CN210016329U

CN210016329U - 低压配电系统分布式故障录波装置及系统

Info

Publication number: CN210016329U
Application number: CN201921301546.5U
Authority: CN
Inventors: 陈烜; 赫春凌; 胡俊峰; 程博
Original assignee: State Grid Sichuan Electric Power Service Co Ltd
Current assignee: State Grid Sichuan Electric Power Service Co Ltd
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2020-02-04
Anticipated expiration: 2029-08-12

Abstract

本实用新型公开了低压配电系统分布式故障录波装置及系统，本实用新型装置包括该装置至少分为五个单元，第一单元是电压、电流、断路器开合状态采集单元，一端与低压配电系统的一次电压回路、一次电流互感器、断路器开合干接点相连，另一端连接FPGA电路单元；第二单元是同步采样ADC单元，一端与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元相连，另一端连接FPGA电路单元；第三单元是FPGA电路单元，FPGA电路单元与所述的同步采样ADC单元相连，将经过PFGA电路单元的信号传送至处理器单元；第四单元是处理器单元，处理器单元与FPGA电路单元相连，负责实时电压、电流、有功功率、无功功率、电度及谐波计算；第五单元是以太网单元，以太网单元与处理器单元相连。

Description

低压配电系统分布式故障录波装置及系统

技术领域

本实用新型涉及故障录波和电力仪表装置技术领域，具体涉及低压配电系统分布式故障录波装置及系统。

背景技术

380V低压配电柜是低压配电系统中最常用的电气设备，在低压配电柜中由若干负荷开关组成。在实际应用中低压配电柜内的负荷开关仅安装传统电力仪表，其仅能测量电流、电压、功率参量。缺乏对配电柜负荷开关的故障录波分析，不具备即时的反映配电故障，不具备配电故障分闸后对故障电流、电压分析探究故障发生的具体原因为彻底排除故障提供的有效手段。

目前有一种用于高压系统的故障录波系统，但其组成不同，用于高压系统的故障录波电压为100V而低压配电系统电压为380V、高压系统的一次互感器输出电流为1A(互感器功率大可远距离传输电流信号)而低压配电系统一次互感器输出电流为5A(互感器功率小仅能在配电柜内传输电流信号)、高压系统的故障录波采用集中统一安装而低压配电系统难以实现集中统一安装，使得高压系统使用的故障录波装置并不能用于低压配电系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：现有的适应于低压配电系统的故障录波装置针对实时显示配电负荷电压、电流、有功功率、无功功率、电度、谐波时需要安装传统的多功能电力仪表，安装复杂，并且很难实现集中统一安装，配电系统故障录波布线难成本高，不能很有效地针对低压配电系统的故障滤波检测及分析的问题，本实用新型提供了解决上述问题的低压配电系统分布式故障录波装置及系统。

本实用新型通过下述技术方案实现：

低压配电系统分布式故障录波装置，包括该装置至少分为五个单元，第一单元是电压、电流、断路器开合状态采集单元，与低压配电系统的一次电压回路、一次电流互感器、断路器开合干接点相连，负责采集调理电压、电流模拟信号、断路器开合状态信号，同时，将调理处理完成后的电压、电流模拟信号送至同步采样ADC单元，将断路器开合状态IO电平信号送至FPGA电路单元；

第二单元是同步采样ADC单元，与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元相连，同步采样ADC单元输入端输入第一单元采集的电压、电流模拟量信号，负责受控同步转换电压、电流模拟量信号为数字量信号，同时，将转换后的数字量信号送至FPGA电路单元；

第三单元是FPGA电路单元，FPGA电路单元与所述的同步采样ADC单元相连，负责控制ADC转换时序、ADC采样率、存取ADC转换后的数字量电压、电流信号；FPGA电路单元与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元相连，负责解析处理断路器开合状态信号；同时，将经过PFGA电路单元的信号传送至处理器单元；

第四单元是处理器单元，处理器单元与FPGA电路单元相连，负责FPGA的初始化工作配置，稳态、暂态录波数据接收及数据传输打包处理；负责实时电压、电流、有功功率、无功功率、电度及谐波计算；负责IEEE1588授时协议处理；

第五单元是以太网单元，以太网单元与处理器单元相连，负责数据收发处理、IEEE1588授时信息硬件层分离处理、IEEE1588授时秒脉冲同步，快速交换处理，负责菊花链以太网数据转发处理。

