CN104300539A - 一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法，属配电自动化领域。所述控制器配置在双端电源，开环供电的配电线路的分段开关上，用于设置失压判别、过电流判别、小电流接地判别、备自投功能控制程序，自动实现故障区域隔离，非故障区域恢复供电。本发明所述的配电线路故障自愈控制方法利用脉动闭锁功能，在线路发生故障重合时，能够利用电压脉动信号闭锁备投，既缩短了恢复供电的时间，又防止多次合到故障线路上，对设备造成冲击，有利于配电网的安全、稳定运行。

Description

一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法

技术领域

本发明公开一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法，属于配电自动化领域。适合于配电自动化柱上分段开关控制中的故障隔离和恢复供电。

背景技术

随着我国智能电网技术的高速发展以及城乡用电负荷与日俱增, 人们对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。目前，占我国电网大多数的农村电网和中小城市电网还普遍使用无通道重合模式或通过配电自动化主站来实现基本的故障隔离和恢复供电功能（主站DA模式）。第一种方式是传统的柱上开关控制器重合算法，利用失压保护、电流闭锁和备自投功能，隔离故障时需要多次冲击，恢复时间长，对系统影响大。第二种方式，对通信的依赖程度大，要求高，对各个FTU上送信息的实时性和准确性要求很高，自动化投入费用高，不利于大面积推广应用。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电线路故障自愈控制器及其控制方法：利用脉动闭锁功能，在线路发生故障重合时，能够利用电压脉动信号闭锁备投，既缩短了恢复供电的时间，又防止多次合到故障线路上，对设备造成冲击，有利于配电网稳定运行。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种配电线路故障自愈控制器，包括主处理器，与主处理器相连的存储器单元、DSP处理单元、FPGA单元、遥控输出单元、通信单元和液晶显示单元，以及为上述各个单元供电的电源单元，所述控制器进一步包括模拟量转换单元和开关量输入单元，所述模拟量转换单元分别与DSP处理单元和FPGA单元相连，所述开关量输入单元通过串行总线与FPGA单元相连；电压、电流等模拟量经过模拟量转换单元转换后数字信号后，送入DSP处理单元进行处理，各开关状态值通过开关量输入单元输入到FPGA单元，主处理器通过DMA方式读取DSP处理单元内的各相关数据和计算结果，同时通过FPGA单元读取开关量输入单元的各开关状态值，然后通过遥控输出单元控制各个开关状态，同时通过通信单元和液晶显示单元进行通信、维护、控制等操作。

作为优选，所述模拟量转换单元包括变压器、低通滤波器、多路转换器、电压更随放大器和A/D转换器，所有的模拟输入量经模拟输入变压器或飞电容转换，然后滤波，再经过多个8选1 CMOS多路转换器选择，多路转换器的输出由电压跟随放大器驱动，送入A/D转换器转换为数字量，A/D转换器的输出以串行数据流的形式送入DSP处理单元进行处理。

作为优选，所述主处理器采用MCF5272通用主处理器，具体可以选择型号为MCF5272CVF66的32-bit主处理器。

作为优选，所述存储单元包括SRAM、SDRAM和FLASH RAM，其中，SDRAM是主处理器的工作内存；SRAM在装置掉电时，由电池给SRAM供电，保证其内部数据不丢失，用于存储重要历史数据；FLASH RAM是不挥发存储器，用于保存装置运行自举程序、操作系统、应用程序、DSP程序、配置文件等。

作为优选，所述DSP处理单元采用AD公司的高集成度单片数字信号处理器ADSP-2185。DSP使用串行口周期性地由A/D转换器取得采样数据，然后通过数字滤波和一定的变换算法实时计算电量信号，由DMA接口传送至主处理器进行处理、存储和传输。DSP单元根据主处理器设定的检测类型负责故障类型的检测。DSP将数字信号进行傅离叶变换得到信号的实部和虚部，计算取得信号的基波幅值，作为故障检测的依据。一般可检测的故障类型有：相间过流故障、单相接地故障、 断路器两侧失压、断路器一侧有压、一侧无压。 当DSP检测到上面所列的任何一种故障类型，设置检测标志，发送中断请求通知主处理器进行逻辑判断。

