基于数字故障指示器的城市配网自动化设计方案.doc

第 1 页 某城市电力公司某城市电力公司 新型的城市配网自动化改造方案新型的城市配网自动化改造方案 第 2 页 北京蓝派克电力科技有限公司北京蓝派克电力科技有限公司 20102010 年年 3 3 月月 第 3 页 目目 录录 1 1前言前言.4 1.11.1传统的配网自动化模式传统的配网自动化模式.4 1.21.2新型的配网自动化模式新型的配网自动化模式.5 2 2设计依据设计依据.6 2.12.1符合下列标准化组织制订的标准符合下列标准化组织制订的标准.6 2.22.2符合事实上的工业标准符合事实上的工业标准.7 2.32.3遵循的行业标准遵循的行业标准.7 3 3现场条件现场条件.8 4 4建设目标建设目标.8 4.14.1总体目标总体目标.8 4.24.2主站系统主站系统.9 4.34.3站端系统站端系统.9 4.44.4通信系统通信系统.9 5 5实施计划实施计划.10 5.15.1第一期目标：（至第一期目标：（至 20102010 年年 8 8 月）月）.10 5.25.2第二期目标：（至第二期目标：（至 20112011 年年 5 5 月）月）.10 5.35.3第三期目标：（至第三期目标：（至 20122012 年年 5 5 月）月）.10 5.45.4第一期目标实施要点第一期目标实施要点.11 6 6新方案介绍新方案介绍.11 6.16.1系统概述系统概述.11 6.26.2系统功能系统功能.12 6.36.3系统特点系统特点.13 6.46.4系统组成系统组成.14 第 4 页 6.56.5系统工作原理系统工作原理.14 6.66.6短路故障检测原理短路故障检测原理.16 6.76.7接地故障检测原理接地故障检测原理.18 6.7.16.7.1 架空线路和电缆分相线路架空线路和电缆分相线路.18 6.7.26.7.2 电缆三相线路电缆三相线路19 6.86.8电流测量原理电流测量原理.20 6.96.9自取电原理自取电原理.20 6.106.10电压测量原理电压测量原理.20 6.116.11温度测量原理温度测量原理.21 6.126.12开关位置检测原理开关位置检测原理.21 6.136.13开关遥控原理开关遥控原理.22 7 7主要装置介绍主要装置介绍.22 7.17.1主站主站 lpk-1000lpk-100022 7.27.2数据采集器数据采集器 dcudcu23 7.37.3数字故障指示器数字故障指示器 fcifci28 8 8本期通信方案本期通信方案.32 9 9现场设备统计表现场设备统计表.33 1010本期投资估算本期投资估算.39 本方案建设周期为一个月本方案建设周期为一个月.39 1111采用采用 gprsgprs 通讯的故障定位及在线监测（控）系统现场安装照片及运行实况通讯的故障定位及在线监测（控）系统现场安装照片及运行实况.39 第 5 页 第 6 页 1 1前言前言 1.11.1 传统的配网自动化模式传统的配网自动化模式 传统的配网自动化模式，主要依据 1999 版配电系统自动化规划设计导 则、2000 版 ftu 标准、2002 年版配网自动化系统功能规范和 2003 年版国 家电网公司县城电网建设与改造技术导则来实施。如今，这些标准早已显 得有些过时，既不符合技术经济的发展形势，又不满足电力生产需要。传 统的配网自动化模式主要存在以下问题： 1）主站投资过大，没有数据，显得“头重” 。计算机和通讯技术的 更新换代速度很快，过早和过多购买主站设备都会导致投资失败。 先上一个大主站以后再慢慢增加现场监控点的思路实际上不对， 不符合实际生产情况和新生事物发展规律。 2）现场设备投资过小，可监控的对象少，可采集到的有用的信息更 少，显得“脚轻” 。主要体现在可监控的点太少，大多数线路不 能上自动化监测或监控，充其量是拿几条线路来做自动化试点。 第 7 页 按照标准的配网自动化模式来走， “三遥”配电终端和开关自动 化改造的费用偏高，停电实施困难，再加上标准的配网自动化终再加上标准的配网自动化终 端（端（rturtu、ftuftu、dtudtu、ttuttu）本身能力有限，一次设备（）本身能力有限，一次设备（ptpt、ctct、 变压器、开关）改造麻烦，反过来会制约现场监控点的数量增长。变压器、开关）改造麻烦，反过来会制约现场监控点的数量增长。 3）光纤通讯系统投资过大，设计的容量很大，接入的数据流量很小， 数据接入点的位置移动困难，显得“身子笨” 。自建物理网络， 过分强调通讯速度、遥控安全和故障处理的速度，忽视接入点的 数量和方便性，导致通讯投资过高。 4）头重、脚轻、身子笨，致使配网自动化系统“全身无力” 。特别 是现场“一遥” 、 “二遥” 、 “三遥” 、 “四遥” ，甚至“五遥”的自 动化监控点的数量偏少，使得整个系统在空转，使用价值不高， 投入产出比低。 备注：备注： a) 一遥：是指带动作信号（短路、接地）远传的“二合一”数字 故障指示器（fci：fault current idicator） ，以及可采集开 关位置的数据采集器（dcu：data collect or control unit， 或 ftu：feeder terminal unit，或 dtu：distrubition terminal unit，或 ttu：transformer terminal unit）及其系 第 8 页 统。 