一種10kV線路短路故障電壓的智能識別方法與流程
2023-04-29 13:27:57 1
本發明涉及智能配電網領域中就地型饋線自動化中對線路短路故障電壓的檢測技術，尤其是一種10kV線路短路故障電壓的智能識別方法。
背景技術：
目前在國內就地型饋線自動化領域，應用面最廣的是採用就地重合模式的饋線自動化技術，完成故障隔離與恢復供電的執行主體主要由電壓時間型饋線終端(FTU)或類似產品、電磁型柱上負荷開關和雙側的電源變壓器，後續將這三者簡稱「柱上開關成套裝置」，電源變壓器簡稱電源「PT」。
現有技術中「饋線終端」採用的是在其內部採用安裝二次電壓互感器，它將10kV的PT輸出的電壓信號變成小電壓信號，當它檢出到「故障電壓」後，能驅動磁保持繼電器動作，「記憶」住曾經發生過故障電壓，這樣當從FTU負荷側(非故障側)供電時，FTU正常運行後，判斷FTU的電源側磁保持繼電器的閉合狀態，決定是否閉鎖合閘，完成故障隔離與恢復供電。
目前國家電網大力推進柱上開關一二次融合成套設備，它可應用於就地重合型饋線自動化，同樣需要檢測「故障電壓」。在柱上開關一二次融合成套設備的10kV開關內部會安裝EVT模塊和ECT模塊，EVT模塊用於變換10kV線路上的Ua、Ub、Uc、U0，產生小電壓信號，ECT模塊用於將Ia、Ib、Ic電流信號變換為小電壓信號。柱上開關一二次融合成套設備需要配置兩路10kV的電源PT，為裝置供電與檢測「故障電壓」使用。
現有技術中採用柱上開關一二次融合成套設備通過繼電器檢測故障電壓方案有以下缺陷：
1)FTU無法判斷10kV的電源PT是否故障，無法及時預警，因為FTU是通過EVT模塊採集10kV電壓信號，它的電壓信號是正常的，無法檢測到PT的故障，就會造成線路短路故障時，FTU無法實現故障隔離；
2)採用繼電器方案無法檢測到FTU內部硬體檢測迴路的故障，發生此種情況，FTU也無法實現故障隔離；
3)由於FTU內部空間比較緊張，如果採用繼電器檢測方案，則硬體迴路複雜，調試複雜，安裝空間緊張，尤其是罩式FTU的內部空間更為緊張；
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提出一種10kV線路短路故障電壓的智能識別方法，該方法既適用於柱上開關一二次融合成套設備的饋線終端，也適用常規的電壓時間型饋線終端。
為實現上述技術效果，本發明所採用的技術方案為：
一種10kV線路短路故障電壓的智能識別方法，所述10kV線路中設有一組分段點用的柱上開關，每個分段點用柱上開關兩側均設有電源PT；對於同一個柱上開關，其兩側的電源PT分別跨接在10kV線路A、B兩相間和B、C兩相間；電源PT將所在側兩相間的10kV線電壓轉換為AC220V的輸出電壓。
該方法包括以下步驟：
(1)構建饋線終端：所述饋線終端包括主CPU和檢測CPU；主CPU設有交流採樣迴路和通訊接口，交流採樣迴路採集對應的柱上開關兩側電源PT的三相輸出電壓和電流；檢測CPU設有通訊接口和兩個A/D採樣電路；檢測CPU的兩個A/D採樣電路分別通過各自的電壓轉換電路與對應側的電源PT相連，採集對應側電源PT的輸出電壓；主CPU和檢測CPU通過通訊接口交互數據；
(2)檢測CPU在上電運行時，立即進行線路故障電壓計算；所述線路故障電壓計算包括以下步驟：
(2-1)通過自身的A/D採樣電路實時採集對應側電源PT的輸出電壓，獲取離散化的採樣信號；