所述FPGA单元的逻辑电路包括：模拟输入量的多路选择控制和定时转换；主CPU和DSP之间的接口控制；时钟电路；数字量输入时序控制。

作为优选，所述通信单元包括RS232通信口（RS232）、USB维护口（USB）、以太网口（TCP/IP）和CAN 通信口（CAN）。

作为优选，所述电源单元使用浮地的直流电源输入，通过内部的DC/DC转换器，产生共地的+5V、+15V与-15V、及不共地的+24V直流输入作为内部逻辑电路、模拟电路及“干”接点输入光电隔离电流驱动电源，总功耗小于8W。

配电线路故障自愈控制方法,应用在双端电源，开环供电的配电线路中，整个配电线路包括第一电源，第二电源，第一电源和第二电源的出线端设有对应的第一断路器和第二断路器，第一断路器和第二断路器之间设有数个柱上分段开关，每个柱上分段开关均配置有一个配电线路故障自愈控制器，所述控制器用于设置失压判别、过电流判别、小电流接地判别、备自投功能控制程序，自动实现故障区域隔离，非故障区域恢复供电；柱上分段开关之间设有常开的联络开关，当配电线路发生二相及以上短路或接地短路故障时，其故障自愈控制方法包括如下具体步骤：

步骤1-1：故障点发生短路故障，第一断路器过流保护动作，线路断电；

步骤1-2：由第一电源供电的各个分段开关检测到失压后，通过配电线路故障自愈控制器启动失压保护动作，分段开关分闸；

步骤1-3：第一断路器延时2~30秒后重合闸；

步骤1-4：第一电源与故障点之间的分段开关依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤1-5：由于故障点存在，第一电源与故障点之间离故障点最近的分段开关备投到故障线路上后，通过配电线路故障自愈控制器检测到过流信息，加速分闸，不再执行备投指令；

步骤1-6：故障点的另一侧，由第二电源供电，联络开关检测到一侧有压，一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤1-7：故障点与联络开关之间的分段开关失压保护后，通过配电线路故障自愈控制器检测到一侧电压恢复并在规定时间内消失，符合脉动电压闭锁条件，闭锁备投功能；

步骤1-8：故障点两侧的分段开关处于分闸状态，故障点被成功隔离，配电线路中的其余分段开关处于合闸状态，非接地区域恢复供电。

当配电线路发生单相接地故障时，其故障自愈控制方法包括如下具体步骤：

步骤2-1：故障点发生接地故障，第一断路器做小电流接地试跳，分闸；

步骤2-2：由第一电源供电的各个分段开关检测到失压后，失压保护动作，所述分段开关分闸；

步骤2-3：第一断路器延时2~30秒后重合闸；

步骤2-4：第一电源与故障点之间的分段开关依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤2-5：由于故障点存在，第一电源与故障点之间离故障点最近的分段开关备投到故障线路上后，检测脉动电压3U₀  存在，加速分闸，不再执行备投指令；

步骤2-6：故障点的另一侧，由第二电源供电，联络开关检测到一侧有压，一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤2-7：故障点与联络开关之间的分段开关失压保护后，一侧电压恢复并在规定时间内消失，在这段时间内通过配电线路故障自愈控制器检测到存在一个脉动电压3U₀，符合脉动电压闭锁条件，闭锁备投功能；