b) 二遥： 是指带动作信号（短路、接地）远传和测量（稳态负荷 电流、短路动作电流、暂态接地尖峰电流、暂态接地动作电流、 稳态零序电流、暂态零序电流、线路对地电场、电缆头温度等） 的“三合一”数字故障指示器，以及可采集开关位置的数据采 集器及其系统。 c) 三遥：是指带动作信号（短路、接地）远传、遥测、可遥控翻 牌复归的“四合一”数字故障指示器，以及可遥控开关和采集 开关位置的数据采集器及其系统。 d) 四遥：在“三遥”系统基础上增加“遥调”功能，可遥调数字 故障指示器和数据采集器的参数，可遥调变压器分接头位置和 无功补偿柜的电容投切状态。 e) 五遥：在“四遥”系统基础上增加“遥视”功能，即可远程监 视线路和设备，常见的方法是录制视频和抓拍照片。 1.21.2 新型的配网自动化模式新型的配网自动化模式 如何根据县级供电企业的实际情况，恰当地选择必要的功能和性能， 寻求一种适合当地电力生产需要的“性价比”较高、符合城市电网现 况及未来技术发展方向、能够“统一规划、分层控制、分步实施” 、不 致因系统发展或技术进步而“推倒重来”实用化的新型的配电自动化 第 9 页 模式非常有意义，也是实施县级配网自动化系统的正确思路。 新型的配网自动化模式，主要是指利用数字故障指示器（fci）和 数据采集器（dcu）等新技术来弥补标准 ftu（或 dtu）功能性能缺陷 的一种新模式。 数字故障指示器的主要特点是： 1）具有故障指示器的先天特性，能检测短路、接地故障，能本地 指示出来并可将动作信号远传，能提供更为先进、灵活和准确 的故障检测方法和人工调节手段。 2）具有本地无线分频、跳频组网和远程 gprs“四遥”双向交互通 讯的双重维护功能。 3）具有 ftu、dtu 或微机测控保护装置的常规的遥测和遥控功能。 数字故障指示器采用非常规技术手段来解决整机功耗、通讯能 量、自取电源自取电源、故障检测故障检测、故障录波故障录波、在线监测在线监测、大电流冲击、 高低温、防护等级、雷击浪涌、emc、体积、重量等一系列问题。 4）最为重要的是，它具有成本低廉、施工简单、等电位安装、挂成本低廉、施工简单、等电位安装、挂 网安全、运行可靠、清洁环保和免维护网安全、运行可靠、清洁环保和免维护等特点。 数据采集器的主要特点是： 1）体积小，重量轻，功耗低，采用太阳能供电（架空）或开口 ct 第 10 页 供电（电缆） 。 2）采集周边 330 只数字故障指示器的故障信息和正常运行数据， 不用安装高压 pt 和一次 ct，不用接交直流电源。 3）可同时遥控两台同杆架设电动开关，并采集开关位置等状态。 用在开闭所时，可通过内部 485 总线组网，轻松实现多达 32 出 线和开关的监控功能。 4）具有本地无线、手机短信和远程三重维护功能。 5）数据采集器采用非常规技术手段来解决整机功耗、体积重量、 工作电源、通讯能量、高低温、防护等级、emc 等系列问题。离 线安装，与高压无电气连接，无线路停电、大电流冲击、系统 过电压和雷击浪涌等问题。 6）最为重要的是，它具有成本低廉成本低廉、施工简单施工简单、不挂网安装不挂网安装、运运 行可靠、清洁环保和少维护行可靠、清洁环保和少维护（备注：后备电池需要维护）等特 点。 2 2设计依据设计依据 传统的普通故障指示器采用了模拟电路技术和小壳体封装设计，具有 很大的技术局限性，实现功能过于简单，长期以来未能受到电力行业的重 视。然而，采用经济实用的故障指示器来查找配电线路的短路、接地故障， 第 11 页 早已成为供电部门的首选方案。由于市场需求和发展空间很大，传统的普 通故障指示器已有二十年多年的发展历史，它的出现要比 ftu、dtu 要早 十几年，其实际使用数量要比 ftu、dtu 高出几十万倍。 鉴于以上情况，国家电网公司在 2010 年初颁布了一个普通故障指示器 的技术规范，数字故障指示器的一些先进的故障检测和配网自动化功能、数字故障指示器的一些先进的故障检测和配网自动化功能、 性能也将在标准修订时增加进去性能也将在标准修订时增加进去。本方案设计还遵循以下标准： 2.12.1 符合下列标准化组织制订的标准符合下列标准化组织制订的标准 ccitt国际电报、电话咨询协会标准； iso国际标准化组织标准； iec国际电工委员会标准； itu-t国际电信联盟标准； ieee国际电气电子工程师协会标准； ansi美国国家标准协会标准； eia电子工业协会标准； gb中华人民共和国国家标准； dl中华人民共和国电力行业标准； 2.22.2 符合事实上的工业标准符合事实上的工业标准 1）符合 ieee posix 和 osf 标准的操作系统 第 12 页 2）满足 ansi 标准的 sql 数据库查询访问 3）符合 ansi 标准的 c、c+语言和 fortran 语言 4）符合 ieee 能量控制中心工作小组对开放的 ems 的定义 5）符合 omg 组织制订的 corba2.3/2.5 标准 6）符合 iec 组织制定的 iec 61970 cim/cis 和 iec 61968 uib 标准 2.32.3 遵循的行业标准遵循的行业标准 1）dl5003-91电力系统调度自动化设计技术规程 