具有防火墙功能的智能化配电测控装置的研制

0 引言

随着智能化配网的迅速发展，供电系统的可靠性要求越来越高。而随着电网建设的发展变化，终端用户配电网的进户线和手拉手网络都逐步由架空变为埋地电缆，而这样的后果，相对于电网运行而言，就会使供电系统的稳定性随之减弱：当某一终端用户出现短路过流现象或者说是对地故障（电流），可能会导致上级保护系统动作从而造成与之相关的网络大面积停电，而且，在众多非自动化监控的终端用户中很快找出、确定故障用户或具体区域，显然不是3～5分钟能解决的，因而几十分钟甚至1小时以上的非计划停电就在所难免。一些电力部门为了尽可能地减少这种状况，保证对不能停电单位的稳定供电，或者说不出现较长时间的电源中断，曾在其相关电力网引入分界开关和一种称之为看门狗的开关设备进行控制管理取得不错的效果[1-2]，也不失一种技术选择。但在电缆线路或混合型网络中，由于不能用重合方式获得无流分断或判据条件，加之这类装置接地故障判据方法的原因，很多情况下无法保证在尽可能短的时间内知道故障的准确地点，从而为快速、准确地切断（隔离）故障端，保证非故障用户的正常用电提供帮助。因而一种具有防火墙隔离功能、自我主动隔离事故单元网络、与配电开关柜直接配套而不需要依赖变电站出口断路器重合的配套测控装置的设计就很有必要。同时主动发送信息的通信功能，对用电可靠性和智能化配网双重需要就更具重要意义。

1 硬件系统设计

1.1 功能概述

设计基于带协处理器的多核单片机（MCU）搭建一种智能测控装置，配合单线圈单稳态永磁操动机构的真空断路器（KLTRD）开关，检测传感器的输入信号情况，以此来判断是否大于等于人工智能的设定值，并将输入值和设定的动作要求比对后确定延时时间，程序终了后执行开关跳闸、输出相应自动化指令及信息，或与后台系统交换相关指令执行驱动。能适时显示相关电参量数据、保存最后故障状况（故障录波，按照时间先后自动排列并清除最旧的记录）。在有后台操作平台时按照人工智能系统要求，以一定协议方式，通过RS485方式实现有用数据的传输。

① 当界内发生相序故障时，相序过电流保护启动并记录故障波形。当计时时间达到设定值（整定值）时，输出驱动指令并作用于KLTRD开关执行跳闸，隔离故障网络。有必要时，可选择执行KLTRD开关操作功能闭锁功能模块（选配功能/需要工具解锁）。实现隔离故障和报警提醒的防火墙功能。

② 当用户界内发生接地故障时，零序电流保护在整定时间内准确动作并记录，并允许直接作用于KLTRD开关柜跳闸，隔离界内故障，实现防火墙隔离功能。

③ 当装置检测到有对应驱动永磁操动真空断路器（KLTRD）动作的指令输出、按照预定要求需要提供信息时，自动从通信口提交预设信息编码，以有线（RS485&光纤）或无线（基于GPRS/GSM）方式主动上传信息：指令输出原因、动作具体时间（ms级）、已动作的装置地址（编码），甚至包括适时电参量、核定内部定值等（需要配套后台操控软件支持）。