步骤2-8：故障点两侧的分段开关处于分闸状态，单相接地区域被成功隔离，配电线路中的其余分段开关处于合闸状态，非接地区域恢复供电。

上述配电线路故障自愈控制方法，通过分段开关上安装的控制器设置失压保护和备自投功能，当线路发生故障时，所述控制器利用电压脉动特性，线路发生故障时由变电站出线保护动作，线路失电，分段开关失压保护动作，变电站出线保护重合闸，分段开关顺序重合，直至最靠近故障点的分段开关备投到故障上加速分闸并闭锁备投功能，完成故障点一侧的故障隔离；同样，故障另一侧的控制器，从联络开关开始采用一侧有压一侧无压带时间备投的方式启动，而最靠近故障点的控制器检测到脉动电压后，闭锁备自投功能；其他没检测到脉动电压的控制器备投成功，故障区域隔离，非故障区域恢复供电。

与现有技术相比，本发明的配电线路故障自愈控制其及其控制方法所具有的有益效果是：传统的柱上开关控制器重合算法，利用失压保护、电流闭锁和备自投功能，隔离故障时需要多次冲击，恢复时间长，对系统影响大。本发明所述的配电线路故障自愈控制器及其控制方法，利用脉动闭锁功能，在线路发生故障重合时，能够利用电压脉动信号闭锁备投，既缩短了恢复供电的时间，又防止多次合到故障线路上，对设备造成冲击，有利于电网稳定运行。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的配电线路故障自愈控制器模块框图；

图2为本实施例的故障发生前供电示意图；

图3为本实施例的故障发生后供电示意图；

图4为本实施例的故障隔离流程图；

图2-3中：CB1(第一断路器)和CB2(第一断路器)为变电站出线分段开关，

F1—F5为分段开关，                                                表示合闸状态，表示分闸状态。

具体实施方式

如图1所示，一种配电线路故障自愈控制器，包括主处理器1，与主处理器1相连的存储器单元2、DSP处理单元3、FPGA单元4、遥控输出单元8、通信单元7和液晶显示单元9，以及为上述各个单元供电的电源单元，所述控制器进一步包括模拟量转换单元5和开关量输入单元6，所述模拟量转换单元5分别与DSP处理单元和FPGA单元相连，所述开关量输入单元6通过串行总线与FPGA单元4相连；电压、电流等模拟量经过模拟量转换单元6转换后数字信号后，送入DSP处理单元3进行处理，各开关状态值通过开关量输入单元6输入到FPGA单元4，主处理器1通过DMA方式读取DSP处理单元3内的各相关数据和计算结果，同时通过FPGA单元4读取开关量输入单元6的各开关状态值，然后通过遥控输出单元8控制各个开关状态，同时通过通信单元7和液晶显示单元9进行通信、维护、控制等操作。

所述模拟量转换单元5最多可外接27个50/60Hz交流模拟量和2个直流模拟量的输入，交流模拟量分为九组，所述信号转换单元包括变压器、低通滤波器、多路转换器、电压更随放大器和A/D转换器，所有的交流模拟输入量都经变压器隔离，直流模拟输入量使用光电耦合器、固态继电器（经过飞电容）实现隔离。

信号转换单元电路的设计中使用了各种各样的变压器，以适应来自电压互感器（TVs）、电流互感器(TAs)、线杆传感器（LPSs）的不同的信号电平。这些变压器具有良好的频率响应和动态范围，能够准确分析谐波和故障。每个变压器都跟随一个二阶有源低通滤波器，提供合适的增益和带宽，防止输入采样信号的失真，每个周期采样128次。输入电路对电流输入呈现短路状态，对电压输入呈现高阻状态。直流输入量可以设定为±10Vdc或±30Vdc的满刻度量程，亦可以并入一个电阻以测量正常的电流输入（如0~1mA，或4～20mA）。直流模拟输入量使用一个“飞电容”电路实现隔离。一个一阶RC滤波器产生-38dB（60Hz）或-36dB（50Hz）的衰减，以消除工频干扰的影响。所有的模拟输入量经模拟输入变压器或飞电容转换，然后滤波，再经过多个8选1 CMOS多路转换器选择，多路转换器的输出由电压跟随放大器驱动，送入高速16位A/D转换器转换为数字量，A/D的输出以串行数据流的形式送入DSP单元进行处理。

