配電自動化遠動終端FTU開關(guān)量采樣通道跟軟件設計

《配電網(wǎng)自動化技術(shù)》課程設計任務書題目配電自動化遠動終端FTU開關(guān)量采樣通道及軟件設計學生姓名學號 專業(yè)班級設計內(nèi)容與要求背景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(guān)量采樣通道是FTU的重要部分。開關(guān)量輸入：10個分辨率：5ms兩次事件處理能力：W25ms。光電隔離：耐壓1000V耐浪涌電壓:2000V設計要求1） 熟悉開關(guān)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(wǎng)查詢選擇各類器件。4） 掌握器件的性能參數(shù)。設計內(nèi)容根據(jù)以上要求設計FTU開關(guān)量采樣通道。1） 性能指標計算2） 電路設計。3） 根據(jù)性能指標，選擇元器件。4） 開關(guān)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TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 設計由來 1\o"CurrentDocument"1.1現(xiàn)場設備概念 1\o"CurrentDocument"1.2配電網(wǎng)饋線遠方終端單元FTU簡介 21.3開關(guān)量內(nèi)容 3\o"CurrentDocument"二、 設計原理 4\o"CurrentDocument"2.1電路原理設計 4\o"CurrentDocument"2.2各環(huán)節(jié)電路 5\o"CurrentDocument"三、 詳細設計 7\o"CurrentDocument"3.1設計要求 7\o"CurrentDocument"3.2性能指標計算及元器件的選擇 7\o"CurrentDocument"3.3開關(guān)量的采集程序算法及程序流程設計 15\o"CurrentDocument"四、 設計總結(jié) 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(gòu)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(gòu)成，旨在生產(chǎn)、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(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)(distributionsystem):是電力系統(tǒng)中從輸電系統(tǒng)的變壓點(transformationpoints)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(wǎng)。配電網(wǎng)自動化，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、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(shù)、通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡技術(shù)，將配電網(wǎng)實時信息、離線信息、用戶信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息進行安全集成，構(gòu)成完整的自動化及管理系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)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：RTU(RemoteTerminalUnit):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(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或變電站的控制和調(diào)節(jié)命令。FTU(FeederTerminalUnit):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。TTU(TransformerTerminalUnit):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。DTU(DistributionTerminalUnit):配電終端單元，配電環(huán)網(wǎng)柜等設備的模擬、信號的測量控制的設備。IED(IntelligentElectronicDevice)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(guān)站或變電站內(nèi)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。配電網(wǎng)饋線遠方終端單元FTU1.2.1 配電網(wǎng)饋線遠方終端單元FTU,一般根據(jù)其安裝應用場合的不同，分為柱上FTU,環(huán)網(wǎng)柜FTU(DTU)。不同的FTU監(jiān)測的饋線回路數(shù)據(jù)不一樣，但基本功能一樣，包括遙信、遙調(diào)、遙控和故障電流檢測等功能。配電網(wǎng)饋線終端單元FTU,安裝在柱上開關(guān)處，完成對柱上開關(guān)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(guān)的操作電源以及蓄電池的充電電源來自柱上開關(guān)兩側(cè)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(guān)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。FTU的基本功能：遙信功能：FTU對柱上開關(guān)當前開合狀態(tài)、通信是否正常、開關(guān)儲能、柜門、電池是否正常、及保護動作等信號進行采集。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。遙控：FTU接受區(qū)域站轉(zhuǎn)發(fā)的主站合閘或分閘命令。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)進行統(tǒng)計。對時功能：能接收區(qū)域站的對時命令。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。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。定值遠方整定和召喚；自檢自恢復，看門狗。遠方控制閉鎖與手動操作功能。當進行線路開關(guān)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?shù)厥止ず祥l、分閘操作。通信：總線接口，以太網(wǎng)接口。擴展：(1)電量采集，積分方式得到電量，用于管理。微機保護:具備保護動能。故障錄波(發(fā)展中，存在爭議)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?shù)仫@示功能。（9） 采集電能表脈沖或多功能表數(shù)據(jù)。（10） 可具有繼電保護和重合閘功能。3開關(guān)量現(xiàn)代IED的輸入信息分為，模擬量和開關(guān)量兩種。開關(guān)量主要包括：由電力設備的繼電器觸點提供。反映各種開關(guān)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(guān)量信息。有源源開關(guān)量端子一次設備,K K-1 | 1 有源源開關(guān)量端子一次設備,K K-1 | 1 端無源開關(guān)量一般的IED具備開關(guān)量的輸入功能，因此開關(guān)量輸入是IED的重要功能之一。因此，對IED中開關(guān)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：開關(guān)量信息通道信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將現(xiàn)場的開關(guān)量信號(無源、有源)裝換成計算機可接收的邏輯電平信號。信號調(diào)理：將邏輯電平信號進行、濾波和消抖處理。例RC濾波器。隔離:實現(xiàn)現(xiàn)場信號和微處理機或單片機的隔離。接口電路:實現(xiàn)現(xiàn)場信號和CPU處理信號之間的轉(zhuǎn)換。2.2各個環(huán)節(jié)的電路2.2.1信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：無源觸點：