1.2 硬件结构设计

由于需要测量动态变化的电流电压值，从控制需求角度考虑，选择带协处理器的MC9S12系列单片机的更新换代产品 MC9S12XDP512作为主控MCU。因具有多核中央处理器的MCU可以采用分页管理存储空间[3-4]，能有效地解决数据管理和处理问题。其内部的 XGATE协处理器是一个独立于S12X主CPU的可编程RISC内核，可作为高效的DMA控制器，在外设与RAM之间自主地进行高速数据传送，并在数据传送过程中进行灵活的数据处理。XGATE指令时钟最高可达100 MHz，是主CPU总线速度的2倍。XGATE的代码执行是由中断驱动的，当XGATE的中断服务程序处理结束后提交处理结果给主CPU，这样S12X主CPU只需关注上层的控制算法，而与底层密切相关的硬件操作由XGATE处理，极大地提高了系统性能。使用XGATE协处理器的主要目的是可以提高系统的实时性，减轻主CPU的工作负荷，让其完成更多的系统核查任务。选择多核单片机作为主控MCU首先从硬件性能上能满足动作快、可靠性高的设计目标需求[5]，故实际设计以MC9S12XDP512为主控MCU的硬件结构系统（图1）。

图1 硬件系统结构
Fig.1 Block diagram of hardware

2 主要检测技术

2.1 过流故障处理[6]

本测控装置相电流和零序电流均采用三段式过流保护：无时限电流速断保护（电流Ⅰ段）、限时电流速断保护 (电流Ⅱ段)、定时限过电流保护（电流Ⅲ段）。三段定时限的动作定值及动作时间可根据配电网络的实际需要，通过键盘手动输入或通过后台控制软件来设定。相序故障判断基础原理如图2所示。

图2 定时限动作曲线
Fig.2 Definite times curve

当故障电流大于I1时，控制器延时T1时间后输出动作指令，驱动配套断路器断开负荷回路；当故障电流大于I2时，控制器延时T2时间后输出动作驱动指令（分断配套断路器）；当故障电流大于I3时，控制器延时T3时间后输出动作驱动指令（分断配套断路器）。其中，三段动作电流I1、I2、I3及与之对应的延时时间T1、T2、T3可以根据具体的情况通过键盘输入，在显示屏上对应菜单栏中进行修改：T对应需要设定的过流动作时间定值，I对应需要设定的过流电流动作定值。

相序过流故障处理还保留了对应的反时限处理方式。

2.2 接地故障判据原理

本测控装置主要依据被检测线路接地故障时的稳态分量与接地故障时线路的故障相、非接地故障相的暂态分量进行提取分析计算，依据对零序电压和零序电流I0的幅值、零序电压U0和零序电流的相位进行比较，提取出更可靠的信号成份来作为接地故障位置的重要判断依据，以期保证本装置能适用中性点不接地系统（UNS）、经小电阻接地系统（NRS）和经消弧线圈接地系统（NES）输配电网络。

2.3 接地故障检测分析

在实际线路中，除了纯电感成份和对地电容成份以外，阻抗成份其实也一起存在。因此，考虑综合因素，按照输配电系统的等效分析网络（图 3）和检测装置实际使用的情况、负荷侧单相接地故障时的状况和可能性，当故障在负荷侧时，装置检测出来的、可以推导出零序电流对应的向量关系为式（1）。

图3 系统接地等效电路
Fig.3 System earth-fault equivalent circuit model

向量I0也即对应的、装置能检测到的零序电流。而当故障发生在电源侧时，因为其中的不能被装置检测出来，则对应的装置能检测到的零序电流变为式（2）。

根据单相对地电容及经验公式[7]，分别计算上述向量公式并充分分析后，可以得到结论：无论检测装置安装的位置是在线路的前段、中间还是末端，当实际线路的补偿量不足时，总能发现零序电流电压之间的相位差在第三象限中；当补偿过量时，两者之间的相位差在第二象限中。当然，实际编译软件设定程序时需要综合各方面因素，考虑一个合适的定值范围β角，提防结果误判。

如果是中性点不接地系统或经小电阻接地系统，则从程序软件角度按照计算分析结果自主设定相位角为δ，假设选择参考基准相位角等于270°，则角差β的相位角范围170°（图4）。

