CN118970635B - 一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及10kV配电线路技术领域，是一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置及方法，其前者包括断路器控制单元、分界开关、电能计量单元、三相五柱式电压互感器、配电自动化单元和营销单元；三相五柱式电压互感器安装于10kV线路分界开关电源侧，用于测量线路三相电压及零序电压，并输出电压至断路器控制单元和电能计量单元；电能计量单元安装于分界开关处，用于采集线路电压电流；本发明通过将用户分界开关控制设备和高压计量设备同意设计为一套装置，即通过设置断路器控制单元和电能计量单元安装至分界开关处，装置结构简单，安装方便，避免了复杂的接线过程导致接线错误的问题，提高了现场的安装设备的安装效率。

Description

一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置及方法

技术领域

本发明涉及10kV配电线路技术领域，尤其涉及一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置及方法。

背景技术

目前，10kV配电线路用户分界处同时需要配套柱上分界开关和高压电能计量装置，分界开关完成分界用户与主线路故障隔离及切除，高压计量装置完成分界用户电能计量。目前，用户分界开关与高压计量装置采用完全独立的方式安装于用户分界处，实现用户分界处故障隔离及电能计量，两套装置需各自配套电压、电流互感器完成线路电压电流的测量及用户电能计量，现场安装方式复杂多变，接线复杂，易发生接线错误等问题，运行故障率高，设备投资大，标准化程度低。

因此，有必要通过各种新技术、新方法实现高压分界用户处设备高度集约化、标准化，节省投资和提高现场安装便利性。

发明内容

本发明提供了一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决高压分界开关处控制设备和计量设备均单独设置有两套存在的现场安装及接线复杂，容易发生接线错误等的问题。

为解决上述问题，本发明技术方案之一是通过以下方式实现的：一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，包括断路器控制单元、分界开关、电能计量单元、三相五柱式电压互感器、配电自动化单元和营销单元；

三相五柱式电压互感器安装于10kV线路分界开关电源侧，用于测量线路三相电压及零序电压，并输出电压至断路器控制单元和电能计量单元；

电能计量单元安装于分界开关处，用于采集线路电压电流，计算分界用户电量，将用户电量的计算结果输出至断路器控制单元；以及接收营销单元输出的用户缴费信号后，发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元；

断路器控制单元安装于分界开关处，用于实时监测线路电压电流，并根据电压电流控制分界开关的分合闸；以及接收配电自动单元输出的远程控制信号、电能计量单元输出的用户电量计算结果和付费合闸脉冲信号来控制分界开关的分合闸。

上述电能计量单元包括数据处理模块、电能计量模块、电压电流采样模块、后备电源模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口；数据处理模块分别与电能计量模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口连接；电压电流采样模块与电能计量模块连接；后备电源模块与电源模块一连接。

上述断路器控制单元包括主控模块、开入开出模块、人机交互模块、超级电容、通信模块、电源模块二；开入开出模块、人机交互模块、通信模块、电源模块二均与主控模块连接；超级电容、开入开出模块、通信模块均与电源模块二连接。

上述主控模块包括CPU、电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口；电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口均与CPU连接。

上述断路器控制单元与三相五柱式电压互感器之间通过8芯电压航插头连接；断路器控制单元与分界开关之间通过24芯航插头连接；断路器控制单元与电能计量单元之间通过4芯电流航插头和3芯费控航插头连接；电能计量单元与三相五柱式电压互感器之间通过6芯电压航插头连接。

本发明技术方案之二通过以下方式来实现的：一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合方法，包括以下步骤：

将三相五柱式电压互感器安装至10kV线路分界开关电源侧；

将断路器控制单元、电能计量单元安装至分界开关处；

断路器控制单元采集分界开关处线路的模拟量以及分合位信息，实时监测分界开关的运行状态，根据模拟量信息控制分界开关的分合闸；其中，模拟量包括电压、电流、功率、频率；

电能计量单元采集分界开关处的电压电流，计算分界用户用电量，在计算出用户欠费时，输出欠费分闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关分闸；

营销系统在接收到用户的缴费信号后，输出至电能计量单元，电能计量单元发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。