2）dl 5002-91地区电网调度自动化设计技术规程 3）dl/t 635-1997县级电网调度自动化系统功能规范 4）dl/t 789-2001县级电网调度自动化系统实用化要求及验收 5）dl/t814-2002配网自动化系统功能规范 6）dl/t721-2000配网自动化系统远方终端 7）农网自动化及通信系统建设技术指导意见（试行）（2002 年） 国家电力公司农电部 农电 2002-32 号 8）国家电网公司县城电网建设与改造技术导则（2003 年） 国 家电力公司农电部、科技部 9）配电系统自动化规划设计导则 中国电机工程学会城市供电专 第 13 页 业委员会 10）10 千伏配网自动化发展规划要点 国电公司发输电运营部 11）远动设备及系统-传输规约：第 101 篇 基本远动任务配套标准 （iec60870-5-101 规约） 12）远动设备及系统-传输规约：第 104 篇采用标准传输文件集的 iec60870-5-101 网络访问（iec60870-5-104 规约） 13）配电线路故障指示器技术规范（2010 年） 国家电力公司农 电部、科技部 3 3现场条件现场条件 某市电力公司配网管理采取营配分开的管理模式，10kv 配网的运行、 维护管理由配电部负责，营销部负责公用变及 0.4kv 低压台区的管理，配 电网的调度由地调合一管理。至 2010 年 3 月，某市市全网供电面积为 159.92km2，共有 10kv 公用线路 142 回，专用线路 22 回，10kv 公用线路 总长度为 1040.85km，其中电缆总长度为 518.9km，架空裸导线总长度为 309.85km，架空绝缘线总长度 212.1km，10kv 主干线型架空线以 jklgyj- 240 绝缘导线为主，电缆以 yjv22-3300 为主。10kv 线路 n1 率达到 93，10kv 公网线路实现 100“手拉手”联络供电。由于配电自动化规 划滞后，目前某市 10kv 配电网上的开关设备均未装设电动操作机构，没 第 14 页 有预留自动化用的 ct 和 pt，开关也无辅助接点，无预留光纤等专用通信 通道。如果按配网自动化的标准要求建设，更换全部 10kv 线路的开关设 备，投资特别巨大，架设专用光纤通道也十分困难。 4 4建设目标建设目标 4.14.1 总体目标总体目标 本设计方案是利用现代先进的数字无线调频/跳频组网通讯技术、电 子技术和计算机网络技术，将某市市区城市配电网上的故障报警数据、实 时运行数据、离线数据、电网结构、设备参数和地理信息等诸多信息进行 综合处理和集成，构成功能完整的配电自动化系统。实现某市市区配电网 正常运行时的控制和监测。通过该系统的实施实现某市配电网运行和管理 的现代化，确保配电网络的安全、可靠、经济运行。 1）实时监测线路负荷电流、瞬时接地尖峰电流、线路对地电场，对 过负荷、过流、过温、局部放电、绝缘下降和瞬时性单相接地故 障进行预警，为安全供电提供决策依据。 2）实时检测线路短路、接地、断线、停电等永久性故障并上报故障 电流和异常电压（高压线路或电缆头对地电场） ，帮组运行人员 快速查找到故障点，提高配调和抢修效率，提高供电可靠性。 3）实时监测线路、变压器和开关的运行状态，提高配网自动化的调 第 15 页 度和管理水平。 4）优化网络结构和无功配置，降低电能损耗，提高经济运行水平。 5）通过配电系统自动化的实施真正提高企业的现代化管理水平，提 高供电企业的各项经济技术指标。 4.24.2 主站系统主站系统 6）配电自动化系统主站设计满足系统通用性和和扩展性的要求，减 少不必要的功能，降低不必要的性能。根据系统规模进行分层控 制、分步投资，一级主站、二级主站和配电子站的层次、功能要 划分清楚。 7）对于一、二期规划，可首先实现 255 个自动化监控点以下的基本 scada（数据采集与控制） 、fa（馈线自动化）或故障定位、无人 值班短信通知功能，以后规模再扩大则降为二级主站继续发挥作 用。 8）根据实际使用需要，可增加 web 发布和远程浏览功能。 9）根据实际使用需要，可增加调度自动化系统接口功能。 10）根据实际使用需要，可增加 gis 地理信息系统接口功能。 4.34.3 站端系统站端系统 1）配电终端（含 fci、dcu）可满足线路故障检测、在线监测和开 关遥控可靠性和实用性要求，减少不必要的功能，降低不必要的 第 16 页 性能。根据实际线路的自动化改造条件进行分层控制，分步投资， 在不同功能层次的开关、线路场合分别上“一遥” 、 “二遥” 、 “三遥” 、 “四遥” 、 “五遥”设备及其系统，也可以在一些 分支线路安装不带通讯或只带本地通讯的 fci 和 dcu。 2）配电终端采用独立封装或模块化设计，具备扩展性和可维护性， 具备“四遥”通信、设备自诊断与自恢复、在线调试和远程维护 功能。 3）对于一、二期规划，可首先实现绝大多数线路的故障检测、在线 监测与故障定位功能，并实现少部分线路的开关位置信息采集和 开关遥控功能。对于同杆架设线路，多分支线路，无开关、有开 关无电动、少开关线路，不装 pt/ct 的场合，可优先采用 fci 和 dcu 组合方案。 4）根据际使用需要，可增加本地无线调试和操作功能。 