CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种10KV馈线故障自动处理系统及方法，尤其涉及一种CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理系统及方法，它属于输配电技术领域。

背景技术

馈线自动化是配电系统自动化的基础。配电系统自动化包括馈线自动化、变电站自动化、用电自动化、配电管理自动化、自动化通信系统等五个方面。

其中馈线自动化与其它不同，其设备分布在配电线路中，对配电线路进行故障检测定位、自动隔离故障区段并恢复对非故障区段供电的功能。10kv馈线自动化是提高供电可靠性的首选之一，在输配电网络中供电可靠性是电力企业追求的技术经济指标，一直是电力行业关注的热门课题。其意义在于供电区域减少停电时间和停电范围有效提高供电可靠性。

国外配电网发展起步较早，在上世纪50年代初就利用重合器、分段器、环网开关柜等设备在配电线路中实现故障控制。在一些工业发达国家中，著名电气设备制造厂家基本都涉足配电自动化领域，如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国COOPER公司、ABB公司、日本东芝公司等均推出了各具特色的馈线自动化产品。

日本馈线自动化的建设大致可分为三个阶段。第一阶段为自动重合断路器和自动配电开关，来消除瞬时性故障，隔离永久性故障。第二个阶段是在第一阶段基础上增设远动装置，实现远方控制功能。第三阶段是利用现代通讯及计算机技术，实现集中遥讯、遥控，并实现有关信息的自动化处理及监控。

在上个世纪八十年代，上海市浦东供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，第一期工程采用法国施耐德集团生产的PR环网开关柜9台，基本达到了人工遥控、遥信和遥测的目的。北京供电局引进日本东芝技术生产的具有自动化功能的柱上真空开关设备八台， 沈阳电业局于1995年安装了10台丹阳生产的柱上真空开关，采用有线控制，这些都属于国外第一阶段水平。

在国家电网加速推进智能电网的力度下，馈线自动化的建设：

从国家投资力度来看，本世纪初发电和配电投资的比例为1：0.12，大大落后于先进国家1：0.7的投资比例。但是， 2017年我国主要电力企业电力工程建设完成投资8015亿元。其中， 电源建设和电网建设投资的比例已经提升到1：2的关系。

从设备制造水平的角度看，国内不少企业已成功地研制出能够满足馈线自动化需求的产品，比如可靠的柱上真空断路器、重合器、分段器、远程终端（FTU）、线路故障远传器等。

这些投资力度和国内设备制造水平为馈线自动化智能系统的建设，奠定了可行的基础和可靠的保障。

目前国内馈线自动化模式大体分为电流—时间型重合器与电流—时间型重合器（或断路器+电流—时间型看门狗）配合的馈线自动化；电压—时间型重合器与电压—时间分段器配合的馈线自动化；电流—时间型重合器与过流脉冲计数型分段器（跌落式分段器）配合的馈线自动化等。

目前还有主站（上位机）+就地自愈模式。每个开关的终端下位机（FTU）通过GPRS或其它通信将就地自愈状态信息传递上位机，但上位机不能实现发生短路故障时有选择的指令故障开关跳闸，上位机只能人工干预传达指令开关跳闸或合闸。

现有公开号为CN112018887 A的中国专利，公开了一种配网馈线自动化运行过程监管及分析方法，该申请只是提出了利用上位机收集线路开关信息进行监管和分析功能。公开号为CN111884177 A的中国专利，公开了一种基于电压电流保护的就地型馈线自动化方法，该申请中变电站出线开关与第一台线路开关距离比较近时通过Ⅰ段保护范围选择是很难做到的，另外A、B两次失压跳闸后，启动一次侧有压后延时合闸，A合闸、B合闸后加速跳闸闭锁，为什么A不跳闸闭锁，还有说明书中记载如图4中联络开关D合闸后，C另一次侧有压是否再合一次。公开号CN111935239 A的中国专利，公开了一种基于站端协同的馈线自动化系统配置方法，它是就地自愈馈线自动化模式的一个辅助功能，在工程实际网络通信中终端IP地址是时常变化的，为了防止开关终端邻接关系不正确进行人工干预纠正的一种方法。公开号为CN11952940 A的中国专利，公开了一种就地型馈线自动化改进策略，该专利与目前现有的时间电流型和时间电压型功能基本一致，所谓改进策略主线开关与分支开关之间的配合，在动作时序图上已有实践案例。