(2-2)檢測CPU對兩路採樣信號分別執行以下步驟：
通過移動平均窗對採樣信號進行加權截斷，並計算出每次的移動均值，移動平均窗採用移動平均法設置而成；取一個採樣周期內最大的移動平均值Umax，如果Umax大於預設的瞬時電壓整定值，則檢測CPU生成對應側10kV線路的瞬時加壓記錄；如果Umax小於預設的瞬時電壓整定值，則檢測CPU生成對應側10kV線路的殘壓記錄；檢測CPU將瞬時加壓記錄或殘壓記錄存入內置的非易失性存儲器中；
完成瞬時加壓記錄或殘壓記錄保存後，檢測CPU退出線路故障電壓計算模式，進入正常模式；
(2-3)進入正常模式後，檢測CPU將採集到的對應側電源PT輸出電壓實時上傳給主CPU，當Umax小於預設的殘壓整定值，檢測CPU生成失壓標誌並發送給主CPU，由主CPU將此失壓標誌信號上送配電主站；
(2-4)若檢測CPU在檢測到生成失壓標誌後，該側電壓又大於預設殘壓整定值，則按(2-2)邏輯重新啟動故障電壓計算；
(3)10kV線路任意一側來電，主CPU上電運行後，通過通訊接口訪問檢測CPU的非易失性存儲器，讀取非易失性存儲器中存儲的10kV兩側的瞬時加壓記錄或殘壓記錄，如果主CPU讀取到來電側對側的瞬時加壓記錄或殘壓記錄，則進入瞬時加壓閉鎖或殘壓閉鎖狀態，在瞬時加壓閉鎖或殘壓閉鎖狀態下，饋線終端禁止繼電器出口合閘。
進一步的，所述10kV線路短路故障電壓的智能識別方法中，採用檢測CPU進行X計時；所述檢測CPU進行X計時的步驟為：
檢測CPU一感受到來電，或從失壓狀態檢測到來電側電壓大於殘壓整定值，就開始X計時判斷；若X計時結束，電源側沒有失電，檢測CPU通知主CPU X計時完成，主CPU則判定饋線終端的電源側沒有故障，主CPU產生信號控制合閘出口繼電器動作，提供合閘能量，使對應的柱上開關合閘，向下一級送電；否則，主CPU進入X延時閉鎖狀態，此狀態下禁止繼電器出口合閘，使對應的柱上開關保持斷開。
進一步的，還包括電源PT斷線檢測，步驟為：
(3-1)定義主CPU的交流採樣迴路採集到的對應的柱上開關兩側電源PT的三相輸出電壓分別為Ua、Ub、Uc，三相電流為Ia、Ib、Ic，主CPU採樣得到的10kV線路A、B兩相間的線電壓為Uabm，B、C兩相間的線電壓為Ucbm；檢測CPU檢測到的對應的柱上開關兩側電源PT的輸出線電壓分別為Uab和Ucb；
(3-2)如果主CPU與檢測CPU無法建立通訊，則主CPU判定對應的柱上開關兩側的電源PT都沒有電或檢測CPU迴路有故障，此時主CPU默認Uab和Ucb都為0V；
(3-3)若檢測CPU檢測到對應的柱上開關有一側電源PT輸出的線電壓低於殘壓整定值，且Uabm、Ucbm都大於瞬時電壓值，則判定10kV線路的電壓是正常的，此時主CPU判斷出對應柱上開關的兩側電源PT及其A/D採樣迴路中至少有一個出現故障，主CPU發出電源PT的PT斷線告警信號至配網主站；
(3-4)若主CPU採樣得到的任意一相的相電流大於預設的無流值，即線路上有電流，此時，若檢測CPU檢測到對應的柱上開關有一側電源PT輸出的線電壓低於殘壓整定值，則判定對應側的電源PT及其A/D採樣迴路至少有一個存在故障，此時主CPU發出電源PT的PT斷線告警信號至配網主站。
進一步的，還包括饋線終端內部自檢，自檢的步驟為：