端子無源開關(guān)量接入信號轉(zhuǎn)換端子端子端子IEDV+端子無源開關(guān)量接入信號轉(zhuǎn)換端子端子端子IEDV+有源開關(guān)量直接接入2.2.2消抖濾波電路當開關(guān)量作為輸入信號，在開關(guān)量發(fā)生變化時，往往伴隨著電氣設備的操作，電氣設備操作產(chǎn)生的干擾，可能耦合到信號回路中，信號回路由此產(chǎn)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。RC濾波器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(jié)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:采用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)消噪除顫的原理知)施密特觸發(fā)器的圖形符號及其工作波形:(b)未加消喋除成環(huán)節(jié)的

輸入輸出波形；加入消噪除戢環(huán)節(jié)的輸人輸出波形RU;KC濾波潴當URU;KC濾波潴當U加大到U時，U由低變成高電平，當U減到U時，U變成低電平。i T+ o i T- o2.2.3電氣隔離電路由于斷路器、隔離開關(guān)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(guān)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。GND2GND2利用現(xiàn)場斷路器或隔離開關(guān)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(guān)量輸入:10個（2） 分辨率：5ms（3） 兩次事件處理能力：W25ms。（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：開關(guān)量輸入:10個；因此采用10路通道。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(jié)果一致。當兩個開關(guān)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.Is ISb m t Ts-4 WM Ifc⑴I⑵<3、cnI皿<3）］叫|⑴g|⑶1⑴|曰）I口）IIti f第周期（2｝組星整伯.時汰卜時同到卜?個心期口〕組量函位變化測出的變R：周切是T*實際發(fā)生變陽1寸I'W為AT*⑴I⑵5|〔4）Ln11與I⑶I叫I⑴I⑵I|（4）|⑴|⑵|口〕|⑴第一個捌期（2）絹量交位到周期姑唳時記錄下時間到下一”同期<2>組星該位斐化到周期始火時id錄時向 測出的斐位時間為n實際芨士.變位.時間,『T&因此，程序設計，定時5ms掃描一次。兩次事件處理能力：W25ms。在25ms之內(nèi)完成兩次事件的處理。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?！鰞?nèi)部連接圖 \QAnode? ②Cathod#③Emitter? @Collector■最大絕對值 （Ta=25°C）參數(shù)符號額定值單位輸入正向電流IF50mA正向峰值電流IFM1A反向電壓VR6V功耗P70mW輸出集電極發(fā)射極電壓VCEO35V發(fā)射極集電極電壓VEC06V集電極電流lc50mA集電極功耗PC150mW總功耗Ptot200mW隔離電壓Viso5000Vrms工作溫度Topr-3010^100P存儲溫度Tstg-5510*125r焊接溫度Tsoi260p

■光電特性 （Ta=252）參散符號條件最小伯額定值甲世輸A正向電壓VFIF=20nA-1.21.4V正向峰值用壓VFMIFII=O.5A--3.0V反向電流IRVR=4V.10uA終幫電容CtV=0^1KHZ,30250pF輸出集電損暗電流ICEOVCE20V--I0'7A轉(zhuǎn)換性電流傳輸比CTR1IF=5城，Vce=5V50-60。%集電板度射極飽和電壓VCE(sat)If=2嘛，lc=1mA-0.1V隔絕電阻RiseDC5WV40I崩晚RH5*1O101011-￡1浮罰電容CfV=0>IMHZ-061.0pF截止領(lǐng)率VcE=5Vhlo2mA.I?L=10DfiJdB-80-KHZ響應時間匕升時間trVc&=2vhlc=2mArRL=l00fi.41HuS下障時間if-318uS3.2.5穩(wěn)壓二極管。選擇IN757型穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值：8.9——9.3V；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。006333^523.2.6 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。

AbsoluteMaximumRatings*丁/涉眼叫略^姑疏日^誠SymbolParameterValueUni姑IfiAV)AverageRectifiedCurrent.375"leadlength@Ta=75CC10AIfsmNofirrepetitivePeakF-oraardSurgeCurrenlB.3mssing愜half-sine-wave-Superimposedonratedload(JEDECmethod}30ApdTotalDeviceDissipationDerateabove25aC2.520WmWi^CRhjaThermalResistance,JuncrtcmtoAmbient50—gw一TslgStorageTemperatuireRange-55to*176°CTjOperalmgJunclianTemperalure-55io，150°CElwct『icalCharacteristics l=皈仁麗噲other疝鈕rKteciSymbolParameterDeviceUnits4001400240034004W40064007VrfhPeakRepetitiveReverseVoltage501002004006008001000V"msMaximumRMSVoltage3570140280420560700VVrDCReveresVollage(RaladVp)501002D04006008001000VIrmMaximuminstantaneousReverseCurrent@ratadVp TA=25°CTa=10D°C5.0500必VfmMaximuminstantaneousFonvardvoiia^e@i.0A1.1VIrrMaximumFullLoadReverseCurrent,FullCycleTA-7g30CTypicalJunctiiDinCapacitancaVr=4.0V,f=1.0MHz15pF3.2.7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：R1=L_*1=24-1,1=22.9。。則取R1=100。y1V—U-U-U 24-11-9-1 R2估算值：R2=一-GG VT1 VT2 PC817= ,——=258。.則取I 50X10-3PG817R2=500。R3估算值：R3=一5一=100。。則取R3=100。50x10-33.2.8與非門：選擇標準：因為是一路，故采用74HC04.