图4 设定相位角
Fig.4 Intended phase angle

2.3.1 判据

采用以下三个因素并综合比较判据来判断接地故障与否和电源侧、负荷侧的接地故障：

① 零序电流I0的幅值大小；

② 零序电压U0的幅值大小；

③ 零序电压U0与零序电流I0的相位角差范围。

2.3.2 程序对零序电流I0的检测处理流程（图5）

图5 零序电流检测过程
Fig.5 Zero current testing process

2.3.3 程序对零序电压U0的检测处理流程（图6）

图6 零序电压计算过程
Fig.6 Zero voltage computation process

2.3.4 程序接地故障的判断过程（图7）

图7 接地故障判断
Fig.7 Ground connection fault diagnosis

2.4 单相接地故障判据

计算以零序电压U0的相位角为设定基准，δ是基相位角，β是结合装置硬件和网络效果计算后得出的相位角范围。如在δ±β/2的范围内（图4中的斜线范围），满足零序电流I0和相位β即可判断为负荷侧故障，装置输出符合人工智能设定的判据指令；在斜线范围外的，判断为电源侧故障，同样给出合适的判据指令。实现故障提示、隔离真实故障网络，保全非故障网络的正常运行，体现类似防火墙的作用。

3 功能验证

3.1 测控装置实际制作验证

考虑到最终产品的工作环境恶劣、噪声与干扰较强，从系统的稳定性、可靠性要求较高的基础条件和成品EMC要求及整体制作成本考虑，采用4层PCB板设计基本硬件电路制作样机的基础单元[8]。

图8 主控PCB器件位置示意图
Fig.8 Diagram of main control PCB devices

通过实际制作工程样机并写入符合前述理论分析判定的软件后进行测试——分别加入标准三相正弦电流和接地电流，在各种参数设定情况下，其延时时间误差在±3%或±30 ms以内。接地故障区分、判据驱动准确无误，断相断线故障判别准确率为100%，满足电力系统要求。测控装置相序电流可以在 0.1～100 A范围内正常检测判定，零序电流在0.1～20 A范围内正常检测判据（使用常规二次电流额定5 A的电流互感器）。配套中压开关的动作准确率100%，配合实现防火墙（故障隔离）作用效果明显。

有线数据交换、控制通信采用RS485双绞线方式在2300 m长度内正确有效，通过外置光纤转换器，使用普通国产光纤替换双绞线，操控与配套后台电脑软件之间的“三遥”操作，正常有效。无线GPRS/GSM通信采用市售整体模块加SIM卡（测控装置配载通信器）、市售普通GSM数字式移动电话机加SIM卡（手持机）实现基本通信，通信功能基于GPRS信号覆盖范围内正常有效。

3.2 与配套中压开关柜配套验证

试验采用本测控装置工程样机与KLTRD单线圈单稳态永磁操动机构真空断路器（额定工作电压12kV）、KLDSF断路器（额定工作电压12kV ）装配、连接后测试，试验各项动作符合设计要求，达到对应操控目标。试验没有对其他类似中压开关设备的驱动联络做相应驱动验证，也没有对非本测控装置直接配套的后台操控软件之间的数据通信、功能遥控遥测进行测试。

4 结语

这种具有防火墙功能的测控装置能借助断路器技术、多核单片机（MCU）保护测控以及自动化通信组合一体化结构满足智能配网的基本需求。由于装置从技术角度抛弃了传统类似设备在进出线端都加装 PT作为信号传感器，而是借助一款具有自适应能力的电显[9]的特殊电路结构实现电压信号的获取，节约节能而且加装检修方便；输出直接驱动（中压）断路器实现短路情况下的故障直接切除，快速准确；多路通信通道的保留和信号的同时、适时主动传送，保证了智能化电网的信息需求。对被监控网络的故障判据迅速准确，防火墙性质的故障隔离功能随之彰显。

因为设计之初已经考虑到电网对智能化电气设备的基本参数需求[10]，同时也考虑到老旧设备的升级改造的实用性和可行性——体积小、功能全、改造配装简单方便，本测控装置作为智能配网产品配套，具有一定的技术竞争优势。