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 许继昌南通信设备有限公司许继昌南通信设备有限公司 20132013 年年 7 7 月月 某城市电力公司某城市电力公司 基于数字故障指示器的基于数字故障指示器的 城市配网自动化设计方案城市配网自动化设计方案 第 2 页 目目 录录 1 前言前言 4 1 1配电网故障定位研究的意义 4 1 2传统的配网自动化模式 4 1 3新型的配网自动化模式 5 2 设计依据设计依据 6 2 1符合下列标准化组织制订的标准 7 2 2符合事实上的工业标准 7 2 3遵循的行业标准 7 3 现场条件现场条件 8 4 建设目标建设目标 8 4 1总体目标 8 4 2主站系统 9 4 3站端系统 9 4 4通信系统 9 5 实施计划实施计划 10 5 1第一期目标 至 20XX 年 XX 月 10 5 2第二期目标 至 20XX 年 XX 月 10 5 3第三期目标 至 20XX 年 XX 月 10 5 4实施要点 11 6 新方案介绍新方案介绍 11 6 1系统概述 11 6 2系统功能 12 6 3系统特点 13 6 4系统组成 14 6 5系统工作原理 14 6 6短路故障检测原理 15 6 7接地故障检测原理 17 6 8电流测量原理 19 6 9自取电原理 19 6 10电压测量原理 19 6 11温度测量原理 20 6 12开关位置检测原理 20 6 13开关遥控原理 21 第 3 页 7 主要装置介绍主要装置介绍 22 7 1主站 CBS 8000 22 7 2数据采集器 23 7 3数字故障指示器 FCI 27 8 本期通信方案本期通信方案 32 9 采用采用 GPRS 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 32 第 4 页 1 前言前言 1 1 配配电电网网故故障障定定位位研研究究的的意意义义 随着我国经济的发展 电力系统规模逐渐加大 网络结构逐渐复杂 而且 用户对供 电稳定的要求也越来越高 这就要求一方面 在系统正常运行过程中要防止故障的发生 另一方面 在系统发生故障后 要快速 准确地找到故障位置 迅速排除故障 确保电力 系统安全运行 提高供电可靠性 将损失最小化 我国大多数配电网均采用中性点非直接接地系统 即小电流接地系统 随着国民经济 的发展 在配电网系统中 出现了既有架空线又有地埋电缆 还存在有架空线和地埋电缆 混合敷设的情况 架空线上发生的故障中单相接地故障占80 以上 当小电流接地系统发 生单相接地故障时 由于单相接地不形成短路回路 故障线路流过的电流为所有非故障线 路对地电容电流之和 故障电流远小于负荷电流 使得故障定位比较困难 不能快速 准 确地进行故障定位 虽然由于电力电缆具有比架空线路可靠性高 占用空间少 受恶劣天 气影响较小 有利于工厂布局和城市规划等优点 但是由于机械损伤 绝缘受潮 绝缘老 化 水树等因素的影响 长时间运行的电力电缆也会发生故障 再加上由于电力电缆多埋 于地下或铺设在电缆沟中 故障发生后 很难迅速 准确地测出故障地点的确切位置 不 能及时地排除故障恢复供电 往往会造成停电停产的重大经济损失 因此 如何确保配电 网的安全可靠运行 快速有效地查出故障线路及故障点位置 具有非常重要的意义 1 2 传传统统的的配配网网自自动动化化模模式式 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 按照标准的配网自动化模式来走 三遥 配电终端和开 第 5 页 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端 RTU FTU DTU TTU 本身能力有限 一次设备 PT CT 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 3 新新型型的的配配网网自自动动化化模模式式 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 第 6 页 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 故障检测 故障录波 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 供电 电缆 2 采集周边 3 30 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 施工简单 不挂网安装 运行可靠 清洁环保和少 维护 备注 后备电池需要维护 等特点 2 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 早已成为供电部门的首选方案 由于市场需求 第 7 页 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 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 1 符符合合下下列列标标准准化化组组织织制制订订的的标标准准 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 2 符符合合事事实实上上的的工工业业标标准准 1 符合 IEEE POSIX 和 OSF 标准的操作系统 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 3 遵遵循循的的行行业业标标准准 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业委员会 第 8 页 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 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 3 300为主 10kV线路N 1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 建设目标建设目标 4 1 总总体体目目标标 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 第 9 页 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 2 主主站站系系统统 1 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 2 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 3 根据实际使用需要 可增加 WEB 发布和远程浏览功能 4 根据实际使用需要 可增加调度自动化系统接口功能 5 根据实际使用需要 可增加 GIS 地理信息系统接口功能 4 3 站站端端系系统统 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 4 通通信信系系统统 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 第 10 页 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 实实施计划施计划 5 1 第第一一期期目目标标 至至20XX 年年 XX 月月 X月X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 2 第第 二二 期期目目标标 至至20XX 年年 XX 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 3 第第 三三 期期目目标标 至至20XX 年年 XX 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 第 11 页 5 4 实实施施 要要 点点 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 6 新方案介绍新方案介绍 6 1 系系统统 概概述述 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昌南公司 WF 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 第 12 页 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 2 系系统统 功功能能 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 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 第 13 页 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 3 系系统统 特特点点 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 3 5维护一次 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 8 SOE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 10 主站软件采用配调SCADA FA WEB一体化软件 易学易用 第 14 页 6 4 系系统统 组组成成 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3 30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 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 5 系系统统工工作作原原理理 