10 kV配電線路保護測控裝置的應用設計

閆黎明，劉冰寒

（積成電子股份有限公司，山東 濟南 250104）

0 引 言

國內電網自動化發展一般遵循優先輸變電的發展思路，配電網的自動化發展滯后于變電站。近些年雖然加強了對配電網的建設，但關注點主要集中在配電網架的建設與自動化方面，以DTU/FTU實現線路的三遙為主，而配電網的保護問題還是沒有得到足夠的重視[1,2]。從減少故障停電范圍的作用來說，建設配電網繼電保護系統和完善配電網的繼電保護措施能顯著提高保護動作的選擇性及故障隔離和非故障區域恢復供電的時效性，對提高配電網的可靠性有著重要意義[3]。

1 架構設計

配電測控保護裝置在滿足傳統三遙自動化的基礎上，著重進行繼電保護方面的軟硬件設計，以高性能軟、硬件平臺為核心，實現多路交流模擬信號、多路狀態量采集以及多路控制輸出的功能。通過完善線路保護、變壓器保護、電容器保護及發電機保護等多種繼電保護功能，實現多種場景的應用[4]。

本裝置主要安裝在配電網饋線回路的分段、聯絡以及支線等開關處，實現對10 kV配網線路的測控和保護功能，與配網自動化主站系統、通信系統共同構成配網自動化系統。系統架構及本產品的應用場景如圖1所示。

圖1 現場應用場景

2 裝置總體設計

本裝置采用32位雙核處理器，采用實時多任務操作系統，同時配置以大容量的RAM和FLASH存儲器，采用可編程邏輯器件，對交流采樣、A/D轉換及控制出口等關鍵環節進行了全方位的高可靠性設計。支持串口和以太網通信，支持Modbus、IEC60870-5-101以及IEC60870-5-104等通信規約，且具有完善的線路保護和成熟的饋線自動化等[5,6]。裝置架構如圖2所示。

圖2 總體架構

3 系統硬件設計

主處理器板以32位工業級嵌入式雙核CPU為系統平臺，實現系統核心算法、測控保護功能的計算，采用CPLD實現邏輯運算，配以大空間的RAM和FLASH存儲器，實現整個系統開入量、開出量、模擬量的信息采集，完成采集信息的分析計算，并啟動相應的保護邏輯，控制對應的開出量。具備強大的通信數據處理能力，能夠實現多種通信規約的解析。采用了友好的人機交互接口設計，能夠方便實現設備的調試及維護[7,8]。

電源通信板實現設備供電系統和通信接口的設計。電源輸入接口采用兼容設計和防反接設計，可滿足配電網直流屏提供的直流24 V/48 V兩種電壓等級供電。電源板將外部輸入的工作電源轉換為各板卡的工作電源。

電源通信板提供兩路以太網口、兩路串口（RS232/RS485）作為通信接口使用，通過歐式插座與主控板進行網絡和串口等通信信號的信息交互，實現101、103、104及Modbus等不同規約的解析。

液晶顯示板卡實現裝置的人機交互，實時顯示裝置的運行狀態、三遙數據、保護事項以及規約通信數據幀，并實現裝置的按鍵值讀取和LED指示燈的功能。按鍵值的讀取及LED指示燈數值的寫入都是通過歐式插座與主處理器板上的CPLD進行邏輯譯碼來實現。

遙測板采集PT/CT單元傳來的模擬信號，通過穩壓、濾波電路對信號處理后供ADC采集。ADC采集后的數據通過歐式插座上的SPI總線與主處理板CPU進行信息交互，CPU讀取ADC的數據后，對數據進行濾波、FFT等運算，最終實現模擬量采集功能。

遙信遙控、操作回路板實現一次開關分、合狀態和隔離刀閘位置等開入量信息采集，并根據主回路的數據處理實現各種保護動作及告警指示輸出。操作回路板與開出量配合實現控制回路斷線檢測、開關防跳、閉鎖分合閘以及分合閘位置等指示功能。

4 系統軟件設計

本裝置采用FreeRTOS實時多任務操作系統，可以更合理且更有效地利用CPU資源，采用其任務調度機制，更好地保證了系統的實時性和可靠性。本次軟件設計分出4個任務，分別是人機界面任務、通信任務、數據處理任務以及監聽任務。

人機界面能實現友好的人機交互，各電氣量和電氣參數值，如電壓值、電流值、功率、功率因數、過流定值以及開關量狀態等都可以通過液晶顯示板顯示。通信任務實現網絡與串行通信及各種通信規約解析的功能。數據處理任務主要是保存程序執行過程中，因為保護邏輯產生的各種歷史事項及各類電氣參數的存儲。監聽任務實現對各任務狀態的運行監控。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

由于本裝置應用場合的要求，為了保護裝置動作的實時性和可靠性，各開入量狀態和保護邏輯就不能放在任務中執行，需要用到FreeRTOS的軟件定時器功能。軟件設計中設計3個定時器功能，分別為采樣定時器、1 ms定時器以及10 ms定時器。

采樣定時器中，同時采集16路交流模擬量，采用定時器中斷方式，每156.25 μs產生一次中斷，即每周波128個采樣點?，F場電壓和電流模擬信號經轉換與抗干擾處理后接入16位高精度A/D轉換器。數據采集完畢存在緩存數組中，采用全波傅里葉算法，快速解析出各電氣量基波和各次諧波。目前采用13次諧波，為了實現保護動作的快速性，保護值采用基波值，測量值采用的是基波和各次諧波的累加值。

1 ms定時器實時采集開關狀態量，本裝置能實現1 ms中斷采集40路遙信開關量的功能。

10 ms定時器中計算出電壓、電流的保護值和測量值，實時根據電壓值與電流值得出功率大小，并且實現了保護邏輯的運算處理，保護動作過程中產生事項及出口控制。此外，本裝置具備故障錄波功能，可對故障發生時刻的交流信號進行錄波。

5 保護功能

裝置能實現電力系統保護中規定的常規過流保護（三段）、零序保護（二段）、重合閘功能、小電流接地保護以及過負荷保護，同時具備電壓型饋線自動化和智能分布式等區域自動化功能[9-11]。以上功能已經成熟應用于南網配電網中。

6 結 論

本文介紹的配電測控保護裝置綜合了傳統配電自動化裝置和繼電保護設備的優點，既具備保護功能又能實現配網自動化典型的區域故障自愈，技術先進、功能強大且靈活應用，能夠進一步提高配電網故障隔離和恢復供電的時效性，提高供電可靠性。