2022年配电自动化远动终端FTU开关量采样通道及软件设计 .pdf

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1、配电网自动化技术课程设计任务书题 目配电自动化远动终端FTU 开关量采样通道及软件设计学生姓名学号专业班级设计内容与要求1背景FTU 是配电自动化系统的重要设备，在配电自动化系统中得到了广泛的应用。开关量采样通道是FTU 的重要部分。开关量输入 :10 个分辨率： 5ms 两次事件处理能力： 25ms。光电隔离 : 耐压 1000V 耐浪涌电压 : 2000V 2设计要求1)熟悉开关量采样通道电路的工作原理。2)熟悉 FTU 的功能和性能。3)通过互联网查询选择各类器件。4)掌握器件的性能参数。3设计内容根据以上要求设计FTU 开关量采样通道。1)性能指标计算2)电路设计。3)根据性能指标，选

2、择元器件。4)开关量采集程序算法和程序流程设计。5)撰写设计报告起止时间2011 年 12 月 20 日至2011 年 12 月 27 日指导教师签名年月日系（教研室）主任签名年月日学生签名年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 21 页目录一、设计由来1 1.1 现场设备概念1 1.2配电网馈线远方终端单元FTU 简介 2 1.3开关量内容3 二、设计原理 4 2.1 电路原理设计4 2.2 各环节电路5 三、详细设计 7 3.1设计要求 7 3.2 性能指标计算及元器件的选择7 3.3开关量的采集程序算法及程序流程设计

3、15 四、设计总结17 五、附录：参考文献 18 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 21 页一、设计由来电力系统由发电系统，输电系统，配电系统构成。它是由大量的发电机、变压器、电力线路和负荷等设备有机的构成，旨在生产、传输、分配、消费电能的各种电气设备按照一定方式连接的整体。配电系统和输电系统， 实际上是按其实现的功能来划分。通常按输电系统的降压变电站中主变中压侧来划分，高压侧断路器及其连接的系统为输电系统，另一侧为配电系统。配电系统(distribution system)：是电力系统中从输电系统的变压点 (transf

4、ormation points)向电力用户传送电能的部分，也是将电能分配到各个用户的最终环节，包括不同电压等级的变电站、配电变压器、配电线路以及把不同用户连接起来的其它电气设施，常称为配电网。配电网自动化，是一个涵盖面广，用于管理与运行配电网的综合自动化系统，包含了配电网中的变电站、馈线网络、及用户管理、监控、优化运行等功能的系统。配电自动化系统是应用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、 离线信息、用户信息、电网结构参数、 地理信息进行安全集成，构成完整的自动化及管理系统， 实现配电网正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理。它是配电自动化与配电管理集成为一体的

5、系统。目前的功能：变电站自动化、 馈线自动化、 需方用电管理、 配电管理自动化。1.1 现场设备：（1）RTU (Remote Terminal Unit) ：远动终端，是采集所在发电厂或变电站表征电力系统运行状态的模拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在发电厂或变电站的控制和调节命令。(2) FTU（Feeder Terminal Unit ）: 馈线终端单元，特指实现馈线段的模拟、信号量的测量、控制、的设备。(3) TTU(Transformer Terminal Unit):配电变压器终端单元， 实现配电变压器的模拟、信号量的远方设备。(4) DTU(

6、Distribution Terminal Unit ):配电终端单元 , 配电环网柜等设备的模拟、信号的测量控制的设备。(5) IED(Intelligent Electronic Device) 智能电子设备：由一个或多个微处理器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。我国特指发电厂开关站或变电站内实现四遥的自动化设备，目前已变电站自动化系统取代。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 21 页1.2配电网馈线远方终端单元FTU 1.2.1 配电网馈线远方终端单元FTU，一般根据其安装应用场合的不

7、同,分为柱上 FTU，环网柜 FTU(DTU) 。不同的 FTU 监测的馈线回路数据不一样，但基本功能一样，包括遥信、遥调、遥控和故障电流检测等功能。配电网馈线终端单元FTU, 安装在柱上开关处，完成对柱上开关的监控。FTU 的工作电源来自 FTU 自身携带的免维护蓄电池； 开关的操作电源以及蓄电池的充电电源来自柱上开关两侧的电压互感器。一般的 FTU 采用高性能单片机，具有带光电隔离的多路开关量输入，多路交流采样，可远方或就地控制一个或多个对象，具有重合闸功能，可选配过流、速断保护，具有对时功能和定值远方下装和召唤功能；具有故障报告功能； 能在恶劣环境（高温、严寒、防雷、防尘、防雨等）下运行

