配電網(wǎng)及其自動化課程設(shè)計--配電自動化遠(yuǎn)動終端ftu開關(guān)量采樣通道及軟件設(shè)計

1、<p>　　《配電網(wǎng)自動化技術(shù)》</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　設(shè)計的意義及FTU簡介

2、 1</p><p>　　設(shè)計原理 4</p><p>　　詳細(xì)設(shè)計 7</p><p>　　設(shè)計總結(jié) 15</p>

3、<p>　　參考文獻(xiàn) 15</p><p><b>　　一、前言</b></p><p>　　電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)構(gòu)成。它是由大量的發(fā)電機、變壓器、電力線路和負(fù)荷等設(shè)備有機的構(gòu)成，旨在生產(chǎn)、傳輸、分配、消費電能的各種電氣設(shè)備按照一定方式連接的整體。</

4、p><p>　　配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)，實際是按其實現(xiàn)的功能劃分的。通常按輸電系統(tǒng)的降壓變電站中主變中壓側(cè)來劃分，高壓側(cè)斷路器及其連接的系統(tǒng)為輸電系統(tǒng)，另一側(cè)為配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)：是電力系統(tǒng)中從輸電系統(tǒng)的變壓點向電力用戶傳送電能的部分，也是將電能分配到各個用戶的最終環(huán)節(jié)，包括不同電壓等級的變電站、配電變壓器、配電線路以及把不同用戶連接起來的其他電氣設(shè)施，常稱為配電網(wǎng)。</p><p>　　配電網(wǎng)自

5、動化，是一個涵蓋面廣、用于管理與運行配電網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)，包含了配電網(wǎng)中的變電站、饋線網(wǎng)絡(luò)、及用戶管理、監(jiān)控、優(yōu)化運行等功能的系統(tǒng)。二、設(shè)計的意義及FTU簡介</p><p>　　1.電力系統(tǒng)是一個動態(tài)大系統(tǒng)，系統(tǒng)的負(fù)荷隨時都在變化，系統(tǒng)的各類故障，無論是自然的還是人為的都隨時可能發(fā)生，系統(tǒng)中設(shè)備和運行狀態(tài)有大量、多變的參數(shù)，這就要求運行人員時刻掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài)。根據(jù)實際情況調(diào)整運行方式，因此實時地獲取系統(tǒng)運

6、行的各種參數(shù)及運行狀態(tài)，對運行人員及時準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以及進(jìn)一步的決策是至關(guān)重要的，而這一切的實現(xiàn)就依賴于電力系統(tǒng)測控裝置對各種數(shù)據(jù)的采集與處理。</p><p>　　2.饋線終端裝置簡稱FTU(Feeder Terminal Unit)，安裝在10KV饋電線路上,對柱上開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，完成遙測、遙控、開關(guān)量測量，故障檢測功能，并與配電自動化主站通信，提供配電系統(tǒng)運行情況和各種參數(shù)即監(jiān)測控制所需信息，包括

7、開關(guān)狀態(tài)、電能參數(shù)、相間故障、接地故障以及故障時的參數(shù),并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對配電設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電功能。FTU是安裝在配電室或饋線上的智能終端設(shè)備。它可以與遠(yuǎn)方的配電子站通信，將配電設(shè)備的運行數(shù)據(jù)發(fā)送到配電子站，還可以接受配電子站的控制命令，對配電設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。</p><p>　　FTU與RTU有以下區(qū)別：FTU體積小、數(shù)量多，可安置在戶外饋線上，設(shè)

8、有變送器，直接交流采樣，抗高溫，耐嚴(yán)寒，適應(yīng)戶外惡劣的環(huán)境；而RTU安裝在戶內(nèi)，對環(huán)境要求高；FTU采集的數(shù)據(jù)量小，通信速率要求較低，可靠性要求較高；而RTU采集的數(shù)據(jù)量大，通信速率較高，可靠性要求高，有專用通道。</p><p>　　柱上FTU 積成電子FTU</p><p>　　FTU可采用高性能單片