在本实施例中，所述微处理器1采用MCF5272通用微处理器，除了模拟输入量采样以外，所有其它功能均由工作于66MHz的MCF5272的软件完成或协作完成，如：所有硬件初始化，包括DSP的软件下载；所有的通信和数字I/O口处理。具体可以选择型号为MCF5272CVF66的32-bit微处理器，采用ColdFire V2内核，并采用0.13微米低功耗CMOS工艺制造，工作频率66-MHz，片内16X16à32位MAC。

本实施例所述的存储单元2包括SRAM、SDRAM和FLASH RAM，其中，SDRAM是微处理器的工作内存；SRAM在装置掉电时，由电池给SRAM供电，保证其内部数据不丢失，用于存储重要历史数据；FLASH RAM是不挥发存储器，用于保存装置运行自举程序、操作系统、应用程序、DSP程序、配置文件等。

所述DSP处理单元3采用AD公司的高集成度单片数字信号处理器ADSP-2185，主振频率33MHz，内置一个DMA接口和两个串行接口，DMA接口用于和主处理器1之间传输数据，串行口用于从信号转换单元的A/D转换器获取数据。FPGA单元4中的少量逻辑电路和一对八进制锁存器完成它的外部接口。DSP还包含80K字节的RAM，可以储存32K的数据及48K的程序代码。DSP的运行程序代码储存于主电路的闪烁存储器，在系统上电初始化时，由微处理器通过DSP的DMA口载入。DSP处理单元3使用串行口周期性地由A/D转换器取得采样数据，然后通过数字滤波和一定的变换算法实时计算电量信号，由DMA接口传送至主处理器进行处理、存储和传输。DSP处理单元3根据主处理器1设定的检测类型负责故障类型的检测。DSP将数字信号进行傅离叶变换得到信号的实部和虚部，计算取得信号的基波幅值，作为故障检测的依据。一般可检测的故障类型有：相间过流故障、单相接地故障、 断路器两侧失压、断路器一侧有压、一侧无压。 当DSP检测到上面所列的任何一种故障类型，设置检测标志，发送中断请求通知主处理器进行逻辑判断。

所述FPGA单元4的逻辑电路包括：模拟输入量的多路选择控制和定时转换；主处理器1和DSP之间的接口控制；时钟电路和数字量输入时序控制。DSP对交流输入信号的分析需要精确的采样间隔，因此由FPGA控制多路转换和A/D转换的寻址和定时，数字锁相环调整采样时钟与工频同步，主处理器通过FPGA动态跟随工频频率的变化，保证交流量的采样周期总是128个采样点/周波。

所述通信单元7包括RS232通信口（RS232）、USB维护口（USB）、以太网口（TCP/IP）和CAN 通信口（CAN），其中，CAN 通信口（CAN）为可选。

 所述电源单元使用浮地的直流电源输入，通过内部的DC/DC转换器，产生共地的+5V、+15V与-15V、及不共地的+24V直流输入作为内部逻辑电路、模拟电路及“干”接点输入光电隔离电流驱动电源，总功耗小于8W。

所述显示单元9使用240*128点阵液晶模块，通过液晶模块可显示装置模拟量、状态量、保护信息、告警信息和装置常用功能设置项。面板采用6键橡胶按键，可方便用户操作。在装置面板有装置指示灯，通过运行指示灯可直接观测装置运行状态，同时可告警保护信息的产生等。

