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零序电压启动装置

    北京三清互联科技股份有限公司结合配电网运检的需求,充分调研分析了国内外配电自动化终端、配电线路故障指示器及输电网相角量测单元(PMU)的优缺点和技术原理,遵循国内外相关技术和产品的标准,应用云计算、大数据、物联网、移动互联网、GPS以及高精度实时采样、超低功耗与综合电源管理、小电流取电,以保障电网设备安全运行、提高运检效率效益为目标,研制了基于无线自组网的配电网智能传感器和配电网全景智能监视分析平台。配电网智能传感器能够对配电线路的电流、电压、相位角、谐波、有功及无功功率等电气量与温度、湿度等自然环境及发生短路或接地故障的配电网线路运行状态进行全景感知;基于IPv6无线网格网络技术,实现了自组织、自平衡、自愈合的配电网智能传感器无线自组网通信功能,使传感器既可以不依赖GPRS等无线公网进行无线通信,也可以基于GPRS等无线公网进行无线通信。配电网全景智能监视平台通过无线网络可与配电网智能传感器进行双向通信,收集、存储、分析及显示大量配电网数据,可对配电网智能传感器进行远程配置和控制。
  智能配电网作为能源互联网的核心,实现配电网设备与环境的全景感知及异常、故障的快速准确地定位与隔离以及快速准确的辅助诊断决策一直备受关注,建设我国电网智能运检体系的关键技术之一。 
  现阶段,配电自动化终端、配电线路故障指示器仍存在若干亟待解决的问题或提升的功能以支撑我国配电网智能运检体系的实施。
    当发生接地故障时,装在母线的零序电压启动装置会记录零序电压波形并计算出零序电压突变的精准时刻T,通过系统调取零序启动装置所在线路安装的所有高精度暂态录波型故障指示器在同一时刻T的三相电流波形,并根据故障点上下游波形特征,最终实现故障定位。

零序电压启动装置组成:高压电子PT和户内取电PT以及核心主控板
安装方式:架空线杆塔上

 
 
  
  基于无线自组网的配电网智能传感器可用于配电网电流监测、温度监测、谐波监测、三相不平衡监测、线损网损监测、事件录波、暂态量监测、实时潮流监测及故障检测定位,为配电网本体及环境感知、主动预测预警、辅助诊断决策及集约运检管控功能提供全方位的技术支撑。
 

    零序电压启动装置安装在变电站接地中性点(无中性点时则接在母线/出线上)或线路上。零序电压启动装置会实时采集三相线路电压并合成零序电压,当线路上任何一点发生单相接地故障时,装在变电站内或线路上的零序电压启动装置检测故障零序电压突变后,并记录零序电压故障波形,此外零序电压启动装置搭载GPS模块,并实时校准本地时钟,通过自有算法对故障波形进行分析并得到接地故障精准时刻T,并将时刻T发送至系统主站,此后系统主站将故障时刻T以广播方式发送至零序电压启动装置所在线路上所有高精度暂态录波型故障指示器,以此方法达到接地故障广域录波并利用故障点上下游波形差异特征,实现故障定位

 
基于无线自组网的配电网智能传感器及全景智能监视分析平台应用示意图

 

配电网智能传感器包括四类传感器:

   
路由器单元(SQDSR-2000 网关单元(SQDSG-2000)
 
配电网智能传感器与配网调度主站 SQDMS-2000配电网全景智能监控分析平台

 
 
  SQ-DSS-2000 配电网智能传感器产品将无线自组网通讯(无线 mesh 网络)作为一个标准功能,由配电网智能传感器、路由器单元(SQDSG-2000)利用其内的节点自动产生一个自组织网络以达到保持网络连通性的动态自组织和自设定网络,不再依赖于公共移动网络。
  每个配电网智能传感器都运行在IPV6协议栈之上,并且包括 RPL(IPv6 Routing Protocol forLow-Power and Lossy Networks)路由协议,即低功耗、有损网络路由协议,是物联网的基础核心技术之一。配电网智能传感器本身具有创建大规模无线网络的能力而不需要添加额外的路由、网关、中继器或转换器。相对于其他解决方案来说这是一个非常重要的优势,设备投资、安装及调试费用大幅度地降低。

