配電自動化遠動終端FTU開關量采樣通道及軟件設計.doc

配電網自動化技術課程設計任務書題 目配電自動化遠動終端FTU開關量采樣通道及軟件設計學生姓名學號專業(yè)班級設計內容與要求1背景FTU是配電自動化系統(tǒng)的重要設備，在配電自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。開關量采樣通道是FTU的重要部分。開關量輸入:10個分辨率：5ms兩次事件處理能力：25ms。光電隔離: 耐壓1000V耐浪涌電壓: 2000V2設計要求1) 熟悉開關量采樣通道電路的工作原理。2) 熟悉FTU的功能和性能。3) 通過互聯(lián)網查詢選擇各類器件。4) 掌握器件的性能參數。3設計內容根據以上要求設計FTU開關量采樣通道。1) 性能指標計算2) 電路設計。3) 根據性能指標，選擇元器件。4) 開關量采集程序算法和程序流程設計。5) 撰寫設計報告起止時間2011 年 12 月 20 日 至 2011 年 12 月 27日指導教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學生簽名年 月 日 目錄一、設計由來11.1現(xiàn)場設備概念1 1.2配電網饋線遠方終端單元FTU簡介 2 1.3開關量內容3二、設計原理 4 2.1 電路原理設計4 2.2 各環(huán)節(jié)電路5三、詳細設計 7 3.1設計要求 7 3.2 性能指標計算及元器件的選擇7 3.3開關量的采集程序算法及程序流程設計15四、設計總結17 五、附錄：參考文獻 18一、設計由來電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)，輸電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)構成。它是由大量的發(fā)電機、變壓器、電力線路和負荷等設備有機的構成，旨在生產、傳輸、分配、消費電能的各種電氣設備按照一定方式連接的整體。配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)，實際上是按其實現(xiàn)的功能來劃分。通常按輸電系統(tǒng)的降壓變電站中主變中壓側來劃分，高壓側斷路器及其連接的系統(tǒng)為輸電系統(tǒng)，另一側為配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)(distribution system)：是電力系統(tǒng)中從輸電系統(tǒng)的變壓點(transformation points)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它電氣設施，常稱為配電網。 配電網自動化，是一個涵蓋面廣，用于管理與運行配電網的綜合自動化系統(tǒng)，包含了配電網中的變電站、饋線網絡、及用戶管理、監(jiān)控、優(yōu)化運行等功能的系統(tǒng)。配電自動化系統(tǒng)是應用現(xiàn)代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術，將配電網實時信息、離線信息、用戶信息、電網結構參數、地理信息進行安全集成，構成完整的自動化及管理系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網正常運行及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制和配電管理。它是配電自動化與配電管理集成為一體的系統(tǒng)。目前的功能：變電站自動化、饋線自動化、需方用電管理、配電管理自動化。1.1 現(xiàn)場設備：（1）RTU (Remote Terminal Unit)：遠動終端，是采集所在發(fā)電廠或變電站表征電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，監(jiān)視并向調度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或變電站的控制和調節(jié)命令。 (2) FTU（Feeder Terminal Unit）: 饋線終端單元，特指實現(xiàn)饋線段的模擬、信號量的測量、控制、的設備。(3) TTU(Transformer Terminal Unit):配電變壓器終端單元，實現(xiàn)配電變壓器的模擬、信號量的遠方設備。(4) DTU(Distribution Terminal Unit ):配電終端單元, 配電環(huán)網柜等設備的模擬、信號的測量控制的設備。