（电力系统及其自动化专业论文）智能型环网柜测控保护终端的研究开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n t o fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ， h a n d i n - h a n dp o w e r s u p p l yt h r o u g h c a b l ew i l lb et h ec o m l n o n p r a c t i c ei nc i t i e s a tp r e s e n t ， m o s to ft h er i n gm a i nu n i t ( r m u ) d o e s n th a v et h ef u n c t i o n ss u c ha sm e a s u r e m e n t ， c o n t r 0 1a n dp r o t e c t i o n i ns o m ep l a c e s ，s o m ef u n c t i o n sa r ea p p l i e dt oa c h i e v ea u t o m a t i o n ， i n c l u d i n gr e m o t em e a s u r i n g ，r e m o t ec o m m u n i c a t i n ga n dr e m o t ec o n t r o l l i n g b u tt h e ya r e s o m e w h a t s i m p l ea n du n s a t i s f a c t o r i l y b a s e do nt h ep r e s e n td e m a n do fm a r k e t t h ej d e aa n dd e s i g no fah o v e li n t e l l i g e n t e l e c t r i cd e v i c ei n t e g r a t e dw i t ht h ef u n c t i o n so fc o n t r o l ，m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o na r e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s i no r d e r t om e e t 出er e q u i r e m e n to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n m o r e p r a c t i c a lf u n c t i o n sa r ei n t e g r a t e di nt h i sd e v i c e t a k i n gt h ew h o l e d i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o na s a no b j e c t ，t h ec o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，p r o t e c t i o na n dp o w e r q u a l i t ya n a l y s i s a r er e a l i z e d s p e c i a lm e a s u r e sa r et a k e nt oe n s u r ec o m p e t i t i v et e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h ek e y t e c h n o l o g ya n da l g o r i t h m sf o rt h er m u i ss t u d i e d t h ed i s c r e t ea l g o r i t h mo f i n v e r s e t i m eo v e r c u r r e n tr e l a y si s r e a l i z e d ，c o n s i d e r i n gt h et h e r m a la c c u m u l a t i o ne f f e c t a p p l y i n gt h es a m p l e dd a t a , p h a s es e q u e n c ed e t e c t i o ni sa c c o m p l i s h e d i no r d e rt oi m p r o v e t h ea d a p t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo f r m u ，i n t e l l i g e n tc o n n e c t i o n ，m o d u l a r i z e dp r o c e s s i n g a n di n t e l l i g e n tt i m e s e q u e