  关于 IPV6 LoWPAN 协议

  IPV6LoWPAN基于IEEE802.15.4实现IPv6通信协议,将IP协议扩展到低功耗、有损的无线遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。
       其所取得的突破是得到一种非常紧凑、高效的IP实现,消除了以前造成各种专门标准和专有协议的因素,可用于开发紧凑型低功率廉价嵌入式设备的互联互通,具有无线低功耗、自组织网络的特点,是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术,其优势在于
  • 普及性:IP网络应用广泛,作为下一代互联网核心技术的IPv6,也在加速其普及的步伐,在低速无线个域网中使用IPv6更易于被接受。
  • 适用性:IP网络协议栈架构受到广泛的认可,无线网完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。
  • 更多地址空间:IPv6应用于低速无线个域网时,最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度低速无线个域网设备的需要。
  • 支持无状态自动地址配置:IPv6中当节点启动时,可以自动读取MAC地址,并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说,非常具有吸引力,因为在大多数情况下,不可能对传感器节点配置用户界面,节点必须具备自动配置功能。
  • 易接入:无线网络使用IPv6技术,更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网,使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。
  • 易开发:目前基于IPv6的许多技术已比较成熟,并被广泛接受,针对低速无线网的特性对这些技术进行适当的精简和取舍,可以简化协议开发的过程。

配电网智能传感器无线自组网解决方案

        智能传感器被布置在子网络中,每个子网络中的传感器数目可以从一个到上百个。传感器的距离范围可以达到10KM。每个子网络可以通过网关直接连接公用通讯网络,或通过公共移动通信网络网关连接。如下图所示:

关于配电网智能传感器无线通讯技术

系统频段

系统通常使用以下公用开放频段:
中国:430-440MHZ 
北美:902-928MHz, 
巴西:902-907.5, 915-928 MHz
澳大利亚 新西兰:922–928
欧洲:865-868MHz, 25mW, 58 different frequencies
以色列:315 & 325 MHz, 100mW
其他国家通常使用 865-868MHz或 902-928MHz
系统通常运行的频段无需申请特别的无线电许可证。然而,配电网智能传感器无线通讯支持广泛的频段,也可以对特殊的授权频段提供强有力的支持。
 

抗干扰

        当系统运行在无需许可公用频段时,其他的同频段无线通讯可能也在进行,这时可能会发生数据丢失,因为可能在通讯中会发生数据冲突。如果符合以下两种情景,可能会产生这种冲突:
1)其他无线设备位于传感器、路由器、或基站单元附近。如果距离较远则不会产生冲突,因为他们的无线信号接收强度低于附近MetrySense数据无线信号的强度。
2)当数据包向接收单元发送时,在相同频率相同时刻,其他无线设备进行通讯。
        配电网智能传感器系统通过以下机制来保证当其他无线设备进行通讯时系统的稳定性:
1)采用调频技术,通常每0.1秒改变一次频率(时间单元)
2)系统强迫性,在一个时间单元中,当数据帧发送后,该发送单元都会等待目标单元的确认帧。该确认帧会在同一个时间单元内返回。如果发送单元没有收到这个确认帧,则它会在不同的时间单元用不同的频率来重发数据帧,直到确认被传送到下一个路由或基础节点。通过数据重传在发生数据丢失的概率是很低的,只可能发生在干扰设备很近的情况下。
3)为每一个新的连接再次进行数据重传,这一功能使得系统更加稳定可靠。
4)在传感器和路由器中使用buffer来允许接收新的数据帧。即使以前的数据帧没有发送成功要进行重传。
5)传感器保存有数据记录。不管数据因何种原因丢失,当通讯恢复时,都会被服务器通过传感器的数据记录恢复。这种特性又在重发机制上增加了系统可靠性。
6)增加额外路由器:路由器可以很方便的添加到系统中同时自动创建一个PRL协议新路由端点,同时提供IPV6路由协议。如果一个无线单元附近有其他无线设备或者无线信号强度很弱,那么添加一个路由器可以显著增加接收该单元的无线信号强度。这种方式还能避免冲突,因为接收到的干扰信号将低于接收到正确数据的信号强度。

 

防止干扰其他设备

      由于设备通常运行在开放频段,并且与其他设备共享,所以存在一定程度的干扰。如上所述,如果一个单元与另一个系统的单元挨的太近并且在同频率和同时刻发送数据,则会产生干扰。
      然而,因为如下原因,这个干扰是很弱的:
1:发送信号的占空比很低,传感器单元通常若干分钟才发送一个小于0.1秒的数据帧。这意味着传感器单元在空间通讯时只占用一小部分时间。
2:每次传输都使用不同的频率进行。通常有50个频率可以使用,这意味着传感器在一个特定的频率所占用的空间通讯时间可以忽略。
      截止现在,对其他系统的干扰及其罕见。
 
