（模式识别与智能系统专业论文）环网开关柜智能化及其测控保护装置研制.pdf

摘要 本论文结合国家技术创新计划项目“1 0 k v 户内交流金属封闭智 能型真空环网开关设备”的子项一环网开关柜智能化及其测控保护装 置的研制，以电力系统微机测量保护和故障诊断的研究为基点，探讨 了若干开关柜智能化技术和高电压侧参数测量的关键技术。 论文首先介绍了配电自动化的体系结构和发展现状，阐明了环网 开关柜在配电网中的作用。在此基础上，明确了智能型环网开关柜测 控保护装置的研制方向。通过对新型故障判断矩阵的分析和应用，配 合环网终端设备的互联通信，实现配电网的快速故障定位、隔离和配 电网重构；开关柜柜体状态诊断采用基于故障树、框架表示法和产生 式规则相结合的知识表示形式的专家系统来实现；同时，对电力设备 智能化的若干新技术和高压侧在线测量的难题进行了探讨和实践，通 过采取有效的抗干扰和隔离措施，解决了新型电流电压组合型传感器 微弱输出信号的传输问题和真空灭弧室真空度、高压母线电缆连接 点温度在线检测装置的安全运行问题，并提出了相应的实现方案。 本装置已通过了国家权威机构检测，表明装置的研制达到了预期 的效果，装置的成功研制为深入研究实现开关柜的高度智能化奠定了 良好的基础。 关键词：环网柜，故障判断矩阵，专家系统，交流采样 a b s t r a c t t h et l l e s i sd i s c u s s e sm er e s e a r c ha i l dd e v e l 叩m e n to nm e r i n gm a i n u n i ti m e l l i g e n t i z e da l l di t sm e a s u r e4 i l d p m t e c t 如n c t i o n i m p l e m e n t e d p r o j e c t ，w h i c hi sas u b - p r o j e c to f n a t i o n a lt e c l l l l i q u ec r e a t i v ep r o j e c t ， a tf i r s t ，t l l et h e s i si n t r o d u c e sm ef - r a m e w o r ka n da c t u a l i t yi np 0 、v e r d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ， a n dt h e劬c t i o no fr i n gm a i nu n i tf o r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ks y s t e m b a s e do nm e 觚a l y s i s ，t 1 1 et h e s i sp r o p o s e s s o m e k e yt e c l l l l i q u e s ， an o v e lf a u l t j u d 舯e n tm a t r i 墨 谢mm e i n f o i 扭a t i o n 台o me a c hr i n gm a i nu 血，c 锄j u d g et h ef a u l ta r e ao n d i s 扛i b u t i o nn e t w o r kq u i c k l 弘s 0t h es y s t e mc a ni s o l a t e l ef a u l ta r c aa n d r e s 仃u c t u r et h ed i s t r j b u t i o nn e t w o r k ；s w i t c h g e a rc u b i c l es t a t l l sd i a g n o s i s a d 叩t ac o n d i t i o n - b a s e d d i a 伊o s i se 坤e r ts y s t e m ，w h i c hh o w l e d g e r e p r e s e n t a t i q nc o m b i n e st h ea d v a i l t a g e o ff a u l t 仃e e ，劬m ea n dn l l e f e p r e s e n t a t i o n ，nt 1 1 es 锄et i m e ，s o m er e s e a r c ha i i dp r a c t i c e sa r em a d e f b rs e v e r a l n e w l yc o m p o n e n t s 0 fe l e 嘶cs y s t e ma n dt h cd i 伍c u l tp r o b l e m o fm e a s l l r eo n h i 曲- v o l 协g ec 曲u m s t a n c e t o s o l v et h e 州b l e mo f h o wt o 廿；m s m i ts m a l l s i 罂l a l 丘d mn e wt y p ev o l t a g e a n dc l l r r e n tc o m b i n e ds e