上述根据模拟量信息控制分界开关的分合闸，包括，

断路器控制单元对采集到的模拟量进行判断，判断模拟量是否存在异常；

响应于是，则线路发生故障，断路器控制单元控制分界开关分闸，隔离故障区域；

配电自动化单元判断线路故障是否解除，响应于是，则输出远程控制信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过将用户分界开关控制设备和高压计量设备统一设计为一套装置，即通过设置断路器控制单元和电能计量单元安装至分界开关处，装置结构简单，安装方便，避免了复杂的接线过程导致接线错误的问题，提高了现场的安装设备的安装效率。

2、本发明通过采用一套三相五柱式电压互感器，与原有高压分界用户处配置的两套电压电流互感器相比，该方法使用一套电压电流互感器即可实现分界开关处电压电流采集以及电能计量需求，实现测量、计量、保护一体化，节省了设备投资，提高了现场安装的便利性。

3、本发明通过设置营销单元与电能计量单元之间用3芯费控抗插头连接，实现分界用户欠费自动分闸断电，付费自动合闸供电功能，进一步规范分界用户用电管理。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的实施例1的电路框图。

图2为本发明实施例1中断路器控制单元的电路框图。

图3为本发明实施例1中主控模块的电路框图。

图4为本发明实施例1中电能计量单元的电路框图。

图5为本发明实施例2的方法流程图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

实施例1：如图1所示，本发明实施例公开了一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，包括断路器控制单元、分界开关、电能计量单元、三相五柱式电压互感器、配电自动化单元和营销单元；

三相五柱式电压互感器安装于10kV线路分界开关电源侧，用于测量线路三相电压及零序电压，并输出电压至断路器控制单元和电能计量单元；

电能计量单元安装于分界开关处，用于采集线路电压电流，计算分界用户电量，将用户电量的计算结果输出至断路器控制单元；以及接收营销单元输出的用户缴费信号后，发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元；

断路器控制单元安装于分界开关处，用于实时监测线路电压电流，并根据电压电流控制分界开关的分合闸；以及接收配电自动单元输出的远程控制信号、电能计量单元输出的用户电量计算结果和付费合闸脉冲信号来控制分界开关的分合闸。

其中，分界开关可为柱上断路器，包含电流互感器，安装在10kV线路上，通过断路器控制单元控制其分合闸。

如图4所示，电能计量单元包括数据处理模块、电能计量模块、电压电流采样模块、后备电源模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口；数据处理模块分别与电能计量模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口连接；电压电流采样模块与电能计量模块连接；后备电源模块与电源模块一连接。

其中，电压电流采样模块用于采集线路三相电压电流，并输出电压电流至电能计量模块；电能计量模块根据接收到的电压电流计算分界用户消耗的电能量，并将其发送至数据处理模块，数据处理模块根据用户的电能量，输出付费、欠费信息至断路器控制单元。

其中，后备电源模块作为后备电池，为电源模块一提供24V直流电压，在线路停电时，用于给整个电能计量单元供电。

其中，数据处理模块用于负责电能量的处理及分析，形成各类数据信息并将信息通过通信接口上传至营销系统，通信接口为数据处理模块提供红外、RS485串口等通信通道；数据处理模块还通过费控接口与断路器控制单元连接，用于将付费、欠费信息至断路器控制单元，断路器控制单元根据接收到的信息，控制分界开关的分合闸，实现整套装置的欠费分闸、付费合闸功能。

其中，点阵式液晶屏与处数据处理模块连接，能够直观的显示电能计算单元内各类数据信息，供现场人员调阅；数据存储模块用来存储电能几点单元中各类参数、电量以及历史数据等。

如图2所示，断路器控制单元包括主控模块、开入开出模块、人机交互模块、超级电容、通信模块、电源模块二；开入开出模块、人机交互模块、通信模块、电源模块二均与主控模块连接；超级电容、开入开出模块、通信模块均与电源模块二连接。

其中，主控模块用于电压电流等模拟量的采集分析计算，并将计算结果及分界开关的分合位信息以数字量的形式通过通信模块二上传至配电自动化单元，以及根据计算结果，控制分界开关的分合闸。

其中，开入开出模块通过FC串行数据线与主控模块相连，负责将分界开关的分合位电压脉冲信号转换为数字量输出主控模块，以及接受主控模块发送的分合闸指令，实现分界开关的分合闸动作。

其中，人机交互模块通过FC串行数据线与主控模块连接，通过人机交互模块的液晶显示屏，可以直观地显示断路器控制单元中的各类数据信息，供现场人员调阅，同时，通过人机交互模块上的操作按键，便于现场人员就地修改断路器控制单元中各类参数定值。