9、機制造，為了適應(yīng)惡劣的環(huán)境，應(yīng)選擇能工作在75℃的工業(yè)級芯片，并通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計使之防雷、防雨、防潮。</p><p>　　2-1、FTU的基本功能：</p><p>　　開關(guān)測量量功能：FTU對柱上開關(guān)當(dāng)前開合狀態(tài)、通信是否正常、開關(guān)儲能、柜門、電池是否正常、及保護(hù)動作等信號進(jìn)行采集。</p><p>　　遙測功能：線路電壓、電流（零序電流）有功、無功、電源電壓

10、及蓄電池容量進(jìn)行采集。</p><p>　　遙控功能：FTU接受區(qū)域站轉(zhuǎn)發(fā)的主站合閘或分閘命令。</p><p>　　統(tǒng)計功能：對開關(guān)的動作次數(shù)和運行時間和過電流次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。</p><p>　　對時功能：能接受區(qū)域站的對時命令。</p><p>　　事件順序記錄SOE：記錄狀態(tài)量發(fā)生變化的時刻的先后順序。</p><p

11、>　　事故記錄：記錄事故發(fā)生前和發(fā)生時的電流、電壓及功率，便于分析事故，確定故障區(qū)段。</p><p>　　定值遠(yuǎn)方整定和召喚。</p><p>　　自檢自恢復(fù)，看門狗。</p><p>　　遠(yuǎn)方控制閉鎖與手動操作功能。當(dāng)進(jìn)行線路開關(guān)檢修時，相應(yīng)的FTU有遠(yuǎn)方控制閉鎖功能，以確保操作的安全性，避免發(fā)生誤操作和惡性事故，同時提供當(dāng)?shù)厥止ず祥l、分閘操作。</

12、p><p>　　通信：總線接口，以太網(wǎng)接口。</p><p>　　擴展：電量采集，積分方式得到電量，用于管理。</p><p>　　微機保護(hù)：具備保護(hù)功能。</p><p><b>　　故障錄波</b></p><p>　　2-2、FTU選配功能：</p><p>　　采集交流

13、電壓，實現(xiàn)對電壓、有功功率、無功功率的測量，并有互感器的異常報警。</p><p>　　能夠存儲頂點的電流量并按照召喚向子站或主站傳送。</p><p>　　接受并執(zhí)行對時命令。</p><p>　　具有與兩個及以上主站通信的功能</p><p>　　采集事件順序記錄并向遠(yuǎn)方傳送。</p><p>　　具有設(shè)備自診斷或

14、遠(yuǎn)方診斷。</p><p><b>　　具有通道監(jiān)視功能。</b></p><p><b>　　具有當(dāng)?shù)仫@示功能。</b></p><p>　　采集電能表脈沖或多功能表數(shù)據(jù)。</p><p>　　可具有繼電保護(hù)和重合閘功能。</p><p><b>　　3.開關(guān)量&

15、lt;/b></p><p>　　現(xiàn)代IED的輸入信息分為：模擬量和開關(guān)量，而開關(guān)采樣通道是IED的重要組成部分。</p><p>　　開關(guān)量主要包括：由電力設(shè)備的的繼電器觸點提供的反映各種開關(guān)開合狀態(tài)、設(shè)備的工作狀態(tài)等。</p><p>　　斷路器、刀開關(guān)的開合狀態(tài)；</p><p><b>　　繼電保護(hù)動作信息；</

16、b></p><p>　　設(shè)備的運行信息：斷線、缺相、運行、停運、正常、故障等；</p><p>　　其他信息：門禁，動物進(jìn)入等狀態(tài)信息，壓力超限，油溫超限等。</p><p>　　以上信號均取自現(xiàn)場設(shè)備的繼電器的輔助觸點，提供給IED裝置的輔助觸點分為有源觸點和無源觸點兩種。</p><p><b>　　三、設(shè)計原理<

17、/b></p><p>　　開關(guān)量采集通道的構(gòu)成</p><p>　　信號轉(zhuǎn)換電路：將現(xiàn)場的開關(guān)量信號(無源、有源）轉(zhuǎn)換成計算機可接受的邏輯電平信號。</p><p>　　信號調(diào)理電路：將邏輯電平信號進(jìn)行濾波和消抖處理。如RC濾波器。</p><p>　　光電隔離電路：實現(xiàn)現(xiàn)場信號的微處理機或單片機的隔離。</p><

