配电网及其自动化课程设计.doc

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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赵瑞雯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: 2000V2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) 性能指标分析，原理电路设计。2) 根据性能指标，选择元器件。3

2、) 电路设计。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2014年 12月 1日 至 2014年 12月5 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 日目录一、 前言二、 设计的意义及FTU简介 1三、 设计原理 4四、 详细设计 7五、 设计总结 15六、 参考文献 15一、前言 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，实际是按其实现的功能划分的。通常按输电系统的降压变电站中主变中压侧来划

3、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：是电力系统中从输电系统的变压点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他电气设施，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。二、设计的意义及FTU简介 1.电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的都随时可能发生，系统中设备和运行状态有大量、多变的参数，这就要求运行人员时刻

4、掌握系统的运行状态。根据实际情况调整运行方式，因此实时地获取系统运行的各种参数及运行状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态，以及进一步的决策是至关重要的，而这一切的实现就依赖于电力系统测控装置对各种数据的采集与处理。 2.馈线终端装置简称FTU(Feeder Terminal Unit)，安装在10KV馈电线路上,对柱上开关进行监控，完成遥测、遥控、开关量测量，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障

5、区域快速恢复供电功能。FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。 FTU与RTU有以下区别：FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；而RTU安装在户内，对环境要求高；FTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而RTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。 柱上FTU 积成电子FTU FTU可采用高性能单片机制造，为了适应恶劣的环境，应选择能工作在75的工业级芯片，并通过适当的结构

6、设计使之防雷、防雨、防潮。2-1、FTU的基本功能：（1） 开关测量量功能：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） 遥控功能：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：能接受区域站的对时命令。（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

7、定和召唤。（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：电量采集，积分方式得到电量，用于管理。（13） 微机保护：具备保护功能。（14） 故障录波2-2、FTU选配功能：（1） 采集交流电压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量，并有互感器的异常报警。（2） 能够存储顶点的电流量并按照召唤向子站或主站传送。（3） 接受并执行对时命令。（4） 具有与两个及以上主站通信的功能（5） 采集事件顺序

8、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。3.开关量 现代IED的输入信息分为：模拟量和开关量，而开关采样通道是IED的重要组成部分。 开关量主要包括：由电力设备的的继电器触点提供的反映各种开关开合状态、设备的工作状态等。（1） 断路器、刀开关的开合状态；（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） 其他信息：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IE

9、D装置的辅助触点分为有源触点和无源触点两种。三、设计原理1. 开关量采集通道的构成(1) 信号转换电路：将现场的开关量信号(无源、有源）转换成计算机可接受的逻辑电平信号。(2) 信号调理电路：将逻辑电平信号进行滤波和消抖处理。如RC滤波器。(3) 光电隔离电路：实现现场信号的微处理机或单片机的隔离。(4) 与CPU接口电路：实现现场信号和CPU处理信号之间的转换。2.各个环节的电路2-1信号转换环节： 有源触点:通过电压反映设备开关量信息。 无源触点：相当于一个开关，开入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、隔离刀开关的信息，均为无源触点。 （a）无源转换电路

10、 （b）有源转换电路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。 消抖电路主要用于消除开关量输入过程中的抖动现象，机械触点在分合过程中都存在一个抖动的过程，同时开关量输入通道受电磁干扰，导致开关量采集时经常发生瞬间多次连续变位的现象，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”“合”“分”等。 当输入信号电压逐渐增大到大于时，触发器立即发生翻转，输出高电平“1”，由低变成高电平；当

11、输入信号电压逐渐减小小于时，触发器又发生翻转，输出低电平“0”，由高变成低电平。 在未加消噪除颤电路时，断路器虽已合闸但其辅助触点可能有一段时间会抖动，或因其他干扰使输入信号上下波动，而输出信号如果亦步亦趋，跟踪十分“灵敏”，会造成计算机对断路器位置的错误判读，如（b）图；加入消噪除颤电路后，则可正确地判读该断路器已合闸，如（c）图。下图为一个典型的采用施密特触发器消抖电路： （a） （b） （c）（a）施密特触发器的图形符号及其工作波形；（b）未加消噪除颤环节的输入输出波形（c）加入消噪除颤环节的输入输出波形 2-3光电隔离电路 由于断路器、隔离开关的辅助触点所处恶劣环境，离IED装置有一定

12、的距离，现场的开关量与逻辑电路之间采用电气隔离，使现场的强电回路和CPU周边的弱电回路隔离，一方面提高信号回路的驱动能力，另一方面提高了开关量输入通道的抗干扰能力，以免损坏处理器。 利用现场断路器或隔离开关的辅助触点S1、S2接通，启动小信号继电器K1、K2，然后由K1、K2的触点以K1-1，K2-2等输入至IED。一般地，信号继电器集成在IED之中或放置在IED附近，使得辅助触点的状态可以可靠地由信号继电器指示，这样起到良好的隔离作用，从而提高开关量输入过程通道的可靠性。2-4接口电路 实现现场开关量输入信号和CPU之间的接口，用于读取访问开关量输入信号的当前状态。由于开关量状态经过光电隔离