n s o r ， e n s u r eo n - l = i i l ev a c u u ma n dj o i n tt e m p e r a t i l r et e s t e rw o r k 翰f e l y ，s 呲e e 彘c t i v ea n d 一面b 疵r e n c e 锄di s o l 撕0 n t e c h n i q u ea r ep r e s e n t e d t h et e s tr e s u l t sc o m e 五吣mn a t i o n a la u 山耐t a t i v eo r 彰i i l i z a t i o ns h o w s t 1 1 a tt l l er & d o n 协e 印p a m m s a c l i i e v e si t se 冲c c 枷0 n k e yw o r d s ： 刚n gm a i nu n i t ，f a u l tj u d g m e n tm a t r i x ，e x p e i t s y s t 锄，a cs 锄p l i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 作者签名：羞建，垃 日期：蝉年上月阜日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垄皂色旌 导师签名 日期：2 盘驻年。月笠日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 电力工业是国民经济重要的基础工业，也是国民经济发展战略中的重点和 先行产业，其建设和发展速度必须高于国民经济生产总值的增长速度，才能为 国民经济各部门快速稳定发展提供良好的保障，电力工业的快速发展是我国综 合国力的增强及人民物资文化生活水平不断提高的需要。 电力行业般包括发电、输电和配电三个环节。近十年来，我国在发电和 输电领域均取得了令人瞩目的发展。目前，我国的发电量和装机容量均位居世 界前列，并逐步形成了大区电网互联的基本格局，输电网自动化程度也有了很 大的提高，地区电网自动化调度系统己基本普及，县级电网自动化调度系统， 无人值班变电站和变电站综合自动化的建设和改造也发展迅速。而对于直接面 向用户，电力行业中事故高发段一配电网而言，其自动化程度却仍然很低。 研究配电网终端现场智能测控装置对于保证供电的可靠性、稳定性，改善 供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。 r 配电网数据采集和监控系统 ll o k v 开闭所、变电站自动化 ，进线监控 一七_ _ ，= 茎：撒 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络， 称为配电网( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。配电自动化系统是配电网系统提高电网 现代化管理水平最直接、有效的技术手段，在进行电网的建设和改造中，提高 配电网络的自动化程度，是电力系统现代化的必然趋势，是电力适应市场经济 的一大进步，其主要意义在于阱】： 1 ) 在正常运行情况下，通过监视配电网运行工况，优化配电网运行方式； 2 ) 当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快速 隔离故障区段，及时恢复非故障区域的供电，缩短用户的停电时间，减少停电 面积； 3 ) 根据配电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经 济运行目的。合理控制用电负荷，以提高设备利用率； 4 ) 自动抄表计费，保证计费的及时和准确，提高企业的经济效益和工作效 率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。 1 1 2 国内现行配电网网架结构 现行国内配电网的网架结构比输电网要复杂得多，从供电电源的角度来划 分，主要可分为以下三类网架结构【2 w ： 1 、单电源供电的辐射型树状供电结构 该结线方式适用于对供电可靠性要求不高的客户进行供电，目前主要是应 用于农村电网及一些经济不发达地区的电网。配电线路可根据需要设多级重合 器和分段器保护，达到自动隔离和恢复供电的目的。其特点是故障发生后，在 排除故障之前，其下游地区的供电将永久性中断。其结构如图卜2 所示。 圜l _ 2 单电源供电的辐射型树状结构示意图 2 、双电源之间的“手拉手”联接供电结构 该结线方式主要应用于城市架空网的供电，其特点是当发生故障时，通过 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 断开故障点前后的柱上开关或刀闸后，可恢复其它段的供电，但在故障排除之 前处于故障段的用户的供电将永久性中断。这种配电方式结构简单，布置形式 灵活，设备都集中在户外安装，受环境条件的影响较大。两组电源互为备用， 当发生异常情况时，由另一路电源供电，但在故障排除之前处于故障段的用户 的供电将永久性中断。在馈线中由重合型断路器、分段器、重合分段器作为控 制单元，实现控制。