低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)自動告警裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1低壓配電網(wǎng)的現(xiàn)狀

1.1低壓配電網(wǎng)的特點(diǎn)

低壓配電網(wǎng)是指1kV及以下的配電網(wǎng),直接與用電設(shè)備連接,具有分布廣、網(wǎng)點(diǎn)多、線路長及事故多等特點(diǎn)。據(jù)了解,農(nóng)村地區(qū)的低壓配電網(wǎng)運(yùn)行年限普遍較長,存在絕緣層老化、線路過載的現(xiàn)象,且電信、電視和電力線(簡稱"三線")相互搭掛的問題突出。

1.2低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行方式

我國的低壓電網(wǎng)大都采用的是TN系統(tǒng),主要作用如下:(1)三相不平衡情況下,三相電壓基本保持平衡:(2)當(dāng)零線故障斷開時(shí),避免單相用電設(shè)備供電電壓升高為線電壓而燒壞。但是,當(dāng)發(fā)生相線故障接地或人為接地時(shí),故障電流能夠通過大地流回中性點(diǎn),會造成較大的電量損失:而且低壓電網(wǎng)帶接地故障運(yùn)行存在極大的安全隱患,若不及時(shí)排除,甚至可能引發(fā)人身觸電事故。

所以,需要建立一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測低壓電網(wǎng)接地故障情況,且能夠主動發(fā)出告警信號的低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)自動告警裝置,使得運(yùn)維人員能夠及時(shí)處理低壓電網(wǎng)接地故障。

2低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)自動告警裝置的設(shè)計(jì)

2.1低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)告警裝置的組成

低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)自動報(bào)警裝置的組成如圖1所示。

2.1.1中性點(diǎn)接地線電流轉(zhuǎn)換單元

為方便安裝及減小對低壓配電網(wǎng)正常運(yùn)行的影響,裝置采用一種開口式電流互感器把接地線中流過電流轉(zhuǎn)換為二次電流。

2.1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

裝置采用目前電力計(jì)量廣泛應(yīng)用的單相電子表作為電流模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。外部設(shè)備可通過Rs485接口或電力載波通信來讀取接入電子表線路中流過的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)。

2.1.3主控單元

裝置的主控單元采用sTM32F103C8T6微處理器。該MCU內(nèi)部集成主頻72MHz中央處理器單元、20kB的RAM、64kB的RoM、48路GPIo等豐富的片上資源,應(yīng)用所需外圍電路少。

2.1.4數(shù)據(jù)傳輸單元

裝置的數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括兩部分:第一部分是主控單元讀取電子表的數(shù)據(jù),主控單元通過Rs485接口讀取電子表數(shù)據(jù):第二部分是主控單元發(fā)送告警信息到運(yùn)維人員手機(jī)和更新遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù),這部分的數(shù)據(jù)傳輸主要通過GPRs模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.1.5人機(jī)交互單元

為了便于運(yùn)維人員使用,裝置還具備良好的人機(jī)交互單元。人機(jī)交互單元包括輸入及輸出兩部分,輸入主要是一塊4×4的矩陣鍵盤,輸出主要是一塊128×64像素的oLED屏。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1讀取及解析電流數(shù)據(jù)

主控制器與電表之間的通信內(nèi)容是基于《多功能電能表通信協(xié)議》(DL/T645一2007)的主站請求幀及從站應(yīng)答幀。一幀數(shù)據(jù)主要包括電能表的邏輯地址、控制碼、數(shù)據(jù)域等內(nèi)容。

主控接收到電子表發(fā)送的從站應(yīng)答幀后,首先計(jì)算校驗(yàn)碼是否一致,如果不一致則接收錯誤,停止解析:然后判斷數(shù)據(jù)域中的標(biāo)識是電流應(yīng)答幀還是電壓應(yīng)答幀:最后,提取應(yīng)答幀中的數(shù)據(jù)部分字節(jié)。

2.2.2接地故障判斷

由于臺區(qū)三相不平衡使得配變中性點(diǎn)偏移,中性點(diǎn)接地線產(chǎn)生電流,所以流過中性點(diǎn)接地線的電流不一定就是故障電流。裝置在故障監(jiān)測過程中,只有滿足監(jiān)測到流過中性點(diǎn)接地線的電流大于設(shè)定的閾值電流且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定的時(shí)間才初步判斷為發(fā)生接地故障。

2.3功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1信息輸入功能實(shí)現(xiàn)

裝置的信息輸入接口是一塊4×4的矩陣鍵盤,為減少I/o口資源的占用,矩陣鍵盤的驅(qū)動使用按鍵掃描的方法。按鍵掃描只需占用8個(gè)I/o口,4個(gè)行公共引腳及4個(gè)列公共引腳。矩陣鍵盤的原理圖如圖2所示。

2.3.2信息輸出功能實(shí)現(xiàn)

裝置的信息輸出是通過一塊128×64像素的oLED屏來顯示的,oLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、清晰度高、柔性好。oLED用來顯示裝置運(yùn)行信息、實(shí)時(shí)電壓值及實(shí)時(shí)電流值等信息,為菜單選擇及參數(shù)設(shè)置提供了可視化的操作平臺。

2.3.3菜單及參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為了裝置能夠方便地應(yīng)用及維護(hù),運(yùn)維人員需要能夠設(shè)置電能表邏輯地址、手機(jī)號碼、異常電流的閾值等參數(shù)。由于需要的參數(shù)數(shù)量較多,所以需要一個(gè)菜單導(dǎo)航系統(tǒng)。

