生后，CB1跳闸，K1失压后，检测到K3有故障，不启动跳闸，退出逻辑判断；K3失压后检测到支线无故障，K4无故障，跳闸完成故障切除并闭锁合闸；K4检测到自己无故障，K3有故障，跳闸隔离故障并闭锁合闸，并发出转供信息；联络开关7检测到单侧失压后收到转供信息，满足转供负责则合闸完成转供，CB1重合成功。

Claims (10)

1.分布式10KV配电网测控保护系统，包括综合测控通信单元和多个独立的测控保护单元，综合测控单元通过串口或网口与测控保护单元通信、实现分布式区域保护测控，其特征在于：
所述的综合测控通信单元采用高性能CPU和DSP芯片，实现公共单元的数据采集、运算，综合运用CPLD跟踪频率、DSP控制的高速采样、幅值与相位自动校准、干扰数据筛查，进行相应信息的故障判断、谐波分析；具备DL/T634.5101、DL/T634.5104、Modbus、CDT、103多种规约协议，实现对10kV开关柜的通信数据管理以及与配网主站的信息交互；
所述的测控保护单元采用高性能的双核32位嵌入式处理器为核心控制单元，配置以大容量的RAM和FLASH存储器，采用可编程逻辑器件，对交流采样、A/D转换及控制出口进行设计，采用MQX实时操作系统作为装置的软件平台；根据线路的运行情况检测和区分出负荷过流、永久性故障、瞬时性故障，并实现对故障区域的隔离和非故障区域的恢复；采用基于GOOSE通信的故障自愈技术，结合电压电流型保护策略，通过保护单元之间的数据互传，判断线路状态，快速实现故障隔离和恢复供电。
2.根据权利要求1所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的测控保护单元由键盘显示板、主板、遥测板、遥控/遥信板、电源板组成，各部件之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压的采集、转换并将信息传送到主板；遥控/遥信板通过与主板的信息交互实现开入量的采集及开出量的输出；电源板实现整个测控保护单元的系统供电；键盘显示板实现测控保护单元的人机交互；主板实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与综合测控单元的通信。
3.根据权利要求1所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的综合测控通信单元由底板、CPU板、遥测板、POW/DO板、遥信板、键盘显示板组成，各部件之间通过数据总线进行信息交互；遥测板实现电流、电压的采集、转换并将信息传送到CPU板；遥信板实现开入量的采集；PWR/DO板实现整个综合测控通信单元的系统供电及开出量的输出；键盘显示板实现综合测控通信单元的人机交互；CPU实现与各分板卡的信息交互及算法处理，并实现与测控保护单元的下行通信和与主站的上行通信，实现通信管理机的功能。
4.根据权利要求1－3任一项所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的测控保护单元采用一系列硬件屏蔽和软件滤波技术，满足IEC规定的4级电磁兼容性抗扰度要求。
5.根据权利要求1－3任一项所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的测控保护单元可实现常规三段过流保护、零序保护，重合闸逻辑，电压时间型、电压电流型就地馈线自动化，智能FA保护功能。
6.根据权利要求5所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的智能FA保护功能分为速动型和缓动型两种逻辑，速动型配套开关为断路器，可先于变电站出口开关动作实现故障隔离和转供电；缓动型配套开关为负荷开关，先由变电站跳闸，然后根据故障时刻线路状态，实现故障隔离操作，最后变电站重合，实现非故障区域的恢复供电。
7.根据权利要求1－3任一项所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的测控保护单元具备故障录波功能，可对故障发生时刻的交流信号进行录波。
8.根据权利要求1－3任一项所述的分布式10KV配电网测控保护系统，其特征在于，所述的测控保护单元通过扩展104规约的方法实现远程维护，包括参数设置、运行程序更新。
9.一种分布式10KV配电网测控保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测控保护单元采集线路的电流、电压信息，采用16位AD芯片对数据进行转换处理，采用FFT算法对数据进行分析处理，测控单元对采集的电量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到调度主站；
步骤2、测控保护单元采集开关柜的开关状态信息，对开入量信息进行隔离、去抖、去颤处理，存入测控保护单元内部的存储芯片；测控保护单元对采集的开关量数据进行实时显示，并通过串口或者网口传输到综合测控通信单元，由综合测控通信单元上传到调度主站；
步骤3、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若无故障数据，则测控保护单元通过与综合测控通信单元的配合，实现对整个环网柜的运行状态检测，将信息实时传输给调度主站，若接收到调度主站的遥控命令，则由综合测控通信单元对调度主站的规约信息进行解析，再按地址传输到对应的测控保护单元，由保护测控单元的开出量实现对环网柜的分、合控制；
步骤4、测控保护单元通过对经过FFT算法处理过的数据进行保护逻辑算法处理、分析，若有故障数据产生，测控保护单元根据设置的故障判别模式进行相应的故障判断；
步骤5、若故障模式设置为传统的电流保护，则启动电流保护、重合闸保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电；
步骤6、若故障模式设置为电压时间型、电压电流型就地馈线自动化，则启动就地化保护逻辑，对线路故障进行隔离，恢复非故障区域的供电；
步骤7、若故障模式设置为智能FA保护逻辑，则启动智能分布式保护逻辑，测控保护单元通过基于GOOSE的通信与相邻的测控保护单元进行信息交互，然后对故障区域进行判断，从而确定故障区间，进一步隔离故障；
步骤8、故障处理完毕后，测控保护单元将故障处理过程的信息传送给综合测控通信单元，并由综合测控通信单元对数据进行规约组帧处理后转发给调度主站。
10.根据权利要求8所述的一种分布式10KV配电网测控保护方法，其特征在于，智能FA保护逻辑的逻辑判断方法如下：
K1实时接收K3、K2及其他支线的数据，K3实时接收K1、K2、K4及其他支线的数据，其它开关通信交互信息同K1、K3，主干线路上所有开关控制器仅实时监控相邻进出线及其支线的状态；
通信模型建立完毕后，根据线路信息进行故障区域的判断，F3、F4之间故障发生后，CB1跳闸，K1失压后，检测到K3有故障，不启动跳闸，退出逻辑判断；K3失压后检测到支线无故障，K4无故障，跳闸完成故障切除并闭锁合闸；K4检测到自己无故障，K3有故障，跳闸隔离故障并闭锁合闸，并发出转供信息；联络开关7检测到单侧失压后收到转供信息，满足转供负责则合闸完成转供，CB1重合成功。
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