摘要: 预装式变电站的发展趋势是数字化、智能化、集成化、网络化,这就要求它必须具有一体化的保护、计量、控制、温湿度检测与调节、无线通信等功能,综合保护装置就是针对这一趋势而设计开发的。它以基于FPGA 技术的专用保护芯片为芯核,与16 位微处理器配合完成交流采样、全波傅里叶变换、频率测量、继电保护、录波等功能。无线组网采用了GSM 通信技术,不受通信距离和地域限制,数据可安全传送至任何地点。预装式变电站内各区域的温湿度采用了模糊控制策略,能够适应复杂多变的控制要求。该装置现已投入实际使用,效果良好。
关键词: 变电站自动化; 预装式变电站; 继电保护; 无线通信; GSM
0 引言
预装式变电站又称箱式变电站,用于负荷比较集中、地价较贵的城镇终端供电网中,它是35 kV,10kV城乡电网改造中的关键设备之一。预装式变电站是一种高压开关设备,也是配电变压器和低压配电装置按一定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式的配电设备,即将高压受电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起。具有成套性强、体积小、占地少、能深入负荷中心、提高供电质量、减少损耗、送电周期短、选址灵活、对环境适应性强、安装方便、运行安全可靠及投资少、见效快等一系列优点。由于预装式变电站的诸多优点,20世纪七八十年代在我国大中型城市中陆续采用,并在90年代迅速发展。现在,除了在偏远的农村仍建供电所外,几乎所有城市和经济发展较快的小城镇,10 kV终端都采用预装式变电站。
传统的保护只在高压侧配置负荷开关和熔断器,变压器室有的装有专用温度控制器,低压室出线
一般设有空气开关或塑壳开关。随着社会经济的发展,用户对供电可靠性和电能质量要求越来越高。预装式变电站和传统的供电所相比,虽然有着明显的优势,但仍存在一些不足之处,比如高压侧不设开关保护、变压器无故障监控、高低压室无防凝露保护等。一旦设备或线路发生故障,不能迅速切除。为了保证预装式变电站的安全运行,降低系统意外事故,必须对高压室、变压器室、低压室所有重要参数进行监控,并采取综合保护措施。同时加入温湿度测控单元,防止箱式变电站受温湿度影响形成凝露而造成闪络事故。在组网通信上,采用了国际先进的全球移动通信系统( GSM 技术) ,真正实现了预装式变电站智能化、无人值守的要求。
1 综合保护装置的设计方案
1. 1 综合保护装置的功能设计
1. 1. 1 高低压室电参量的监测与保护
实时在线监测高压侧三相入口电压/ 出口电流、低压侧各输出端口电流,记录运行时的电压、电流、功率、功率因数,供上位机调用或本地监测;实时监测预装式变电站三相高压侧出口故障电流,并根据故障状态及时分断负荷开关或向上位机发送故障状态信号。
1. 1. 2 高低压室的防凝露保护
预装式变电站一般装于户外,要及时对高压室、低压室实时在线监测温湿度信号,并根据当前温湿
度值及时启停除湿、升温设备,破坏凝露的生成,有效防止高压开关和低压开关设备因表面出现凝露而发生闪络放电事故。
1. 1. 3 变压器室温度保护
变压器在运行过程中由于负荷及各种因素的影响,温度容易升高,若不及时对其降温,或在温度急
剧上升时做出相应处理,将影响变压器出力甚至引起设备故障或永久损坏。通过实时监测变压器绕组温度或变压器油温来控制排风扇启停。
1. 1. 4 无线组网
根据预装式变电站无人值守的特点,使得系统组网成为必然。由于GSM 利用了中国电信的GSM
网络,不受通信距离限制,数据信息可以安全传送到任何地点,保密性强,因此,本装置采用GSM 进行通信。
1. 1. 5 参数在线数字化显示和设定
320×240 点阵LCD 显示高压侧入口三相电压和出口三相电流、高压侧最新出口故障电流、低压侧各输出端口电压、高压室及低压室温湿度和变压器室温度。
故障电流的整定值和各路温湿度的上下限设置值均可通过键盘设置修改,或通过上位机下发命令来设置修改故障电流整定值和温湿度上下限值。
1. 2 硬件设计
采用通用硬件平台设计方法,具有独立性和模块化特点。可根据不同的控制要求选配不同种类的
