低压电网接地监测系统自动告警装置的设计与应用

1低压配电网的现状

1.1低压配电网的特点

低压配电网是指1kV及以下的配电网,直接与用电设备连接,具有分布广、网点多、线路长及事故多等特点。据了解,农村地区的低压配电网运行年限普遍较长,存在绝缘层老化、线路过载的现象,且电信、电视和电力线(简称"三线")相互搭挂的问题突出。

1.2低压配电网的运行方式

我国的低压电网大都采用的是TN系统,主要作用如下:(1)三相不平衡情况下,三相电压基本保持平衡:(2)当零线故障断开时,避免单相用电设备供电电压升高为线电压而烧坏。但是,当发生相线故障接地或人为接地时,故障电流能够通过大地流回中性点,会造成较大的电量损失:而且低压电网带接地故障运行存在极大的安全隐患,若不及时排除,甚至可能引发人身触电事故。

所以,需要建立一套能够实时监测低压电网接地故障情况,且能够主动发出告警信号的低压电网接地监测系统自动告警装置,使得运维人员能够及时处理低压电网接地故障。

2低压电网接地监测系统自动告警装置的设计

2.1低压电网接地监测系统告警装置的组成

低压电网接地监测系统自动报警装置的组成如图1所示。

2.1.1中性点接地线电流转换单元

为方便安装及减小对低压配电网正常运行的影响,装置采用一种开口式电流互感器把接地线中流过电流转换为二次电流。

2.1.2模数转换单元

装置采用目前电力计量广泛应用的单相电子表作为电流模数转换单元。外部设备可通过Rs485接口或电力载波通信来读取接入电子表线路中流过的实时电流数据。

2.1.3主控单元

装置的主控单元采用sTM32F103C8T6微处理器。该MCU内部集成主频72MHz中央处理器单元、20kB的RAM、64kB的RoM、48路GPIo等丰富的片上资源,应用所需外围电路少。

2.1.4数据传输单元

装置的数据传输单元主要包括两部分:第一部分是主控单元读取电子表的数据,主控单元通过Rs485接口读取电子表数据:第二部分是主控单元发送告警信息到运维人员手机和更新远程服务器数据,这部分的数据传输主要通过GPRs模块来实现。

2.1.5人机交互单元

为了便于运维人员使用,装置还具备良好的人机交互单元。人机交互单元包括输入及输出两部分,输入主要是一块4×4的矩阵键盘,输出主要是一块128×64像素的oLED屏。

2.2数据处理

2.2.1读取及解析电流数据

主控制器与电表之间的通信内容是基于《多功能电能表通信协议》(DL/T645一2007)的主站请求帧及从站应答帧。一帧数据主要包括电能表的逻辑地址、控制码、数据域等内容。

主控接收到电子表发送的从站应答帧后,首先计算校验码是否一致,如果不一致则接收错误,停止解析:然后判断数据域中的标识是电流应答帧还是电压应答帧:最后,提取应答帧中的数据部分字节。

2.2.2接地故障判断

由于台区三相不平衡使得配变中性点偏移,中性点接地线产生电流,所以流过中性点接地线的电流不一定就是故障电流。装置在故障监测过程中,只有满足监测到流过中性点接地线的电流大于设定的阈值电流且持续时间超过设定的时间才初步判断为发生接地故障。

2.3功能实现

2.3.1信息输入功能实现

装置的信息输入接口是一块4×4的矩阵键盘,为减少I/o口资源的占用,矩阵键盘的驱动使用按键扫描的方法。按键扫描只需占用8个I/o口,4个行公共引脚及4个列公共引脚。矩阵键盘的原理图如图2所示。

2.3.2信息输出功能实现

装置的信息输出是通过一块128×64像素的oLED屏来显示的,oLED显示屏比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、清晰度高、柔性好。oLED用来显示装置运行信息、实时电压值及实时电流值等信息,为菜单选择及参数设置提供了可视化的操作平台。