4.44.4 通信系统通信系统 1）通信介质和设备可满足线路故障检测、在线监测和开关遥控可靠 性和实时性要求，减少不必要的功能，降低不必要的性能。根据 现场实际情况进行分层控制，分步投资，在不同地理位置和带宽 要求的通讯场合，分别采用有线 （lan、usb、uart、rs232、rs485、can、lon 等） 、无线（短距 第 17 页 离无线调频/跳频、gprs、edge、cdma、3g、卫星通道、调度专 频、无线扩频等） 、光纤（串行自愈环、光纤以太网、sdh 等） 、 电力线载波等通讯方式。 2）在数据量不大、数据接入点多而分散的场合，可优先采用无线方 式。对于城市化进程还远未结束，不好预埋或架设有线、光缆， 不能提供稳定的大功率通讯电源的场合，没有通讯人员专业维护， 尽量少用光纤和有线。 3）对于一、二期规划，可首先实现绝大多数线路监控点 dcu 的数据 接入功能。对于有开关遥控场合，可考虑申请 vpn 虚拟通道 sim 卡业务，或专门铺设遥控光缆。fci 优先选用短距离无线调频/ 跳频通讯方式接入 dcu，在电缆系统也可以选用短距离光纤就近 接入带远程数据通讯功能的配电终端。 5 5实实施计划施计划 5.15.1 第一期目标：（至第一期目标：（至 20102010 年年 8 8 月）月） 8 月 1 日前实施不停电或短时停电的施工方案，采用 fci、dcu 对某城 市？条供电线路的？个开闭所、？个无 ct 无 pt 环网柜和？台无 ct 无 pt 无辅助接点的柱上开关实现“二遥”功能，并将数据接入现有的配调 scada/fa/gis 系统实现数据共享，预留开关遥控接口。具备区域故障自动 第 18 页 定位，以人工方式实现短路、接地故障的快速隔离和恢复供电功能。对部 分没有安装开关的线路加装必要的故障检测点和在线监测点，采用 fci 和 dcu 的组合方案以实现线路“二遥”功能。fci 和 dcu 同时具备遥控复归 和遥调参数功能。 5.25.2 第二期目标：（至第二期目标：（至 20112011 年年 5 5 月）月） 将 10kv 线路开关设备的“二遥”改造扩大到某市全辖区的 142 回线 路，实现全辖区具备故障自动定位，以人工方式实现故障隔离、快速恢复 供电功能。同时具备在线监测功能，为故障预警和运行管理服务。 5.35.3 第三期目标：（至第三期目标：（至 20122012 年年 5 5 月）月） 完成 10kv 线路开关设备的更换，申请 vpn 虚拟通道和 gprs 加密 sim 卡，或这架设专用光纤通道，实现电动开关的遥控功能，具备故障自动定 位，以自动或人工遥控方式实现故障隔离快速恢复供电和网络重构的功能。 5.45.4 第一期目标实施要点第一期目标实施要点 特点一：对不带 ct 和 pt 以及无预留辅助接点的柱上开关实现“二遥” 功能均不必更换设备，大大降低投入。 特点二：柱上开关“二遥”改造不需停电，环网柜、电缆分支箱和开 闭所“二遥”或“三遥”改造只需短时停电，施工周期特别短。 特点三：采用新技术的“二遥”设备超低功耗，可直接用线路 ct 取 第 19 页 电或太阳能供电，不受供电系统影响更可靠，无 pt 供电，不增加一次回 故障。 特点四：不论架空线路还是电缆线路，都应用首半波和接地暂态信号 量化原理来检测单相接地故障，检测更快速、准确和可靠。在电缆系统， 同时采用稳态零序电流和暂态零序电流的方法来辅助检测单相接地故障。 在适当时候，可增加接地信号源，主要用于检测接地暂态过程早已结束的 永久性接地故障点。 特点五：应用数字无线调频/跳频组网通讯，实现一次回路和二次回路 完全隔离，系统运行安全可靠。 特点六：数据采集器具有多种接口，无专用通讯通道时可用 gprs 快速 实现“四遥”功能，开关设备增加电动操作机构后可直接实现开关遥控功 能。 特点七：数据采集器采用配网自动化的标准 101 通讯协议，能与配网 scada 系统和 gis 系统实现平滑对接及数据共享，真正起到立竿见影的效 果，实现建多少用多少，杜绝浪费。 特点八：完全能满足“国家电网公司关于在县级供电单位开展科技 进步先进县供电企业建设活动的通知要求，县城城区 10kv 主干线路实现 配网自动化达 100%，且各项功能使用良好”的要求。 第 20 页 6 6新方案介绍新方案介绍 6.16.1 系统概述系统概述 现场故障定位点/监测点/监控点主要由 fci 和 dcu 组成。fci 集短路 和接地故障的“遥信”及直接取代线路取样 ct 实现无线“遥测”功能。 从单根 10kv 线路磁场感应取电，解决 fci 自身及无线通讯模块的工作电 源是蓝派克公司（lpk）对新技术的成功应用，不停电方式安装并取代线 路 ct 测量电流和故障电流值是 lpk 最大的特点。多接口数据采集终具有 “三遥”功能，预留光纤、gprs 及无线端口， 含 gprs 通讯整机低于 0.5w 的低功耗设计远低于功耗大于 5w 的 ftu、dtu，20w 的太阳能电池、 40va 的开口 ct 能让 dcu 设备稳定可靠运行，解决了由高压 pt 供电而引发 的一系列问题。lpk 将以理想的投入产出比，不停电快速解决 10kv 馈线的 “两遥”或“三遥”问题。 fci 应用于中高压输配电线路上，可检测短路和接地故障并指示出来， 可以监测线路和变压器（高压侧）的运行情况。