模拟输入,因而,可适用于不同类型预装式变电站的综合保护。该装置以16 位单片机为控制核心,采用进口高性能电流互感器、电压互感器、温度传感器和湿度传感器作为检测元件,同时对4 路电流信号( Ia , Ib , Ic , Io) 、3 路电压信号( Ua , Ub , Uc) 、6 路温度信号( Tg , Tb , Td , T1 , T2 , T3 ) 、3 路湿度信号( Hg , Hb , Hd) 进行监测,根据故障电流/ 电压、超温/湿情况,对高压室负荷开关/ 断路器、变压器室的变压器温度、高压室/ 变压器室/ 低压室的温湿度进行综合保护,并具有低压室三相电压缺相报警功能。
对高压室负荷开关/ 断路器的保护采用三段式过流保护(速断、限时速断、定时限过流) ;变压器温度保护采用超温报警输出;高压室、变压器室、低压室内环境温湿度保护采用超温、超湿报警输出。
硬件结构如图1 所示。
输入板接收所有要采集的参量,经互感器的变换,送到模拟板。模拟板把输入板传送的各个参量
经滤波、放大等处理后,进行A/ D 转换,将转换后的数字量送CPU 板计算处理。CPU 板是整个单元的核心,它接收经模拟板A/ D 转换后的数据、面板的开关量和上位机的通信数据,再经处理后向输出板输出操作信号,通过断路器的动作完成报警、跳闸等功能,或通过操作LCD 输出测量信息的数值,或向上位机上传信息。
2 关键技术
2. 1 基于FPGA 的数字继电保护技术
在数字继电器中,输入的电压、电流信号通过等间隔采样被转换为数字信号,再经过相应的算法求
解出输入信号的幅值与相位,通过判断幅值及其相位等之间的关系可以确定电力系统处于什么状态,根据所处的状态决定采取跳闸、告警等处理措施,保证系统的安全运行。另外,还要根据显示的要求获得电压、电流、功率、电能等信息。为此,用现场可编程门阵列(FPGA) 来实现信号的采样控制与数字处理,并根据结果做出相应动作。整个系统由2 片FPGA 共计6 个主要模块构成:A/ D 转换模块、FFT模块、频率测量模块、继电保护模块、通信模块、接口模块。
数字继电保护单元构成如图2 所示。
数字继电保护必须解决如下问题:
a. 数据的高速处理。各种保护、计量、监测与控制功能的实现是基于数字处理技术,要求核心器
件必须有很强的数据处理能力。
b. 解决大规模生产的问题。以微处理器为核心的电路设计受硬件环境与软件的限制,要求工作
人员有较高的素质。
c. 现场可编程与配置以及小体积、低功耗、低成本。
利用半定制集成电路实现继电保护,将保护功能集成到单片的集成电路中,是解决问题的有效途
径。
全波傅里叶变换采用“流水线”方法进行设计[1 ] 。FFT 算法是继电保护中的重要算法,其定义
为:
式中:
为旋转因子; k = 0 ,1 , …, N - 1。
由于傅里叶算法的复乘与复加数目和计算的点数有关,因此,在设立傅里叶算法时,必须考虑运算
的效率与实际的硬件开销。通常,运算速度越高,并行处理的部分越多,硬件的开销就越大。本系统中,采用了FFT 基22 蝶形算法。对于这种算法,每一个蝶形算子需要2 个复加器,每级运算需要16 个蝶形算子,整个傅里叶分析需要进行5 级运算。每个蝶形算子可表示为:
在计算中,考虑到每次运算的结果最大为输入的2. 414 倍,必须在计算过程中通过移位来限制结
果的溢出。另外,在顺序输入数据时,每级运算结果都会发生顺序的变化,因此,需要在计算前或结束后调整数据顺序。傅里叶算法的实现如图3 所示。
2. 2 基于GSM的通信技术
综合保护装置中内置了西门子TC35 GSM 模块,采用基于GSM 短信技术[2 ] ,通过给每个综合保护装置分配惟一的地址(SIM 号) ,将现场检测的数据信息打包成“短信数据包”,建立无线通信网络,为每个智能化的预装式变电站提供一个网络化通信接口。从根本上解决了人们对预装式变电站分布广、距离远而难以用有线方式组网的难题,实现了数据的远程双向传输。利用GSM Modem 构成预装式变电站远端监测系统,如图4 所示。
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