n c ec o n t r o la r er e s e a r c h e d t h ep o w e rq u a l i t ya n a l y s i sa n dt h e d a t ar e c o r d i n ga r et a k e ni n t oa c c o u n t a n ds o m ep r a c t i c a lm e t h o d sa r ea d o p t e d a l lo f t i l e s ep r o v i d eah i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t t h e n t i l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fr m ua r ed e s i g n e d t w o3 2f l o a t i n gd s pa r e a p p l i e d i nt h em a l nb o a r d o n ef o rs a m p l i n ga n dc a l c u l a t i o na n dt h eo t h e rf o r l o g i c p r o c e s s h a g b a s e do nt h e m ，ah i 曲e m c i e n ta n dr e l i a b l eh a r d w a r ep l a t f o r mi ss e tu p t h e s o f t w a r ei sp r o g r a m m e di nc l a n g u a g ea n da s s e m b l e rl a n g u a g e 1 1 1 ed e v i c eh a sp a s s e dt h e s t a t i cs i m u l a t i o nt e s t a n dt h ep r o s p e c t i v et e c h n i c a lg o a l sh a v eb e e na c h i e y e d i t ss h o w n t h a tt h ed e v i c eh a sa h i g hp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，r i n gm a i nu n i t ，i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e c o n t r o l ，m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o n 儿 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 摘要】本章简要介绍了课题研究的内容、意义和背景，探讨了电缆环网供电将成为城市配电 网发展的方向，提出了一种新型环网柜测控保护终端( r m u ) 的开发思想。 1 1 课题简要介绍 目前应用于现场的城市环网柜，大多数仅仅由开关柜构成，没有测控、保护的功 能。少数为了自动化系统的需要，实现了基于馈线终端的三遥功能，功能目标相对简 单独立。论文认为，随着城市供电网的建设改造和配电自动化系统的发展，需要研究 开发一种基于环网柜整个供电节点的测控保护终端，它能够提供一个开闭所全面的测 量、保护以及监控功能，并且适应于配电自动化系统发展的要求，可以完成配电自动 化系统远方终端的功能目标。 基于这种新的思路，本论文论述了一种新型智能化环网柜测控保护终端( r m u ：r i n g 从i nu n i t ) 的研究开发工作。r 姗( 为了方便，下文将新型智能化环网柜测控保护终端 装置简称为r m u ) 是独立于开关柜的集中式环网柜测控终端，不仅实现了配电自动化系 统远方终端的一般功能，而且考虑了电能质量管理和分析的目标要求【l j ，扩充了智能 逻辑时序控制的现场可编程能力f 2 】，能够应用于目前大多数城市环网柜，具备很强的 技术优势和应用前景。 1 2 课题研究的背景和意义 1 1 1 配电自动化( d a ) 电力系统包括发电、输电、变电、配电几个主要环节，其中配电是直接面向电力 用户的功能。在我国，长期以来形成了“重发、轻供、不管用”的局面，配电网系统 严重落后，致使居民用电线损高、电压低、供电不可靠，成为电力系统供用电的瓶颈。 因此，近年来国家投资2 6 0 0 亿改造城乡电网，尤其是改造配电网，其中一项重要的 工作就是研究开发科学、先进的配电网自动化系统( d a s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ) ，以提高整个配电网的运行管理水平，改进电力系统的供电质量。 华中科技大学硕士学位论文 配电自动化系统在电力系统自动化中的位置如图1 1 所示，其监视、控制的对象包 括变电站的一部分以及配电系统和用户1 3 1 。 图1 1 配电自动化系统在电力系统自动化中的位置 配电自动化是一种配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动 化系统。