综上所述，目前国内已有的馈线自动化技术以及现有专利分析，均属于就地自愈自动化模式。其特点是每个开关均按事先设定的程序动作，而每个设备上下级之间的配合还是以往继电保护三段式保护原理来实现。即便是某一点故障，整条线路都停电一次，然后逐级送电几次重合判断故障区域，此过程不利于系统稳定，同时开关寿命受到严重影响。

据辽宁省电力公司统计，10kv配电线路共有11600条，其中70%以上馈线自动化水平还是处于国外第一阶段水平。最近据北极星输配电网题目为 “南海智能电网领先国际水平” 的一份报到（2020.09.07），实现馈线自动化功能是“主站+就地式自愈”，文章说“有一个线路开关跳闸，自愈线路启动，历时2分38秒复电”，“远方定值调整，用电脑远程修改，需要15分钟”。就地自愈自动化模式，远程人工操作，只能说是自动化的一种形式。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理系统及方法，目的是配电线路出现故障时规避非故障区域的停电范围，有效的提升了供电可靠性。

为了达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理系统，在10KV配电线路中设有多个线路断路器，每个线路断路器与一个智能终端箱连接，智能终端箱与配电线路之间设有电压互感器，每个智能终端箱内设有一个下位机和一个CAN总线控制器，每个下位机通过光纤连接到上位机，每个CAN总线控制器通过CAN总线光纤连接，每个智能终端箱内的下位机和CAN总线控制器连接。

所述的线路断路器包括电源变电站出口断路器和中间节点断路器，电压互感器安装在线路断路器的电源侧。

所述的CAN总线光纤端部设有CAN总线终端电阻。

所述的10KV配电线路中相邻的电源变电站的配电线路通过联络断路器连接。

所述的智能终端箱内的下位机与线路断路器连接，电压互感器二次侧与下位机连接，智能终端箱内设有维持10～15秒正常工作的蓄能电源。

所述的光纤采用单模多芯光纤，其中两芯光纤将分布的CAN总线控制器节点连接形成CAN总线光纤网络，再用两芯光纤将上位机与下位机节点形成光纤通信网络。

CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理方法，先对配电线路中的多个线路断路器节点进行排序，从首端依次排序节点位帧ID，末端的节点位帧ID最小，优先级最高；当配电线路上发生短路故障时，短路点以上的线路断路器采集到短路电流，CAN总线激活，末端节点CAN总线控制器主动地与其它节点CAN总线控制器交换数据，使检测到短路电流的CAN总线控制器中与短路点最近的优先级高的节点CAN总线控制器通过下位机驱动线路断路器跳闸，若检测到反向短路电流时使检测到短路电流的CAN总线控制器中与短路点最近的优先级小的节点CAN总线控制器通过下位机驱动线路断路器跳闸；下位机检测到线路断路器短路跳闸的信息将通过光纤上传到上位机，上位机接到短路跳闸信息后为了判断故障是否瞬时性或永久性，上位机通过光纤指令下位机重合一次，下位机接到指令延时0.5秒后驱动线路断路器合闸，若是瞬时性故障合闸成功恢复正常状态，若永久性故障由CAN总线控制器再一次通过下位机驱动线路断路器跳闸，上位机接到跳闸信息后指令下位机将线路断路器闭锁跳闸状态。

所述的下位机根据上位机指令通过光纤上传线路断路器正常运行参数和状态参数，当配电线路发生短路故障时将切除故障的线路断路器跳闸状态信息上传到上位机，同时传达上位机的分合闸指令。

