刍议10kV配电网控制与保护系统

罗意

摘 要：10kV配电网控制与保护系统专业性强，设计过程复杂，具体实施过程中需要考量的专业要素比较多。利用ARM，将LPC2138处理器作为核心，依托内部时钟设置，调整主模块，通过系统功能设计，提升各功能模块有效性，使10kV配电网控制及保护系统达到良好的应用效果。

关键词：10kV配电网；控制与保护；功能模块；硬件电路板

中图分类号：TM72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0067-02

Abstract： The control and protection system of 10kV distribution network is professional， and the design process is complex， so many professional factors need to be considered in the implementation process. Using ARM， with LPC2138 processor as the core， this research relies on the internal clock settings， adjusts the main module， and， through the system functional design， improves the effectiveness of each functional module， so that the 10kV distribution network control and protection system can be made to achieve good application results.

Keywords： 10kV distribution network； control and protection； function module； hardware circuit board

前言

當前，配电网已经逐步实现了智能化和自动化，但县级地区电网建设、技术装备和供电能力等仍相对比较薄弱，电网水平低，导致配电网控制及保护受到严重干扰。电力工作人员要加大对10kV配电网控制及保护系统研究力度，提高县级地区供电水平。分析10kV配电网控制及保护系统时，依托自动化控制和数据保护，明确负荷峰谷和负荷率等相关情况，促进10kV配电网控制与保护系统优化。

1 我国10kV配电网现状

在电力系统中，电网不可或缺，其构成复杂，包含输配电、变电设备和各类线路等。输、配电网共同组成电网，输电网的电压等级通常为35kV及以上，配电网的电压等级为10kV及以下。其主要为用户提供电力资源，为其日常生产及生活用电提供保障。在电网中，配电网非常关键，覆盖面广，可靠性和经济性要求高。

城市电网和农村电网是我国主要配电网形式，前者发展水平比较高，农村电网则因受资金、技术等限制，无论是供电可靠性，还是自动化水平，都比较低。以往配电网结构和自动化水平则存在明显滞后性，配电自动化的实现离不开专业的电网改造。

早年间，受技术限制，辐射型结构常被作为10kV配电网的优选，线路之间无分段开关，故障状态下大面积停电情况时有发生，而且时间长，为日常生产及生活带来不便。城市化背景下，用电负荷的增加，使10kV环网结构应用普遍，配电系统可靠性也随之提高。该配电网形式不仅成本低，而且供电可靠性强。以“手拉手”环网供电为例，优选开环运行方法，以联络开关为载体，将负荷开关或断路器分段线路与另一电源连接，当联络开关处于断开状态时，电网为开环运行。一旦变压器或配电线路发生故障，分别采用分段开关和联络开关对故障区段进行隔离及转移负荷，使非故障段能够正常供电，虽减小了供电范围，但供电过程极具可靠性。现如今，我国10kV配电网中各类问题层出不穷，供电性能有限，通过技术升级，优化供电过程，为配电网络自动化发展奠定良好基础[1]。

2 基于ARM的10kV配电网控制与保护系统

2.1 馈线自动化解决方案及终端实现功能

常用的馈线自动化系统分别以自动化开关设备或馈线自动化终端设备为依托。

配电自动化开关设备能够自动隔离故障区域，使系统中有充足的重合器、分段器等开关设备可自动恢复供电。该系统应用过程中，无需通信信道支持，仅依托各配电自动化开关配合，即可通过隔离故障区段，使供电正常。

馈线自动化终端设备，简称FTU。以FTU为基础的馈线自动化，无论在辐射型，还是环形、多电源网络式中都适用。其应用原理是将柱上FTU分别安装在变电站出口断路器和户外馈线分段开关部位，借助通信网络，将其与SCADA系统连接，充分发挥计算机软件后台处理作用，构建有效的智能式馈线自动化系统。运行时的配电网，能够监控柱上开关部位馈线电压和电流及馈线分段状态等。依托通信网络优势，熟悉全网运行信息，继而优化配电网，借助FTU远方遥控分段开关转移负荷或重构网络，凸显设备容量优势，降低线损。一旦配电网发生故障，FTU会向主站上传故障信息，后者经故障分析和处理后，借助FTU遥控分段开关，分别隔离故障及恢复供电[2]。

以FTU为基础的集中式馈线自动化系统应用界面广，分层结构往往是其优选。如图1所示，基于FTU的集中式馈线自动化系统组成。

该方案背景下，集中式在配电主站实现了故障远程处理，故障定位和恢复快捷准确。FTU控制和监测功能兼备，不仅具备智能化特点，而且便于信息集成，将这一系统与地理信息系统等同步使用，效果好，即便配电自动化网络复杂，也具备适用性。