该系统可以帮助电力运行 人员实时了解线路上各监测点的电流（负荷电流、短路动作电流、首半波 尖峰电流、接地动作电流、电缆线路稳态零序电流、电缆线路暂态零序电 流）、线路对地电场 (对地绝缘)、高压线或电缆头温度的变化情况，在 线路出现短路、接地、断线、绝缘下降等故障或者异常情况下给出声光或 者短信通知报警，告知调度人员进行远程操作以隔离故障和转移供电，通 第 21 页 知电力运行人员迅速赶赴现场进行处理。主站 scada 系统除了显示线路故 障电流途径和位置，还能显示线路各个电流、线路对地电场、dcu 电池电 压、dcu 充电电压的变化情况并绘制曲线图，用户根据需要还可以增加其 他监测内容，例如开关位置、无线抄表、视频抓拍等。fci 的电池电压和 充电电压可通过本地无线读取。 该系统采用先进的数字故障指示器技术，可检测高压输配电线路短路、 接地故障，可监测线路和变压器两侧的电流、电压湖或对地电场、温度等 实时数据，可对同杆架设的两路电动开关进行遥控、遥信（开关位置采集） 操作。当系统正常时，可以帮助电力运行人员及时掌握线路上各监测点的 运行数据；当系统异常时，可以帮助电力运行人员快速定位故障点，排除 事故隐患。 6.26.2 系统功能系统功能 1监测线路上的短路、接地、过负荷、断线、停电、三相不平衡、盗 割、过温等故障情况，帮助运行人员迅速查找故障点，避免事故进一步扩 大。 2监测线路负荷电流和短路动作电流，保存历史数据并绘制曲线，用 于事故分析和消隐。 第 22 页 3监测线路首半波尖峰电流和接地动作电流（架空、电缆）、稳态零 序电流和暂态零序尖峰电流（电缆），保存历史数据并绘制曲线，用于事 故分析和消隐。 4监测架空线路、电缆头的对地电场和温度，保存历史数据并绘制曲 线，用于事故分析和消隐。 5在有刀闸和开关的地方，可监测开关位置。无需改造开关，无需停 电。 6在有电动开关的地方，除了监测开关位置，还可实现遥控操作。无 需加装 pt 和 ct，无需停电。 7根据客户需求订制其它在线监测、监控和馈线自动化功能。 6.36.3 系统特点系统特点 1突破模拟普通指示器的技术和 ftu 的标准。无需 pt 和 ct，无需开 关或开关改造，等电位和不停电安装，适用范围广，投入产出比高，运行 可靠。 2设备运行功耗极低，使用寿命长。指示器从导线自取电，并后备长 寿命锂电池，永久免维护；数据采集器从太阳能（架空）或者开口 ct（电 缆）取电，可选大容量铅酸蓄电池或聚合物锂电池，35 维护一次。 第 23 页 3采用量化的短路故障检测方法。监测线路个点的负荷电流、短路故 障电流和线路电压并实时上报主站系统，并可在线调整短路故障检测参数， 大大提高短路故障检测的准确性。 4采用量化的接地故障检测方法。对于小电流接地系统，监测线路个 点首半波尖峰电流、接地故障电流、稳态零序电流、暂态零序电流和线路 对地电场并实时上报主站系统，并可在线调整接地故障检测参数，大大提 高接地故障检测的准确性。 5本地采用无线调频组网（64 信道自动跳频），远程采用 gprs/cdma/3g 网络通讯，调试方便，免维护或少维护。 6指示器和数据采集器安装简单。不停电安装装、拆卸，本地或远程 无线调试。 7经济实用的主站“四遥”功能。主站软件可以实时对现场的故障指 示器和两路电动开关进行“四遥”即遥控、遥信、遥测、遥调【参数读写】 操作。可实时监测负荷电流和短路动作电流、首半波尖峰电流和接地动作 电流、稳态零序电流和暂态零序尖峰电流（电缆）、线路或电缆头对地电 压、导线或电缆头温度，并与 gis 系统无缝接口。 8soe 记录，事故推屏，实现事故重演。 9动态着色，故障定位，短信通知，实现无人值班。 第 24 页 10主站软件采用配调 scada/fa/web 一体化软件，易学易用。 6.46.4 系统组成系统组成 由若干个故障定位点/监测点/监控点和 1 套主站系统组成。 1）每个故障定位点/监测点/监控点的设备组成： 由 330 只数字化的故障指示器和 1 台数据采集器（含太阳能电池板/ 开口 ct 取电装置、后备电池）组成。 2）系统示意图： fci：digital fault current indicator 数字化的故障指示器 图 1：系统组成示意图 第 25 页 dcu：data collect or control unit 数据采集器（内置低功耗 gprs dtu），可选电动开关储能和开关遥控功能 gprs dtu：gprs data transmission unit，即 gprs 数据传输单元- 可选配置。 efu：earth fault line select unit 接地选线装置。为了提高单相接地 检测的准确度，系统可接入变电站接地选线装置或台变 pt 监测仪的数据。 -可选配置。 6.56.5 系统工作原理系统工作原理 数字故障指示器 fci 主要安装在变电站出线、开关负荷侧、架空分支 线、电缆进出线和主干线路分段处各装 1 组（共 3 只），以实现这些线路 的在线监测（遥测）、故障检测与定位（遥信），同时在附近安装 1 台 dcu。fci 和 dcu 都带有四字节全球唯一通信地址，用于 dcu 对 fci 的识别； dcu 还带有一字节 101 协议通信地址，用于 dcu 与主站之间的地址识别。 