一种配电网线变关系分析装置的开发设计

一种配电网线变关系分析装置的开发设计

朱奇

南京蓝园精瑞电气有限公司 江苏南京 210000

摘  要：随着4G无线通讯技术和GPS/北斗定位技术在配电网中越来越多的应用，本文将这些技术融入到配电网线变关系识别系统中，开发一种适用于配电网线路的中压线变关系分析装置，配合主站控制负荷的投切策略，改变线路电流特征，以确定哪些电力设备在同一条配网线路上。

关键词：配电网 线变关系分析

引言

近年来，国家大力发展配电网，城市的基础配电网网络发展迅速，线变关系也变得日益复杂。加之前期的线路设计，很多资料不完善不准确，现在绝大多数的配电网拓扑模型有着模型质量不高和拓扑关系不完整及连接混乱的问题，有时候还会发生无法感知模型变化的问题。开发一种用于配电网10KV线路的中压线变关系分析装置，可以有效提高线变关系识别的正确性。

一、背景分析

配电网中线变关系涉及配电网设备、线路及其连接关系的完整描述，能够保障配电网的运行效率，使得配电网络变得更加智能化。只有建立完整、准确、可靠的压线变关系，才能为配电网调度运行、检修、供电服务提升等工作提供支持，否则配电网络有可能经常处在不稳定的状态，无法给用户及时提供电力能源。同时，配电网智能化应用的实现还需要满足完整性和兼容性两个关键要素，其中完整性要求需要满足拓扑结构关系不窜联、不孤岛等问题，兼容性需要与现有自动化系统进行深度集成。为此，配电网线变关系的建立需要借助专业的配电网信息化平台，以保障配电网朝向智能化、自动化、系统化的方向发展。

但是配电网中包含大量的设备，长时间高压处于高压运转的状态，扩容任务繁重，且电力设备经常需要维修，导致电网拓扑数据管理维护工作量大，尽管投入大量的人手去维持配电网的正常运转，依旧无法及时更新电力数据，实际的线变关系和系统中存储的线变关系之间存在较大的差异。靠传统人工方式进行摸排，耗时又耗力，效率非常低下，尤其是在不停电的情况下更是缺乏有效手段。低压配电网的拓扑识别方面已经有了一些较为成熟的应用，比如说低压户-变对应关系检测技术已经广泛应用于智能电表等领域。但对于中压线变关系的识别和拓扑识别方面，目前国内还面临很多问题，未来研究者需要将更多的精力放在中压线变关系的识别和拓扑识别方面，推动配电网智能化应用的发展。

二、一种用于配电网线变关系分析装置的开发设计

1、方案概述

如图1所示。本装置由四个部分组成：测量电路、电源电路、MCU控制电路和通讯模块。其中通讯模块包括RF模块和4G/GPS模块。装置外壳采用目前已经有成熟模具的录波型故障指示器的外壳，可以做到IP68防护，既适用于架空线电缆的安装，也可以安装在地下电缆上。外壳内置取电线圈和罗氏线圈，分别接到电源电路和测量电路，实现装置供电和一次电力线电流测量。MCU控制电路采用了低功耗的MSP430FR系列控制器，实现整个装置的逻辑控制和信息传输。RF模块用于就地维护，通过手持客户端读取或者写入装置参数和数据信息。4G/GPS模块主要用于实现两部分功能，一是通过GPS获取本装置的实时位置信息和时间信息，二是通过4G网络向配网主站远程传输装置获取的数据信息。

图1中压线变关系分析装置框图

装置上电后，首先通过4G/GPS模块获取定位信息和同步校时信息，并与配网主站建立起无线链路关系。当配网主站进行中压线变关系识别专项工作时，会控制一定区域的配网线路开关进行投切，调整线路负荷或者向某条线路注入特定频率的谐波，就可以在这条线路上产生特定变化的工频电流，本文中压线变关系分析装置批量安装在该区域的各条配网线路上，实时检测电流信号，并提取信号的电气特征，随定位信号和时间信息，一起发送给配网主站，主站收到这些信息后，进行统计，那么在相同时间范围内，有着相同电流特征的装置，就是在同一条变电站的输出线路上，根据各装置的定位信息，就可以将这条线路画出来。实现线变关系识别。在日常运行中。中压线变关系分析装置也可以通过定值设置，监测所在线路是否有过流过压情况上报主站，如果出现停电故障，电网工作人员可以根据汇集到的数据和定位信息，快速地定位到故障线路所在位置，进行检修。

由于不同电路有不同的功能，现在主要应用的电路分为四种，下述是各功能电路的工作原理。

2、测量电路

如图2所示，本文装置挂接到一次线缆后，通过罗氏线圈采集线路运行电流。罗氏线圈预置在装置壳体内，测量范围0-600A，通过一个三芯插头接入电路板，屏蔽层接GND。罗氏线圈的输出电压一端接到REF1.25V，另一端接到低功耗运放U15上，实现电压跟随功能，提高输出的带载能力，然后接到低功耗运放U1，做积分运算还原一次线路电流波形，最后接到低功耗运放U2，做一次比例运算，最终将接入MCU控制电路的模拟信号，调理为1.25VDC为中心线，幅值0.6V的正弦波模拟信号AD_I_AC。MCU对该信号进行模数转换和傅式运算，还原出一次线路电流值，精度1%。