处于正常运行状态下的配电网，具备实时监测配网运行、控制断路器、故障隔离等性能，能够在第一时间恢复供电。该系统具备遥测、遥信、遥控、对时、通信、远方闭锁和手动操作、自检和自恢复功能，而且能够记录事故、事件顺序、修改和召唤定值等。

2.2 FTU硬件总体设计

以所选的馈线自动化方案为基础，对与之相配合的馈线自动化终端进行研究。如图2所示，FTU硬件总体框图。

FTU主要硬件功能模块主要构成元素有CPU主模块、电源管理模块、数据采集模块、开关量输入输出模块、通信模块和无线遥控模块。CPU主模块是FTU系統中的关键要素及核心内容，该过程中会用到ARM7核心的LPC2138处理器，与CPLD相互配合，发挥主体功能；电源管理模块的价值在于通过双电源切换，保持蓄电池电源充足，继而进行过放保护；数据采集模块除了对PT进行监测之外，还会输入CT信号等；开关量输入输出模块，主要是输入监测储能信号、开关状态等，并对出口实施继电保护；通信模块，负责FTU和通信板接口，调试PC机；无线遥控模块，主要被用于FTU本地无线遥控[3]。

2.3 FTU各功能模块设计

CPU主模块。主CPU为ARM7核心LPC2138，其不仅处理速度快，而且片内资源和外设都非常丰富，仅少量外部资源，便可对所需功能进行满足，抗干扰能力强。LPC2138含2个8路10位A/D，无论是精度，还是转换速度，都比较弱，而FLASH和RAM空间容量比较大，使FTU功能复杂，不需要外扩。该背景下，FTU具备RTC、32768Hz晶体、纽扣锂电等精准的时钟参数，ISP为软件仿真调试提供便利，开发周期短。确保复位电路可靠性，ARM芯片方能正常工作，当系统掉电时，无论是电源监控电路，还是复位电路，均能对存储器和系统控制器予以保护。

电源管理模块。该模块中包括FTU电源供电和蓄电池监控电路两个方面的设计内容。断路器中PT为FTU提供电源，稳定性强，为使FTU在故障状态下仍能正常工作，需要设置蓄电池。故而，电源管理模块具备切换双电源、为蓄电池充电、保护等功能。选择密封免维护铅酸蓄电池，辅之以浮充电压，并设计专用充电电路，以免出现过充及过放情况，使蓄电池使用寿命延长。

数据采集模块。这一背景下，既要设计信号调理电路，还要进行硬件同步采样设计。测量模拟量，方能充分发挥FTU测量及保护功能。具体实施过程中，需要依托计算机软件，对模拟量输入、PT、CT、零序电压、零序电流等进行设计。优选某10kV线路作为试验线路，开展研究工作，分别对正常运行状态下的电流及最大故障电流进行设置，在各指标已知的情况下开展设计工作。执行硬件同步采样设计工作时，可选择全波傅氏算法，使数据采样更加准确。

开关量输入输出模块。线路分段开关选用具备短路电流断开功能的断路器，该过程中，开关数字控制依据为永磁机构。FTU设计过程专业性强，且非常严谨，要借助ARM，对各开关量输入信号实施监测，兼顾电平转换，并进行相关隔离。光耦隔离将输入信号转换至3.3V逻辑信号，在ARM或CPLD的I/O口中进行输入。选用TIP521-4作为光电隔离芯片[4]。

CPLD模块。其能够减少系统分立元件树立，控制PCB板面积和电源功耗等，使系统性能得到改善，增加设计灵活性及内容保密性。依托CPLD对继电器出口逻辑进行设计，使FTU更加可靠。无线遥控模块。优势在于对断路器的分、合闸动作进行遥控操作。通信模块。设计原理是在高频载波上调制信息，继而依托耦合器，以相地方式，将高频信号耦合至10kV中压线路，达到良好的数据传输效果。

3 结束语

综上所述，10kV配电网控制与保护系统中涵盖的技术及工艺要素比较多，设计过程复杂。该过程执行能够提升该系统整体质量，达到良好的应用效果。具体操作过程中，要明确我国当前10kV配电网现状，以ARM为基础，提出具体控制及保护思路，达到良好的设计效果，为后续各项操作的实施奠定良好基础，提高电力系统稳定性，减少10kV配电网运行和控制过程中的各类故障和问题，实现系统保护目标。

参考文献：

[1]尹萍.智能配电网保护控制的设计研究[J].通讯世界，2017（12）：182-183.

[2]康青，马晓春，等.直流配电网关键技术及展望[J].电气自动化，2014，36（01）：5-7+23.

[3]张琪.智能配电网层次化保护控制系统[J].广东电力，2015，28（01）：100-104.

[4]李斌，张慧颖，等.主动配电网保护控制的设计与研究[J].电力建设，2015，36（01）：91-96.