(5) IED(Intelligent Electronic Device)智能電子設備：由一個或多個微處理器組成，完成特定的功能，能向外部裝置發(fā)送信息，并能接受外部指令的裝置。我國特指發(fā)電廠開關站或變電站內實現(xiàn)四遙的自動化設備，目前已變電站自 動化系統(tǒng)取代。1.2 配電網饋線遠方終端單元FTU1.2.1 配電網饋線遠方終端單元FTU，一般根據其安裝應用場合的不同,分為柱上FTU，環(huán)網柜FTU(DTU)。不同的FTU監(jiān)測的饋線回路數據不一樣，但基本功能一樣，包括遙信、遙調、遙控和故障電流檢測等功能。 配電網饋線終端單元FTU, 安裝在柱上開關處，完成對柱上開關的監(jiān) 控。 FTU的工作電源來自FTU自身攜帶的免維護蓄電池；開關的操作電源以及蓄電池的充電電源來自柱上開關兩側的電壓互感器。一般的FTU采用高性能單片機，具有帶光電隔離的多路開關量輸入，多路交流采樣，可遠方或就地控制一個或多個對象，具有重合閘功能，可選配過流、速斷保護，具有對時功能和定值遠方下裝和召喚功能；具有故障報告功能；能在惡劣環(huán)境（高溫、嚴寒、防雷、防塵、防雨等）下運行。1.2.2 FTU的基本功能： (1) 遙信功能：FTU對柱上開關當前開合狀態(tài)、通信是否正常、開關儲能、柜門、電池是否正常、及保護動作等信號進行采集。 (2) 遙測功能：線路電壓，電流(零序電流)有功、無功、電源電壓及蓄電池容量進行采集。 (3) 遙控：FTU接受區(qū)域站轉發(fā)的主站合閘或分閘命令。 (4) 統(tǒng)計功能：對開關的動作次數和運行時間和過電流次數進行統(tǒng)計。 (5) 對時功能：能接收區(qū)域站的對時命令。 (6) 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。 (7) 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。 (8) 定值遠方整定和召喚； (9) 自檢自恢復，看門狗。 (10) 遠方控制閉鎖與手動操作功能。當進行線路開關檢修時，相應的 FTU有遠方控制閉鎖功能，以確保操作的安全性，避免發(fā)生誤操作和惡性事故，同時提供當地手工合閘、分閘操作。 (11) 通信：總線接口，以太網接口。 (12) 擴展：(1)電量采集，積分方式得到電量，用于管理。 (12) 微機保護:具備保護動能。 (13) 故障錄波(發(fā)展中，存在爭議)1.2.3 FTU選配功能 （1）采集交流電壓，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。 （2）能夠儲存頂點的電流量并按照召喚向子站或主站傳送。 （3）接收并執(zhí)行對時命令。 （4）具有與兩個及以上主站通信的功能。 （5）采集事件順序記錄并向遠方傳送。 （6）具有設備自診斷或遠方診斷。 （7）具有通道監(jiān)視功能。 （8）具有當地顯示功能。 （9）采集電能表脈沖或多功能表數據。 （10）可具有繼電保護和重合閘功能。1.3 開關量現(xiàn)代IED的輸入信息分為，模擬量和開關量兩種。開關量主要包括：由電力設備的繼電器觸點提供。反映各種開關開合狀態(tài)、設備的工作狀態(tài)。具體信息為：(1) 短路器、刀閘的狀態(tài)。(2) 繼電保護動作信息。(3) 設備的運行信息，斷線、缺相，運行、停運，正常、故障等(4) 其它，門禁，動物進入等狀態(tài)信息，壓力超限，油溫超限等。以上信號，均取自現(xiàn)場設備的繼電器的輔助觸點，提供給IED裝置的輔助觸點信息有兩種：有源觸點和無源觸點。有源觸點，通過一個電壓反映設備開關量信息。無源觸點，相當一個開關，輸入IED裝置時，無論反映的是“合”還是“分”，觸點兩端均無電位差。斷路器、隔離刀閘的信息，均是無源觸點。 一般的IED具備開關量的輸入功能，因此開關量輸入是IED的重要功能之一。因此，對IED中開關量采樣通道及軟件的處理算法進行設計。 二、設計原理2.1 電路原理設計： (1)信號轉換環(huán)節(jié)：將現(xiàn)場的開關量信號（無源、有源）裝換成計算機可接 收的邏輯電平信號。(2)信號調理：將邏輯電平信號進行、濾波和消抖處理。例RC濾波器。(3)隔離:實現(xiàn)現(xiàn)場信號和微處理機或單片機的隔離。(4)接口電路:實現(xiàn)現(xiàn)場信號和CPU處理信號之間的轉換。