參數(shù)有多個(gè)位可設(shè)置,參數(shù)用一個(gè)字符變量數(shù)組來緩存每個(gè)位的值,用一個(gè)整數(shù)變量來記錄當(dāng)前位的索引。

2.3.4參數(shù)固化功能實(shí)現(xiàn)

在低壓配電網(wǎng)長期運(yùn)行的過程中,可能會發(fā)生停電事件,為了裝置停電重啟后能自動繼續(xù)運(yùn)行監(jiān)測,需要對可設(shè)置參數(shù)進(jìn)行固化處理。裝置的主控芯片sTM32F1系列單片機(jī)具有IAP(在應(yīng)用編程)功能,可以在不拓展外部ROM的情況下把參數(shù)固化到單片機(jī)的程序存儲器FALsH存儲器中。

3低壓電網(wǎng)接地監(jiān)測系統(tǒng)自動告警裝置的應(yīng)用

3.1裝置的安裝使用

3.1.1裝置的安裝方法

裝置整體為盒子形式,內(nèi)部電路已連接完好,安裝時(shí)只需要固定裝置整體,把220V電源線并聯(lián)到監(jiān)測電能表的輸入引腳,把Rs485信號線與電能表Rs485接口的A、B端子對應(yīng)連接,再插上sIM卡,連接好天線就可以開機(jī)運(yùn)行了。

3.1.2菜單導(dǎo)航及參數(shù)設(shè)置

屏幕顯示的窗口分為信息顯示主窗口、菜單選擇窗口及參數(shù)設(shè)置窗口,三個(gè)窗口之間可通過按鍵來切換。信息顯示主窗口主要顯示GPRs模塊的信號狀況、實(shí)時(shí)電壓值、實(shí)時(shí)電流值等。在主窗口界面按下任意鍵即進(jìn)入菜單選擇窗口,在菜單選擇窗口可通過"向上"或"向下"按鍵高亮菜單項(xiàng)目,即預(yù)選菜單項(xiàng)目。按下"確認(rèn)"按鍵即進(jìn)入所選項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置窗口,按下"退出"按鍵即返回信息顯示窗口。在參數(shù)設(shè)置界面,可通過"向上"或"向下"按鍵高亮選擇要設(shè)置參數(shù)的位,可通過按鍵1~9設(shè)置位的值。再次按下"確認(rèn)"按鍵,所設(shè)置的參數(shù)被保存引用:按下"退出"按鍵則不保存,返回菜單選擇界面。

3.1.3信息發(fā)送

參數(shù)設(shè)置完畢后,可以在菜單中選擇發(fā)送一次測試短信,測試短信即發(fā)送到系統(tǒng)設(shè)置的手機(jī)號碼。如果設(shè)置的手機(jī)號碼能夠收到測試短信,則說明裝置已聯(lián)調(diào)成功,可以開始進(jìn)行低壓配電網(wǎng)接地故障的不間斷監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測電能表監(jiān)測到的電流超過閾值電流并且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)置時(shí)間時(shí),裝置會立即發(fā)送告警短信到系統(tǒng)設(shè)置的手機(jī)號碼。短信內(nèi)容顯示監(jiān)測電能表的邏輯地址及當(dāng)前監(jiān)測到的電流值。

3.2裝置的作用

通過表1比較可知,監(jiān)測系統(tǒng)比傳統(tǒng)的方法更智能、高效。

3.2.1減少資源損耗,節(jié)能環(huán)保

接地電流注入大地,將造成電能損耗,并對大地加溫,形成電污染。電能損耗會隨著相線故障接地時(shí)間的延長而增加,應(yīng)用本裝置后能及時(shí)發(fā)現(xiàn)相線接地故障并及時(shí)消缺,減少資源的浪費(fèi)。

3.2.2快速查處一火一地竊電行為

一火一地竊電者是通過打接地極,通過大地形成回路,從而實(shí)現(xiàn)繞過計(jì)量裝置用電。竊電行為持續(xù)的時(shí)間越長,對供電企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失越大。通過監(jiān)測接地電流,結(jié)合低壓用戶日抄見電量分析,可迅速鎖定竊電對象,有利于反竊電工作開展,維護(hù)社會公平。

3.2.3安全事故的預(yù)控

當(dāng)發(fā)生低壓配電網(wǎng)帶相線接地故障運(yùn)行時(shí),存在極大的人身單相觸電安全隱患,所造成的后果極其嚴(yán)重,若及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消缺,可以避免人身觸電事故的發(fā)生。

3.2.4確保低壓網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行

當(dāng)發(fā)生低壓電網(wǎng)相線接地故障時(shí),會造成某相帶故障運(yùn)行,影響低壓電網(wǎng)的電壓質(zhì)量:若處理不及時(shí),出現(xiàn)不同相線同時(shí)接地,低壓電網(wǎng)的電壓質(zhì)量將進(jìn)一步下降。

4裝置的應(yīng)用前景

本裝置適用于采用中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式的低壓配電網(wǎng),具體包括:(1)對低壓配電網(wǎng)進(jìn)行專業(yè)管理。通過在線監(jiān)測,有的放矢地對低壓配電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行管理,節(jié)約了人力資源,提高了低壓配電網(wǎng)管理專業(yè)化水平。(2)對于低壓配電網(wǎng)絕緣層老化、三線搭掛嚴(yán)重地區(qū),通過低壓配電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障接地現(xiàn)象,及時(shí)消除故障點(diǎn),提高低壓配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。