以图卜3 所示“手拉手”联接供电结构为例，设正常供电 时k 3 为联络开关，即k 3 处于常开状态，线路a 、b 由断路器d 1 侧电源供电， 线路c 由断路器d 2 侧电源供电。当k l k 2 间线路发生故障时，由各断路器和 分段器的配合延时动作，可将故障段隔离，并将b 段线路改由断路器d 2 侧电源 供电。但处于故障段的线路a ，在故障排除之前将停止供电。 abc 图1 3 双电源之间的“手拉手”联接供电结构示意图 注：d 1 ，d 2 为变电站出线的重合型断路器； k 1 一聃为分段器 3 、双电源供电的环网供电结构 该结线方式主要应用于城市电缆网的供电，其特点是当发生故障时，可以 通过对环网开关的操作将故障分支用户或故障的干线从系统中隔离出去，恢复 其它干线和用户的供电【1 0 】。该结构的特点在于干线故障或检修不影响用户的供 电，分支用户线故障只影响该分支用户供电。 一个环网节点至少要由3 个环网开关柜( 以下简称“环网柜”) 构成，即至 少有一个进线柜、一个出线柜和一个分支线路柜即。图卜4 中虚线框内表示一环 网单元。各个环网柜由于所处的位置不同，所要完成的功能也不尽相同：在馈 线上，环网柜对馈线进行测控和保护以实现对线路运行状态的监控和对故障点 的切除。另一重要功能是，当故障切除后对网络进行重构，恢复非故障区域的 供电。在支线上，环网柜对分支线路进行测控和保护，其作用相当于分断器。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 k 1k 2k 4k 5 ：k 7k 8 一几 几nn：n几i ：掣 上 掣 蛐ii 峭 i = i0 “。0 j abcd 图卜4双电源环网供电方式示意图 注：d 1 ，d 2 为变电站出线的重合型断路器； k l k 1 0 为环网开关柜 在图卜4 中，设k 7 为联络开关，即线路a 、b 由重合型断路器d l 侧电源t 、 电，线路c 、d 由重合型断路器d 2 侧电源供电。假设在k 2 k 4 段线路发生短路 故障，经线路上断路器和环网柜配合动作，可将故障线路隔离，恢复线路a 、c 、 d 的供电，并通过供电网络的重构，将线路b 改为由断路器d 2 侧电源供电，从 而恢复了对所有供电用户的供电。 1 1 3 配电系统的网络重构控制方式 配电网网络重构的目的就是要隔离线路故障段，尽快恢复非故障段的供电。 实现方式为通过设置在配电线路上的开关设备，检测配电线路在故障前、故障 中及故障后的电流、电压情况，通过设置在就地或远方的自动装置进行逻辑判 断后对相应的开关进行分、合操作来实现。根据实现方式的不同主要分为三大 类网络重构控制方案f 卅】： l 、无通信支持的重合器方式 无通信支持的重合器方式特点是无需建设通讯网络，各分段开关均依靠自 身的电压、电流判据独立进行工作，因此实现起来比较容易。在应用中可对配 电自动化实行分步实施，即首先实现故障的隔离与非故障段的恢复，待通讯网 络建成后，可再进行配电s c a d a 的建设。 其缺点是由于每次故障均涉及到整条线路开关的分、合动作，对开关的动 作可靠性要求较高，任何一个开关的拒动，都将导致事故范围的扩大。对于熏 合器模式要经近几十秒的各级开关动作方可恢复正常供电。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 、有部分通信支持的分布智能方式 分布智能方式与重合器方式最大的不同在于：分布式智能是通过各开关处 的馈线终端单元( f t u ) 的相互通讯，把故障后开关状态及信息传送到临近开关 的f t u ，从而识别出故障区段并自动隔离，然后对非故障区段自动恢复供电，使 得故障隔离与恢复供电的速度大大加快。这种方式对通讯的依赖程度较低，当 通信不畅时，仍可在自主工作的模式下，进行故障的隔离与非故障段的恢复。 3 、全通信支持的远方集中监控方式 在通讯的支持下，f t u 、子站、主站协同工作，实现对故障的自动隔离和非 故障段的恢复供电，隔离故障的速度要比重合器方式快。其信息量更完整，不 仅可以实现两电源环网或“手拉手”线路的故障自动隔离和非故障段的恢复供 电，而且可以自动进行潮流计算、平衡负荷情况，完成多电源复杂网络的重构， 使配电信息管理向科学化、实时化方向发展。 这种方式的缺点是对通信的依赖程度高，通信的故障往往影响故障的隔离 与非故障段的恢复，且建设的一次性投入较大，这种方式主要适用于市中心繁 华区等用电密集场所，是配电自动化的最高模式，也是未来配电系统自动化发 展趋势。目前在全国还处于一个试点或扩展阶段，未全面铺开。实际应用中， 实现配电自动化要考虑其投入产出问题，不能一概而论p 】。 有通信支持的网络重构控制方式与无通信支持的重合器方式相比有较为明 显的优点：有通信支持的方式可直接计算出当前故障点的区间，避免了重合器 多次合闸对线路造成的冲击，还可避免非故障回路合闸到故障回路时引起跳闸， 导致非故障回路出现短时停电的现象，从而提高了供电质量。 综上所述，配电系统的故障隔离和恢复供电的方式是多种多样的，无通信 支持的重合器方式馈线自动化是配电自动化的初级阶段，有部分通信支持的分 布智能方式是对无信道重合器方式的补充与发展，它可以做到功能分布、分步 实施，最终实现全面的配电自动化。全通信支持的远方集中监控方式的配电自 动化从技术上讲是一种更为先进的自动化，因为实施配电自动化的目的不光是 要实现故障的隔离，更重要的是通过对配电网的实时、动态信息的了解，达到 配电网科学化管理的目的。 