10kV配电线路保护测控装置的应用设计

叶国炜

摘要：如今，我国战略发展确立了碳达峰、碳中和发展目标，致使在开展经济活动时，电能的占比越来越大，社会生产和生活对供电有着越来越高的要求。传统模式下的配电自动化还是以三遥为主，随着对电力能源可靠性需求不断增加已经不能够及时对配电线路故障进行处理。因此在配电线路运行过程中亟需可靠性更强的保护设备。基于此，为了提升配电线路运行效率，提升配网安全性、可靠性，本文对10kV配电线路保护测控装置的应用设计展开论述。

关键词：10kV配电线路；保护测控装置；应用设计

前言：在电力系统运行过程中，10kV配电线路是配置最广泛的，在电力系统中其发挥着合理分配电能的作用。随着系统运行，配电线路中负荷发生着不确定性变化，可能随时都有可能发生人为或者自然因素所导致的故障。因此，实时了解线路运行状态并对以此为依据进行决策是很关键的。前文所提及到的保护测控扎装置正是起到了采集配电网运行数据，将数据上传至主机并接受主机发布的指令、执行相应指令的作用。因此，本文对10kV配电线路保护测控装置应用设计展开探究具有重要意义。

一、10kV配电线路应用保护测控装置必要性

我国配电网在发展过程中，通常先发展输变电，其次再发展配电线路的自动化。近些年来，配电网的建设项目越来越多，多数项目建设将重点放在了建设配电网架构和实现配电网自动化方向，通过DTU、FTU等来实现配电线路三遥自动化，却忽略了对配电线路的保护问题^[1]。通过创建配电线路继电保护系统，并完善落实配电线路继电保护措施，能够对线路保护动作选择性起到明显提升作用，缩短故障隔离区域和非故障区域停电时间，对故障停电范围加以控制，进而不断提升配电线路运行可靠性。

二、10kV配电线路保护测控装置的应用设计

（一）配电测控保护架构设计

通过配电测控保护装置能够在实现三遥自动化控制的基础上，展开软件和硬件设计方面的继电保护设计，将性能强劲的软件平台和硬件平台作为核心，将多路交流模拟信号、采集多路状态量和控制多路输出的作用充分发挥出来^[2]。通过保护配电线路、保护变压器、保护发电机和电容器等继电保护手段，在多个供电场景中得已熟练运用。

配电测控保护装置的主要安装位置为：配电线路馈电回路的分支处、联络处和支线处的安装位置^[3]。对10kV配电线路予以测控和保护。配电测控保护装置、电力系统通信系统、主站系统，三者共同搭建成了配电线路自动化系统。该系统的基本架构和配电测控保护装置的应用场景如下图一所示：

图一：配电测控保护装置应用场景

（二）保护测控装置总体设计

在设计配电测控保护装置时，处理器为32位双核，操作系统能够实时对多个任务进行处理，同时配以超大容量缓存和FLASH存储。在设计交流采样、控制出口、AD转换等环节中，利用可编程逻辑器件，实现全方位设计的高效性、可靠性。在通信交融方面能够通过以太网或者串口进行通信，同时支持多种通信规约，线路保护功能及馈线自动化控制功能优势明显。如下图二所示为配电测控保护装置的基本架构。

图二：配电测控保护装置基本架构

（三）硬件系统设计

该系统以32位工业级双核CPU系统平台搭建主处理器板，能够计算系统核心算法和测控保护功能，借助于CPLD实现高效率逻辑运算，利用存储空间较大的RAM和FLASH，采集硬件系统开入量、开出量和模拟量等信息，并对所采集的信息进行计算分析，通过保护逻辑，对系统的开出量进行控制。另外，系统所具备的通信数据处理能力，能够解析不同种通信规约。为了便于对设备进行调试及维护，在设计时采用了人性化较强的人机交互接口设计。

在设计设备供电系统和通信接口时，主要利用电源通信板；通过兼容设计和防反接设计对电源输入接口进行设计，能够对配电线路中24V和48V两种直流供电电压加以满足。利用电源板将外部工作电压向各个板卡的工作电压所转变。

为便于通信接口使用，在电源通信板上设计了两个以太网口，RS232和RS485两路串口。在系统主控板中网络和串口的通信信息交互过程中，欧式插座发挥着关键作用。

实现配电测控保护装置的人机交互主要借助于液晶显示板，同时在液晶显示板上还能够显示装置的运行状况、保护动作、规约通信数据以及三遥数据等，读取配电测控保护装置的按键值。通过欧式插座和主处理器板的CPLD装置进行逻辑编译能够实现读取按键值和写入LED指示灯数据。

遥测板对PT单元和CT单元所传递过来的模拟信号进行采集，利用稳压电路和滤波电路对信号进行处理，从而供ADC进行采集。数据经过ADC采集后，与主处理器板的CPU实现信息交互。在CPU对ADC数据进行读取之后，能够对数据进行FFT运算和滤波运算，将模拟量采集的功能发挥出来。

通过遥信遥控板和操作回路板能够对一次开关分合状态、隔离刀闸的位置等信息进行采集，并以主回路数据处理为依据，输出系统内的保护动作和告警信息。在操作回路板和开出量的配合下，能够将控制回路的断线检测功能、开关防跳功能、分合闸位置等功能发挥出来。