如图 2-3所示，在双端电源，开环供电的配电线路中，柱上分段开关F1-F5，每个开关配置一个配电线路故障自愈控制器FTU，所述控制器FTU用于设置失压判别、过电流判别、小电流接地判别、备自投功能控制程序，自动实现故障区域隔离，非故障区域恢复供电；其中图2-3中黑框开关表示开关处于合闸状态，白框开关表示开关处于分闸状态，F4作为联络开关平时工作在分闸状态，F1、F2、F3、F5平时工作在合闸状态。

如图4所示：当故障点发生二相及以上短路或接地短路故障时，配电线路故障自愈控制方法具体步骤如下:

步骤1-1：故障点发生短路故障，第一断路器CB1过流保护动作，线路断电；

步骤2-1：此时由电源1供电的分段开关F1、F2、F3通过控制器FTU检测到失压后，依次进行失压保护动作，分段开关F1、F2、F3分闸；

步骤3-1：第一断路器CB1延时10S后重合闸；

步骤4-1：分段开关F1、F2分别依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤5-1：由于故障点存在，分段开关F2备投到故障线路上后，检测到过流信息，加速分闸，不再执行备投指令；

步骤6-1：故障点的另一侧，由电源2供电，分段开关F4检测到一侧有压、一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤7-1：分段开关F4备投后，分段开关F3检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，但由于分段开关F3备投功能已由电压脉动闭锁，处于开闸状态，不再执行备投指令；

步骤8-1：如图3所示，分段开关F1、F4、F5合闸，分段开关F2、F3分闸，故障点被成功隔离，非故障区域恢复供电。

当故障点发生单相接地故障时，配电线路故障自愈控制方法具体步骤如下:

步骤2-1：接地故障点发生在分段开关F2和F3之间，第一断路器CB1做小电流接地试跳，分闸；

步骤2：由电源1供电的分段开关F1、F2、F3检测到失压后，失压保护动作，分段开关F1、F2、F3分闸；

步骤3：第一断路器CB1延时10S后重合闸；

步骤4：分段开关F1、F2依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤5：由于故障点存在，分段开关F2备投到故障线路上后，通过控制器FTU检测脉动电压3U₀存在，(当系统发生单相接地时，以全接地方式为例，接地相电压趋向于零，非接地相电压值升高至倍，根据这一电压特性，将升高后的这个电压值定义为3U₀）加速分闸，不再执行备投指令；

步骤6：故障点的另一侧，由电源2供电，分段开关F4检测到一侧有压，一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤7：分段开关F3失压保护后，检测到一侧电压恢复并在规定时间内消失，在这段时间内通过配电线路故障自愈控制器检测到存在一个脉动电压3U₀，符合脉动电压闭锁条件，闭锁备投功能；

步骤8：分段开关F2、F3处于分闸状态，单相接地区域被成功隔离，分段开关F1、F4、F5处于合闸状态，非接地区域恢复供电。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：包括主处理器，与主处理器相连的存储器单元、DSP处理单元、FPGA单元、遥控输出单元、通信单元和液晶显示单元，以及为上述各个单元供电的电源单元，所述控制器进一步包括模拟量转换单元和开关量输入单元，所述模拟量转换单元分别与DSP处理单元和FPGA单元相连，所述开关量输入单元通过串行总线与FPGA单元相连；电压、电流模拟量经过模拟量转换单元转换后数字信号后，送入DSP处理单元进行处理，各开关状态值通过开关量输入单元输入到FPGA单元，主处理器通过DMA方式读取DSP处理单元内的各相关数据和计算结果，同时通过FPGA单元读取开关量输入单元的各开关状态值，然后通过遥控输出单元控制各个开关状态，同时通过通信单元和液晶显示单元进行通信、维护、控制操作。

2.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述模拟量转换单元包括变压器、低通滤波器、多路转换器、电压更随放大器和A/D转换器，所有的模拟输入量经模拟输入变压器或飞电容转换，然后滤波，再经过多个8选1 CMOS多路转换器选择，多路转换器的输出由电压跟随放大器驱动，送入A/D转换器转换为数字量，A/D转换器的输出以串行数据流的形式送入DSP处理单元进行处理。