广义上从高压到低压几乎所有与自动化有关的内容都可算是配电自动化的组 成部分【4 j ，是包括l l o l o k v 变电站( 部分地区有6 6 l o k v 变电站，农村地区有3 5 l o k v 变电站) 的l o k v 部分，l o k v 馈线以及从l o k v 馈线到用户端的全部配电系统元件的综合 自动化系统。目前配电自动化主要考虑的功能如下1 5 1 1 6 】： ( 1 ) 变电站自动化。变电站是整个配网运行所需数据的主要来源之一。因此变 电站自动化的重要功能包括数据的采集、处理和传送，对站内设备的监控，对流入配 网的电能进行测量和监视等功能。目前，我国已经有能力实现变电站自动化，实现部 分变电站无人值守。但是，配电自动化所包含的变电站自动化不再是一个独立的部分， 必须和整个配电网相联系。这样，就要求变电站的自动化功能更广、更强。 ( 2 ) 馈线自动化( f a ：f e e d e ra u t o m a t i o n ) 【7 j 。馈线自动化需要具备故障诊断、 华中科技大学硕士学位论文 隔离和恢复供电；数据采集、处理和传送以及负荷检测等功能。馈线自动化的目的就 是要提高供电的可靠性，其重要特征是实现环网供电。目前，许多发达国家已经实现 了多环供电。我国要实现配电自动化，就必须大力改造旧网结构，新建环网，逐步以 单环代替辐射状供电，最后实现多环供电。 ( 3 ) 自动抄表计费。随着城市规模的发展，抄表收费给电力系统的生产带来越 来越大的困难。手工抄表收费不仅浪费了大量的人力资源，而且会产生各种差错，给 电力企业带来经济损失。自动抄表计费的实现无疑会为电力系统注入新的活力。 ( 4 ) 配电网地理信息系统【8 j ( g i s ：g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。配电网 地理信息系统以直观的地理图形为用户提供了整个配电网各地区、各变电站、馈线豹 配置资料和信息资料，便于管理人员的查询和管理，能实现对配网的查询监视和及时 维护。各地在开发配电自动化的过程中，都比较重视g 1 s 的开发。目前，已经有很多 单位开发成功了功能强大的地理信息系统，实现了图符与数据库的动态关联，与其它 显示：疗式( 如单线图、示意图等) 的交叉、叠加，图形编辑，图形的动态着色等功能。 档案管理、信息管理图形化是自动化建设的重要部分。 ( 5 ) 数据库管理。配电网和输电网相比，具有分布范围广、元件繁多、网络复 杂等特点，这就决定了配电网处理的数据在数量上远远比输电网多，在所含无用信息、 错误信息等方面比输电网更复杂。由此可见，数据库管理虽然并未作为配电自动化系 统的一个独立功能，但它是整个配电自动化系统的基础，数据库管理水平的高低直接 决定配电自动化系统性能的好坏，因此数据库管理系统的开发是配电自动化工程的关 键，值得投入充足的人力和资金。 实行配电自动化的首要目标是增强可靠性，提高效率，降低成本。对这些目标实 现情况的评价要从全局效益出发，既要建立一个健全的配电自动化系统，又要考虑配 电系统运行部门的实际设备状况，还要顾及用户的经济承受能力。因此较可行的配电 自动化的实施步骤是【9 】：首先进行整体规划，结合配电网的地理信息系统( g i s ) ，通 过配电网自动化系统远方终端的通信连接，实现包括故障定位、隔离和自动恢复供电 等功能的馈线自动化i lo 】( f a ：f e e d e ra u t o m a t i o n ) ；然后在馈线自动化、变电站自动 化和配电网g i s 系统的基础上，增加信息管理和相关的高级应用软件，逐步扩充，建 立完善的配电自动化系统。 1 1 2 昆电月自动化系统远方终端 配电网自动化系统远方终端l i z l ( d a r t u ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nr e m o t e 华中科技大学项士学位论文 _ = = = = = ；= ；= = = = = = = = = 口= = _ 目目= 口= = = = = = = = = = 一 t e r m i n a lu n i t ) 处于电力系统配电网终端，用于配电系统变压器、断路器、重合器、 分段器、柱上负荷开关、开闭所、环网柜、调压器、无功补偿电容器的监视与控制， 与配电自动化主站通信，提供配电系统运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的 对配电设备的控制调节指令，它是配电自动化系统的最底层单元。 作为馈线自动化和配电自动化的基础组件之一，配电网自动化系统远方终端的有 效性直接关系到电力系统供电可靠性、供电质量、负荷监控等根本目标的实现，对电 力公司节省投资、减少运行和维护费用也可起到重要作用，d a r t u 的合理化设计与配 网网架改造及设备选择密切相关，也关系到整个配电网建设的经济性和可持续发展， 地位尤其重要。但是，目前d a r t u 的开发应用还处于探索阶段，国内尚无权威的方 案和产品，国外产品又存在价格壁垒和适用性问题，因此，从配电系统的全局着眼， 自主开发适应中国国情的基于用电节点( 开关或用户) 的d a r t u ，并在此基础上逐步 实现馈线自动化、配电自动化以及配电管理的其他功能，将为分步实现配电自动化提 供坚实基础，可避免因方案不合理而导致巨额投资损失、阻碍目后的改造和发展，同 时这也是配电网改造国产化的重要环节。 