1 2 配电自动化现状分析 1 2 1 国外现状 在一些工业发达国家中，配电自动化受到了广泛的重视，国外的配电自动 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 化系统已形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用 户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电管理系统( d m s ) ，其功能已多达1 4 0 余种。国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足配电自动化领域，如英国 a b b 公司、德国西门子公司、法国施耐德公司、美国c o o p e r 公司和日本东芝公 司等，均推出了各具特色的配电自动化产品 1 ”。 1 ，2 2 国内现状 长期以来，我国的电力部门重发电、轻用电的现象比较严重，将主要精力 放在大电网、大机组上，对配电网用电质量及可靠性重视不够，忽视了配电网 的重要性和特殊性，使配电网的技术发展受到严重的影响，造成了配电网供电 的可靠性差、设备落后、不安全因素较多的状况。要提高供电质量，首先应对 配网的拓扑结构进行改造，使之适合于自动化的要求，如馈线分段化、配电环 网化等【2 】。另外，大量的统计资料表明，配电网的事故占电网总事故的9 5 以上， 而配电事故中瞬时故障又占9 0 ，永久性故障仅占事故的1 0 左右。因此，提高 配屯网可靠性仅从调度自动化这一方面考虑是远远不够的，应立足于消除事故 的发源点，增设配电线路的配置和自动化设备的应用是重要的【6 7 1 。 我国配电网还有一个显著特性，就是中性点不接地，在发生单相接地时， 仍允许供电一段时间【”。这一特点使我国的配电自动化系统不能直接引入国外设 备，而必须结合我国配电网的实际情况，逐步加以改进。 1 3 课题的提出及其研究意义 1 3 1 课题的提出 1 9 9 9 年，国家电力公司提出：配电自动化的总目标是在1 0 年或更长一点的 时间内，分区域、分步骤使我国城市1 0 k v 配电网的运行管理基本实现现代化的 目标，大、中城市中心区供电可靠性达到9 9 9 9 以上，安全经济运行和供电服 务水平上一个新台阶【9 】。实践证明，这一目标只有在配电网网架合理、结构灵活、 转供互带能力强和一次设备满足自动化要求的前提下，大力开展配电自动化才 能实现。城网中采用电缆化供电已成为配电网发展的必然趋势，从电缆化供电 来考虑，环网供电以其经济性和可靠性成为配电网络电缆化的首选形式，而作 为环网供电的主设备一环网柜，则越来越受到供电部门和用户的重视佴j 。 目前，国内生产环网柜的厂家虽然较多，但称得上智能型的却几乎没有。 在实际使用中故障处理的方式通常为：当线路发生故障时，由抢修人员判别故 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 障点后对环网负荷开关进行操作，以隔离故障点和恢复对用户的供电【9 】。采用这 种方式，故障恢复的时间较长。国外a b b 和f g 等公司有相关智能型的环网柜产 品，但价格昂贵。 另一方面，随着电力工业向更高水平发展，高压电器管理部门逐渐改变了 原来“定期”安排维护模式，变为“按状态”安排维修，这对大型电力设备可 带来明显的经济效益，节省了大量维修经费，减少了停电时间。而这种工作模 式的转变，正是要建立在对高压电器装置状态诊断的基础之上。 基于以上的原因，有关厂家对智能型环网柜产品进行了立项。本课题来源 于国家技术创新计划项目( 0 2 c j 0 6 一o l 一1 1 ) “l o k v 户内交流金属封闭智能型 真空环网开关设备”的子项一环网开关柜智能化及其测控保护装置研制。 1 3 2 课题的研究意义 研究本课题的意义在于： 1 ) 通过对配电网网架结构及网络重构方式的认识，研究配电网网络故障定 位的算法，以进一步减小故障网络的停电范围和缩短停电时间； 2 ) 研究高压装置电量和非电量参数的在线测量，实现对开关柜工作状态的 监测，进而实现对开关柜的状态诊断； 3 ) 对新型的电流电压组合式传感器的应用进行了探讨和实践，以期对这 种极具发展前途的新型器件的大规模应用能有所借鉴； 4 ) 研究交流采样算法和针对电力产品的特殊硬件设计方法，以实现对配电 网电参量的准确测量和对线路的快速保护。 1 4 论文结构安排 本文在结构上分为六覃： 第一章对配电网的主要网架结构和故障发生后配电网的重构方式进行了论 述，阐明了环网柜在配电网的作用、环网供电的优点和配电网网络重构中有部 分通信支持的分布智能方式的优越性，继而说明了本课题的提出和其研究意义； 第二章对智能型环网柜进行了系统分析，明确了研制的目标，并对智能型 环网柜的各主要功能的实现进行了方案比较； 第三章对环网柜实现智能化的两个层面一配电网系统层的故障定位和柜体 本身的状态诊断进行了论述，给出了相关的算法和实现思想； 第四章对环网柜实现智能化的基础一主要电参量和非电参量的在线测量的 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 原理、实施方法和设计中遇到的问题进行了论述； 第五章对与智能型环网柜配套的本地监控和远动系统进行了论述，并介绍 了配电自动化通信中的通信方式和通信规约等； 第六章对本课题的研制进行了总结，并指出了进一步的研究方向。 