18、;p>　　與CPU接口電路：實現(xiàn)現(xiàn)場信號和CPU處理信號之間的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　2.各個環(huán)節(jié)的電路</b></p><p>　　2-1信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：</p><p>　　有源觸點:通過電壓反映設(shè)備開關(guān)量信息。</p><p>　　無源觸點：相當(dāng)于一個開關(guān)，開入IED裝置時，無論反映的是“合”還是“

19、分”，觸點兩端均無電位差。斷路器、隔離刀開關(guān)的信息，均為無源觸點。</p><p>　　（a）無源轉(zhuǎn)換電路 （b）有源轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　2-2消抖濾波電路</b></p><p>　　當(dāng)開關(guān)量作為輸入信號，在開關(guān)量發(fā)生變化時，往往伴隨著電氣設(shè)備的操作，電氣設(shè)備操作產(chǎn)生的干擾，可能耦合到信號回路

20、中，信號回路由此產(chǎn)生高頻干擾。因此，在電路中設(shè)置低通濾波回路，對部分高頻量 進(jìn)行濾波。例如采用RC濾波器。</p><p>　　消抖電路主要用于消除開關(guān)量輸入過程中的抖動現(xiàn)象，機械觸點在分合過程中都存在一個抖動的過程，同時開關(guān)量輸入通道受電磁干擾，導(dǎo)致開關(guān)量采集時經(jīng)常發(fā)生瞬間多次連續(xù)變位的現(xiàn)象，使?fàn)顟B(tài)發(fā)生錯誤。處理結(jié)果表現(xiàn)為，一次分或合的過程，表現(xiàn)為多次，“分”“合”“分”等。</p><p&

21、gt;　　當(dāng)輸入信號電壓逐漸增大到大于時，觸發(fā)器立即發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平“1”，由低變成高電平；當(dāng)輸入信號電壓逐漸減小小于時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出低電平“0”，由高變成低電平。</p><p>　　在未加消噪除顫電路時，斷路器雖已合閘但其輔助觸點可能有一段時間會抖動，或因其他干擾使輸入信號上下波動，而輸出信號如果亦步亦趨，跟蹤十分“靈敏”，會造成計算機對斷路器位置的錯誤判讀，如（b）圖；加入消噪除顫電路后，則可

22、正確地判讀該斷路器已合閘，如（c）圖。</p><p>　　下圖為一個典型的采用施密特觸發(fā)器消抖電路：</p><p>　?。╝） （b） （c）</p><p>　?。╝）施密特觸發(fā)器的圖形符號及其工作波形；（b）未加消噪除顫環(huán)節(jié)的輸入輸出波形（c）加入消噪除顫環(huán)節(jié)的輸入輸出波形</p>&l

23、t;p>　　2-3光電隔離電路 </p><p>　　由于斷路器、隔離開關(guān)的輔助觸點所處惡劣環(huán)境，離IED裝置有一定的距離，現(xiàn)場的開關(guān)量與邏輯電路之間采用電氣隔離，使現(xiàn)場的強電回路和CPU周邊的弱電回路隔離，一方面提高信號回路的驅(qū)動能力，另一方面提高了開關(guān)量輸入通道的抗干擾能力，以免損壞處理器。</p><p>　　利用現(xiàn)場斷路器或隔離開關(guān)的輔助觸點S1、S2接通，啟動小信號繼電器K

24、1、K2，然后由K1、K2的觸點以K1-1，K2-2等輸入至IED。一般地，信號繼電器集成在IED之中或放置在IED附近，使得輔助觸點的狀態(tài)可以可靠地由信號繼電器指示，這樣起到良好的隔離作用，從而提高開關(guān)量輸入過程通道的可靠性。</p><p><b>　　2-4接口電路</b></p><p>　　實現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)量輸入信號和CPU之間的接口，用于讀取訪問開關(guān)量輸入信號

25、的當(dāng)前狀態(tài)。由于開關(guān)量狀態(tài)經(jīng)過光電隔離之后已經(jīng)變換為CPU可以直接訪問的數(shù)字信號，因此該信號可以直接連接到微控制器的通用I/O引腳。一般情況下，需要采集的開關(guān)量信號比較多，微控制器的引腳不夠用，需要分組訪問，這樣開關(guān)量輸入信號一般通過鎖存器和總線驅(qū)動器進(jìn)行訪問。此外，開關(guān)量信號接入微控制器和微處理器的數(shù)據(jù)總線時，微控制器和微處理器需要通過鎖存器和總線驅(qū)動器進(jìn)行讀取訪問。</p><p><b>　　四、