传统的调度自动化或远动系统的r t u 仅是一个完成“上传数据，下达命令”任务 的现场终端。在配电自动化系统中，人们愈来愈倾向于使用一个微机化的自动装置完 成更多的功能，r t u 、保护、录波器、p l c ( 可编程逻辑控制器) 以及仪表的界限正在消 失【”】。因此，配电自动化系统远方终端在向综合性微机化自动装置的方向发展，除了 完成“上传下达”任务外，还要不依赖于主站完成一些当地自动控制功能，如低周减 载、备用电源自投等；另一方面，一些过去相对独立的微机自动化装置，如线路、变 压器保护装置等，要能够与主站通信，完成d a r t u 所具有的数据采集和控制功能。 根据这一变化趋势，严格地讲，对安装在现场的配电网自动化装置不再是简单的“远 方终端”的概念，这些装置既要完成为配电自动化主站服务的功能，又要能相对独立 地完成当地的保护、控制功能，准确地说应该是一个配电系统现场自动化单元i l “。 到目前为止，电力系统内对于配电网自动化系统远方终端分类的认识还没有统 的标准，说法很多，各不相同。根据中华人民共和国电力行业标准配电网自动 化系统远方终端( 标准编号：d l t7 2 1 2 0 0 0 ) 的定义，配电自动化系统远方终端 ( d a r t u ) 是用于配电网馈线回路的各种馈线远方终端、配电变压器远方终端以及中压 监控单元( 配电自动化及管理系统子站) 等设备的总称，具有采用通信通道，完成数据 采集和远方控制等功能【l ”。 配电网馈线主要有架空线和地下电缆两种。馈线远方终端( f t u ：f e e d e r t e r m i n a l 华申科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = # = = = = = # 自。；= = = = 自；= = 目= = = = = = = ：= = u m t ) 一般指安装在配电网架空线的柱上和开关柜等处，具有遥信、遥测、遥控和故 障电流检测( 或利用故障指示器检测故障) 等功能的远方终端。而安装在配电网电缆线 开闭所和配电所等处，具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测( 或利用故障指示器检 测故障) 等功能的远方终端，称为d t u ( d i s t r i b u t i o nt e r m i n a lu n i t ) 。 l - 1 3 配电冈网络接线方式 传统的l o k v 配电方式是以辐射式为主，辐射式与树干式相结合为辅的供电方式。 由于多个用户“t ”接于一条电源线，一旦电源干线发生故障或检修，必然造成干线 线路后边的所有用户停电，供电可靠性差【拍1 。如图1 2 是干线式配电网接线图。 图1 2 干线式配电网示意图 1 0 k v 用户 为提高供电可靠性，减少线路t 接方式，在城市电网中目前发展方向是手拉手形 式的环网供州 j 。l o k v 配电网架采用n l 的形式，即任何一段l o k v 线路均考虑可 通过分段开关的操作实现对非故障线路的送电。每个环上有若干个由环网柜或柱上负 荷开关构成的供电分支节点，正常时开环运行，故障时通过负荷开关隔离故障点，经 短时停电后恢复非故障线路的送电。 有两种典型的手拉手配电网接线形式如图1 _ 3 和图1 4 。 图】，3 是应用于架空线和柱上开关的手拉手供电方式。 图1 4 是环网柜、开闭所构成的手拉手典型供电形式。整条馈线连接着变电站的 a 、b 两条母线。正常情况下，3 号环网柜处的负荷开关断开，因此1 、2 、3 号环网 柜由a 母线供电，而4 号环网柜由b 母线供电。如果2 号环网柜处发生故障，则1 号和3 号与2 号环网柜相联的负荷开关断开，隔离2 号环网柜的故障点，然后合上3 号环网柜右侧的负荷开关，重组网络，使3 号环网柜由b 母线供电。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = j ；= = = = ；= = 。= = z = = = = = ；= = = ；= = 一 到其他架空线路 图1 3 手拉手供电典型形式一：主要用于架空线的柱上开关形式 图例说明：一：负荷开关，合位一：负荷开关，分位 城网中采用电缆供电已成为城市配电网发展的必然趋势。从电缆供电来考虑，环 网供电以其经济性和可靠性成为城市配电网络电缆化的首选形式1 1 ，其典型的网络接 线如图1 4 。环网方式供电能力强、范围广、形式方便灵活，稍加变化即能适应不同 负荷等级的要求，并且可靠性高，网络潮流计算方便，有利于系统的保护、控制、管 理、运行和维护。特别是节省变电站出线回路，减少占地、少占路由等优点在城市基 础设施建设中尤为突出。 到其他环网柜或者开闭所 负荷 图1 4 手拉手供电典型形式二：开闭所和环网柜的组织形式 图例说明：+ ：负荷开关，合位一：负荷开关，分位 1 ，3 开闭所和环网柜概述 改革开放以前，大多数城市还没有形成大片的负荷特别密集区，故用户电源大多 是通过来自变电站的l o k v 线路直接或间接送到用户变压器，配电方式主要以树干式 6 华中科技大学顽士学位论文 配合辐射式为主，系统连接简单。