所述的上位机实时监测配电线路中多个断路器节点的运行参数和状态参数，通过下位机遥测电流、电压、功率、功率因数运行参数；遥信开关状态信息、保护动作和异常信号；同时遥控开关的分合、操作保护、开关动作报警、预判电力重构方案、下达电力重构指令，在上位机界面上实时显示每个线路断路器节点的运行参数曲线、历史查询和人工干预时操作保护密码。

由于采用上述技术方案，使得本发明具有如下的特点和效果：

本发明改变了传统10KV线路馈线自动化模式，通过CAN总线网络针对线路短路故障直接选择故障点断路器瞬时切除，不需要以往就地式上下级开关之间多次配合选择故障方式。馈线自动化的关键是如何快速选择故障点切除故障，基于光纤CAN总线网络恰是解决该技术的有效途径。为了保证它的可靠性CAN总线网络自成体系不直接与上位机连接，其目的是短路切除时间远小于电力规程短路限时速断Δt=0.5秒的规定时间。若CAN总线在通过上位机判断并控制短路切除时间有时无法保证，这是因为上位机运行的操作系统通常为具有复杂通讯协议栈的非实时系统，且需对整个馈线系统进行数据采集监控，难以对CAN总线上报的故障信息予以实时响应。而故障跳闸后一次重合、非故障区域恢复供电由上位机指令完成，其时间上没有严格的规定。

目前CAN总线控制器每个有几百元、几千元甚至几万元的，而本发明CAN总线控制器只是满足采集故障信号、收发信号和输出跳闸指令即可，具有体积小、重量轻、性价比高等特点。

智能终端箱内设CAN总线控制器和下位机（FTU）两部分。箱体与外部有三组连线，一是光缆，其中两芯光纤与CAN总线网络连接、另外两芯光纤与上位机连接；二是电源电缆与电压互感器二次侧连接；三是控制电缆与断路器连接。箱体内部CAN总线控制器与下位机（FTU）连接。

下位机（FTU）根据上位机指令通过光纤上传断路器正常运行参数和状态参数，当线路发生短路故障时将切除故障的断路器跳闸状态信息上传到上位机，同时传达上位机的分合闸指令。

光缆是长距离传输信号的有效途径，一般10kv配电线路供电半径在10km左右，据资料介绍100base-fx单模模块用单模光纤传10-20 公里，就是说CAN总线数据通过单模光纤收发器传输再由光纤转换成CAN数据在10km范围内通讯速率是有保障的。分布在线路中的各个节点通过光纤互联传输信号，可以看成零距离、快速控制的特点。

上位机具有检测功能，既实时检测每个节点的正常运行参数和状态参数，同时检测短路状态参数；具有管理功能，既运行参数曲线界面显示，计划停电、故障停电的历史查询和可靠性统计，上位机网络图界面上开关位置符号提示不同颜色（正常运行显示红色、计划停电显示绿色、故障停电显示蓝色、短路跳闸显示蓝色闪光等）；具有逻辑判断功能，既下位机（FTU）上传短路故障跳闸信息时为了判断故障是否瞬时或永久性，上位机指令下位机（FTU）重合一次，若是永久性故障断路器再一次跳闸，通过下位机上传合闸不成功信息，上位机接到重合不成功信息在网络图界面上的对应断路器位置符号提示蓝色闪光，同时报警（响铃）经延时10秒后报警自动复位，同时指令下位机故障段的另一端断路器跳闸闭锁。故障段隔离而非故障段从另一个电源电力重构时，上位机根据非故障段的故障前负荷电流与另一个电源首端正在运行的电流之和判断是否符合重构条件，既小于另一个电源的额定电流既满足电力重构条件，上位机指令另一个电源端逐级送电，恢复非故障区域供电。以上功能特点都是上位机（服务器）实现的，充分体现了智能的效果。