图2 测量电路

3、电源电路

如图3、4所示，电源电路包括2个部分，供电电路和充电电路，实现供电和充电的功能。集成在装置壳体中的取电线圈（相当于电压互感器），通过一个三芯插头接入电路板，经过D15、D16、D17、D18搭接的整流桥后，接入电源芯片U5输出Vin5V。一次线路通过大于12A电流时，Vin5V就足够为整装置供电了，Vin5V经过肖特基二极管D7变成VDDIn,作为装置的5VDC电源。VDDIn再经过电源芯片U7转换成VDD，作为装置的3.3VDC电源。当一次线路没有电流流过或者电流较小时，需要后备电源保证装置可以持续运行下去。VBatIn是一节4.2V的18650锂电池，可以维持装置在待机状态下运行6-8年。

另一方面，装置内部有4G/GPS模块，它在启动和通讯过程中，功耗比较大，靠取电线圈输出的能量无法维持，甚至在低一次电流情况下无法启动，所以本装置设计了超级电容进行储能CAP1、CAP2、CAP3、CAP4，通过电容的串并连接，总容值2F，为4G/GPS模块供电。如图4所示，U8是电压检测芯片，当Vin5V达到3.15VDC时，即一次线路电流达到一定值时，U8输出高电平，Q2导通，Vin5V才对储能电容进行充电，充电电压VSCap。同时VSCap做为储能电容，也是整装置的后备电源，所以VSCap通过电源芯片U9稳压输出4.5VDC,VSCapOut。如图3，四个电源通过四个肖特基二极管选择，作为装置电源的使用顺序为Vin5V>VSCapOut>VSCap>VBatIn。

图3 电源电路——供电电路

图4 电源电路——充电电路

4、通讯模块

通讯模块包括RF模块和4G/GPS模块。RF模块如图5所示，采用的是上海罗迅公司的Smart Node 616无线RF模块，主要用于就地维护。因为本文中压线变关系分析装置挂接在一次电缆上，有可能是架空线缆也可能是地下电缆，而且电缆有可能通流，所以不能采用接触式有线运维方式。通过内置的RF模块与手持终端，实现本地对装置参数读写和数据调阅，同时对装置的运行工况进行判断。

4G/GPS模块采用的是上海移远通信公司的EC20模块，图6所示为该模块的接口电路。由于该模块功耗比较大，平时都处在断电或待机状态，只有储能电容充电电压VSCap达到3.3VDC以上，MCU控制Ctl_LTEPWR信号，Q3导通，VDDLTE得电，才开始为该模块供电。完成一次与主站的通讯交互后，如果一次电缆取电功率足够就进入待机状态，如果功率不足就由MCU控制Ctl_LTEPWR信号，Q3断开，关闭VDDLTE电源。MCU通过UART串口（信号CPU_TX1和CPU_RX1）与4G/GPS模块通讯，从4G/GPS模块收取定位信息和时间信息，通过4G/GPS模块先主站发送定位信息、时间信息和一次线路电流信息。储能电容充满电后，可以维持4G/GPS模块上线，然后与主站完整报文通讯六次。

图5 通讯模块——RF模块

图6 通讯模块——4G/GPS模块接口电路

5、MCU控制电路

如图7所示，MCU控制电路的核心是U12，TI的低功耗单片机MSP430FR5989IRGCR。因为本文装置的供电依赖于一次电缆取电，所以为了保证装置长期可靠运行，必须要做到低功耗，MCU是主要影响因素。无任何取电，有18650锂电池供电，MCU出于休眠态，功耗在20uA；有外部取电，但超级电容储能不足时，MCU处在静态期，测量电路工作，RF模块处在监听态，4G/GPS模块每6小时启动工作一次，平均功耗约在80uA。

当外部取电充足，且超级电容储能充足时，MCU出于活跃态，测量电路工作，RF模块处在监听态，4G/GPS模块每小时启动工作一次，平均功耗约在200uA。MCU通过采集电池电压VBatIn、储能电容电压VSCap和一次线路测量电流AD_I_AC，来判断供电情况，切换工作状态。当配网主站进行中压线变关系识别专项工作时，MCU工作在活跃态。当本装置作为配网监测装置日常运行时，MCU根据供电情况自动切换工作状态。当检测到一次线路电流超过设定值时，会立刻进入活跃态，完成一次与配网主站的无线通讯，将一次线路过流故障上报给主站。如果遇到4G信号不稳定，在30s内无法与主站建立连接时，MCU会先关闭4G/GPS模块，储能电容充电完成后，再次发起连接。

图7 MCU控制电路

六、有益效果

1、本装置采用CT取电、内置储能电容和锂电池相结合的供电方式，此种混合型的供电方式比单一型的供电方式更具优势，往往无需外部电源供电。既可以安装在架空线路上，也可以安装在地下电缆上，通用性强。

2、本装置将GPS/4G模块与一次线路测量结合在一起，首先定位和校时信息准确，同时能直接反应一次线路的特征电流，采样精度可以做到1%，可以为配网主站进行中压线变关系识别提供最准确的位置信号、时间信息和特征电流信息。

3、本装置通过专用工装安装到一次线路上，面停电安装，即插即用，相序自适应，对电网无不良影响，同时对一次线路运行状态进行监测，并异常运行台上送给主站。