若檢測CPU檢測到Uab有壓而主CPU檢測到Uabm無壓，則判定主CPU的Uabm交流採樣迴路出現故障，主CPU生成主CPU交流採樣電路故障信號並發送給配網主站；若檢測CPU檢測到Uab無壓而主CPU檢測到Uabm有壓，則判定檢測CPU的Uab通道的A/D採樣迴路出現故障，主CPU生成檢測CPU的A/D採樣迴路故障信號並發送給配網主站；
若檢測CPU檢測到Ucb有壓而主CPU檢測到Ucbm無壓，則判定主CPU的Ucbm交流採樣迴路出現故障，主CPU生成主CPU交流採樣電路故障信號並發送給配網主站；若檢測CPU檢測到Ucb無壓而主CPU檢測到Ucbm有壓，則判定檢測CPU的Ucb通道的A/D採樣迴路出現故障，主CPU生成檢測CPU的A/D採樣迴路故障信號並發送給配網主站。
進一步的，所述主CPU和檢測CPU上的通訊接口為UART異步串口或SPI同步串口。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優勢：
(1)與繼電器方案相比，本發明可以智能自檢出電源PT斷線，及時提醒用戶檢修柱上開關成套裝置，保障「饋線終端」處於良好的運行狀態，對提高就地型饋線自動化故障隔離與恢復供電的成功率起到有用的幫助，具有良好的社會效益。
(2)與繼電器方案相比，本發明能夠檢測到更低的殘壓值，因為使磁繼電器動作所需殘壓值要更高一些。因此本發明提高「故障電壓」閉鎖的檢出率，也就提高就地型饋線自動化故障隔離與恢復供電的成功率。
(3)可以通過主CPU調整檢測CPU的殘壓定值或瞬時電壓定值，而採用繼電器方案的饋線終端，必須修改硬體參數才能進行調整，非常不便；
(4)生產調試時可以通過觀察兩路電源PT的電壓值，非常方便確定檢測CPU的相關硬體迴路是否正常，而繼電器方案受硬體參數的影響，需要調校阻值，並且觀測結果不直觀。
(5)提高X計時的準確性。由於「檢測CPU」快速啟動，軟體功能單一，因此採用本發明，X計時準確。而採用單一CPU架構的FTU會因為軟體功能調整，電源啟動的離散性等因素影響到FTU啟動的時間，從而影響到X計時的準確性。
附圖說明
圖1為饋線終端採樣迴路示意圖；
圖2為10kV配電網一次接線示意圖；
圖3為饋線終端進行線路故障電壓檢測的雙CPU架構原理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖2所示為10kV配電網一次接線示意圖，以圖2簡單說明10kV線路短路故障電壓檢測技術，圖2中CB1、CB2為兩處變電站的重合器，S為分段點的柱上開關，L為環網點的柱上開關。
在10kV線路送電前，環網點柱上開關處於分閘狀態，圖2中10kV線路上A側與B側都沒有電。10kV線路送電開始，CB1合閘，FTU1經過X計時(一般為7秒)判斷，確定電源側沒有故障(即沒有來電後馬上停電)，發出合閘命令。如圖2，此時柱上開關合在短路點A1上。此時FTU2靠近A1點的PT感受到的電壓存在兩種可能值，假設該PT接在Uab上，如果是AB相間短路，Uab電壓會下降比較大，此短路狀態下PT的電壓值較低，為殘壓；如果是其它相間短路，則Uab電壓下降不大，此短路狀態下PT的電壓較高，為瞬時電壓。在A1點發生短路時，CB1馬上跳閘，整個10kV線路一直到B側都會失電。