但是，近2 0 年来，国民经济发生了飞速的变化， 城市趋于密集化、都市化，城市电网用电负荷猛涨，形成了负荷密集区，负荷密度从 原来的数百k w k m 2 增长到数万k w k m 2 ，原有的供电方式明显地暴露出许多弱点：线路 长、线损大、电压质量差；故障处理情况复杂；线路设备运行维护管理工作量大；新 增用户扩容困难；由于城市规划要求，线路架设走廊越来越困难等【l9 1 。由于变电站线 路直接到用户这种方式难以满足城市发展要求，因而近几年广泛应用一种新的供电方 式通过开闭所向用户供电，这些开闭所与变电站的区别仅仅是无主变压器和断路 器。在配电网络接线结构上，发展趋势是采用环网形式供电1 2 。 环网结构有单环、多环之分，还有开环、闭环的区别。按照使用功能的不同，单环、 开环运行的配网系统一次部分可分为1 2 l j ： ( 1 ) 变电站出线断路器：用于配电环网线路及环网开关柜，并作为用户l o k v 的配电装置、变压器的后备保护开关。 ( 2 ) 环网线路：用于电能的输送。可以是架空线路、电缆线路以及架空电缆混 合线路。 ( 3 ) 环网开关柜：用于电能的分配与计量，并与智能化控制器一起完成配网故 障隔离与恢复供电、网络优化等。在用户变压器容量较小、无特殊供电要求的情况下， 可在其馈线回路加装熔丝，直接作用户变压器保护，取消用户l o k v 配电装置，以简 化网络结构和减少电能损失。 ( 4 ) 用户站l o k v 配电装置：在用户变压器容量较大、数量较多、保护要求高， 或者有中压负荷，需加中压无功补偿等特殊情况下，用户根据自己的需要，增加相应 的配电柜，以实现相应的保护功能。 ( 5 ) 用户变压器：为用户提供正常的工作电源。在双台变压器同时投入、低压 母线分段运行情况下，母联应设电源互投闭锁装置。 这样，将配电环网分成5 个不同模块，根据环网开关柜、用户l o k v 配电装置和 用户变压器单元的不同组合，可以组成环网开关站、用户变电站和环网用户变电站三 种不同的模式。在这些的模式中，作为环网供电的主设备环网柜，则越来越受供 电部门和用户的重视。 早在8 0 年代以前，我国就有入提出环网供电，但由于生产环网柜的技术不成熟， 以至影响环网柜的推广。改革开放以来，沿海开放城市资金比较充足，大多选用进口 设备，比如a b b 公司生产的r g c 型s f 6 环网柜。最近几年，我国在研制和引进技术用 于环网结线的负荷开关和熔断器方面取得了很大的成绩，目前可供选择的设备不断问 7 华中科技大学硕士学位论文 世，且其综合技术性能均达8 0 年代后期国际同类产品的水平。可见，选用环网供电 及环网柜是符合我国国情发展的需要，也是必然的，特别是对于负荷较集中地区推广 环网供电具有重要意义【2 “。 随着我国改革开放的不断深入，国外先进产品不断涌入我国，国内些企业通过 引进或自主开发，已有几家能生产出质量较好的适合于1 0 k v 配电系统使用的环网柜。 比如扬州京隆电器开关有限公司( 引进a b b 公司技术) 生产的h g c l o b c 型环网柜，柜 内主要设备为负荷开关加熔断器，具有反时限电流保护、可带瓦斯、超温、欠压、接 地、电信号等；广东番禺华丰高压电器公司( 引进a b b 、f g 公司技术) 生产的 h x g n i 一1 0 一a 或b 型环网柜，柜内主要设备为负荷开关加熔断器，具有反时限电流保护、 可带瓦斯、超温、欠压、接地、电信号等；德国f & g 公司生产的g a 环网柜，柜内主 要设备为s f 6 负荷开关加熔断器，具有按所需设置保护以及各种信号设备。 目前，我国使用最多的环网柜主要为负荷开关加熔断器柜、空气绝缘负荷开关柜， 其次是真空负荷开关柜。s f 6 绝缘的负荷开关柜、断路器柜目前除在深圳地区使用较 多外，内地很少使用。环网柜不仅适合环式配电系统同时也适用于当前大多数l o k v 配电系统的放射式或树干式配电的终端配电所接线。过去国产的负荷开关由于易出现 触头灭弧性能差、三相不同步分合闸、故障开断能力小、操作困难、寿命短的缺陷， 因而限制了安装在断路器柜内的使用。现在装在环网柜内的新型负荷开关在结构上作 了很大的改变，其触头形式为筒形触头，上带筒形灭弧管，在断开电流过程中，主触 头分开后几毫秒内还传导电流，然后迅速断开，保证了主触头之间不产生电弧，因此 具有良好的电气性能，提高了负荷开关的开断能力和寿命。当前1 0 k y 负荷开关的开 断能力主要有4 0 0 a 、6 3 0 a 和1 2 5 0 a 三种，分别可以分合5 0 0 0 k v a 、8 5 0 0 k v a 和1 7 0 0 0 k v a 负荷。负荷开关的操作方式有伞齿轮手动、旋转手动、交流或直流电动操作。各种操 作方式均带弹簧储能机构。当开关轴旋转，使曲柄弹簧机构的螺旋压簧储能，在过死 点将触电管相应移至“合”或“分”的位置后，能量释放，达到高速度分、合闸。弹 簧储能机构使手动操作人员操作更加方便。现在大多负荷开关环网柜都采用手动操作 方式。 在负荷开关加熔断器组合的环网柜中，熔断器是开断电流很高的限流熔断器，开 断过程是熔体熔化而引起的电弧在石英砂作用下灭弧断开电路，同时熔断器撞针启动 负荷开关的脱扣键( 即弹簧储能撞击器) ，使负荷开关三极触头同步分闸。整个开断过 程按反时限的时间特性，在l o m s 内迅速切断故障，不会出现缺相供电现象。