其中，电源模块二能够将220V交流电压转换为24V直流电压，为主控模块、开入开出模块、通信模块和超级电容供电，在线路有电时，电源模块给超级电容充电，在线路断电后，超级电容作为后备电池，或者24V稳定直流电压，为电源模块二提供24V直流电压，从而起到给整个断路器控制单元供电的作用。

其中，通信模块与主控模块通过网口/串口相连，包含SIM卡，具备4G/5G通信功能，可接收主控模块传递的各类数据信息并将信息上送至配电自动化单元。

如图3所示，主控模块包括CPU、电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口；电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口均与CPU连接。

其中，电压采样电路及接口和电流采样电路及接口通过与分界开关侧的线路连接，分别采集线路的电压和电流，并将采集到电压电流输出至CPU；CPU对电压电流进行计算，并将计算结果通过通信/遥控接口上传至配电自动化单元，此外，CPU还能根据计算结果，输出分合闸脉冲信号至开入开出模块；电源接口与电源模块二连接，用于给CPU供电。

如图1所示，断路器控制单元与三相五柱式电压互感器之间通过8芯电压航插头连接；断路器控制单元与分界开关之间通过24芯航插头连接；断路器控制单元与电能计量单元之间通过4芯电流航插头和3芯费控航插头连接；电能计量单元与三相五柱式电压互感器之间通过6芯电压航插头连接。

其中，三相五柱式电压互感器包含一个8芯电压航插头，通过与线路连接，测量线路三相电压以及零序电压，供断路器控制单元和电能计量单元采集，其采集精度为±0.2%，同时，三相五柱式电压互感器为断路器控制单元和电能计量单元提供交流220V电源电压。

其中，电能计量单元与断路器控制单元之间通过3芯费控航插头连接，用于将营销单元发出的付费合闸脉冲信号传送至断路器控制单元。

实施例2：如图5所示，本发明实施例公开了一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合方法，包括以下步骤：

S101，将三相五柱式电压互感器安装至10kV线路分界开关电源侧；

S102，将断路器控制单元、电能计量单元安装至分界开关处；

S103，断路器控制单元采集分界开关处线路的模拟量以及分合位信息，实时监测分界开关的运行状态，根据模拟量信息控制分界开关的分合闸；其中，模拟量包括电压、电流、功率、频率；

S104，电能计量单元采集分界开关处的电压电流，计算分界用户用电量，在计算出用户欠费时，输出欠费分闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关分闸；

S105，营销系统在接收到用户的缴费信号后，输出至电能计量单元，电能计量单元发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。

其中，步骤S103中，根据模拟量信息控制分界开关的分合闸，包括，

断路器控制单元对采集到的模拟量进行判断，判断模拟量是否存在异常；

响应于是，则线路发生故障，断路器控制单元控制分界开关分闸，隔离故障区域；

配电自动化单元判断线路故障是否解除，响应于是，则输出远程控制信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。

上述，判断模拟量是否存在异常，主要通过采集到的电压和电流进行判断，若采集到的电流值高压断路器控制单元设定的故障电流值，则判定为电路发生短路或接地故障；或，采集到的电压值低于断路器控制单元设定的正常电压值时， 则判定为线路发生低电压或断线故障。

上述配电自动化单元判断线路故障是否解除，具体为，当现场工作人员完成故障修复后，线路电压电流等模拟量恢复至正常值，断路器控制单元检测到电压电流值处于正常范围内时，将电压电流值上传时配电自动化单元，配电自动化单元判断出故障解除，则输出远程控制信号至断路器控制单元；其中，配电自行化单元可自动输出远程控制信号，也可由工作人员控制手动输出远程控制信号。

其中，步骤S104中，计算用户欠费具体为，电能计量单元采集分界开关处的电压电流，并根据电压电流计算分界用户用电量，当计算得到用户当前用电量所需费用超过用户已缴电费时，判断为用户欠费，同时电能计量单元输出欠费分闸脉冲信号至断路器控制单元，由断路器控制单元控制分界开关分闸，此时，用户供电中断。

其中，步骤S105中，通过用户缴费后，营销单元接收到缴费信息后，输出信号至电能计量单元，由电能计量单元发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元，控制分界开关合闸，此时，用户恢复供电。

综上，本发明通过将用户分界开关控制设备和高压计量设备同意设计为一套装置，即通过设置断路器控制单元和电能计量单元安装至分界开关处，装置结构简单，安装方便，避免了复杂的接线过程导致接线错误的问题，提高了现场的安装设备的安装效率。