优选地，还包括第六单元，第六单元是电源单元，电源单元与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元、同步采样ADC单元、FPGA电路单元、处理器单元、以太网单元各个单元均电连接，电源单元负责转换交流电源为直流电源，为各单元提供合适的电源。

优选地，所述电源单元包括电源冗余控制器和超级电容，负责掉电时对各个单元提供工作电源维持装置工作。

优选地，所述电压、电流、断路器开合状态采集单元包括电压采集单元、电流采集单元和断路器开合状态采集单元；

所述电压采集单元包括三组电压互感器，三组电压互感器分别并联在低压配电系统的一次电压回路中；

所述电流采集单元包括四组电流互感器，四组电流互感器分别并联在低压配电系统的一次回路电流互感器的二次侧，将电流互感器的二次侧5A的大电流信号变换为20mA的小电流信号；

所述断路器开合状态采集单元包括干接点隔离输入模块、开入信号调理模块，干接点隔离输入模块与开入信号调理模块相连，干接点隔离输入模块接入断路器的开合信号，经隔离后输出给开入信号调理模块变换为适合FPGA电路单元识别的3.3VIO电平信号。

优选地，所述同步采样ADC单元采用一个能同步进行采样转换的8通道输入的ADC芯片，同步采样ADC单元受FPGA电路单元控制按照给予的采样率对电压、电流信号进行实时的模数转换。

优选地，所述FPGA电路单元采用FPGA芯片，FPGA芯片连接FIFO缓存器。

优选地，所述处理器单元采用型号为ARM Cortex A9处理器，且所述处理器单元还连接有数据存储器和TFT液晶显示器。

优选地，所述以太网单元包括以太网接口和1000M电口以太网，1000M电口以太网的数量至少为两个，且各个1000M电口以太网均与以太网接口相连，以太网接口与所述处理器单元相连。

低压配电系统分布式故障录波系统，包括多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置、核心交换机、服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备，多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置之间采用菊花链以太网布线方式进行连接后与核心交换机相连，服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备均与核心交换机相连，其中，多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组。

优选地，所述多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组，该系统中采用多组。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型能够在配电发生故障时实时的记录故障电压、电流波形并进行故障原因分析，及故障后分析故障本质原因提供检修策略为低压配电系统提供坚强安全的配电策略；

2、本实用新型能够在负荷断路器开合时准确的记录电压、电流波形为配电提供负荷的感性、容性负荷分量分析为经一步的节能减排提供有效的配电数据支撑；

3、本实用新型能够实时显示配电负荷电压、电流、有功功率、无功功率、电度、谐波，可以免除安装传统的多功能电力仪表，装置外观体积和传统多功能电力仪表结构上一致可做到简易替换安装即可显示故障录波功能；

4、本实用新型的低压配电系统分布式故障录波装置采用菊花链以太网连接，在低压配电系统安装施工时采用以太网菊花链连接布线，即从核心交换机敷设一根网线到一台配电柜，配电柜内每台装置首尾相连，末端设备在连接到下一配电内的设备，以此降低低压配电系统难以集中安装、难以敷设通信线缆和施工成本高的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的低压配电系统分布式故障录波装置的原理框图。

图2为本实用新型的菊花链以太网布线具体实施方式原理图。

图3为本实用新型的低压配电系统分布式故障录波系统布置原理图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电压、电流、断路器开合状态采集单元，2-同步采样ADC单元，3-FPGA电路单元，4-处理器单元，5-以太网单元，6-电源单元，7-FIFO缓存器，8-数据存储器，9-显示器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，低压配电系统分布式故障录波装置，包括该装置分为六个单元；具体如下：

第一单元是电压、电流、断路器开合状态采集单元1，与低压配电系统的一次电压回路、一次电流互感器、断路器开合干接点相连，负责采集调理电压、电流模拟信号、断路器开合状态信号，同时，将调理处理完成后的电压、电流模拟信号送至同步采样ADC单元2，将断路器开合状态IO电平信号送至FPGA电路单元3；

具体地：所述电压、电流、断路器开合状态采集单元1包括电压采集单元、电流采集单元和断路器开合状态采集单元；

其中：所述电压采集单元包括三组电压互感器、运放缓冲器、有源低通滤波器、ADC驱动器，三组电压互感器、运放缓冲器、有源低通滤波器、ADC驱动器依次连接，ADC驱动器连接同步采样ADC单元2；三组电压互感器分别并联在低压配电系统的一次电压回路中；运放缓冲器用于缓存电压互感器二次模拟量信号；有源低通滤波器为ADC抗混叠低通滤波器；在由ADC驱动器驱动模拟量信号送至同步采样ADC单元2进行模数转换。