2.2 各個環(huán)節(jié)的電路2.2.1 信號轉換環(huán)節(jié):無源觸點：2.2.2消抖濾波電路 當開關量作為輸入信號，在開關量發(fā)生變化時，往往伴隨著電氣設備的 操 作，電氣設備操作產生的干擾，可能耦合到信號回路中，信號回路由此產生高頻干擾，因此，在電路中設置低通濾波回路，對部分高頻量進行濾波。例如采用RC濾波器。 消抖電路，各類繼電器，節(jié)點動作時，觸點均有一個抖動的過程，加上 干擾，使狀態(tài)發(fā)生錯誤。處理結果表現(xiàn)為，一次分或合的過程，表現(xiàn)為多次，“分”“合”“分”。下圖為一個典型的消抖電路：當Ui加大到UT+時，Uo由 低變成高電平，當Ui減到UT- 時，Uo變成低電平。2.2.3 電氣隔離電路由于斷路器、隔離開關的輔助觸點所處環(huán)境惡劣，例IED裝置有一定的距離，現(xiàn)場的開關量與邏輯電路之間采用電氣隔離。作用：使現(xiàn)場的強電回路和IED裝置的弱電回路隔離，以免損壞處理器。 利用現(xiàn)場斷路器或隔離開關的輔助觸點S1、S2接通，去啟動小信號繼電器 K1、K2，然后由K1、K2的觸點以K1-1、K2-1等輸入至測控裝置，這樣做可起到很好的隔離作用。2.2.4接口：并行接口芯片，鎖存器等。 74LS373等實現(xiàn)速度匹配。 三、詳細設計3.1設計要求：（1）開關量輸入:10個（2）分辨率：5ms（3）兩次事件處理能力：25ms。（4）光電隔離: 耐壓1000V（5）耐浪涌電壓: 2000V3.2 性能指標計算及元器件的選擇：3.2.1 開關量輸入:10個； 因此采用10路通道。3.2.2 分辨率：5ms； 確定時間有兩種方法：立即計時法,最終計時法。 一般按照定是方式掃查，Ts為周期。如果掃查時間為 t為0時，兩種方法結果一致。當兩個開關動作時間 大于Ts 時，時間標記不會一樣。不 足Ts 時，時間標記相同 為了確定事件的先后順序，用以分開各個事件所需的最小時間間隔，標為事件的分辨率，如果掃描周期為Ts在理想情況下，事件分辨率為Ts. 因此，程序設計，定時5ms掃描一次。3.2.3 兩次事件處理能力：25ms。 在25ms之內完成兩次事件的處理。3.2.4 光電隔離: 耐壓1000V； 選擇光電耦合器PC817：耐壓值5000V；正向電流：If=50mA；輸出集電極電流：Ic=50mA。 選擇標準：耐壓值要求大于1000V，而PC817的耐壓值為5000V，符合要求。 3.2.5 穩(wěn)壓二極管。選擇IN757型穩(wěn)壓二極管， 穩(wěn)壓值：8.99.3V；最大工作電流：52mA。 選擇標準：由于光電耦合器的正向電流為50mA，所以穩(wěn)壓管的最大工作電流要求在50mA左右，IN757的最大工作電流為52mA，符合要求。3.2.6 二極管：選擇快恢復整流二極管1N4001 （反向電壓50V，正向電流1.0A，正向管壓降1.1V） 選擇標準：反向電壓耐浪涌電壓/50 ,而耐浪涌電壓為2000V，計算出來的反向電壓只要大于40V就符合要求。因此選擇1N4001，反向電壓為50V，符合選擇標準。3.2.7 限流電阻整定 選擇標準：按光電耦合器的正向電流50mA整定：則R1估算值： 。則取R1=100R2估算值：.則取R2=500R3估算值：。則取R3=1003.2.8 與非門：選擇標準：因為是一路，故采用74HC04.3.2.9 濾波電路選擇標準：R4估算值：因為R4、C1組成濾波電路，時間常數。則選R4=2k，C1=1F，即3.2.10 施密特觸發(fā)器 用門電路組成的施密特觸發(fā)器下圖為由G1和G2兩個CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器，輸入電壓u經電阻R和R分壓來控制反相器的工作狀態(tài)，要求RR。用門電路組成的施密特觸發(fā)器其中R1=1k R2=2k，則= =下圖分別為施密特觸發(fā)器反相輸出和同相輸出的邏輯符號?？騼鹊摹?”為施密特觸發(fā)器的限定符號（左圖為反向輸出，右圖為正向輸出）。工作原理施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，而這兩個穩(wěn)定狀態(tài)的維持和轉換完全取決于輸入電壓的大小。只要輸入電壓u上升到略大于U+或下降到略小于U時，施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就會發(fā)生翻轉，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性輸入電壓uI上升到使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉時的值，稱為正向閾值電壓，用U+表示。