 
序号 类别 选项 参数
1 安装选择和电线参数 安装选项    带电安装夹持杆、 绝缘手套           
导线尺寸 5-32mm    
线路电压 线电压小于70kV
导线材质 铝、铜或包线需特别定制
导线温度 最大100°C
短路电流 最大25kA(170ms)
2 控制界面 发光二极管指示 指示通信和故障状态
按钮 控制电源并触发二极管指示      
USB接口 控制用于配置的接口(内置,打开产品时可见)
3 电源选择 供电选择 感应充电、太阳能或感应充电(自动)
典型电池寿命  10—20年
典型支持时间 1周-无任何充电时
4 物理参数
 
机箱主体尺寸 12.1×14.0×21.3cm(4.76×44.9×8.39英尺)
天线长度 17.7cm
重量 3.6kg
外壳 上下面:铝,主体:尼龙玻璃纤维加固,安装螺钉:不锈钢,防护等级IP67
温度范围 -30℃——60℃
5 测量 负载电流 精确度1%(满量程的)
其他测量值 电场+电压计算、功率因数、相位角、 谐波、功率跌落、电涌等
时间标签 支持,与GPS同步
6 运行方式 全功能运行模式
不考虑传感器功耗,循环地高采样率、高精度的监测配电网状态,应用于 广域同步测量、广域分布式录波时,产品运行在此模式下。
低功耗运行模式
在满足某一具体功能前提下,尽量降低产品运行功耗,对于电网稳态量检测,每个若干分钟,产品周期性的进入工作状态采集电网稳态量;对于电网暂态量检测,基于某一电气量的突变触发传感器进行全功能运行模式,记录一段电气量后,传感器回归低功耗运行模式。应用于配电网运行、电能质量及防窃电监测时,产品运行在此模式下。
应急通信模式
此时,传感器主要作为无线网格网络的路由设备,用于外部数据的接收和转发,不进行电网运行状态的监测和数据上传,应用于电网事故处理应急 通信时,产品运行在此模式下。
7 移动蜂窝通信 2G选项 GPRS
3G选项 CDMA2000 .WCDMA .TD-SDMA
4G选项 TD-LTE. FDD-LTE
8 IPv6无线网格通信 协议 6LoWPAN,RPL路由
调制类型 GFSK,调频
9 315/325MHz 无线网络选项 频率 315或325MHz
速率 22-250kbps
范围(*) 5km、高位置安装并且可视
载波功率 最大20dBm(100mW)
10 865MHz 无线网络选项 频率 865.1—867.95MHz
速率 22-250kbps
范围(*) 3km、高位置安装并且可视
载波功率 最大14dBm(25mW)
11 915MHz无线网络选项
 
频率 916—925.8MHz
速率 11kbps-1Mbps
范围 10km(6.2英里)、高位置安装并且可视
载波功率 最大30dBm
12 433MHz 无线网络选项 频率 433.05–434.79 MHz
速率 11kbps-1Mbps
范围 10km(6.2英里)、高位置安装并且可视
载波功率 最大30dBm

 
  • 优异的超低功耗和电源管理技术

  1. 2A以上电流即可感应充电,通过应用新材料和创新电源管理技术,当线路负荷电流大于2A即可从架空线上获得稳定可靠的电源。

  2. 采用超低功耗的CPU方案,且对程序进行低功耗优化设计,平均静态功耗<50uA。

  • 高鲁棒性的设计

  1. 铝和尼龙玻璃纤维加固

  2. IP67防护等级

  3. 温度范围-30°C-60°C

  4. 免维护运行可达10年以上

  • 支持移动蜂窝网2G/3G/4G与IPv6(6LoWPAN)无线自组网

  1. 将无线网状网与蜂窝通讯结合在一起,

  2. 智能传感器间通信范围:10km(视距内)

  3. 无线网状网络范围:几百公里

  4. 可自组扩展、自平衡、自愈合的无线网络

  5. 网络规模可多达几百个传感器

  6. 可灵活连接到通信运营商的通信基础设施

  • 利用耐高压安装杆快速的带电安装,带电装卸、即装即用技术

  1. 采用取电、采集双CT一体化设计,无需外界PT及CT,可带电装卸,后期维护也无需停电;