8、。1.2.2 FTU 的基本功能：(1) 遥信功能： FTU 对柱上开关当前开合状态、通信是否正常、开关储能、柜门、电池是否正常、及保护动作等信号进行采集。(2) 遥测功能：线路电压，电流 (零序电流 )有功、无功、电源电压及蓄电池容量进行采集。(3) 遥控： FTU 接受区域站转发的主站合闸或分闸命令。(4) 统计功能：对开关的动作次数和运行时间和过电流次数进行统计。(5) 对时功能：能接收区域站的对时命令。(6) 事件顺序记录 (SOE)：记录状态量发生变化的时刻的先后顺序。(7) 事故记录：记录事故发生前和发生时的电流、 电压、及功率，便于 分析事故，确定故障区段。(8) 定值远方整定和

9、召唤；(9) 自检自恢复，看门狗。(10) 远方控制闭锁与手动操作功能。当进行线路开关检修时，相应的FTU 有远方控制闭锁功能， 以确保操作的安全性， 避免发生误操作和恶性事故，同时提供当地手工合闸、分闸操作。(11) 通信：总线接口，以太网接口。(12) 扩展： (1)电量采集，积分方式得到电量，用于管理。(12) 微机保护 :具备保护动能。(13) 故障录波 (发展中，存在争议 ) 1.2.3 FTU 选配功能精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 21 页（1） 采集交流电压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量并有互感器

10、的异常报警。（2）能够储存顶点的电流量并按照召唤向子站或主站传送。（3）接收并执行对时命令。（4）具有与两个及以上主站通信的功能。（5）采集事件顺序记录并向远方传送。（6）具有设备自诊断或远方诊断。（7）具有通道监视功能。（8）具有当地显示功能。（9）采集电能表脉冲或多功能表数据。（10）可具有继电保护和重合闸功能。1.3 开关量现代 IED的输入信息分为，模拟量和开关量两种。开关量主要包括：由电力设备的继电器触点提供。 反映各种开关开合状态、设备的工作状态。具体信息为：(1) 短路器、刀闸的状态。(2) 继电保护动作信息。(3) 设备的运行信息，断线、缺相，运行、停运，正常、故障等(4) 其

11、它，门禁，动物进入等状态信息，压力超限，油温超限等。以上信号， 均取自现场设备的继电器的辅助触点，提供给 IED 装置的辅助触点信息有两种：有源触点和无源触点。有源触点，通过一个电压反映设备开关量信息。无源触点，相当一个开关，输入 IED 装置时，无论反映的是“合”还是 “分” ，触点两端均无电位差。断路器、隔离刀闸的信息，均是无源触点。K-1K端子端子一次设备有源源开关量端子V+K-1K端子端子一次设备无源开关量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 21 页一般的 IED 具备开关量的输入功能， 因此开关量输入是 IED 的

12、重要功能之一。因此，对 IED中开关量采样通道及软件的处理算法进行设计。二、设计原理2.1 电路原理设计：信号转换信号调理隔离接口总线CPU信号转换信号调理隔离接口单片机(a) IED采用微处理器（b）IED采用单片机开关量信息通道(1) 信号转换环节：将现场的开关量信号（无源、有源）装换成计算机可接收的逻辑电平信号。(2) 信号调理：将逻辑电平信号进行、滤波和消抖处理。例RC滤波器。(3) 隔离: 实现现场信号和微处理机或单片机的隔离。(4) 接口电路 : 实现现场信号和 CPU 处理信号之间的转换。2.2 各个环节的电路2.2.1 信号转换环节 : 无源触点：精选学习资料 - - - -

13、- - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 21 页K-1K端子端子一次设备V+IED无源开关量接入信号转换有源开关量直接接入K-1K端子端子一次设备V+V+IED2.2.2 消抖滤波电路当开关量作为输入信号， 在开关量发生变化时， 往往伴随着电气设备的操作，电气设备操作产生的干扰， 可能耦合到信号回路中， 信号回路由此产生高频干扰，因此，在电路中设置低通滤波回路，对部分高频量进行滤波。例如采用RC滤波器。RCRC 滤波器消抖电路，各类继电器，节点动作时，触点均有一个抖动的过程，加上干扰，使状态发生错误。 处理结果表现为， 一次分或合的过程， 表现为多次， “分