附图说明

图1是本发明的系统网络图。

图2是CAN总线短路保护实施例示意图。

图中：1、电压互感器；2、线路断路器；3、智能终端箱；4.CAN总线控制器；5、下位机；6、CAN总线光纤；7、光纤；8、上位机；9、配电线路；S

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例只是用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1所示，本发明CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理系统，在10KV配电线路9中设有多个线路断路器2，每个线路断路器2与一个智能终端箱3连接，智能终端箱3与配电线路9之间设有电压互感器1，每个智能终端箱3内设有一个下位机5和一个CAN总线控制器4，每个下位机5通过光纤7连接到上位机8，每个CAN总线控制器4通过CAN总线光纤6连接，每个智能终端箱3内的下位机5和CAN总线控制器4连接。

所述的线路断路器2包括电源变电站出口断路器和中间节点断路器，电压互感器1安装在线路断路器2的电源侧。

所述的CAN总线光纤6端部设有CAN总线终端电阻R。

所述的10KV配电线路9中相邻的电源变电站的配电线路通过联络断路器DL连接。

所述的智能终端箱3内的下位机5与线路断路器2连接，电压互感器1二次侧与下位机5连接，智能终端箱3内设有维持10～15秒正常工作的蓄能电源。

CAN总线光纤互联网+10KV馈线故障自动处理方法，先对配电线路9中的多个断路器2节点进行排序，从首端依次排序节点位帧ID，末端的节点位帧ID最小，优先级最高；当配电线路9上发生短路故障时，短路点以上的线路断路器2采集到短路电流，并通过下位机5传递给CAN总线控制器4，CAN总线激活，末端节点CAN总线控制器4通过CAN总线光纤6主动地与其它节点CAN总线控制器4交换数据，使检测到短路电流的CAN总线控制器4中与短路点最近的优先级高的节点CAN总线控制器4通过下位机5驱动线路断路器2跳闸，若检测到反向短路电流时使检测到短路电流的CAN总线控制器4中与短路点最近的优先级小的节点CAN总线控制器4通过下位机5驱动线路断路器2跳闸；下位机5检测到线路断路器2短路跳闸的信息将通过光纤7上传到上位机8，上位机8接到短路跳闸信息后为了判断故障是否瞬时性或永久性，上位机8通过光纤7指令下位机5重合一次，下位机5接到指令延时0.5秒后驱动线路断路器2合闸，若是瞬时性故障合闸成功恢复正常状态，若永久性故障由CAN总线控制器4再一次通过下位机5驱动线路断路器2跳闸，上位机8接到跳闸信息后指令下位机5将线路断路器2闭锁跳闸状态。

所述的下位机5根据上位机8指令通过光纤7上传线路断路器2正常运行参数和状态参数，当配电线路9发生短路故障时将切除故障的线路断路器2跳闸状态信息上传到上位机8，同时传达上位机8的分合闸指令。

所述的上位机8实时监测配电线路9中多个断路器2节点的运行参数和状态参数，通过下位机5遥测电流、电压、功率、功率因数运行参数；遥信开关状态信息、保护动作和异常信号；同时遥控开关的分合、操作保护、开关动作报警、预判电力重构方案、下达电力重构指令，在上位机8界面上实时显示每个线路断路器2节点的运行参数曲线、历史查询和人工干预时操作保护密码。

所述的光纤采用单模多芯光纤，其中两芯光纤将分布的CAN总线控制器4节点连接形成CAN总线光纤6网络，再用两芯光纤7将上位机8与下位机5节点形成光纤通信网络。

如图2所示，CAN总线1为正常S1供电时各个节点光纤总线网络；CAN总线2为正常S2供电时各个节点光纤总线网络。线路断路器2包括第一个电源变电站出口断路器S

馈电线路正常工作时CAN总线1处于未激活状态，当线路发生短路故障时至少一个CAN总线控制器4采集到短路电流，则CAN总线1激活，短路故障电流一般设定为线路额定电流的三倍或经短路电流计算确定。如图2所示在正常运行情况下联络断路器D

中间节点断路器D

在CAN总线1的功能技术下有效地隔离了故障区域（中间节点断路器D

如图2所示，故障发生在分支线路断路器D

如图2所示，由于第一个电源变电站出口断路器S

以上中间节点断路器D

如图2所示，分支线路断路器D

以上只是本发明实施例，只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。