  2. 采用软件自适应设计,参数自适应,设备即装即用,挂网后可自主运行,无需调试;

  • 高精度采样和同步技术

  1. 配合各种高精度、高采样率的采集电路与先进的模拟量采样算法可准确采集线路上的复合数据,保证了数据来源的真实性与准确性。

  2. 既可以采用罗氏线圈作为采样线圈,不饱和、线性度好等特点,采样精度±3A(0-300A),±1%(>300A)

  3. 采用1K~12.8kHz采样频率,每周波20~256点采样技术。

  4. 采用多层压叠硅钢片构成磁通回路,漏磁通少,配合各种高精度、高采样率的采集电路及先进的模拟量采集算法可准确采集线路上的负荷信息,保证了数据来源的高精度。

  5. 所有终端采样数据带有时标,同步时间精度1us .

  • 低功耗技术

  • 智能化故障检测

  1. 基于精准识别的线路工况,可准确检测相间短路故障。同时支持自适应两种短路故障判断模式,可区分永久性故障和瞬时性故障。具有先进的防误动设计,满足《DL/T1157-2002配电线路故障指示器技术条件》规范要求,可有效防止负荷波动、合闸励磁涌流、大负荷投切等复杂工况引起的误动。

  2. 适应中性点不接地、经小电阻接地等配电网中性点接地方式,以及准确提取金属性接地、弧光接地、电阻接地等不同工况下的故障线路暂态波形。

  • 高速故障暂态波形录波技术

  1. 采用1K~12.8kHz采样频率对线路电流和对地电场高速录波,可捕获小电流接地故障瞬间的暂态波形信号;

  2. 采用针对架空线电场分布优化设计的电子式电压传感器测量线路对地电场,不受同杆架设多回线影响,精准识别线路电压跌落与停电工况;

  3. 录波启动条件可包括电流突变、相电场强度突变、零序电压突变等,可实现同组触发、阈值可设;

  4. 录波范围包括不少于故障前4个周波至故障后8个周波,每周波82个采样点,录波数据循环缓存。

  • 高精度无线同步技术

  1. 高精度积分电路保证硬件相位的一致性和稳定性,无线同步误差小于10us,三相电流综合角度误差小于1.8°,保证合成后的零序电流的准确性;

  2. 通过微功率无线信号实现三相时间同步,根据故障暂态录波波形通过三相叠加合成线路暂态零序电流、零序电场信号,实现小电流接地故障检测定位。

  • 抗涌流技术

  在线路送电时,智能传感器设有闭锁机制,会根据电压和电流变化情况实线闭锁,防止因为涌流导致误报。并且在线路供电稳定后,自动解除闭锁,恢复正常检测状态。

 

全时段、全天候的配电网运行监测

  实时测量并周期上报安装地点的电压、电流、功率及温度等,并可自动报警提示电流、温度越限等事件;

全时段、全天候的配电网电能质量监测

  实时测量并周期上报安装地点的谐波、三相不平衡、电压闪变、电压跌落、低电压等电能质量,并可自动报警提示电能质量越限等事件;

广域、分布式录波

  高精度、高采样频率的分布式事件同步录波系统,便于扰动或者事故后的详细分析。 

广域同步测量数据

  可广域同步监测电流、电压的幅值、相位等配电网电气暂态量,用于包含分布式电源的主动配电网暂态稳定分析、负荷模型辨识等;可广域同步监测电流、电压、功率的稳态值,用于实时潮流状态及线损的监视分析,为配电网优化经济运行提供实时、同步、海量的配电网数据支撑。

防窃电和配电设备状态监测

  配电网全景智能监控分析平台可根据终端提供的负荷数据和电压、电流波形等分析末端用户用电行为,同时可监测诊断配电设备状态。 

精确的配电网故障选线和定位

  能够独立分析及定位短路、单相接地等故障,配电网全景智能监控分析平台通过对同一时刻各终端的同步数据的挖掘分析可实现准确故障检测、选线和定位,并自动通知检修人员。对于继电保护不能反应跳闸的6KV、10KV和35KV小电流接地系统的单相接地短路,后台可远程发送跳闸命令至故障区段两侧的智能开关实现故障自动隔离。 

电网事故处理应用通信支撑

  将产品提供的无线自组网作为通信平台,应急抢修人员可利用专用终端接入无线网格网进行语音、图像及视频的通信。
 

SQDMS-2000配电网全景智能监控分析平台的功能