由于动 作时间很短，转移电流( 熔断器的熔体熔断使弹簧储能撞击器将负荷开关分闸的整个 华中科技大学硕士学位论文 过程中线路承受的故障电流) 远小于故障电流峰值，有效地保护了线路和设备。因此 负荷开关加熔断器环网柜保护更安全、可靠，线路设计也不需短路电流校验，节省了 线路造价。环网柜结构紧凑，比手车柜散热好，外形尺寸小，同时可以靠墙或离墙安 装，占地面积小，节约土建造价。 1 4 论文的主要工作及章节安排 环网柜的测量、保护、监控等功能终端是城市电缆环网建设的一个重要组成部分。 但是目前应用于现场的成熟产品不多，因此具有很大的市场空间。 论文探讨了配电网自动化系统远方终端在配电网自动化系统中的地位，分析认为 电缆环网供电将会成为城市配电网发展的方向。在此基础之上，提出了一种全新的智 能型环网柜测控保护终端( r m u ) 的概念，它从满足配电自动化系统发展的需求出发， 综合了更多的实用功能，同时，又考虑了开闭所和环网柜的现场工程应用特点，实现 了更具竞争力的技术要求，具有很强的价格优势。论文的后续章节将详细讨论r m u 的 设计思想和研发过程。 攻读硕士学位期问，作者还参加了“广州送电所管理信息系统”的研究开发工作。 论文用一章篇幅讲述了本系统的研究内容和成果。 论文的章节安排如下： 第一章：简要介绍了课题研究的内容、意义和背景，探讨了电缆环网供电将成为 城市配电网发展的方向，提出了一种新型环网柜测控保护终端( r m u ) 的开发思想。 第二章：阐述了r m u 的总体设计方案。论文首先分析了r 帅设计时针对的是2 进 4 出的典型环网柜单元，然后探讨了r m u 的主要功能目标和技术指标，最后简略介绍 了r m u 具有特色的功能要点。 第三章：详细阐述r m u 关键技术的实现原理，包括：采集计算c p u 的智能接线和 模块化计算功能、逻辑处理c p u 的智能耐序逻辑控制功能、电能质量分析以及反时限 过电流保护的实现原理，本章最后还对系统所应用的其他算法进行了分析讲解。 第四章：阐述了p j , f u 的硬件设计原理。包括硬件总体方案、主板设计、显示板设 计以及抗干扰设计措施等几个方面。 第五章：详细阐述智能型r m u 的软件方案，主要讲述采集计算模块、智能时序逻 辑控制模块的设计方案等。 第六章：讲述了作者参加的另一个研发项目“广州送电所管理信息系统”的 9 研究内容。 第七章：对全文进行了总结，并展望了下一步需要开展的研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 = 2 = ：= 自= = = = = = = 2 = = = = = = = = = = _ $ # ；= = = = # = # = = 2 新型r m u 的总体设计方案 摘要 本章阐述了r 删的总体设计方案。首先简要介绍r m u 在设计时所针对的典型一次系统 对象，其次提出r m u 需要达到的目标要求以及技术指标，最后阐述了r 删具有特色的功能特点。 目前应用于现场的城市环网柜，大多数仅仅由几个开关柜构成，没有实现测控保 护的功能，甚至没有安装1 _ v 、t a 等测量设备。少数发达地区的环网柜为了适应自动 化的要求，配置了简单的基于f 丁u 的遥测、遥信、遥控等三遥功能，但是功能目标 相对单一独立，难以适应将来配电自动化发展的需求。 基于目前的市场现状，本文提出了一种新型环网柜测控保护终端( r m u ) 的概念和 设计思路：这是一种集中式的环网柜测控保护终端。它能够提供一个开闭所全面的测 量、保护以及监控功能：并且扩充了电能质量管理和分析的功能，能够记录并保存供 电节点的电气运行参数，能够适应于配电自动化系统发展的要求，完成配电自动化系 统远方终端的功能目标：具有智能逻辑时序控制的能力，可以由工程人员进行现场可 编程处理，提高了系统应用的灵活性、适应性和功能可扩展性。 2 1r m u 针对的典型目标 目前国内城市配电网的开闭所、环网柜，根据现场实际的不同需要，其接线方式 各不相同。在对全国、特别是广东等沿海发达城市的配电网现场深入调研的基础之上， 我们认为2 进4 出的开闭所规模是一种应用范围广泛、相对比较典型的系统单元。 本论文所针对的典型开闭所对象如图2 1 所示。整个单元共由9 个部分组成。 第1 、2 部分是1 0 k v 配电网馈电线，连接着变电站或者其他开闭所的环网柜单元。 电流流向可以向内，如第l 部分，表明电流从电源点流进环网柜单元：电流流向也可 以向外，如第2 部分，表明电流经过本单元流向下一开闭所。两者的电流流向可以同 时向内，表明有两个方向向本单元供电。这种供电方式比较复杂，属于两个电源点向 同一个开闭所供电，可能会在负荷特别密集的地方使用，在这里不作详细的探讨。从 环网柜单元整体来看，因为这是连接电源的部分，因此把第1 、2 部分都叫为进线。 进线单元都装有负荷开关，该负荷开关一般是一种三工位开关，具有关合、开断、 接地三种功能。负荷开关的优点是能正常关合、承载和开断环网负荷电流，也能开断 华中科技大学硕士学位论文 瑚、网电缆的充电电流，最大不足是不能开断故障电流。根据用户需要也可将负荷开关 改为断路器，但因负荷开关在一般情况己能满足城网改造的需求而不用断路器，这样 可节省投资。 912345l678 ； i 、 、 、 、 、 、【 ：i r m 【 f9 l f ，) r l注4 f l t冲+ t，击j f 母 击(冲+ t ()(，|毒国l c)( l| 、 爿k ! 