14、”精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 21 页“合” “分” 。下图为一个典型的消抖电路：当 Ui加大到 UT+时，Uo由 低变成高电平，当Ui减到 UT-时，Uo变成低电平。2.2.3 电气隔离电路由于断路器、隔离开关的辅助触点所处环境恶劣， 例 IED 装置有一定的距离，现场的开关量与逻辑电路之间采用电气隔离。作用：使现场的强电回路和IED 装置的弱电回路隔离，以免损坏处理器。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 21 页利用现场断路器或隔离开关的辅助触

15、点S1、S2接通，去启动小信号继电器K1、K2，然后由 K1、K2的触点以 K1-1、K2-1 等输入至测控装置，这样做可起到很好的隔离作用。2.2.4 接口：并行接口芯片，锁存器等。 74LS373等实现速度匹配。三、详细设计3.1 设计要求：（1）开关量输入 :10 个（2）分辨率： 5ms （3）两次事件处理能力： 25ms 。（4）光电隔离 : 耐压 1000V （5）耐浪涌电压 : 2000V 3.2 性能指标计算及元器件的选择：3.2.1 开关量输入 :10 个；因此采用 10 路通道。3.2.2 分辨率： 5ms ；确定时间有两种方法：立即计时法, 最终计时法。一般按照定是方式扫

16、查，Ts 为周期。如果扫查时间为 t为 0 时，两种方法结果一致。当两个开关动作时间大于 Ts 时，时间标记不会一样。不足 Ts 时，时间标记相同为了确定事件的先后顺序，用以分开各个事件所需的最小时间间隔，标为事件的分辨率， 如果扫描周期为 Ts 在理想情况下，事件分辨率为 Ts. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 21 页因此，程序设计，定时5ms扫描一次。3.2.3 两次事件处理能力： 25ms 。在 25ms之内完成两次事件的处理。3.2.4 光电隔离 : 耐压 1000V ；选择光电耦合器PC817 ：耐压值 50

17、00V ；正向电流： If=50mA；输出集电极电流： Ic=50mA。选择标准：耐压值要求大于1000V ，而 PC817的耐压值为 5000V，符合要求。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 21 页3.2.5稳压二极管。选择 IN757 型稳压二极管， 稳压值：8.99.3V； 最大工作电流：52mA。选择标准：由于光电耦合器的正向电流为50mA，所以稳压管的最大工作电流要求在 50mA 左右， IN757 的最大工作电流为52mA ，符合要求。3.2.6 二极管：选择快恢复整流二极管1N4001 （反向电压 50V，

18、正向电流 1.0A，正向管压降 1.1V）选择标准：反向电压 耐浪涌电压 /50 , 而耐浪涌电压为2000V，计算出来的反向电压只要大于40V 就符合要求。因此选择1N4001 ，反向电压为50V，符合选择标准。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 21 页3.2.7 限流电阻整定选择标准：按光电耦合器的正向电流50mA 整定：则 R1估算值：11241.1122.91CCVTVTVURI。则取 R1=100R2 估 算 值 ：128173817241.191225850 10CCVTVTPCPCVUUURI. 则 取R2

19、=500R3 估算值：1001050533R。则取 R3=1003.2.8 与非门：选择标准：因为是一路，故采用74HC04. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 21 页3.2.9滤波电路CU0RUiRC 滤波器选择标准：R4估算值： 因为 R4、 C1组成滤波电路，时间常数msRC5。则选 R4=2k，C1=1 F，即362 10102RCsms3.2.10施密特触发器用门电路组成的施密特触发器下图为由 G1和 G2两个 CMOS 反相器组成的施密特触发器，输入电压u经电阻 R和 R分压来控制反相器的工作状态，要求RR

20、。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 21 页用门电路组成的施密特触发器其中 R1=1k R2=2k ，则TU=2)211(221iTHURRURRR_TU=2)211(221iTHURRURRR下图分别为施密特触发器反相输出和同相输出的逻辑符号。框内的“”为施密特触发器的限定符号（左图为反向输出，右图为正向输出）。工作原理施密特触发器有两个稳定状态， 而这两个稳定状态的维持和转换完全取决于输入电压的大小。只要输入电压u上升到略大于 U+或下降到略小于U时，施密特触发器的输出状态就会发生翻转，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。施

21、密特触发器的电压传输特性输入电压uI上升到使电路状态发生翻转时的值，称为正向阈值电压，用 U+表示。输入电压u下降到使电路状态发生翻转时的值，称为负向阈值电压， 用 U表示。施密特触发器的正向阈值电压U+和负向阈值电压 U的差值，称为回差电压，用U表示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 21 页电压传输特性反映的是触发器输出电压随输入电压变化的规律. 反相施密特触发器电压传输特性同相施密特触发器电压传输特性反相施密特触发器 : 随着输入电压的升高和降低， 输出电压呈反相变化趋势。同相施密特触发器 : 随着输入电压的升高和