dcu 与 fci 采用短距离无线调频组网通信，dcu 与主站之间采用 gprs 公网 通信，可选静态 ip、动态域名和 apn 专线，推荐使用 apn 通道，确保数据 和控制安全。 当线路正常运行时，dcu 定期轮询每只 fci 或由 fci 主动上报，fci 按 预设的通讯策略进行应答或上报，将实时数据发送到 dcu。通讯策略的含 义是：fci 采用极低功耗设计，设计寿命为 8 年以上，但无线通讯能量较 第 26 页 大，不能完全依靠内部锂电池供电，大部分能量要从高压导线感应取电。 当负荷电流大于 20a 时可以完全取到通讯能量，在通讯时可以做到“有问 必答”或者定时主动发送；当负荷电流小于 20a 时，只能取到有限的电能， 在通讯时会出现“两问一答”或者定时主动发送的情况，其它时间 fci 内 部无线通讯模块都在休眠以减少电池损耗。值得一提的是，由于无线通讯 划分为 64 个独立信道，无需对多只指示器进行编码和延时错开时间发送， 对于多只指示器同时发送时也不会存在互相干扰而导致通讯不上的情况。 当线路出现短路故障时，fci 可以检测到短路故障电流，如果符合特定 的短路故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也 可以通过主站遥控复归。同时，在 dcu 轮询到自己时将“及时应答”或者 立即主动发送动作信息，将动作信号、短路故障电流等数据发送到 dcu，dcu 再通过 sms（短信）、gprs、cdma、3g 等方式将故障动作信息和 故障数据打包发到用户手机或主站系统。 对于 10kv 小电流接地系统，当线路出现接地故障时，fci 可以检测到 接地故障首半波尖峰电流和线路电压，如果符合特定的接地故障判据，则 本地翻牌和指示灯显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过本 地无线或主站遥控复归。同时，在 dcu 轮询到 fci 时将“及时应答”或者 立即主动发送动作信息，将动作信号、接地故障电流等数据发送到 dcu，dcu 再通过短信、gprs、cdma、3g 等方式将数据打包发到主站。 第 27 页 由于 fci 的本地无线和 dcu 的 gprs 网络“一直在线”，并具有双向、 随机发起主动通讯的能力，所以主站在召唤 dcu 的数据的同时，还可以对 dcu 和 fci 下发参数和遥控命令，例如在线修改 dcu 和 fci 的参数，遥控 dcu 连接的开关合闸、分闸，遥控 dcu 管辖的 fci 翻牌、复归等。 6.66.6 短路故障检测原理短路故障检测原理 对于短路故障，fci 提供两种可选择的故障判据：一种是电流突变法， 一种是过流速断定值法。 目前市面上绝大多数模拟电路的故障指示器主要是采用电流突变法，做 得好的厂家的短路判据为： 1. 线路“充电”时间：5s 2. 电流突变 当负荷电流 il 小于等于 200a 时，i100a； 或，当负荷电流 il 大于 200a 时，i1/2*il。 3. 线路“停电”时间：5s 该方法的优点是自动跟踪负荷电流大小，不用整定参数。其缺点一是 在两相接地、过流或过负荷短路情况下，短路电流是逐渐增大的，指示器 因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点二是在很多农网线路，线路长， 第 28 页 短路电流小，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点三是在有 些短路情况下，非故障出线、非故障分支、故障点后面的线路如果带有大 型容性负载（例如高压电容器）和感性负载（如大型电动机、水泵等）， 则会向故障点反馈送电，导致非故障线路误动。 由于由于 fcifci 的故障检测参数可以通过本地无线或者主站在线修改，因此的故障检测参数可以通过本地无线或者主站在线修改，因此 在管理比较规范的电力公司，我们推荐过流速断法。该方法与变电站微机在管理比较规范的电力公司，我们推荐过流速断法。该方法与变电站微机 保护装置的故障检测原理一致，不论是两相接地短路（电流缓慢增大），保护装置的故障检测原理一致，不论是两相接地短路（电流缓慢增大）， 还是农网过流故障（速断、过流定值整定很小），只要变电站出口跳闸，还是农网过流故障（速断、过流定值整定很小），只要变电站出口跳闸， fcifci 也能检测到并给出故障指示，是目前可靠性和准确性最高的判据。为也能检测到并给出故障指示，是目前可靠性和准确性最高的判据。为 了防止重合闸期间，非故障线路（分支）因重合闸涌流导致误动，了防止重合闸期间，非故障线路（分支）因重合闸涌流导致误动，fcifci 增增 加了加了“充电判据充电判据”，只有带电稳定运行，只有带电稳定运行 3030 秒以后才开始检测故障；为了秒以后才开始检测故障；为了 防止合闸涌流，防止合闸涌流，fcifci 采取了采取了“停电判据停电判据”，只有检测到线路停电（无流无，只有检测到线路停电（无流无 压）以后才会给出短路故障动作。压）以后才会给出短路故障动作。 