其中：所述电流采集单元包括四组电流互感器、跨阻放大器、有源低通滤波器、ADC驱动器，四组电流互感器、跨阻放大器、有源低通滤波器、ADC驱动器依次连接，ADC驱动器连接同步采样ADC单元2；四组电流互感器分别并联在低压配电系统的一次回路电流互感器的二次侧，将电流互感器的二次侧5A的大电流信号变换为20mA的小电流信号；跨阻放大器将20mA电流信号调理为电压信号；有源低通滤波器为ADC抗混叠低通滤波器；在由ADC驱动器驱动模拟量信号送至同步采样ADC单元2进行模数转换。

其中：所述断路器开合状态采集单元包括干接点隔离输入模块、开入信号调理模块，干接点隔离输入模块与开入信号调理模块相连，干接点隔离输入模块接入断路器的开合信号，经隔离后输出给开入信号调理模块变换为适合FPGA电路单元3识别的3.3VIO电平信号。

第二单元是同步采样ADC单元2采用ADC转换器，其中ADC转换器型号为AD7606，与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元1相连，同步采样ADC单元2输入端输入第一单元采集的电压、电流模拟量信号，负责受控同步转换电压、电流模拟量信号为数字量信号，同时，将转换后的数字量信号送至FPGA电路单元3；

其中：所述同步采样ADC单元2采用一个能同步进行采样转换的8通道输入的ADC芯片，同步采样ADC单元2受FPGA电路单元3控制按照给予的采样率对电压、电流信号进行实时的模数转换。

第三单元是FPGA电路单元3，FPGA电路单元3与所述的同步采样ADC单元2相连，负责控制ADC转换时序、ADC采样率、存取ADC转换后的数字量电压、电流信号；FPGA电路单元3与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元1相连，负责解析处理断路器开合状态信号；同时，将经过PFGA电路单元的信号传送至处理器单元4；

FPGA电路单元3负责稳态录波的数据打包转发，FPGA电路单元3根据预设的整定定值实时计算电压、电流突变量原件是否启动暂态录波和暂态录波数据打包转发，FGPA电路单元根据预设的整定定值实时跟踪断路器开合状态，并按需在断路器开合时启动暂态录波和暂态录波数据打包转发。PFGA电路单元接收处理来至以太网单元5的IEEE1588的授时信息及PPS秒脉冲信号，同步本地时钟系统(时钟误差≤1uS)。

其中：所述FPGA电路单元3采用FPGA芯片，FPGA芯片的型号为XC6SLX25，FPGA芯片连接FIFO缓存器7。上电复位时FPGA芯片根据处理器单元4提供的初始化配置FPGA电路单元3，此后FPGA电路单元3实时的控制同步采样ADC单元2对电压电流进行模数转换，根据需求调整ADC采样率，在每一次ADC转换后读取电压、电流采样点的数字信号量。FPGA电路单元3在每一次ADC获取ADC转换数据后即时将数据存入FIFO缓冲器，并同时启动电压、电流突变量元件判别根据预设的整定定值触发暂态录波，此后在将此采样点数据打样采样时戳打包数据分发。基于FPGA芯片是纯硬件电路，此部分可以在很快的时间内完成其仅仅需要等待同步采样ADC单元2的采样转换完成和FIFO缓存器7的写入读取时间时延。FPGA芯片实时跟踪鉴别断路器的开合闸信号并根据此信号触发暂态录波。PFGA设计有IEEE1588协议硬件处理实时处理IEEE1588的授时信息及PPS秒脉冲信号，不停的同步本地时钟系统。

第四单元是处理器单元4，处理器单元4与FPGA电路单元3相连，负责FPGA的初始化工作配置，稳态、暂态录波数据接收及数据传输打包处理；负责实时电压、电流、有功功率、无功功率、电度及谐波计算；负责IEEE1588授时协议处理；

其中：所述处理器单元4采用型号为ARM Cortex A9的处理器，且所述处理器单元4还连接有数据存储器8和TFT液晶显示器9，数据存储器8用于对处理器ARM Cortex A9处理之后的数据进行存储，TFT液晶显示器9用于处理器ARM Cortex A9处理之后数据进行显示。

第五单元是以太网单元5，以太网单元5与处理器单元4相连，负责数据收发处理、IEEE1588授时信息硬件层分离处理、IEEE1588授时秒脉冲同步，快速交换处理，负责菊花链以太网数据转发处理。