中南大学硕士学位论文 第二章系统分析及系统实现方案 第二章系统分析及实现方案 智能型环网测控保护装置的研制是集电子技术、电气技术、控制理论、计 算机技术在电力行业智能化设备中的综合应用。在研制开发的前期必须对委托 方所提出的功能和技术要求做详细、认真地分析，同时应参照相关的国家、行 业标准，对关键技术问题进行调研以进行开发风险评估、提出优化的方案。 2 1 系统功能及技术指标 2 1 1 系统主要功能 1 ) 配电自动化功能 配电网络发生故障后，实现对配电网络快速、高质量地重构，即实现对故 障区域的定位、隔离和恢复供电三个过程。 2 ) 测量功能 对线路电压、电流、工频频率、功率等电参量在o 1 1 2 倍额定值范围内 进行精确测量，以实现对配电线路运行状态的监控。 3 ) 保护功能 对线路的电参量在1 2 1 0 倍额定值范围内进行快速测量，并根据当前状 态，做出相应的保护控制，实现对线路和开关柜体自身的保护。 4 ) 高压柜体装置非电参量在线检测 对环网开关柜柜内温度、湿度进行在线检测，通过对加热器的控制，使柜 内不具备产生凝露的条件；对真空负荷开关真空灭弧室的真空度进行在线检测， 当真空管的真空度下降到一定范围时，及时报警并闭锁对开关的分合闸操作， 避免操作开关时因拉弧而引起的安全事故；对高压母排电缆连接点温度进行在 线检测，及时发现因接触不良而引起的大量发热。真空度和连接点温度的在线 检测为高压设备的检修人员提供了依据，保证了开关柜体的安全运行。 2 1 2 系统主要技术指标 1 ) 精度指标 电压、电流在0 1 1 2 倍额定值范围内应达0 5 级( o 5 ) 的精度，在 1 2 l o 倍额定值范围内应达到3 级( 3 ) 的精度；工频频率的测量精度要求 为0 0 2 h z 。 9 中南大学硕士学位论文第二章系统分析及系统实现方案 2 ) 保护速度指标 对于线路上的故障，微处理器应在1 0 2 0 m s 内做出响应。 3 ) 抗电气干扰性能指标 对装置进行快速瞬变干扰( e f t ) 、浪涌抗扰度( s u r g e ) 、静电放电( e s d ) 等电 磁兼容试验，试验应符合国家相关标准严酷等级为i i i 级的要求。 2 2 系统实现方案分析与选择 2 2 1 总体方案 系统功能的实现是建立在交流信号和各种外围装置的信息采集之上，通过 对这些信息的处理，来实现系统的自动化和智能化的功能。 硬件设计方案：以高集成度微控制器( 滟u ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 为核心，辅以相应的外围接口、管理电路，以实现对信号的采集和控制；以c p l d 侧重处理高速逻辑功能，m c u 侧重处理数据计算为原则，对删和c p l d 工作任 务进行合理分配；作为配电自动化产品，其运行的可靠性应摆在首位，否则因 产品自身的问题反而提高了配电网的故障率，这是与配电自动化应用的初衷相 背离的，因此，对配电自动化产品的电磁兼容( e m c ) 设计应放在重要的地位，在 硬件设计时应围绕电磁兼容设计而开展；采用模块化的设计思想，以提高研制 产品的通用性和降低开发的风险，提高调试速度，具体分为以下八个模块：主 板、电源模块、开关最输入模块、开关量输出模块、模拟信号调理模块、通讯 模块、真空度在线检测模块和高压母排电缆连接点温度在线检测模块。 软件设计方案：采用具备在线编程、仿真能力的高效c 语言、汇编语言开 发工具，实现算法高效地运行；优化中断的应用，使系统软件结构清晰，调试 方便；软件模块化设计的思想，使编写的代码更具可读性和可维护性，同时，软 件模块化设计有利于在开发过程中对各种算法作分析比较。 2 2 2 配电自动化方案 从第一章配电系统的网络重构控制方式可以得出，有通信支持的网络重构 控制方式与无通信支持的重合器方式相比有较为明显的优点：有通信支持的方 式可直接计算出当前故障点的区间，避免了重合器多次合闸对线路造成的冲击。 相对而言，有通信支持方式的供电恢复速度更快，还可避免非故障【目路合闸到 故障回路时而引起的跳闸。导致非故障回路出现短时停电的现象a 全通信支持的远方集中监控方式的配电自动化从技术上讲是一种更为先进 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章系统分析及系统实现方案 的方式，但其对通信的依赖程度高，在实际应用中有一定的局限性。 采用有部分通信支持的分布智能方式，以点保护的形式，即由智能装置本 身对所属保护范围内的故障点进行快速判断和切除；以馈线段保护的形式，由 线路上的各级智能装置进行信息交换和判断，实现对故障区域的定位、隔离和 恢复供电。这种方式与其它方式相比，故障的处理时间更短，当通信不畅时， 仍可在自主工作的模式下，迸行故障的隔离与非故障段的恢复，具有相当的实 用性和先进性，因而成为本课题实现配电自动化的首选方案。 2 2 3 交流信号采样与处理方案 本装置选用的额型组合式电压电流传感器是电力系统数字化发展的关键产 品之一。具有重量轻、体积小、成本低，易维护和易安装的特点，且无磁饱和 现象，在很宽的频带佃1 h z l m l z ) 内都有很好的线性度，还可消除常规互感器 固有的铁磁谐振问题。