22、降低，输出电压呈同相变化趋势。3.2.11 锁存器选择标准：因为是10 路开关量，故用两个带三态缓冲输出的8D 触发器74LS373 373 的输出端O0O7 可直接与总线相连。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 21 页当三态允许控制端 OE 为低电平时， O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时， O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时， O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。 当

23、 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV 。引出端符号：D0 D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端 O0O7 输出端真值表Dn LE OE On H H L H L H L L X L L Q0 X X H 高阻态3.2.12 微处理器：采用 MCS-51. 利用 74LS373实现锁存，与 C51速配。3.3 开关量采集程序算法和程序流程设计：3.3.1 开关信号的识别编程时开关变位识别是开关量采集过程中，一项十分重要的工作，假设CPU 从十六位锁存器得到开关状态（1 表示“合” ，0 表示“分“） ，对一路连续三次采样，三

24、决二， A.B+B.C+C.A（一个点， 1 1 0 结果为 1）得到这一路的开关量。然后对十六路进行开关状态的判断。判断方法：原开关状态： D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 开关状态：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 21 页 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 对比：D6 1 变 0、 D4 0 变 1、D1 1 变 0，D0 0 变 1 (1) 用原开关状态和现开关状态异或（）运算发现变

25、位 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 (2) 变位位与原开关状态“与”, 发现由 1 变 0 位原开关状态： 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 结果： 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 结果表示 D6、D1，由 1 变 0。(3) 现状态与变位字节“与”发现变位由0 变为 1 位现开关状态： 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 结果：0 0 0 0 0 1 0 0 0 1结果表示 D4、D0由 0 变 1。总结：现运行状态原运行状态得到的值 , 有变位位是 1，结果原状态, 结果是 1 的位,

26、 表示 1 变 0。结果现状态， 1 位是 0 变 1。3.3.2 程序流程设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 21 页初始化采集原始开关状态采集现在开关状态是否有变位是否变位位原始开关状态现在开关状态由1 变0由0 变1连续三次采样，三绝二结果异或& 相与& 相与精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 21 页3.4 设计总图S1V1V2R2R1+5VG2A 1A1Y2Y3Y 3A4Y 4A 5Y 5A 6Y 6AVCS10V1V2R2R1G2A 1

27、A1Y2Y3Y 3A4Y 4A 5Y 5A 6Y 6A VC24V74HC0474HC04R4R4CCOEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GVCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4LE74LS373QEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GVCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4LE74LS3735V8051P1.0P1.1vccP1.7P0.0P0.7EAALEPSENP2.7P2.0VSSRDT0T1精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 21 页四、设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题 ,锻炼实

28、践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着国民经济的发展，人民物质文化生活水平的提高，对电力的需求越开越大， 电网规模不断扩大， 电力市场对电能质量的要求更为严格，要求电力系统应提供更为安全、可靠、经济和高质量的电能。配电网自动化系统是能够实时监视、协调和运行配电系统的部分元件和全部原件的一个完整的信息采集、传递与处理的集成自动化系统。作为电气专业的学生，掌握配电网自动化系统的知识显得尤为重要。本次设计的题目是配电自动化远动终端FTU 开关量采样通道及软件设计 ，通过这次课程设计，我学到很多东西，不仅巩固了课本上学过的知识，而且还学到了书本上没有的知识。同时也使我懂得了理

29、论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题， 可以说得是困难重重， 这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固， 比如说锁存器管脚的功能不是很清楚， 对开关量的采样原理不理解不过最后通过网上查阅资料， 翻阅图书馆资料，以及查阅董老师给的FTU 相关资料，最终还是将器件选择出来并画出设计电路。通过这次课程设计之后，可以对以前所学过的知识温故而只新。这次

30、课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多元器件选择问题，最后在董老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在董老师的身上我学得到很多实用的知识，在此我表示感谢！同时， 对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 21 页参考资料1. 董张卓配电网自动化讲义（内部资料）；2. 董张卓配电自动化远动终端FTU开关量采样通道及软件设计参考资料；3. 倪云峰单片机原理与应用，西安电子科技大学出版社4. 杨栓科模拟电子技术基础，高等教育出版社5. 张科农数字电路技术基础，高等教育出版社精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 21 页