3.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述主处理器采用MCF5272通用主处理器。

4.如权利要求3所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述主处理器具体选择型号为MCF5272CVF66的32-bit主处理器。

5.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述存储单元包括SRAM、SDRAM和FLASH RAM。

6.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述DSP处理单元采用AD公司的数字信号处理器ADSP-2185。

7.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述通信单元包括RS232通信口、USB维护口、以太网口和CAN 通信口。

8.如权利要求1所述的一种配电线路故障自愈控制器，其特征在于：所述电源单元使用浮地的直流电源输入，通过内部的DC/DC转换器，产生共地的+5V、+15V与-15V、及不共地的+24V直流输入作为内部逻辑电路、模拟电路及“干”接点输入光电隔离电流驱动电源，总功耗小于8W。

9.一种配电线路故障自愈控制方法，其特征在于：所述控制方法应用在双端电源，开环供电的配电线路中，整个配电线路包括第一电源，第二电源，第一电源和第二电源的出线端设有对应的第一断路器和第二断路器，第一断路器和第二断路器之间设有数个柱上分段开关，每个柱上分段开关均配置有一个权利要求1所述的配电线路故障自愈控制器，所述控制器用于设置失压判别、过电流判别、小电流接地判别、备自投功能控制程序，自动实现故障区域隔离，非故障区域恢复供电；柱上分段开关之间设有常开的联络开关，当配电线路发生二相及以上短路或接地短路故障时，其故障自愈控制方法包括如下具体步骤：

步骤1-1：故障点发生短路故障，第一断路器过流保护动作，线路断电；

步骤1-2：由第一电源供电的各个分段开关检测到失压后，通过配电线路故障自愈控制器启动失压保护动作，分段开关分闸；

步骤1-3：第一断路器延时2~30秒后重合闸；

步骤1-4：第一电源与故障点之间的分段开关依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤1-5：由于故障点存在，第一电源与故障点之间离故障点最近的分段开关备投到故障线路上后，通过配电线路故障自愈控制器检测到过流信息，加速分闸，不再执行备投指令；

步骤1-6：故障点的另一侧，由第二电源供电，联络开关检测到一侧有压，一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤1-7：故障点与联络开关之间的分段开关失压保护后，通过配电线路故障自愈控制器检测到一侧电压恢复并在规定时间内消失，符合脉动电压闭锁条件，闭锁备投功能；

步骤1-8：故障点两侧的分段开关处于分闸状态，故障点被成功隔离，配电线路中的其余分段开关处于合闸状态，非接地区域恢复供电；

当配电线路发生单相接地故障时，其故障自愈控制方法包括如下具体步骤：

步骤2-1：故障点发生接地故障，第一断路器做小电流接地试跳，分闸；

步骤2-2：由第一电源供电的各个分段开关检测到失压后，失压保护动作，所述分段开关分闸；

步骤2-3：第一断路器延时2~30秒后重合闸；

步骤2-4：第一电源与故障点之间的分段开关依次检测到一侧有压、一侧无压，符合备投条件，执行备投；

步骤2-5：由于故障点存在，第一电源与故障点之间离故障点最近的分段开关备投到故障线路上后，检测脉动电压3U₀存在，加速分闸，不再执行备投指令；

步骤2-6：故障点的另一侧，由第二电源供电，联络开关检测到一侧有压，一侧无压，满足备投条件，执行备投；

步骤2-7：故障点与联络开关之间的分段开关失压保护后，一侧电压恢复并在规定时间内消失，在这段时间内通过配电线路故障自愈控制器检测到存在一个脉动电压3U₀，符合脉动电压闭锁条件，闭锁备投功能；

步骤2-8：故障点两侧的分段开关处于分闸状态，单相接地区域被成功隔离，配电线路中的其余分段开关处于合闸状态，非接地区域恢复供电。