輸入電壓u下降到使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉時的值，稱為負向閾值電壓，用U表示。施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓U+和負向閾值電壓U的差值，稱為回差電壓，用U表示。 電壓傳輸特性反映的是觸發(fā)器輸出電壓隨輸入電壓變化的規(guī)律.反相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性同相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性 反相施密特觸發(fā)器:隨著輸入電壓的升高和降低，輸出電壓呈反相變化趨勢。 同相施密特觸發(fā)器:隨著輸入電壓的升高和降低，輸出電壓呈同相變化趨勢。 3.2.11 鎖存器選擇標準：因為是10路開關量，故用兩個帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器 74LS373373 的輸出端 O0O7 可直接與總線相連。 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數據 D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數據電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。引出端符號：D0D7 數據輸入端OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE 鎖存允許端 O0O7 輸出端真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻態(tài) 3.2.12 微處理器：采用MCS-51. 利用74LS373實現(xiàn)鎖存，與C51速配。3.3 開關量采集程序算法和程序流程設計：3.3.1 開關信號的識別編程時開關變位識別是開關量采集過程中，一項十分重要的工作，假設CPU 從十六位鎖存器得到開關狀態(tài)（1表示“合”，0表示“分“），對一路連續(xù)三次采樣，三決二，A.B+B.C+C.A（一個點，1 1 0 結果為1）得到這一路的開關量 。然后對十六路進行開關狀態(tài)的判斷。 判斷方法： 原開關狀態(tài)： D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 開關狀態(tài)： D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 對比：D6 1變0、 D4 0變1、D1 1變0，D0 0變1 (1) 用原開關狀態(tài)和現(xiàn)開關狀態(tài)異或（）運算發(fā)現(xiàn)變位 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 (2) 變位位與原開關狀態(tài)“與”, 發(fā)現(xiàn)由1 變0位 原開關狀態(tài)：1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 結果： 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0結果表示D6、D1，由 1變0。(3) 現(xiàn)狀態(tài)與變位字節(jié)“與”發(fā)現(xiàn)變位由0變?yōu)?位現(xiàn)開關狀態(tài)：1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1結果： 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1結果表示D4、D0由0變1。總結：現(xiàn)運行狀態(tài) 原運行狀態(tài)得到的值,有變位位是1，結果原狀態(tài), 結果是1的位,表示1變0。結果現(xiàn)狀態(tài)，1 位是0變1。3.3.2 程序流程設計3.4設計總圖四、設計總結 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著國民經濟的發(fā)展，人民物質文化生活水平的提高，對電力的需求越開越大，電網規(guī)模不斷擴大，電力市場對電能質量的要求更為嚴格，要求電力系統(tǒng)應提供更為安全、可靠、經濟和高質量的電能。配電網自動化系統(tǒng)是能夠實