这种新型的组合式传感器输出功率小，易转换成数字量， 符合当前电力系统微机保护和测量的发展潮流【”。”。 组合式电压电流传感器采用阻容分压和空心线圈( r o g 。w s k i 线圈) 的原理， 分别将电压、电流由高压直接转换为毫伏级的模拟电压信号。如何将微弱的模 拟电压信号进行精确的测量，消除柜内强电磁环境的影响和高压侧测量对整个 装景安全运行的影响，成为课题研究中引入瞩目的问题。 l 、信号传输问题 微弱的模拟电压信号在柜内进行长距离的传输，必不可避免受到柜内强电 磁环境的影响，因此，应考虑将模拟电压信号在高压侧直接转换为数字信号： 相对而言数字信号具有更高的噪声容限，且数字信号传送方式可方便的应用滤 波和隔离技术将高压侧和低压侧进行电气隔离，保证了测控保护装置的安全运 行，在低压侧可将模拟信号不失真地还原出来，保证了测量精度。接下来的问 题是，以什么样的方式进行数字信号传输： ( 1 ) 从传输介质上来划分 可行性较好的方式有电线传输+ 光隔离和光纤传输的方式，因目前光隔离已 可达到3 5 0 0 v 以上的隔离效果，且成本低廉，故传输介质上选用了电线传输+ 光隔离的方式。 ( 2 ) 从采样方式上来划分 分为模数转换器方式和电压一频率变换( v f c ) 方式。v f c 方式的基本原理 是：输入电压变换成频率信号，输出一个等幅脉冲串，其频率随时正比子输入 中南大学硕士学位论文 第二章系统分析及系统实现方案 电压的瞬时值。得到的脉冲串可方便地传输到低压二次测控装置，在测控装置 侧对各脉冲进行计数，即可转换为相应的电压值。这种方式与常规模数转换 器的区别在于：常规模数转换是将输入信号在某一时刻的瞬时值变换成数字 量，v f c 型模数变换的是将被变换电压在一定时间间隔内的积分，积分过程 相当于经过了一个冲激响应的模拟低通滤波器【”。4 】，适当的选取采样频率即可 消除混叠，不须再另设抗混叠低通滤波器，有结构简单的特点。v f c 型模数 变换另一突出的优点是，仅须一根信号线即可实现信号的高速传输，各通道的 采样时序的同步不需要做特别的处理。故在本系统中，采用v f c 型模数变换采 样方式应是较好的方案。 2 、高压侧电路供电电源问题 高压侧与低压侧测控单元的电气隔离，不仅要在信号传输上做隔离处理， 而且还应在高压侧电路的供电电源上做隔离处理，以防止干扰通过电源的途径 而导致主测控装置工作不正常，甚至损坏。目前，高压侧电路供电的方式有以 下三种： ( 1 ) 激光电池供电。 由低压二次侧测控保护装置处产生一激光光源，通过光纤传送，在高压侧 经光电转换将光能转换为电能。这种供电方式的隔离度非常高，但成本高昂， 且目前激光供电在使用寿命、稳定性、提高光电池转换效率方面还须做进一步 的提高。 ( 2 ) 利用传统的电磁式电流互感器直接从输电线上取得能量。 其原理是利用线圈易饱和的特点，在饱和时获得稳定供电电压。但其应用 也有相当的局限性：电磁式电流互感器的价格高、体积大，在环网柜中无法安 装：当输电线上负荷轻、流过的电流小时，互感器从输电线上获得的能量少时， 会因为输出电压不稳定而导致采样电路无法正常工作。 ( 3 ) 利用隔离式开关电源供电。 这种方式解决了当输电线上负荷轻、流过的电流小时造成的电路供电电压 不稳定的问题，目前开关电源的隔离电压已可达到2 5 0 0 v ，甚至4 0 0 0 v 。为进一 步提高隔离效果，在本应用中采用由低压二次侧测控保护装置提供直流电源。 经两级d c d c 隔离式开关电源降压后对高压侧电路供电。 2 2 4 高压母线电缆连接点温度在线检测方案 在环网柜内的母线和电缆连接点与外部电缆连接处，它们之间有一个接触 中南大学硕士学位论文第二章系统分析及系统实现方案 电阻。当电流流过连接点时，由于接触电阻的存在，引起连接点的发热，如果 接触点的温度超过规定值，则会加速连接点的氧化，氧化结果又导致接触电阻 上升，这样又产生了更多的发热。最后由于高温的影响有可能使相邻的绝缘部 件性能劣化，甚至击穿，危害了开关柜的安全运行。 对于高压母线电缆连接点温度在线检测可选用的方案大致可分为非接触 式测量和接触式测量两类【2 l ，2 ”。 l 、非接触式测量方案 利用母线电缆连接点发热产生的红外光，在接收端使用红外敏感型传感器 来接收红外光的能量，由此测算出连接点的温度。这种方法利用空间的隔离完 全实现了高低压的隔离，使其在安全性上得以保证。实际应用中，需要将单相 母线电缆连接点发出的红外光良好的接收，并聚集在红外敏感型传感器的一点 上，同时尽量避免受相邻母线电缆和外界光源的干扰，才能保证测量精度的要 求，这需要精密的光学系统和准确安装的配合方能解决，而光学系统在实际使 用中有诸多不便；同时其生产成本高，作为开关柜的附加功能，其成本与柜体 本身价格相当，是难以被用户接收的。其它一些在母线电缆连接点附近预埋传 感器，通过光纤传输，运用光谱分析原理的测量方法可参阅文献 2 2 、 2 4 。 2 、接触式测量方案 将绝缘处理后的传感器安装在高压母线上，在高压侧将传感器输出的温度 信号经数字编码处理后由红外发射管将温度信号送出，在测控保护装置的低压 侧通过红外接收管接收温度信号，解码后送到测控保护装置处理。 这种方案有成本低的优点。但是该方案在高压侧使用的电子器件多，高压 开关柜运行在高电压、大电流的状态，系统事故瞬间还出现强烈的电磁暂态过 程，这些都会产生强电场及强电磁干扰，对于微电子系统及微弱信号处理都非 常不利。