制女备 变电女或上 吖唧闭所 3 8 。t丑正j 、 一 闭簖 图2 1 典型开闭所的系统示意图 第4 部分是出线。电流从出线流出，经降压变压器如l o k v 3 8 0 v 变压器降压后供 用户使用。降压变压器和用电线路不在本系统研究的范围之内。第4 、5 、6 、7 部分 都是出线。 出线单元可装负荷开关或负荷开关熔断器组合，可视具体应用场合而定。所有 负荷开关都具有电动操作功能，内置电压互感器作为辅助装置的电源，不需要外接电 源，提高了供电可靠性，减少外接费用。 第3 部分是测量柜，安装有电流电压互感器。测量柜可以加装负荷开关或者断路 器。一般情况下，这里安装的是断路器，可以切断故障电流。 第9 部分可以连接控制设备，比如电压无功调节的电容器组等。 进线柜和出线柜可能都需要电流检测，因此每条线路上安装有电流互感器f 1 - a ) 。 环网柜开闭所的内部单元结构由两部分组成：环网开关柜、监控单元柜。如图2 】 所示，1 7 、9 为环网开关柜，而第8 部分为监控单元柜，这正是本论文论述的r m u 1 2 华中科技大学项士学位论文 所处的位置，r m u 将对以上各进线单元、出线单元以及控制设备单元进行数据采集、 分析、计算，实现各单元柜保护、监测以及控制的功能，并且在此基础之上完成对整 个开闭所的全蕊的测控保护的功能目标。 在测控单元柜内，不仅放置了r m u 装置，而且包括了r m u 的工作电源和操作 电源。电源可以从t v 二次侧获取，但是现场运行经验表明，这样可能会影响t v 的 测量精度；因此电源还有一个来源即交流2 2 0 v 市电。为了保证r m u 的供电可靠性， 在开闭所断电后还能够对相应开关进行一次分合闸操作，系统配置了一个备用电源， 备用电源采用蓄电池。 如果有计量装置比如脉冲电度表等，也会放在测控单元柜中。 图2 1 所示为一个典型的2 进4 出的系统，论文中主要针对这个典型目标进行系 统设计。 2 2r m u 的功能要求 2 2 1r m u 是一个面向环月柜单元的集中式测控终端 环网柜测控单元可以选择分布式的结构，也可以做成集中式的装置。本论文将 r m u 做成一个面向环网柜单元的集中式综合终端，能够完成一个环网单元或供电节 点的监测、控制与数据的记录、分析等功能。这样选择有以下几个方面的原因： ( 1 ) 环网柜的普遍应用，其中一个主要原因在于占地面积小。在一个比较小的 空间内安装有进线柜、出线柜以及t v 、t a 等电气设备。如果其测控单元采用分布式 结构，可以有两种方式安装：一是将测控装置内置到开关柜内部，但是开关柜内部具 有1 0 0 0 0 v 的高压设备，安装测控单元的空间安排困难，即使可以安装，也难以保证 能够安全稳定地运行。二是将测控装置附加到开关柜外，这样现场设备布局非常难看， 并且破坏了标准尺寸设备的规范布局方式。如果把测控单元组织成一个独立的集中式 测控保护装置柜，将有利于现场的安装和操作。 ( 2 ) 目前的环网柜，整体造价不高。如果采用分布式结构，与集中式结构相比， 在软硬件设计时必须分散处理，从开闭所全所的角度来说，必将增加投资。采用集中 式的结构，可以在软硬件装置上充分利用现有的资源，比如采用更高档的c p u 代替分 布状态下的多个低级处理器，不仅可提系统的技术指标，完成更多的计算处理功能， 而且还可以节约投资，提高产品的性价比。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 自= ；= = ；i = = = = = = = = = = e = = = = = = ； = = = j = = = 2 2 2 2r m u 的功能目标 r m u 采用集中式方案，完成环网节点的电能分析、智能控制和信息管理，侧重 于运行维护，强调电能监视、故障分析控制、无功控制等。其功能目标很多，这里考 虑了最大可能的集合，但是在实际应用时，可以根据不同的情况灵活投退。 r m u 基本功能要求为三遥和继电保护功能： ( 1 ) 遥测：三相电压，三相电流，零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、 功率因数、自计量有功无功电度、脉冲或通信计量有功无功电度( 标准表计测量后由 c p u 读入) 、频率( 硬件测量) 、录波、监视u p s 输入电压、监视输出电源电压。装置预 留2 路直流输入。 保护和测量共用一个t a ，兼顾正常电流、过负荷电流和故障电流，故障电流的 范围考虑5 倍额定电流。 如图2 1 所示的环网柜单元，当考虑2 进4 出的规模，共有6 条线路，如果安装 了6 个3 相t a ，6 个零序t a ，1 个3 相t v ，1 个零序t v ，则r m u 的模拟量输入有2 8 路电流电压测量量、2 路电压监测量以及2 路直流量预留，总共3 2 路。 ( 2 ) 遥信：最大提供4 0 路。包括开关的合位、分位，自动装置动作信号、保 护动作信号、设备自检信息、运行状态信息( 主要是指各类功能的闭锁信号，如大电 流闭锁、远方跳闸及闭锁、监视跳闸及闭锁) 。对于开关的手合分，远方就地切换， 运行闭锁切换( 两类：接点：软件切换) 等信号暂不考虑。 ( 3 ) 遥控：最大提供2 0 路。