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 图 1 系统组成示意图 第 15 页 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 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 6 短短路路故故障障检检测测原原理理 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 第 16 页 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 I 100A 或 当负荷电流IL大于200A时 I 1 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 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FCI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 FCI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 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 为了防止合闸涌流 FCI采取了 停电判据 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 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 17 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 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 WF2 AWF2 A WF2 B WF2 B 四遥四遥 指示器的出厂参数 短路故障 设置为 速断指示器的出厂参数 短路故障 设置为 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的农网线路时 短路故障参数调整为 速断的农网线路时 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 过流判据了 过流判据了 3 3 如果嫌设置速断 过流太麻烦 可以在出厂前将速断 过流定值都设置为 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700A700A以上以上 含 含 则 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 过流突变法过流突变法 判据 判据 6 7 接接地地故故障障检检测测原原理理 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 图 3 FCI 短路故障判据逻辑图 第 18 页 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 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 T0 30S 2 接地暂态电流增量 Izt Iset 3 电场下降比例 Uk Uset 4 电场下降持续时间 Tk Tset 5 故障结束稳态电流 3A 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 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 19 页 备注 备注 1 1 WF2 AWF2 A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 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 接地相电压持续下降时间 接地相电压持续下降时间 4040秒 秒 2 2 对于电缆分相线路 线路电压是指电缆头电压 可通过数字故障指示器的电场引线 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 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 1 零序电流速断或过流启动 两段式 0 100A 0 9 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 0 700A 0 01 3ms 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 8 电电流流测测量量 原原理理 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 6 9 自自取取电电 原原理理 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 第 20 页 6 10电电压压测测量量 原原理理 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 5 1 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 11温温度度测测量量 原原理理 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 55 150 测温精度为 1 数字故障指示器每1 5 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 21 页 6 12开开关关位位置置检检测测原原理理 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 6 13开开关关遥遥控控原原理理 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1 2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 第 22 页 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瑟而 导致烧线圈 烧保险和损坏电池 数据采集器采用了 慢充快放 储能电容方案很好地解 决了该问题 7 主要装置介绍主要装置介绍 7 1 主主站站 CBS 8000 主站硬件主要由1台NT工作站或1台NT服务器 1台NT工作站组成 主站软件主要包括 SCADA FA WEB发布 GIS系统接口等 1 SCADA FA 功能 数据采集 数据处理 包括计算量的处理 控制和调节 事件顺序记录 SOE 报警处理 系统时钟和时钟同步 通道监视与统计 第 23 页 网络拓扑和动态着色 历史数据和报表系统 权限管理 故障信息实时检测和故障定位 故障指示器的动作信号纠错和补漏 无人值班短信通知 2 WEB 发布 运行状况浏览 故障通知和故障信息浏览 运行数据和故障信息的历史查询 3 GIS 系统接口 向 GIS 转发 二遥 实时数据 接收并执行 GIS 下发的遥控 遥调命令 7 2 数数据据采采集集 器器 1 1 功能特点功能特点 体积小 重量轻 带电装卸 太阳能取电 架空 或开口 CT 取电 电缆 后备大容量锂电池 在线设置参数 遥控翻牌 复归 指示灯点亮 熄灭 两路开关合 分闸遥控 开关位置 储 能状态信息采集 防死机和少维护设计 第 24 页 对主站采用 GPRS 通讯方式和标准 101 通讯协议 对指示器采用本地无线调频组网通讯方式 2 2 技术参数技术参数 电源 18V 20 60W 太阳能电池板组件 或 18V 20 80VA 开口 CT 取电 电池 10 40Ah 3 6V 可充电锂电池 或 6 18Ah 12 24V 铅酸蓄电池 整机平均功耗 50mA 3 6V 短距离调频发送功率 20Ma 3 6V 持续向指示器发送巡检命令时 GPRS 发送功耗 150mA 3 6V 持续向主站发送实时数据时 遥测 电流精度为 1 200A 额定电流时 或者 1A 电流小于 20A 时 电压线性度优于 5 测温精度为 1 55 150 遥控 4 路 16A 30Vdc 继电器空接点输出 AC2kV 光电隔离 带 DC24V 可 控遥控电源和开关操作电源 100000Uf 35V 开关驱动电容 遥信 6 路 1 15mA 30Vdc 开关位置辅助接点输入 AC2kV 光电隔离 带 DC24V 可控遥信电源 遥调 可在线设置 1 30 只数字化故障和数据采集器本身的参数 通讯频率 短距离无线 420 440MHz 64 个独立调频信道 自动跳频 40kbps 双向 30 300 米可调 灌胶以后 双向通讯 具体参见 LPK RF 产品说明 建议带数字故障指示器数量 3 30 只 架空 4 64 只 电缆 重量 5kg 尺寸 150mm 250mm 200mm 高 宽 厚 设计寿命 10 年以上 可充电铅酸蓄电池和锂电池的寿命分别为 3 年 5 年 环境温度 25 70 环境湿度 5 95 防护等级 IP55 EMC 等级 8kV 静电放电 四级雷击浪涌冲击 3 3 数据采集器数据采集器 DCUDCU 与与 FTUFTU DTUDTU 的比较的比较 序序比较内容比较内容数字故障指示器数字故障指示器 FCI 数据采集器数据采集器高压互感器 电源高压互感器 电源 PT 信号 信号 PT 三 三 第 25 页 号号DCU相相 CT 零序 零序 CT FTU 馈线终端馈线终端 单元单元 DTU 开闭所终端单元开闭所终端单元 1适用范围 没有开关也能使用 必须有开关才可以安装 2 一次改造 不用 须安装电源 PT 安装三相五柱信号 PT 须安装 A B C 三相 CT 和零序 CT 并且