使用这种方案在高压侧电路处理时应特别考虑电路运行安全性的问题。 综合以上的分析、比较，在本系统研制中选用了接触式测量作为高压母线 电缆连接点温度在线检测方案。 2 2 5 装置接地方案 在测控保护装置中采用正确、合理的接地形式是抑制干扰的重要方法。接 地处理包括四方面的内容：装置外壳的接地；装置外壳与内部电路板的处理； 内部各模块间接地的处理；装置内部地线与装置外部扩展模块地线的处理。 从抗干扰和安全考虑，测控保护装置的金属外壳必须接大地，且按地电阻 中南大学硕士学位论文第二章系统分析及系统实现方案 小于o 5 q 。为了有效地抑制共模干扰，装置内部的零电位应采取浮地方式， 即不与机壳相连，并且应尽量提高零电位线与机壳之间的绝缘强度，减少分布 电容。为此，将印刷电路板周围用零电位线封闭起来，以减少板上其它部分与 机壳间的直接耦合。这样处理后，当共模干扰侵入时，系统各点对机壳电位随 零电位一起浮动，而它们之间的电位差不变【l “。 环网测控保护装置由多个插件模块组成，微处理器的工作频率为8 旧z ，属 于低频，此时应主要考虑不同回路间由于使用公共地线形成的压降对其它回路 和本身的影响。为尽可能减少数字电路工作时对各模块问的影响，采取一点接 地的方式接地。 环网测控保护装置有许多扩展的外围模块，且这些外围模块多数是工作在 高压侧的。此时，应遵循主装置地线不引出主装置的原则：即为实现主装置与 扩展的外围模块的信息交换，应采取电气隔离的措施。电气隔离的措旌主要有 电容隔离、光电隔离和变压器隔离的方式，光电隔离器件因具有体积小、隔离 电压高、价格低廉的特点，是研制中实现电气隔离的主要手段a 2 3 本章小结 本章首先论述了智能型环网钡4 控保护装置应完成的主要功能和应达到的技 术指标。然后对研制中关键和重点功能的实现方案进行了详细地分析、比较和 选择，明确了研制的目标和方法。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章环网开关柜智能化 第三章环网开关柜智能化 本章对环网开关柜智能化的两个层面进行了论述，即基于整个配电系统的 配电网自动化功能和开关柜柜体智能化状态检测。 3 1 环网开关柜配网自动化 3 1 1 配电网自动化与环网开关柜 环网开关柜最基本和最重要的功能就是要完成配网的功能，而对于智能型 的环网柜，配电网自动化功能自然是不可或缺。故障判断、故障定位与故障隔 离是配电网自动化的核心功能，当配电网中的某处发生故障后，配电自动化系 统应能快速定位出故障区段，以利于尽快恢复故障区段的供电。能实现上述过 程的方式有多种，在第二章中，经分析、比较后选择了有部分通信支持的分布 智能方式，具体实施时采用以馈线段保护和点保护相结合的方式。点保护方式 即由智能装置对所属保护范围内的故障点进行快速判断和切除；馈线段保护的 形式，即由线路上的各级智能装置进行信息交换和判断，实现对故障区域的定 位、隔离和恢复供电的配电自动化方案f 3 “。 3 1 2 配电网故障区域判断算法 配置真空负荷开关的环网柜，因真空负荷开关的灭弧能力较弱，不能直接 分断馈线上的过流或断路故障，对于这些故障需要由馈线前端的重合型断路器 来分断。这种类型的故障，仅凭单个环网柜是无法正确判断故障点的，此时需 要从整个馈线段的各组数据来分析、判断。 根据环网供电配电网闭环设计、开环运行的特点，可将环网供电配电网分 成两个( 或多个) 单电源的配电网，针对其树形辐射状的整体结构，在充分体 现配电网的实际运行方式的前提下，使用一种基于开关和双亲表示法的馈线有 向描述模型的故障区间判断新型矩阵算法【2 ”。 1 、馈线有向描述模型 由于单电源配电网的辐射状特点，它在拓扑结构上可以当作是一种树，源 点即为树的根，体现了一种以分支关系定义的层次结构。把线段上功率的方向 作为节点间线段的方向( 当故障发生时，也是通过这种方式确定线段方向) ，沿着 中南大学硕士学位论文 第三章环网开关柜智能化 该方向称功率的流出点是流入点的父节点，反之，称流入点是流出点的子节点。 这样，利用树的双亲表示法，对馈线形成基于开关的网络描述矩阵d ，即将馈线 上的开关设备( 包括联络开关、环网开关和断路器等) 一律当作节点进行编号，并 且，这种编号没有固定规则，顺序任意。 假设馈线有n 个节点，按照以下规则来构成矩阵：如果节点i 的父节点是j ， 则。d i j = l ；否则d i j = o 。将图1 _ 4 改画为图3 一l 的单电源树形辐射状方式，取 其中的一侧为例，来说明矩阵的构造。 一分断罂一 环网开关 ；故障点 图3 一l 单电源树形辐射状方式简化模型 按上述规则可构造出矩阵为： d = oo0ooo 0 1oooo0o o1o o0 0 0 01o o0o0 ooloo0o oooo1o o 00o olo o ( 3 1 ) 其中环网开关4 和7 按功率流向，其父节点分别为2 和5 号，故式( 3 一1 ) 中有d 4 2 = l ，d 7 5 = l 。对于馈线首端分断器对应的节点，由于它在本馈线内 没有父节点，所以该开关对应行元素全为o 。 2 、馈线的故障信息矩阵 在树状馈线发生故障时，需要根据各开关节点是否有故障电流通过来得到 故障信息，从而形成馈线的故障信息矩阵f 。