包括开关的开、合操作，遥控设定( 如设定装置运 行状态和参数，电容投切、远方修改定值) 等。 ( 4 ) 继电保护：电流速断保护，定时限过负荷、反时限过负荷，就地负荷管理 与控制( 负荷开关过载重合、低周减载) 、失压跳闸、零序电流检测、接地选线、t v 断线检测。 r m l j 考虑的辅助功能有： ( 1 ) 用户就地设置：日历时钟，保护及自动控制整定值、保护及自动控制功能 投退、操作密码等( 通信速率、电流电压通道比例系数、操作密码可以由设计人员或 者装置出厂时由工程人员设置) 。 ( 2 ) 事件记录及上报：记录开关状态量发生变化的时刻和先后顺序：馈线发生 短路接地故障的时间并上报；故障及开关动作过程中的关键电量信息的记录及上报： 电源发生故障的时间并上报；装置异常及故障的报告。开关状态监测、程序运行逻辑 华中科技大学硕士学位论文 时序记录等。 ( 3 ) 自检、自诊断、自恢复：具有自诊断功能，发现r m u 设备某部分异常马上 记录井上报；具有上电及软件自恢复功能，一旦死机，则通过软、硬件看门狗重新复 位系统恢复正常运行( 暂时控制在w a t c hd o g 的水平，不考虑掉电上电自恢复) 。 ( 4 ) 电源失电保护：对主电源电压、控制回路直流电压及蓄电池剩余容量进行 监视、记录和报警。在主电源失电、备用电源输出电压过低时产生故障信号，以状态 量变位的方式上报并有时间记录。 ( 5 ) g p s 对时：具有当地、远方g p s 对时功能。 在上述基础之上，r m u 还考虑了其他具有特色的扩充功能： ( 1 ) 接线相序检测：自动检测接线相序正确与否( 仅仅检测相序的相对顺序， 而不检测绝对相序) 。 ( 2 ) 智能逻辑时序控制的就地可编程能力。 ( 3 ) 负荷监视及管理：电量需求统计，负荷曲线，负荷状态监视，负荷管理与 控制等。 ( 4 ) 电能质量分析：谐波和频率分析、谐波畸变分析、电压波动曲线及记录、 电压闪变记录等。 ( 5 ) 运行状态追忆及故障录波分析：正常运行状态时开关变位的顺序事件记 录，所有交流通道( 电压电流) 6 4 点采样值故障录波。 ( 6 ) 通信：与s c a d a 主站或二级主站区域配电主站通信，将采集和处理信息 向上发送并接受上级站或站控终端的命令，与配变检测终端等智能设备通信，收集、 转发其数据。 2 2 3r l v l u 的技术指标 从系统设计的角度来说，r 娜的主要技术指标如下 ( 1 ) 交流采样技术指标： 容量：支持3 2 路交流采样； 电压输入标称值：i o o v 、5 0 h z ： 电流输入标称值：5 a 、5 0 1 4 z ； 电压电流测量精度：0 5 级； 有功无功测量精度：1 0 级； 相位角精度不大于2 。； 1 5 华中科技大学硕士学位论文 谐波电压电流精度：1 0 级； 在标称输入值时，每一回路的功率消耗小于0 2 5 v a ； 短期过量交流输入电流施加标称值的1 0 0 0 ( 标称值为5 a ) ，持续时间小于1 s ， 系统工作正常。 ( 2 ) 遥信采集技术指标： 容量：4 0 路遥信通道； 分辨率小于1 毫秒； 软件防抖动时间为1 0 6 0 0 0 0 毫秒可设。 ( 3 ) 遥控信号技术指标 容量：2 0 路； 输出方式：继电器常开接点： 接点容量：a c 2 7 7 v ，i o a ：d c 3 0 v ，i o a 。 ( 4 ) 电源 主电源：取自t v 或者专用的2 2 0 v 交流市电： 备用电源容量：2 4 v7 a h 铅酸蓄电池或者2 4 v5 a h 镉镍蓄电池； 整机功耗小于4 0 v a ( 不含通信模块) 。 ( 5 ) 通讯： 串行接口：异步r s 2 3 2 接口：2 个通用接口( 具有流控制) ，1 个维护专用接口( 无 流控制) ； 以太网络接口：i o b a s e - tr j 4 5 接口1 个； 通讯协议：对于串行接口，采用d n p 3 0 、i 乳6 0 8 7 0 一5 1 0 1 协议、部颁e d t 、s c l 8 0 1 ： 对于以太网络接口，采用基于t c p i p 的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 协议。 介质转换接口包括两线半双工m o d e m 、r s 4 8 5 、光以太网、双环自愈光纤、无线电 台等，其各接口参数列举如下： 两线半双工m o d e m ：调制频率为2 1 0 0 1 3 0 0h z 、传输速率为1 2 0 0 b p s 、发送电平 为o 一2 0 d b 、接收电平为o - 4 0 d b 、最大传输距离为6 k m 、比特差错率不大于1 0 一： r s 4 8 5 ：传输速率不大于1 9 2 k b p s 、最大传输距离为】2 k m 、比特差错率不大于l o ； 光以太网：传输速率为i o mb p s 、比特差错率不大于l o - 1 0 、转换接口为s t p c s t p c ； 双环自愈光纤：传输速率不大于1 9 2 k b p s 、比特差错率不大于1 0 - 1 0 、转换接口为 f c p c f c p c ：无线电台：传输速率有1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 b p s 等4 种可选、比 特差错率不大于l o 一。 1 6 华中