其中：所述以太网单元5包括以太网接口和1000M电口以太网，1000M电口以太网的数量至少为两个，且各个1000M电口以太网均与以太网接口相连，以太网接口与所述处理器单元4相连。

第六单元是电源单元6，电源单元6与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元1、同步采样ADC单元2、FPGA电路单元3、处理器单元4、以太网单元5各个单元均电连接，电源单元6负责转换交流电源为直流电源，为各单元提供合适的电源。

其中：所述电源单元6包括AC/DC电源、电源冗余控制器、超级电容、DC/DC电源，AC/DC电源负责将AC220V交流电转换为DC12V电压，电源冗余控制器负责对超级电容充电及AC220V掉电后利用超级电容对后续供能，DC/DC电源负责精密转换输出DC±5V、3.3V、1.8V电源提供各部件工作所需电源。

工作原理如下：

目前低压配电系统负荷侧都安装有一次电流互感器，本实用新型的低压配电系统分布式故障录波装置电流接口连接一次电流互感器的二次侧、电压接口连接低压配电系统的一次电压、断路器开合信号接口连接断路器开合信号。低压配电系统分布式故障录波装置采用仪表盘供电系统的AC220V电源作为工作电源。

本实用新型的低压配电系统分布式故障录波装置在上电复位时，通过依次连接的电压、电流、断路器开合状态采集单元1，同步采样ADC单元2，FPGA电路单元3，处理器单元4和以太网单元5，电压、电流、断路器开合状态采集单元1的输入端与低压配电系统的一次电压回路、一次电流互感器、断路器开合干接点相连，以太网单元5作为输出端，电源单元6为上述各单元提供需要的电源；

通过处理器单元4配置FPGA电路单元3，其后FPGA电路单元3实时的控制同步采样ADC单元2同步的转换经调理录波后的电压、电流信号，在每一次ADC转换后FPGA电路单元3启动电压、电流突变量元件判别根据预设的整定定值触发暂态录波，并将采样数据打上采样时戳并存入FIFO缓冲器根据系统配置通信协议进行打包转发，FPGA电路单元3实时跟踪鉴别断路器的开合闸信号并根据此信号触发暂态录波，PFGA电路单元设计有IEEE1588协议硬件处理实时处理IEEE1588的授时信息及PPS秒脉冲信号，不停的同步本地时钟系统。处理器单元4接收FPGA电路单元3处理后的ADC采样数据，累计20mS一个周期后实时计算电压、电流、有功功率、无功功率、电度、谐波计算、显示及数据进行数据存储，或者传送至服务器。处理器单元4根据FPGA电路单元3给出的稳态、暂态录波状态实时将ADC采样数据标记上录波信息(稳态、暂态信息)打包传输至服务器。

本实用新型的低压配电系统分布式故障录波装置能良好适用于低压配电系统，该装置能够实现快速优良的稳态、暂态录波；该装置具备电力多功能仪表功能，可直接代替传统的电力多功能仪表测量显示电压、电流、有功功率、无功功率、电度、谐波；该装置能够实现高速联网数据传输；该装置基于分布式设计每一负荷开关使用一台且就地安装，该装置自身设计有快速交换可以采用菊花链方式布置以太网线路减轻减少配电系统故障录波布线难成本高的问题。

实施例2

如图2、图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，低压配电系统分布式故障录波系统，包括多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置、核心交换机、服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备，多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置之间采用菊花链以太网布线方式进行连接后与核心交换机相连，服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备均与核心交换机相连，其中，多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组。

本实施例中，所述多个使用上述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组，该系统中采用多组。

图2为本实用新型的菊花链以太网布线具体实施方式原理图，图3为本实用新型的低压配电系统分布式故障录波系统布置原理图，在图2和图3中电路指代由图1中的电压、电流、断路器开合状态采集单元1、同步采样ADC单元2、FPGA电路单元3、处理器单元4以及以太网接口组成的连接电路。