對於FTU2，它會檢測到有個上電變化過程，一來電馬上又失電，因此FTU2認為在它A側有短路點，FTU2進入閉鎖合閘狀態，這樣在環網點的FTU合閘從另外一側送電時，FTU2就有不會合閘合在A1短路點上，從而可以恢復從FTU2到環網點的線路供電。
在本實施例中把此時A1點短路時的殘壓或瞬時電壓以下統稱為「故障電壓」，把具有就地重合饋線自動化功能的饋線終端簡稱為「饋線終端」或「FTU」。
一般FTU採用蓄電池或超級電容作為後備電源。如果採用蓄電池作為後備電源，一般需要上電激活蓄電池管理模塊才能使用蓄電池為FTU供電；如果採用超級電容作為後備電源，需要有AC220V電源為超級電容管理模塊供電才能為FTU供電，或完成對超級電容模組的充電，超級電容才能作為後備電源為FTU供電。
因此在10kV線路送電前，一般線路上所有的FTU是沒有電，不能正常運行。在10kV送電過程中，如果線路上有短路故障點，變電站的重合器速斷保護動作跳閘，在100ms以內就可能跳開變電站的10kV出線開關，如上圖的FTU2，它只有幾十毫秒的時間檢測電源電壓的變化，而蓄電池管理模塊或超級電容管理模塊屬於開關電源，它運行啟動的時間就有幾百毫秒，此時FTU的主CPU在這麼短的時間內是無法正常運行，無法檢測到故障電壓。另外如果送電側的PT所接的相間發生短路，則線路電壓極有可能低於80％額定電壓，這會造成FTU的開關電源無法啟動，也就談不上由主CPU來檢測故障電壓。
為解決上述技術問題，本發明對現有技術做出以下幾方面的改進：
(一)「饋線終端」硬體方案上採用主CPU與檢測CPU的雙CPU的架構設計。
圖3為饋線終端進行線路故障電壓檢測的雙CPU架構原理示意圖。檢測CPU迴路的外部供電電源正常電壓為AC220V，由10kV電源PT提供。該供電電源通過T1電壓互感器，經過全波整流橋迴路後，給電解電容C1充電，再經過一個二極體後給電解電容C2充電，電解電容C2的電壓經過寬輸入範圍的DC/DC模塊穩壓後為超低功耗CPU提供3.3V工作電源。圖3中電解電容C1上的電壓經過電壓電阻分壓後，接入CPU的A/D採樣迴路，該電壓作為的檢測10kV線路瞬時電壓或殘壓的信號源。在外部供電電源失電後的情況下，電解電容C2所儲備電量為檢測瞬時電壓或殘壓並保存數據提供後備電源。檢測CPU的供電電源為線性電源方案，T1電壓互感器在供電電壓範圍在低於殘壓時也能正常為檢測CPU提供供電能量，並且採用寬輸入範圍的DC/DC模塊，因此它可以正常採樣到殘壓電壓到2倍額定電壓的電壓。
「饋線終端」需要配置2隻10kV電源PT，圖3中只描述了一側PT的檢測迴路，另外一側PT的檢測迴路與此相同，該側檢測電壓進入檢測CPU的另一個A/D採樣通道，因此略過。雙CPU採用UART異步串行通訊接口進行數據交換，也適用SPI同步串行通訊接口。
饋線終端採樣迴路示意圖如圖1所示，主CPU的硬體迴路同樣具備UART或SPI通訊串口，另外還配有獨立的交流採樣迴路，可以採集並計算出10kV線路的Ia、Ib、Ic電流與線電壓Uab、Ucb以及U0零序電壓，完成饋線終端的主要功能，它與檢測CPU通過UART異步串口通訊方式或SPI同步串口通訊方式交換數據。
(二)採用檢測CPU進行故障檢測