26、詳細(xì)設(shè)計</b></p><p><b>　　1.設(shè)計要求</b></p><p>　?。?）開關(guān)量輸入:10個</p><p>　?。?）分辨率：5ms</p><p>　?。?）兩次事件處理能力：≤25ms。</p><p>　?。?）光電隔離: 耐壓1000V</p>

27、<p>　?。?）耐浪涌電壓: 2000V</p><p>　?。?）熟悉開關(guān)量采樣通道電路的工作原理。</p><p>　?。?）熟悉FTU的功能和性能。</p><p>　?。?）通過互聯(lián)網(wǎng)查詢選擇各類器件。</p><p>　?。?）掌握器件的性能參數(shù)。</p><p>　　2.性能指標(biāo)計算及元器件

28、的選擇</p><p>　?。?）開關(guān)量輸入：10個，則采用10路通道；</p><p>　?。?）分辨率：5ms</p><p>　　電力系統(tǒng)發(fā)生故障往往是系統(tǒng)性的，可能有好幾個變電所、發(fā)電廠的保護(hù)裝置或開關(guān)連環(huán)動作，為了便于對事故的分析，需要終端裝置記錄開關(guān)的動作性質(zhì)和動作時間，這種事件記錄稱為時間順序記錄（SOE）。事件順序記錄的主要技術(shù)指標(biāo)是站內(nèi)與站間事件分

29、辨率，即能區(qū)分各個開關(guān)動作的最小時間間隔。站內(nèi)分辨率小于2ms，站間分辨率小于10ms。</p><p>　　如果事件分辨率指標(biāo)為N ms,那么開關(guān)量掃描周期必須小于事件分辨率指標(biāo)，一般采用N/2ms比較合適。設(shè)計事件分辨率為5ms，因此定時2.5ms掃描一次。</p><p>　　（3）兩次事件處理能力：≤ 25ms</p><p>　　在25ms之內(nèi)完成兩次事件

30、的處理。</p><p>　?。?）光電隔離：耐壓1000v</p><p>　　選擇標(biāo)準(zhǔn)：耐壓值應(yīng)大于1kv，選擇型號為PS2501的光電耦合器：耐壓值5.0kv，正向電流：If=80mA，輸出集電極電流：Ic=80mA。</p><p><b>　　內(nèi)部接線圖：</b></p><p><b>　　性能參數(shù)

31、：</b></p><p>　　采用雙列直插8腳封裝。2個單元光敏晶體管耗合器，光反射側(cè)：輸入最大電流為80mA，輸入最大電壓為6V，耗散功率為120mW（1.4V/10mA），極間電容為50pF；光敏晶體管：最大工作電壓為80V，輸出電流為50mA，耗散功率為20mW，兩側(cè)耐受電壓（DC/AC）為5KV。</p><p><b>　　發(fā)光二極管</b>&

32、lt;/p><p>　　為了直觀判斷刀開關(guān)的工作狀態(tài)，每個回路設(shè)計了一個發(fā)光二極管VL1指示其輔助觸點的分合狀態(tài)；為了防止工程人員施工時將電源接反，造成光耦損壞，回路中設(shè)計了一個反向連接的二極管VD11予以保護(hù)。</p><p>　　常用紅光發(fā)光二極管型號及參數(shù)：</p><p><b>　?。?）保護(hù)二極管</b></p><

33、p>　　選擇標(biāo)準(zhǔn)：反向電壓大于耐浪涌電壓即可。選擇快恢復(fù)整流二極管1N4933，反向電壓50v，正向電流為1.0A，正向管壓降為1.2v。要求設(shè)計耐浪涌電壓為2000v，即反向電壓大于40v即符合要求。而1N4933反向電壓為50v，符合標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　?。?）上拉電阻整定</b></p><p>　　選擇標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)光電耦合器正向電流80mA整