13、之后已经变换为CPU可以直接访问的数字信号，因此该信号可以直接连接到微控制器的通用I/O引脚。一般情况下，需要采集的开关量信号比较多，微控制器的引脚不够用，需要分组访问，这样开关量输入信号一般通过锁存器和总线驱动器进行访问。此外，开关量信号接入微控制器和微处理器的数据总线时，微控制器和微处理器需要通过锁存器和总线驱动器进行读取访问。四、详细设计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（6）熟悉开关量采样通道电路的工作原理。（7）熟悉FTU的功能和性能。（8）通过互联网查询选择各类器件

14、。（9）掌握器件的性能参数。2.性能指标计算及元器件的选择（1）开关量输入：10个，则采用10路通道；（2）分辨率：5ms 电力系统发生故障往往是系统性的，可能有好几个变电所、发电厂的保护装置或开关连环动作，为了便于对事故的分析，需要终端装置记录开关的动作性质和动作时间，这种事件记录称为时间顺序记录（SOE）。事件顺序记录的主要技术指标是站内与站间事件分辨率，即能区分各个开关动作的最小时间间隔。站内分辨率小于2ms，站间分辨率小于10ms。 如果事件分辨率指标为N ms,那么开关量扫描周期必须小于事件分辨率指标，一般采用N/2ms比较合适。设计事件分辨率为5ms，因此定时2.5ms扫描一次。（

15、3）两次事件处理能力： 25ms在25ms之内完成两次事件的处理。（4）光电隔离：耐压1000v 选择标准：耐压值应大于1kv，选择型号为PS2501的光电耦合器：耐压值5.0kv，正向电流：If=80mA，输出集电极电流：Ic=80mA。内部接线图： 性能参数： 采用双列直插8脚封装。2个单元光敏晶体管耗合器，光反射侧：输入最大电流为80mA，输入最大电压为6V，耗散功率为120mW（1.4V/10mA），极间电容为50pF；光敏晶体管：最大工作电压为80V，输出电流为50mA，耗散功率为20mW，两侧耐受电压（DC/AC）为5KV。（4） 发光二极管 为了直观判断刀开关的工作状态，每个回路

16、设计了一个发光二极管VL1指示其辅助触点的分合状态；为了防止工程人员施工时将电源接反，造成光耦损坏，回路中设计了一个反向连接的二极管VD11予以保护。 常用红光发光二极管型号及参数： （6）保护二极管 选择标准：反向电压大于耐浪涌电压即可。选择快恢复整流二极管1N4933，反向电压50v，正向电流为1.0A，正向管压降为1.2v。要求设计耐浪涌电压为2000v，即反向电压大于40v即符合要求。而1N4933反向电压为50v，符合标准。 （7）上拉电阻整定 选择标准：根据光电耦合器正向电流80mA整定： （8）滤波电路 选择标准:R1与C1构成滤波电路，时间常数=RCR1.其中R1=1k R2=

17、2k,则 ； 工作原理：施密特触发器有两个稳定状态，该两个状态的维持和转换取决于输入电压的大小。只要输入电压UI上升到略大于或下降到略小于时，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。 传输特性：输入电压UI上升到使电路状态发生翻转的值时，成为正向阈值电压，用表示。输入电压UI下降到使电路状态发生翻转的值称为负向阈值电压，用表示。施密特触发器的正向阈值电压和负向阈值电压的差值，称为回差电压，用表示。施密特触发器的图形符号与工作波形 （a)反向施密特触发器电压传输特性 (b)正向施密特触发器电压传输特性（10）锁存器 选择标准：因为为10路开关量，因此用两个带三态缓冲输出的

18、8D触发器74LS373（74LS374）。（1D-7D数据输入端，1Q-8Q 输出端，1脚OE输出使能端，11脚G锁存控制端） G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。 OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。 引脚图：(11)微处理器：采用MCS-51。51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951四个机种。这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一

19、样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。(12)开关量采集与去抖动算法流程图：总设计图：五、设计总结 本次课程设计的目的是通过对配电自动化的运动终端FTU开关量采样通道的设计来熟悉电力系统采样电路的工作原理，主要了解电路或器件的组成及工作原理，熟悉FTU的功能和性能，通过互联网查询选择各类器件，掌握器件性能参数，通过查找资料和总结，掌握FTU各组成元件的型号、参数，功能，了解FTU的整体功能和开关量采集原理及过程，知道一些元器件的性能指标的计算。 通过此次课程设计，使我明白实践与理论结合的重要性，对我加强各专业课的

20、联系和认识有非常大的作用。首先在设计中选择器件型号，参数计算时有不少疑惑，但在查阅了相关课程书籍后都得到了很好的解决。其次，我发现FTU的实现是很多课程的综合，此次课程设计给我们提供了很好的平台。 此次课程设计的完成使我更加明白了开关量采集通道的构成，但并不意味着对配电网自动化系统学习的终结，相反，对于这次设计中发现的知识漏洞和问题今后要继续努力，以弥补对知识的空白。 在此还要特别感谢董老师的耐心教导与热心帮助，这与此次课程设计的完成密不可分，特此感谢！六、参考资料 1.杨拴科.模拟电子技术基础.高等教育出版社 2.魏立峰 王宝兴.单片机原理与应用.北京大学出版社 3.张克农.数字电子技术基础.高等教育出版社 4.董张卓.配电网和配电自动化系统.机械工业出版社