其检测原理如下：其检测原理如下： il负荷电流10a if故障电流50a（可设置参数） t1充电时间30s t2故障持续时间0.01s（可设置参数） t3停电时间0.1s t(s) il if t1 t2 t3 图 2：fci 短路故障特征电流、电压波形图 i（a） u（v） i（a） 、u（v） 第 29 页 ik 参数：当前负荷电流采样值 iset 参数：包含 iset1（速断值）、iset2（过流值） tset 参数：包含 tset1（速断延时）、tset2（过流延时） tfmax 参数：从变电站出口保护启动到保护跳闸停电的最大延时 iaver 参数：保护启动前的平均负荷电流 图 3：fci 短路故障判据逻辑图 第 30 页 uk 参数：当前电场采样值 un 参数：正常运行时的电场 备注：备注： 1 1、lpk2-alpk2-a、lpk2-b“lpk2-b“四遥四遥”指示器的出厂参数（短路故障）设置为：指示器的出厂参数（短路故障）设置为： 速断速断 500a/40ms500a/40ms；过流；过流 400a/200ms400a/200ms。用于平均负荷电流小于。用于平均负荷电流小于 50a50a 的农网线的农网线 路时，短路故障参数调整为：速断路时，短路故障参数调整为：速断 100a/40ms100a/40ms；过流；过流 50a/200ms50a/200ms 2 2、速断、过流定值可以设置为一样，、速断、过流定值可以设置为一样，“二段式二段式”就变为就变为“一段式一段式”过过 流判据了。流判据了。 3 3、如果嫌设置速断、过流太麻烦，可以在出厂前将速断、过流定值都、如果嫌设置速断、过流太麻烦，可以在出厂前将速断、过流定值都 设置为设置为 700a700a 以上（含），则以上（含），则 fcifci 自动启动自适应负荷电流的自动启动自适应负荷电流的“过流突变过流突变 法法”判据。判据。 6.76.7 接地故障检测原理接地故障检测原理 6.7.16.7.1 架空线路和电缆分相线路架空线路和电缆分相线路 对于小电流接地系统的单相接地故障的检测，目前比较常见的方法是 首半波法和信号注入法。经过两、三年的实践检验，首半波或者接地暂态 法存在技术原理上的缺陷，经常导致误动。虽然信号源注入法相对稳定， 但由于设备费用高昂和安装不便而推广困难，对于负荷波动大的线路也经 常误动，接地阻抗高较高和接地线接地不牢时可能发不出完整的信号。 t(s) il iz t1 t2 t3 il负荷电流10a iz首半波尖峰电流突变量30a（可 设） uz接地相电压下降比例30%（可设） t1充电时间30s t2故障持续时间1ms t3接地相电压持续下降和不停电时间 40s（可设） 图 4：fci 接地故障特征电流、电压波形 uz uz i（a） 、u（v） 第 31 页 fci 主要采用接地瞬间首半波尖峰电流和线路电压测量发和突变检测法， 确定是否为接地故障并翻牌指示，同时通过通讯网络将各个监测点的首半 波尖峰电流、接地动作电流、线路电压、变电站接地选线装置的接地报警 和选线信息都汇总到主站，让主站进行智能和人工参与决策判断。 接地故障首半波电流电压测量法判据为： 1. 线路稳定时间：t030s 2. 接地暂态电流增量：iztiset 3. 电场下降比例：uk%uset% 4. 电场下降持续时间：tktset 5. 故障结束稳态电流：3a 第 32 页 该方法的特点是能够实时监测线路首半波尖峰电流、线路电压的变化， 并根据系统结构和不同的安装位置在线修改接地故障检测参数。 为了防止人工合分闸（停电、投切负荷等）、保护跳闸和自动重合闸 期间，非故障线路（分支）因三相开关动作不同期的单相暂态涌流导致误 动，fci 增加了“充电判据”，只有带电稳定运行 30 秒以后才开始检测故 障；同时增加了“不停电判据”，只有检测到线路不停电（有流）以后才 会给出接地故障动作。 备注：备注： 1 1、lpk2-alpk2-a 高端指示器的出厂参数（接路故障）设置为：接地暂态电高端指示器的出厂参数（接路故障）设置为：接地暂态电 流突变量流突变量30a/(0.1-3ms)30a/(0.1-3ms)；接地相电压下降比例；接地相电压下降比例30%30%；接地相电压持续；接地相电压持续 下降时间下降时间4040 秒。秒。 2 2、对于电缆分相线路，线路电压是指电缆头电压，可通过数字故障指、对于电缆分相线路，线路电压是指电缆头电压，可通过数字故障指 示器的电场引线来测到。示器的电场引线来测到。 6.7.26.7.2 电缆三相线路电缆三相线路 对于三相电缆线路、变电站出线电缆、架空转地埋电缆、地埋转架空 线路，还可以通过监测稳态零序电流大小来检测单相接地故障，同时可以 通过“捕捉”暂态零序突变电流的大小来辅助判断单相接地故障。三相电 缆接地故障判据为： 第 33 页 （1） 零序电流速断或过流启动（两段式）：0100a/09.99s（在 线可设）；出厂默认参数为速断 10a/500ms、过流 5a/1s。 （2） 暂态零序电流增量启动：0700a/0.013ms（在线可设），本 地不指示，只上报接地故障电流。出厂默认参数为零序暂态电流增量 为 40a。 6.86.8 电流测量原理电流测量原理 fci 利用了 ct（电流互感器）的原理来测量线路电流。