34、定：</p><p><b>　　（8）濾波電路</b></p><p>　　選擇標(biāo)準(zhǔn):R1與C1構(gòu)成濾波電路，時間常數(shù)Г=RC<<5ms。則選R4=3kΩ，C1=10PF,即</p><p>　　(9) 施密特觸發(fā)器</p><p>　　用G1和G2兩個CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器，輸入電壓UI經(jīng)電阻R

35、1和R2分壓控制反相器的工作狀態(tài)，要求R2>R1.</p><p>　　其中R1=1k R2=2k,則 ；</p><p>　　工作原理：施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，該兩個狀態(tài)的維持和轉(zhuǎn)換取決于輸入電壓的大小。只要輸入電壓UI上升到略大于或下降到略小于時，施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。</p><p>　　傳輸特性：輸入電

36、壓UI上升到使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的值時，成為正向閾值電壓，用表示。輸入電壓UI下降到使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的值稱為負(fù)向閾值電壓，用表示。施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓的差值，稱為回差電壓，用表示。</p><p>　　施密特觸發(fā)器的圖形符號與工作波形</p><p>　?。╝)反向施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性 (b)正向施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性</p><p&

37、gt;<b>　?。?0）鎖存器</b></p><p>　　選擇標(biāo)準(zhǔn)：因為為10路開關(guān)量，因此用兩個帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器74LS373（74LS374）。（1D-7D數(shù)據(jù)輸入端，1Q-8Q 輸出端，1腳OE輸出使能端，11腳G鎖存控制端）</p><p>　　G是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當(dāng)G=1時，鎖存器輸出端同輸入端；當(dāng)G由“1”變?yōu)椤?”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。

38、 OE為輸出允許端；當(dāng)OE=“0”時，三態(tài)門打開；當(dāng)OE=“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　　(11)微處理器：采用MCS-51。51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951四個機種。這四個機種區(qū)別，僅在于片內(nèi)程序儲存器。8051為4KBROM，8751為4KBEPROM，8031

39、片內(nèi)無程序儲存器，8951為4KBEEPROM。其他性能結(jié)構(gòu)一樣，有片內(nèi)128B RAM，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源。其中，8031性價比較高，又易于開發(fā)，目前應(yīng)用面廣泛。</p><p>　　(12)開關(guān)量采集與去抖動算法流程圖：</p><p><b>　　總設(shè)計圖：</b></p><p><b>　　五、設(shè)計總結(jié)&l

40、t;/b></p><p>　　本次課程設(shè)計的目的是通過對配電自動化的運動終端FTU開關(guān)量采樣通道的設(shè)計來熟悉電力系統(tǒng)采樣電路的工作原理，主要了解電路或器件的組成及工作原理，熟悉FTU的功能和性能，通過互聯(lián)網(wǎng)查詢選擇各類器件，掌握器件性能參數(shù)，通過查找資料和總結(jié)，掌握FTU各組成元件的型號、參數(shù)，功能，了解FTU的整體功能和開關(guān)量采集原理及過程，知道一些元器件的性能指標(biāo)的計算。</p><

41、;p>　　通過此次課程設(shè)計，使我明白實踐與理論結(jié)合的重要性，對我加強各專業(yè)課的聯(lián)系和認(rèn)識有非常大的作用。首先在設(shè)計中選擇器件型號，參數(shù)計算時有不少疑惑，但在查閱了相關(guān)課程書籍后都得到了很好的解決。其次，我發(fā)現(xiàn)FTU的實現(xiàn)是很多課程的綜合，此次課程設(shè)計給我們提供了很好的平臺。</p><p>　　此次課程設(shè)計的完成使我更加明白了開關(guān)量采集通道的構(gòu)成，但并不意味著對配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)學(xué)習(xí)的終結(jié)，相反，對于這次設(shè)計

42、中發(fā)現(xiàn)的知識漏洞和問題今后要繼續(xù)努力，以彌補對知識的空白。</p><p>　　在此還要特別感謝*老師的耐心教導(dǎo)與熱心幫助，這與此次課程設(shè)計的完成密不可分，特此感謝！</p><p><b>　　六、參考資料</b></p><p>　　1.楊拴科.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》.高等教育出版社</p><p>　　2.魏立峰 王