实施例1中的本实用新型低压配电系统分布式故障录波装置能够与菊花链以太网连接，在本实施例中，在低压配电系统安装施工时低压配电系统分布式故障录波装置采用以太网菊花链连接布线，即从核心交换机敷设一根网线到一台配电柜，配电柜内每台低压配电系统分布式故障录波装置首尾相连，末端设备在连接到下一配电内的设备，以此降低低压配电系统难以集中安装、难以敷设通信线缆和施工成本高的问题。本实用新型低压配电系统分布式故障录波装置均受一台IEEE1588时钟源授时，每台装置的时钟误差≤1uS，使得每台装置的录波几乎是同步完成的，经一步对整个配电系统的故障发生电压、电流可同步进行分析工作。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：该装置至少分为五个单元，第一单元是电压、电流、断路器开合状态采集单元(1)，与低压配电系统的一次电压回路、一次电流互感器、断路器开合干接点相连，负责采集调理电压、电流模拟信号、断路器开合状态信号，同时，将调理处理完成后的电压、电流模拟信号送至同步采样ADC单元(2)，将断路器开合状态IO电平信号送至FPGA电路单元(3)；

第二单元是同步采样ADC单元(2)，与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元(1)相连，同步采样ADC单元(2)输入端输入第一单元采集的电压、电流模拟量信号，负责受控同步转换电压、电流模拟量信号为数字量信号，同时，将转换后的数字量信号送至FPGA电路单元(3)；

第三单元是FPGA电路单元(3)，FPGA电路单元(3)与所述的同步采样ADC单元(2)相连，负责控制ADC转换时序、ADC采样率、存取ADC转换后的数字量电压、电流信号；FPGA电路单元(3)与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元(1)相连，负责解析处理断路器开合状态信号；同时，将经过PFGA电路单元的信号传送至处理器单元(4)；

第四单元是处理器单元(4)，处理器单元(4)与FPGA电路单元(3)相连，负责FPGA的初始化工作配置，稳态、暂态录波数据接收及数据传输打包处理；负责实时电压、电流、有功功率、无功功率、电度及谐波计算；负责IEEE1588授时协议处理；

第五单元是以太网单元(5)，以太网单元(5)与处理器单元(4)相连，负责数据收发处理、IEEE1588授时信息硬件层分离处理、IEEE1588授时秒脉冲同步，快速交换处理，负责菊花链以太网数据转发处理。

2.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：还包括第六单元，第六单元是电源单元(6)，电源单元(6)与所述的电压、电流、断路器开合状态采集单元(1)、同步采样ADC单元(2)、FPGA电路单元(3)、处理器单元(4)、以太网单元(5)各个单元均电连接，电源单元(6)负责转换交流电源为直流电源，为各单元提供合适的电源。

3.根据权利要求2所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述电源单元(6)包括电源冗余控制器和超级电容，负责掉电时对各个单元提供工作电源维持装置工作。

4.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述电压、电流、断路器开合状态采集单元(1)包括电压采集单元、电流采集单元和断路器开合状态采集单元；

所述断路器开合状态采集单元包括干接点隔离输入模块、开入信号调理模块，干接点隔离输入模块与开入信号调理模块相连，干接点隔离输入模块接入断路器的开合信号，经隔离后输出给开入信号调理模块变换为适合FPGA电路单元(3)识别的3.3VIO电平信号。

5.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述同步采样ADC单元(2)采用一个能同步进行采样转换的8通道输入的ADC芯片，同步采样ADC单元(2)受FPGA电路单元(3)控制按照给予的采样率对电压、电流信号进行实时的模数转换。

6.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述FPGA电路单元(3)采用FPGA芯片，FPGA芯片连接FIFO缓存器(7)。

7.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述处理器单元(4)采用型号为ARM Cortex A9处理器，且所述处理器单元(4)还连接有数据存储器(8)和TFT液晶显示器(9)。

8.根据权利要求1所述的低压配电系统分布式故障录波装置，其特征在于：所述以太网单元(5)包括以太网接口和1000M电口以太网，1000M电口以太网的数量至少为两个，且各个1000M电口以太网均与以太网接口相连，以太网接口与所述处理器单元(4)相连。

9.低压配电系统分布式故障录波系统，其特征在于：包括多个使用权利要求1至8中任意一项所述的低压配电系统分布式故障录波装置、核心交换机、服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备，多个使用权利要求1至8中任意一项所述的低压配电系统分布式故障录波装置之间采用菊花链以太网布线方式进行连接后与核心交换机相连，服务器、IEEE1588时钟源和多个终端设备均与核心交换机相连，其中，多个使用权利要求1至8中任意一项所述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组。

10.根据权利要求9所述的低压配电系统分布式故障录波系统，其特征在于：所述多个使用权利要求1至8中任意一项所述的低压配电系统分布式故障录波装置为一组，该系统中采用多组。