此外，本发明通过采用一套三相五柱式电压互感器，与原有高压分界用户处配置的两套电压电流互感器相比，该方法使用一套电压电流互感器即可实现分界开关处电压电流采集以及电能计量需求，实现测量、计量、保护一体化，节省了设备投资，提高了现场安装的便利性。

进一步的，本发明通过设置营销单元与电能计量单元之间用3芯费控抗插头连接，实现分界用户欠费自动分闸断电，付费自动合闸供电功能，进一步规范分界用户用电管理。

Claims (6)

1.一种10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，其特征在于，包括断路器控制单元、分界开关、电能计量单元、三相五柱式电压互感器、配电自动化单元和营销单元；

三相五柱式电压互感器安装于10kV线路分界开关电源侧，用于测量线路三相电压及零序电压，并输出电压至断路器控制单元和电能计量单元；

电能计量单元安装于分界开关处，用于采集线路电压电流，计算分界用户电量，将用户电量的计算结果输出至断路器控制单元；以及接收营销单元输出的用户缴费信号后，发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元；

断路器控制单元安装于分界开关处，用于实时监测线路电压电流，并根据电压电流控制分界开关的分合闸；以及接收配电自动单元输出的远程控制信号、电能计量单元输出的用户电量计算结果和付费合闸脉冲信号来控制分界开关的分合闸；

电能计量单元包括数据处理模块、电能计量模块、电压电流采样模块、后备电源模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口；数据处理模块分别与电能计量模块、电源模块一、数据存储模块、点阵式液晶屏、网口/串口、费控接口连接；电压电流采样模块与电能计量模块连接；后备电源模块与电源模块一连接；

断路器控制单元包括主控模块、开入开出模块、人机交互模块、超级电容、通信模块、电源模块二；开入开出模块、人机交互模块、通信模块、电源模块二均与主控模块连接；超级电容、开入开出模块、通信模块均与电源模块二连接；

分界开关为柱上断路器，包含电流互感器，安装在10kV线路上，通过断路器控制单元控制其分合闸。

2.根据权利要求1所述的10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，其特征在于，主控模块包括CPU、电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口；电源接口、通信模块接口、通信/遥控接口、电压采样电路及接口、电流采样电路及接口均与CPU连接。

3.根据权利要求1或2所述的10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，其特征在于，断路器控制单元与三相五柱式电压互感器之间通过8芯电压航插头连接；断路器控制单元与分界开关之间通过24芯航插头连接；断路器控制单元与电能计量单元之间通过4芯电流航插头和3芯费控航插头连接；电能计量单元与三相五柱式电压互感器之间通过6芯电压航插头连接。

4.根据权利要求3所述的10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置，其特征在于，断路器控制单元与三相五柱式电压互感器之间通过8芯电压航插头连接；断路器控制单元与分界开关之间通过24芯航插头连接；断路器控制单元与电能计量单元之间通过4芯电流航插头和3芯费控航插头连接；电能计量单元与三相五柱式电压互感器之间通过6芯电压航插头连接。

5.一种使用权利要求1至4任意一项所述10kV线路分界开关控制与电能计量融合装置的10kV线路分界开关控制与电能计量融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

将三相五柱式电压互感器安装至10kV线路分界开关电源侧；

将断路器控制单元、电能计量单元安装至分界开关处；

断路器控制单元采集分界开关处线路的模拟量以及分合位信息，实时监测分界开关的运行状态，根据模拟量信息控制分界开关的分合闸；其中，模拟量包括电压、电流、功率、频率；

电能计量单元采集分界开关处的电压电流，计算分界用户用电量，在计算出用户欠费时，输出欠费分闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关分闸；

营销系统在接收到用户的缴费信号后，输出至电能计量单元，电能计量单元发出付费合闸脉冲信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。

6.根据权利要求5所述的10kV线路分界开关控制与电能计量融合方法，其特征在于，所述根据模拟量信息控制分界开关的分合闸，包括，

断路器控制单元对采集到的模拟量进行判断，判断模拟量是否存在异常；

响应于是，则线路发生故障，断路器控制单元控制分界开关分闸，隔离故障区域；

配电自动化单元判断线路故障是否解除，响应于是，则输出远程控制信号至断路器控制单元，断路器控制单元控制分界开关合闸。