採用檢測CPU直流電壓A/D採樣的手段來檢測瞬時電壓或殘壓，並將檢測結果保存在非易失性存儲器中，如果「饋線終端」的電源側有短路故障，變電站重合器跳閘後，檢測CPU可能會失電而停止工作。在就地重合模式的饋線自動化方案下，會從「饋線終端」的負荷側恢復供電，負荷側的10kV的PT來電後，檢測CPU又可以正常運行時，此時可從非易失性存儲器中讀取上次電源側檢測到的「故障電壓」記錄，由於負荷側沒有線路故障，主CPU可以正常運行，它可通過通訊方式從檢測CPU獲取到電源側的「故障電壓」記錄，「饋線終端」根據「故障電壓」記錄產生瞬時加壓閉鎖或殘壓閉鎖，閉鎖FTU合閘，從而達到隔離故障與恢復供電的目的。
上述的檢測CPU工作步驟如下：
1)電源PT的輸出電壓採用「移動平均窗」方法計算，對移動窗內的直流電壓值的A/D採樣值計算平均值，移動窗為10ms。這是由於該直流電壓是將電源PT的工頻電壓信號經過橋式整流方式產生，有小幅的10ms半波脈動特性；直流採樣時間間隔不大於1ms。採用10ms移動窗平均而不是20ms移動窗平均，這個方法既保證了採樣精度，也提高直流電壓的計算速度。
2)檢測CPU需設置瞬時電壓與殘壓整定值，默認按瞬時電壓整定值為80％Un和殘壓整定值為30％Un配置在檢測CPU內，可以通過主CPU通訊方式重新設置定值。
3)檢測CPU在上電運行時，立即進入「故障電壓」計算模式，採用「移動平均窗」方法計算「故障電壓」，經過一周波20ms的多次移動平均窗方法計算，取其中最大值作為線路故障電壓性質的判斷，如果大於瞬時電壓整定值，設置瞬時加壓記錄；如果小於瞬時電壓整定值，設置殘壓記錄。將此類記錄作為「故障電壓」記錄立即保存在非易失性存儲器中，然後退出「故障電壓」計算模式，進入正常「運行電壓」計算模式。
4)10kV線路正常運行情況下，若突然發生短路，變電站重合器會有一個跳閘與重合閘的過程，此時檢測CPU有可能沒有由於停電而不工作，檢測CPU在檢測到線電壓低於殘壓定值後，重新進入「故障電壓」計算模式，一旦重合器重合閘，會新產生「故障電壓」記錄並保存在非易失性存儲器中。
5)檢測CPU在進入正常「運行電壓」計算模式後，一直採用「移動平均窗」方式實時採樣計算對應柱上開關雙側的電源PT的輸出電壓信號，並將實時電壓值提供給主CPU；當任意一側的電源PT的輸出電壓低於殘壓整定值時，檢測CPU產生失壓標誌並提供給主CPU，主CPU向配電主站發出告警信號。
(三)由檢測CPU進行就地重合模式下的來電合閘時的X計時判斷，確保X計時的精確性。
X計時閉鎖判斷是「饋線終端」判斷電源側有沒有短路故障方法，如果各分段開關的「饋線終端」的X計時不準確，有可能會影響10kV主網與分支網的「饋線終端」X計時的時序配合，因此「饋線終端」的X計時有一定的準確性要求。
由於為主CPU提供電源的蓄電池管理模塊或超級電容管理模塊及其後端的DC/DC模塊都屬於開關電源，每一個電源模塊上電啟動過程都有幾百毫秒，各電源模塊的啟動特性還有一定差異，因此如果由主CPU進行X計時判斷，則從電源PT來電開始進行X計時，則X計時結束的時間會有一定的離散性。
由於檢測CPU的供電電源為線性電源方式，可以達到十幾毫秒的快速啟動，由它進行X計時，保證X計時的精確性。
本實施例中，採用檢測CPU進行就地重合模式下的來電合閘時的X計時判斷，步驟為：檢測CPU一感受到來電，或從失壓狀態檢測到來電側電壓大於殘壓整定值，就開始X計時判斷；若X計時結束，電源側沒有失電，檢測CPU通知主CPU X計時完成，主CPU則判定饋線終端的電源側沒有故障，主CPU會產生信號控制合閘出口繼電器動作，提供合閘能量，使對應的柱上開關合閘，向下一級送電；否則，主CPU進入X延時閉鎖狀態，此狀態下禁止繼電器出口合閘，使對應的柱上開關保持斷開。