2.3.3菜单及参数设置系统功能实现

为了装置能够方便地应用及维护,运维人员需要能够设置电能表逻辑地址、手机号码、异常电流的阈值等参数。由于需要的参数数量较多,所以需要一个菜单导航系统。

参数有多个位可设置,参数用一个字符变量数组来缓存每个位的值,用一个整数变量来记录当前位的索引。

2.3.4参数固化功能实现

在低压配电网长期运行的过程中,可能会发生停电事件,为了装置停电重启后能自动继续运行监测,需要对可设置参数进行固化处理。装置的主控芯片sTM32F1系列单片机具有IAP(在应用编程)功能,可以在不拓展外部ROM的情况下把参数固化到单片机的程序存储器FALsH存储器中。

3低压电网接地监测系统自动告警装置的应用

3.1装置的安装使用

3.1.1装置的安装方法

装置整体为盒子形式,内部电路已连接完好,安装时只需要固定装置整体,把220V电源线并联到监测电能表的输入引脚,把Rs485信号线与电能表Rs485接口的A、B端子对应连接,再插上sIM卡,连接好天线就可以开机运行了。

3.1.2菜单导航及参数设置

屏幕显示的窗口分为信息显示主窗口、菜单选择窗口及参数设置窗口,三个窗口之间可通过按键来切换。信息显示主窗口主要显示GPRs模块的信号状况、实时电压值、实时电流值等。在主窗口界面按下任意键即进入菜单选择窗口,在菜单选择窗口可通过"向上"或"向下"按键高亮菜单项目,即预选菜单项目。按下"确认"按键即进入所选项目的参数设置窗口,按下"退出"按键即返回信息显示窗口。在参数设置界面,可通过"向上"或"向下"按键高亮选择要设置参数的位,可通过按键1~9设置位的值。再次按下"确认"按键,所设置的参数被保存引用:按下"退出"按键则不保存,返回菜单选择界面。

3.1.3信息发送

参数设置完毕后,可以在菜单中选择发送一次测试短信,测试短信即发送到系统设置的手机号码。如果设置的手机号码能够收到测试短信,则说明装置已联调成功,可以开始进行低压配电网接地故障的不间断监测。当监测电能表监测到的电流超过阈值电流并且持续时间超过设置时间时,装置会立即发送告警短信到系统设置的手机号码。短信内容显示监测电能表的逻辑地址及当前监测到的电流值。

3.2装置的作用

通过表1比较可知,监测系统比传统的方法更智能、高效。

3.2.1减少资源损耗,节能环保

接地电流注入大地,将造成电能损耗,并对大地加温,形成电污染。电能损耗会随着相线故障接地时间的延长而增加,应用本装置后能及时发现相线接地故障并及时消缺,减少资源的浪费。

3.2.2快速查处一火一地窃电行为

一火一地窃电者是通过打接地极,通过大地形成回路,从而实现绕过计量装置用电。窃电行为持续的时间越长,对供电企业造成的经济损失越大。通过监测接地电流,结合低压用户日抄见电量分析,可迅速锁定窃电对象,有利于反窃电工作开展,维护社会公平。

3.2.3安全事故的预控

当发生低压配电网带相线接地故障运行时,存在极大的人身单相触电安全隐患,所造成的后果极其严重,若及时发现并消缺,可以避免人身触电事故的发生。

3.2.4确保低压网的稳定运行

当发生低压电网相线接地故障时,会造成某相带故障运行,影响低压电网的电压质量:若处理不及时,出现不同相线同时接地,低压电网的电压质量将进一步下降。

4装置的应用前景

本装置适用于采用中性点接地运行方式的低压配电网,具体包括:(1)对低压配电网进行专业管理。通过在线监测,有的放矢地对低压配电网运行进行管理,节约了人力资源,提高了低压配电网管理专业化水平。(2)对于低压配电网绝缘层老化、三线搭挂严重地区,通过低压配电网实时监测,能够及时发现故障接地现象,及时消除故障点,提高低压配电网运行的安全性和可靠性。