当数字故障指 示器挂在导线上时，一次电流会流经数字故障指示器的电流传感器，电流 传感器产生 ct 二次信号，这个信号经过信号检测电路滤波、放大和采保， 然后由低功耗单片机做 a/d 采样，最后计算出负荷电流、短路电流、首半 波尖峰电流和接地动作电流值、稳态零序电流、暂态零序电流。电流传感 器主要包括：电流线圈、导磁棒、立柱、动板。电流线圈、导磁棒和立柱 下半部分都安装在指示器壳体内部，已灌胶封死，立柱上半部分和动板裸 露在外面，便于安装和拆卸。整个电流传感器就相当于开口 ct（开启式电 流互感器）。 第 34 页 6.96.9 自取电原理自取电原理 电流互感器除了用于电流测量，还可用于在线取电。在电流线圈基础 上再加取电线圈，就可以获得一定的取电电流。取电电流经过特殊的取电 电路和 mcu 控制电路就可以为数字故障指示器提供整机工作电源和无线通 讯电源。数字故障指示器的自取电功能可以减少电池损耗，提高产品使用 寿命。一般来说，负荷电流越大，取电电流越大，产品使用寿命越长。 6.106.10电压测量原理电压测量原理 用 fci 来测量线路电压基本原理如下：我们可以推算出一根无限长的 离地 10 米高的 10kv 裸导线对大地（备注：不能是绝缘很高的干水泥地） 的电容泄露电流在 1ua/cm 左右，35kv 的电容泄露电流是 10kv 的 log35/10 倍。反过来，我们可以通过泄漏电流的大小来计算导线对地电压。 实际使用带无线通讯的数字故障指示器来做现场试验（备注：大地是能长 草的土地）以及通过实际运行，已经证明理论计算是比较符合实测数值的。 对于绝缘导线，如果指示器不靠近杆、塔和任何物体，实测对地电场仅为 裸导线的 1/51/3 不等，这跟导线绝缘层和土质的绝缘程度有关。由于 10kv 小电流接地系统是浮地系统，导线对地电场并不是太稳定，所以该测 量原理不是完全可靠，也不是完全不能用，特别是线路对地电场的变化是特别是线路对地电场的变化是 非常有用的，非常有用的，需参照数字故障指示器主动上报的首半波尖峰电流、接地动 作电流、接地动作标志、对地电压等线路实时数据和故障信息，并结合变 第 35 页 电站母线 pt 监控【可靠信息】和小电流接地选线装置【信息也不完全可 靠】的各种有用信息来做综合分析，才能准确判断小电流接地系统单相接 地故障的出现和准确位置。 为了测电缆头的对地电场，电缆型“四遥”数字故障指示器还可以引 出电场线，用高温扎带将电场线捆扎在电缆头上即可。 6.116.11温度测量原理温度测量原理 fci 采用高性能的温度探头来监测导线的温度。温度探头由温度传感 器芯片、圆筒形金属壳体和内部填充物组成，壳体内部填充物为绝缘性高 和导热性好的石英粉，壳体表面使用环氧树脂固封。温度探头安装在数字 故障指示器的顶部灌胶面上，并由灌胶固定。温度探头的裸露部分套在导 热金属板上，数字故障指示器安装导线或电缆头上时，导线会直接压住金 属导热板上，导线温度经过金属导热板直接传导给温度探头。温度探头产 生的电流信号经过信号检测电路，直接传到低功耗单片机进行 a/d 采样， 最后计算出温度值。 温度传感器芯片的测温范围为-55150，测温精度为2。数字故 障指示器每 15 分钟测量一次温度并主动上报，或被 dcu 巡检。 为了测电缆头的温度，电缆型“四遥”数字故障指示器还可以引出带 高温屏蔽线的温度探头，用高温扎带将温度探头捆扎在电缆头上即可。 第 36 页 6.126.12开关位置检测原理开关位置检测原理 一般来说，要检测开关位置，必须在开关上安装行程开关、接近开关等开 关辅助接点，即需要改造开关和接线。但是，我们通过在开关一侧安装 a0、b0、c0 三只指示器，在另一侧安装 a1、b1、c1 三只指示器,通过这 6 只 指示器也可以判断开关位置，其判据如下： （1）开关处于合位：a0、b0、c0、a1、b1、c1 都有电压和电流。 （2）开关出于分位（分段）：a0、b0、c0、有电压、无电流； a1、b1、c1 无电压、无电流。 （3）开关出于分位（联络）：a0、b0、c0、有电压、无电流； a1、b1、c1 有电压、无电流。 备注：如果线路停电，则指示器监测出来的电流、电压也是为零，此时不 好判断开关位置。处理方法有三个： （1）还默认为线路停电前的开关状态 （2）如果开关设置了过流跳闸功能并且指示器有动作信号上传，则开 关为分位 （3）在开关上增加行程开关、电磁式接近开关或者反射型红外光接近 开关，把辅助接点引出，接入数据采集器（dcu2 或 dcu3）。 第 37 页 6.136.13开关遥控原理开关遥控原理 在现场附近或者主站，用户可以对现场安装的任意一台数据采集器和 任意一只数字故障指示器进行遥控（合闸/分闸、翻牌/复归、设备复位） 操作，也可以进行遥调（参数调整，可读可写）操作。 由于 12 台电动开关直接与数据采集器进行连接，故主站通过 gprs 或光纤网络将遥控命令发给某台数据采集器，数据采集器在收到遥控命令 以后直接执行，而不像遥控数字故障指示器那样复杂，还要本地无线网络 转发主站遥控命令。首先打开遥控电路的控制电源，然后通过光电隔离电 路来驱动继电器动作，此时操作电源通过继电器输出接点传送到开关合闸、 分闸线圈上，从而驱动开关合闸、分闸。 因线路停电，一般开关只能实现一个“分-合-分”的动作序列，故建 议将开关合分闸线圈和储能电机都改为 dc24v，以实现电动开关的连续操 作。为了防止开关操作机构卡