一个具有n 个开关节点的馈线所对 应的故障信息矩阵是一个n 阶对角阵，其元素的定义规则如下：若第i 节点经 历了故障电流，则f i i = o ；反之，则f i i = 1 ；其他非对角元素均为o 。 1 6 中南大学硕士学位论文 第三章环网开关柜智能化 此外，还要定义一个与故障信息矩阵相关的故障信息辅助矩阵f ，它是由 f 经如下运算得到的： f = ( f ) 擞强( 取) 式中：e x 为n 阶单位矩阵；x o r 表示对两个矩阵进行“异或”运算。 这样，经过上述运算后，在f 中，没有故障电流通过的节点对应的对角元 素将为o ，反之为l ，其余非对角元素均为0 。假设图3 一l 馈线中在所示位置节 点3 和5 之间发生单重故障，与其对应的馈线故障信息矩阵和辅助矩阵如式( 3 2 ) 和( 3 3 ) ： f = 蛳g 【o oo111 l 】 ( 3 2 ) f i = d 垤 1 11oo o o 】 ( 3 3 ) 3 、故障区间判断矩阵 在建立了基于开关的馈线数学模型之后，就可以利用该模型得到故障区间 判断矩阵s ： s = f ) o 四( f d ) ( 3 4 ) 式中“o r ”表示对两个矩阵进行“或”运算。 故障区间判断矩阵s 的含义是：如果s 中某列存在非o 元素，则以该列号 为首端节点号的区间就是非故障区间：若某列元素全为o ，则以该列号为首端节 点号的区间就是故障区间( 馈线终端节点除外) ；与故障区间相邻的下行区间就 是停电区间，这里的区间首端节点是指区间功率的流入节点。对于辐射状配电 网，每个区间有且只有1 个首端节点，通过首端节点就可以唯一确定区间的位 置。馈线终端节点是指馈线树的叶节点，下行区间是指某区间顺着功率方向的 相邻区间。 对于图3 1 所示的故障情况，经式( 3 4 ) 运算，得到故障区间判断矩阵s ： 拈l 00 oo o ooooo lo 0o0 0o0 oo 0 0o0 o o0ol0 oo 0 lo ( 3 5 ) 由式( 3 5 ) 矩阵s 可见，第1 ，2 和5 列含有非0 元素，以1 ，2 ，5 节点为 1 7 中南大学硕士学位论文 第三章环网开差柜智能化 首端的区间是非故障区间；在全为。的列中，以列号4 ，6 和7 为编号的节点是 馈线末端节点，不予考虑，故只有以3 号节点为首端的区间是故障区间。 在断路器对馈线的故障分断后，各环网单元因检测到线路失压而跳闸。由 上述的故障区间判断矩阵算法算出故障所在的区间，通知故障段的环网单元闭 锁合闸，其余的环网单元和断路器依次合闸，即实现了对故障段的定位、隔离 和恢复供电的全过程。 4 、算法的物理含义 利用了树的双亲表示法，对馈线形成基于开关的网络描述矩阵，它所描述 的配电网络是具有方向性的，确切地说，它体现了树形辐射状配电网中功率的 单向流动性。此外，当馈线上有故障发生时，有如下事实成立：沿着功率的方 向看，父节点没有故障电流，则子节点必无故障电流；子节点有故障电流，则 父节点也必有故障电流。以上两种情况中，父、子节点之间的区间均不是故障 区间。所以，下列运算的物理含义就显而易见了： ( 1 ) d f ：若节点j 的父节点是k ，且k 无故障电流通过，则j 必无故障电流通 过，k 与j 之间的区间必是非故障区间，且区间首端节点为k ，对应元素( d f ) j k = 1 ： 否则( d f ) j k = 0 ； ( 2 ) f d ：若节点k 的一个子节点为j ，且j 有故障电流通过，则k 必有故障电 流通过，k 与j 之间的区间必是非故障区间，且区间首端节点为k ，对应元素 扩。d ) t = l ；否则扩d ) m = o ； ( 3 )s ：由上面两个运算的物理意义可见，d f 与f d 中对应非故障区间的元素 均为l ，其余元素为o ，这些非故障区间的首端节点都为k ，且k 对应列号。这 样，由d f 和f d 进行“或”运算而得到的故障区间判断矩阵s 中，所有非o 元 素所在的列号就是非故障区间的首端节点号。所以，故障区间的首端节点号应 该存在于元素全为0 的列号中。 3 1 3 判断算法改进 上述的配电网故障定位矩阵算法基于一条假设和两条规则。其一条假设为： 假设发生的故障是单一的。两条规则为：一个馈线段，一端流入了故障电流 而另一端无故障电流流出，则故障发生在此馈线区段上；一个馈线区域。故 障电流从一端流入而又从另一端流出，则故障不在此区域内。 如图3 1 的辐射状馈线，若故障发生在7 号环网开关输出的末端，1 、2 、3 、 5 号节点均流过故障电流，依前述的两条规则，此馈线区段上不存在故障。所以， 1 8 中南大学硕士学位论文第三章环网开关柜智能化 此算法对于辐射状馈线的末端故障存在着盲区。基于同样的原因，树状接线的 任一末端发生故障时用该算法也无法查出故障区段。 为了消除这个盲区，可以用零编号的方法来处理。在算法中，将辐射状馈 线和树状接线的末端编以零节点，而且一条馈线的所有末端都只用一个零节 点这种零节点具有3 个特征：它是虚拟的；在形成网络描述矩阵时，等 效为1 个节点：在形成故障信息矩阵时，零节点上报的信息恒为正常。 加入这种零节点之后，馈线上的区段划分由原来的开关节点之间，变成现 在的开关节点之间和开关与零节点之间。扩大馈线区段后，矩阵算法的判断范 围就由原来的馈线区段扩大到包含零节点编号的馈线区段，判断区域的扩大消 除了这种盲区。 仍以上述故障为例，加入零节点