(四)通過主CPU進行電源PT斷線檢測
定義Uab、Ucb為由檢測CPU採樣並計算產生的電源PT上的線電壓；Uabm、Ucbm由主CPU通過由柱上開關內部EVT模塊提供的Ua、Ub、Uc計算產生；Ia、Ib、Ic由主CPU通過由柱上開關內部ECT模塊提供的相電流小信號計算產生；Ucy為殘壓整定值；Ussdy為瞬時電壓定值；Iwl為線路無流定值。
主CPU進行電源PT斷線檢測的步驟如下：
1)如果主CPU與檢測CPU無法建立通訊，說明兩側PT都沒有電或檢測CPU迴路有故障，因此主CPU默認Uab和Ucb都為0V。
2)在檢測CPU檢測到有一側電源PT輸出的線電壓低於殘壓整定值Ucy，而主CPU採樣計算得到Uabm、Ucbm都大於瞬時電壓值，說明10kV的電壓是正常的，因此主CPU判斷出對應柱上開關的兩側電源PT及其A/D採樣迴路中至少有一個出現故障，主CPU發出電源PT的PT斷線告警信號至配網主站。
3)若主CPU採樣得到的任意一相的相電流大於預設的無流值，即線路上有電流，說明對應的柱上開關是合閘狀態，10kV線路正常運行，其雙側電源PT應正常工作；如果檢測CPU判斷到有一側電源PT的輸出線電壓低於殘壓整定值Ucy，說明電源PT及A/D採樣迴路也是至少有一路是不正常的，此時主CPU發出電源PT的PT斷線告警信號至配網主站。
本發明尤其適用於不採用EVT和ECT的常規「饋線終端」的場合。在此場合下，如果電源PT損壞後，主CPU計算的Uabm或Ucbm也是不正常的，因為它採集的也是電源PT的電壓信號，因此主CPU判斷PT斷線的電壓判據就失效了，此時相電流判據就起作用了。因此對於帶EVT模塊和不帶EVT模塊的「饋線終端」都適用本PT斷線檢測算法，都可檢測出電源PT迴路的故障並告警。
對於不採用EVT和ECT模塊的「饋線終端」，由於Uabm、Ucbm由主CPU的常規的電磁式電壓互感器產生，通過比對Uabm、Uab和Ucbm、Ucb的電壓值，可以檢查出「饋線終端」內部電源電壓檢測迴路的硬體故障。
因為Uab、Uabm或Ucb、Ucbm採樣的都是同一側的PT，因此可以互為自檢FTU內部的電壓迴路，比如Uab有壓而Uabm無壓，則說明主CPU的交流採樣迴路故障；Uab無壓而Uabm有壓，則說明檢測CPU的A/D採樣迴路故障。具體檢測步驟為：
若檢測CPU檢測到Uab有壓而主CPU檢測到Uabm無壓，則判定主CPU的Uabm交流採樣迴路出現故障，主CPU生成主CPU交流採樣電路故障信號並發送給配網主站；若檢測CPU檢測到Uab無壓而主CPU檢測到Uabm有壓，則判定檢測CPU的Uab通道的A/D採樣迴路出現故障，主CPU生成檢測CPU的A/D採樣迴路故障信號並發送給配網主站；
若檢測CPU檢測到Ucb有壓而主CPU檢測到Ucbm無壓，則判定主CPU的Ucbm交流採樣迴路出現故障，主CPU生成主CPU交流採樣電路故障信號並發送給配網主站；若檢測CPU檢測到Ucb無壓而主CPU檢測到Ucbm有壓，則判定檢測CPU的Ucb通道的A/D採樣迴路出現故障，主CPU生成檢測CPU的A/D採樣迴路故障信號並發送給配網主站。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。