14n1211109a1314n1211109a13455r□LiaHi>Lln?Paclcag^VceMVftAB￥1A4Y*a?V3國NJT1JS=/4O63-1OrderMunnbe^rMMMHCD4-orMM74HCD43.2.9 濾波電路UiU0UiU0RC濾波器選擇標準:R4估算值:因為R4、C1組成濾波電路，時間常數(shù)r=RC?5ms。貝V選R4=2kQ，C1=1〃F，艮口r=RC=2x103x10-6s=2ms3.2.10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uI經(jīng)電阻Ri和R2分壓來控制反相器的工作狀態(tài)，要求R2>R1o

,R2ClG2FUol>J-u02——HqI用門電路組成的施密特觸發(fā)器其中R1=1kR2=2k,R2ClG2FUol>J-u02——HqI用門電路組成的施密特觸發(fā)器其中R1=1kR2=2k，則U=R1+R2UT+ R2=(1+史)UTH R2 2R1-R2ttu= UT_ R2=(1-R1)UTHR22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?nèi)的“IT”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）。in—uo2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(zhuǎn)換完全取決于輸入電壓的大小。只要輸入電壓uI上升到略大于Ut+或下降到略小于Ut-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。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(zhuǎn)時的值，稱為正向閾值電壓，用Ut+表示。輸入電壓Ui下降到使電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的值，稱為負向閾值電壓，用Ut-表示。施密特觸發(fā)器的正向閾值電壓Ut+和負向閾值電壓Ut-的差值，稱為回差電壓，用AUt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。。機 反相施密特觸發(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。。機 ° %一?！?與同相施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性同相施密特觸發(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(guān)量，故用兩個帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器74LS373373的輸出端O0~O7可直接與總線相連?！鯨.■■ ■ ■■ ■PL■ —Mimrrll>Mimrrll>IDE2D20JO電3偵ecsiiffidi當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0?O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當OE為高電平時，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)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(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)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：D0?D7數(shù)據(jù)輸入端OE三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE鎖存允許端O0~O7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(guān)量采集程序算法和程序流程設計：3.3.1開關(guān)信號的識別編程時開關(guān)變位識別是開關(guān)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(guān)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，110結(jié)果為1）得到這一路的開關(guān)量。然后對十六路進行開關(guān)狀態(tài)的判斷。判斷方法：原開關(guān)狀態(tài)：DDDDDDDDDD98765432101001101010開關(guān)狀態(tài)：

D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 0 0 0 1 1 1 0 0 1對比：D61變0、D40變1、D11變0,D00變1用原開關(guān)狀態(tài)和現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)異或()運算發(fā)現(xiàn)變位0001010011變位位與原開關(guān)狀態(tài)“與”，發(fā)現(xiàn)由1變0位TOC\o"1-5"\h\z原開關(guān)狀態(tài)：1 0 0 1 1 0 1 0 1 00 0 0 1 0 1 0 0 1 1結(jié)果：0 0 0 1 0 0 0 0 1 0結(jié)果表示D6、D1，由1變0?，F(xiàn)開關(guān)狀態(tài)：1000現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)：10001110010001010011結(jié)果：0000010001結(jié)果表示D、D由0變1。4 0總結(jié)：現(xiàn)運行狀態(tài)十原運行狀態(tài)得到的值，有變位位是1,結(jié)果八原狀態(tài)，結(jié)果是1的位，表示1變0。結(jié)果八現(xiàn)狀態(tài)，1位是0變1。3.3.2程序流程設計

初始化是否有變位結(jié)果&相與否是由0變1由1變0現(xiàn)在開關(guān)狀態(tài)初始化是否有變位結(jié)果&相與否是由0變1由1變0現(xiàn)在開關(guān)狀態(tài)&相與原始開關(guān)狀態(tài)采集原始開關(guān)狀態(tài)采集現(xiàn)在開關(guān)狀態(tài)+異或變位位連續(xù)三次采樣，三絕二3.4設計總圖24V+5VIG3M2MaIG3眥Y2AM74HC04-C74HC04,E5!6!6!VOEVC」Q0Q7—D07D7D14D6，Q1LQ6—Q考q5D27D5D