（四）软件系统设计

在设计软件系统时，保护测控装置基于FreeRTOS操作系统，能够实现多任务同时操作，能够实现CPU资源更高效的利用。通过任务调节机制对系统的可靠性和实时性得已保证。在此次软件系统设计中，设计任务主要包括：人机交互界面、通信系统、数据处理、监听设计。

通过人机交互界面能够实现高效率人机交互，在液晶显示板上能够显示出电气设备运行数值，比如：电流、电压、功率的因数。通信设计则能够解析网络、串行通信等通信规约。数据处理则能够存储程序运行过程中，由逻辑保护所产生的电气参数。监听任务指的是监控上述任务运行状态。下图所示为主程序流程图。

图三：主程序流程图

考虑到应用场景的需求，为了确保该装置保护动作的可靠性和实时性在。不能在执行任务时执行开入量状态和保护逻辑，此时需要利用到FreeRTOS系统中的定时器功能。

在采样定时器中能够通过定时器中段方式对16路交流模拟量同时采集，每隔156.25μs产生一次中段。在对现场电压和电流信号通过转换并抗干扰处理后将其接入到高精度的16位AD转换器中。将采集的数据存在缓存数组中，利用全波傅里叶算法将电气量基波和谐波进行解析，目前，以基波值为保护值，以基波和谐波的累加值为测量值，从而确保保护动作的时效性。

在采集开关状态量时利用1ms定时器，本文的保护测控装置能够实现每1ms对40路遥信开关量进行中断采集。

在系统的10ms定时器中，对电压和电流的保护值和测量值进行计算，根据所计算的电压值和电流值对功率进行计算，从而对保护逻辑进行运算处理，在保护动作过程中能够产生事项和出口控制。另外，本装置中存在故障录波功能，能够在发生故障时录波交流信号。

（五）装置保护功能

保护测控装置能够对电力系统进行过流保护、重合闸功能保护、小电流接地保护、过载保护以及零序保护，并且能够实现电压型馈线自动化和智能分布区域自动化。

三、10kV保护测控通信装置通信中断故障分析及处理

（一）故障概况

某110kV变电站在2020年3月到2020年7月期间，10kV配电线路母线价格均出现了不少于5次的通信中断故障，并且通信信号中断故障能够通过对保护测控装置进行重启而消除，装置中并没有异常信号体现。经过现场勘查，该10kV配电线路的保护测控装置为国电南自PSL641；交换器型号为华为S5500，上次更换时间为2019年8月。

（二）故障分析

1、初步分析

经过初步分析，本次通信中断故障的保护测控装置为10kV配电线路I段间隔装置，并且10kV配电线路II段间隔装置为同一批设备，并没有出现类似故障，初步将故障原因确定为交换机出现故障。分析所应用的华为S5500型号交换机刚刚使用半年多，交换器故障可能性较低，且在2020年6月尝试将交换机更换为宝讯科技的BX-5024型号交换机，仍然没有消除通信故障问题。再次对该系统网络构架、装置状态等因素进行分析，分析可能是网络架构不合理导致的，10kV配电线路I段间隔装置的通信信号没能够实时传递给后台机或者远动机。

2、交换机丢包分析

2.1强电磁干扰

经过现场查验发现，10kV配电线路I段间隔装置和II段间隔装置的交换机摆放位置为10kV高压室的开关柜里面。在电气设备运行过程中，会对交换机产生较强的电磁干扰。尤其是断路器进行分合时电压电流变化、电气设备故障所产生的短时强电流和电气设备自身的电磁场，会影响交换机进行高效率数据发送，进而致使文中出现报错字段，导致丢包现象的发生。

2.2网络堵塞

间隔交换机和后台交换机在运行过程中，需要对站内所有数据进行传播，一旦很多装置同时发送数据，数据量过大将致使网络堵塞的产生。在TCP协议下，传输数据时实施队列管理，传输过程中数据应当一次排队等待发送，代发送数据存在交换机的内存中，一旦缓存内存用完，将不能接受需要传输的数据，进而导致数据丢包。

（三）故障处理对策

首先，对该110kV变电站内交换机配置进行检查，10kV配电线路I段间隔交换机并没有配置联口自动协商，随机对交换机配置进行更改，确保站内交换机配置一致性。其次，10kV配电线路I段间隔交换机与主控制室交换机是用光缆直接连接的，再通过网线加工主控制室交换机和远动后台交换机进行连接，随即进行改装，实现了10kV配电线路保护测控装置数据通过交换机直接向后台机和远动机发送，很好的避免了交换机出现网络堵塞现象，也对网络延时问题进行了优化。

结束语：综上所述，本文论述了10kV配电线路保护测控装置的应用设计，保护测控装置具备传统配电自动化设备和继电保护装置的优势的同时，还能够对配电线路实现自动化保护和故障自愈，一定程度上体现了其功能强大和技术的成熟性，能够明显提升配电网供电可靠性。

参考文献：

[1] 闫黎明,刘冰寒. 10 kV配电线路保护测控装置的应用设计[J]. 通信电源技术,2021,38(2):241-242,245.

[2] 张奕昭. 10kV保护测控装置通信中断故障分析及处理[J]. 机电信息,2020(8):63-64.

[3] 郭亮,安义,邓才波,等. 10kV配电线路保护配置方法研究[J]. 江西电力,2018,42(10):14-19.