配電自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)終端FTU開關(guān)量采樣通道及軟件設(shè)計(jì).doc

配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目配電自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)終端FTU開關(guān)量采樣通道及軟件設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1背景FTU是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要設(shè)備，在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)量采樣通道是FTU的重要部分。開關(guān)量輸入:10個(gè)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(shè)計(jì)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)。3設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)FTU開關(guān)量采樣通道。1) 性能指標(biāo)計(jì)算2) 電路設(shè)計(jì)。3) 根據(jù)性能指標(biāo)，選擇元器件。4) 開關(guān)量采集程序算法和程序流程設(shè)計(jì)。5) 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告起止時(shí)間2011 年 12 月 20 日 至 2011 年 12 月 27日指導(dǎo)教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學(xué)生簽名年 月 日 目錄一、設(shè)計(jì)由來11.1現(xiàn)場設(shè)備概念1 1.2配電網(wǎng)饋線遠(yuǎn)方終端單元FTU簡介 2 1.3開關(guān)量內(nèi)容3二、設(shè)計(jì)原理 4 2.1 電路原理設(shè)計(jì)4 2.2 各環(huán)節(jié)電路5三、詳細(xì)設(shè)計(jì) 7 3.1設(shè)計(jì)要求 7 3.2 性能指標(biāo)計(jì)算及元器件的選擇7 3.3開關(guān)量的采集程序算法及程序流程設(shè)計(jì)15四、設(shè)計(jì)總結(jié)17 五、附錄：參考文獻(xiàn) 18一、設(shè)計(jì)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(jī)、變壓器、電力線路和負(fù)荷等設(shè)備有機(jī)的構(gòu)成，旨在生產(chǎn)、傳輸、分配、消費(fèi)電能的各種電氣設(shè)備按照一定方式連接的整體。配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)，實(shí)際上是按其實(shí)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)(distribution system)：是電力系統(tǒng)中從輸電系統(tǒng)的變壓點(diǎn)(transformation points)向電力用戶傳送電能的部分，也是將電能分配到各個(gè)用戶的最終環(huán)節(jié)，包括不同電壓等級(jí)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(shè)施，常稱為配電網(wǎng)。 配電網(wǎng)自動(dòng)化，是一個(gè)涵蓋面廣，用于管理與運(yùn)行配電網(wǎng)的綜合自動(dòng)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(yùn)行等功能的系統(tǒng)。配電自動(dòng)化系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)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(jìn)行安全集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化及管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測、保護(hù)、控制和配電管理。它是配電自動(dòng)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(dòng)化、饋線自動(dòng)化、需方用電管理、配電管理自動(dòng)化。1.1 現(xiàn)場設(shè)備：（1）RTU (Remote Terminal Unit)：遠(yuǎn)動(dòng)終端，是采集所在發(fā)電廠或變電站表征電力系統(tǒng)運(yùn)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。 (2) FTU（Feeder Terminal Unit）: 饋線終端單元，特指實(shí)現(xiàn)饋線段的模擬、信號(hào)量的測量、控制、的設(shè)備。(3) TTU(Transformer Terminal Unit):配電變壓器終端單元，實(shí)現(xiàn)配電變壓器的模擬、信號(hào)量的遠(yuǎn)方設(shè)備。(4) DTU(Distribution Terminal Unit ):配電終端單元, 配電環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備的模擬、信號(hào)的測量控制的設(shè)備。(5) IED(Intelligent Electronic Device)智能電子設(shè)備：由一個(gè)或多個(gè)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(shí)現(xiàn)四遙的自動(dòng)化設(shè)備，目前已變電站自 動(dòng)化系統(tǒng)取代。1.2 配電網(wǎng)饋線遠(yuǎn)方終端單元FTU1.2.1 配電網(wǎng)饋線遠(yuǎn)方終端單元FTU，一般根據(jù)其安裝應(yīng)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(duì)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(hù)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(jī)，具有帶光電隔離的多路開關(guān)量輸入，多路交流采樣，可遠(yuǎn)方或就地控制一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，具有重合閘功能，可選配過流、速斷保護(hù)，具有對(duì)時(shí)功能和定值遠(yuǎn)方下裝和召喚功能；具有故障報(bào)告功能；能在惡劣環(huán)境（高溫、嚴(yán)寒、防雷、防塵、防雨等）下運(yùn)行。1.2.2 FTU的基本功能： (1) 遙信功能：FTU對(duì)柱上開關(guān)當(dāng)前開合狀態(tài)、通信是否正常、開關(guān)儲(chǔ)能、柜門、電池是否正常、及保護(hù)動(dòng)作等信號(hào)進(jìn)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(jìn)行采集。 (3) 遙控：FTU接受區(qū)域站轉(zhuǎn)發(fā)的主站合閘或分閘命令。 (4) 統(tǒng)計(jì)功能：對(duì)開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間和過電流次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 (5) 對(duì)時(shí)功能：能接收區(qū)域站的對(duì)時(shí)命令。 (6) 事件順序記錄(SOE)：記錄狀態(tài)量發(fā)生變化的時(shí)刻的先后順序。 (7) 事故記錄：記錄事故發(fā)生前和發(fā)生時(shí)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(yuǎn)方整定和召喚； (9) 自檢自恢復(fù)，看門狗。 (10) 遠(yuǎn)方控制閉鎖與手動(dòng)操作功能。當(dāng)進(jìn)行線路開關(guān)檢修時(shí)，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(shí)提供當(dāng)?shù)厥止ず祥l、分閘操作。 (11) 通信：總線接口，以太網(wǎng)接口。 (12) 擴(kuò)展：(1)電量采集，積分方式得到電量，用于管理。 (12) 微機(jī)保護(hù):具備保護(hù)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、有功功率、無功功率的測量并有互感 器的異常報(bào)警。 （2）能夠儲(chǔ)存頂點(diǎn)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(duì)時(shí)命令。 （4）具有與兩個(gè)及以上主站通信的功能。 （5）采集事件順序記錄并向遠(yuǎn)方傳送。 （6）具有設(shè)備自診斷或遠(yuǎn)方診斷。 （7）具有通道監(jiān)視功能。 （8）具有當(dāng)?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(hù)和重合閘功能。1.3 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(shè)備的繼電器觸點(diǎn)提供。反映各種開關(guān)開合狀態(tài)、設(shè)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(hù)動(dòng)作信息。(3) 設(shè)備的運(yùn)行信息，斷線、缺相，運(yùn)行、停運(yùn)，正常、故障等(4) 其它，門禁，動(dòng)物進(jìn)入等狀態(tài)信息，壓力超限，油溫超限等。以上信號(hào)，均取自現(xiàn)場設(shè)備的繼電器的輔助觸點(diǎn)，提供給IED裝置的輔助觸點(diǎn)信息有兩種：有源觸點(diǎn)和無源觸點(diǎn)。有源觸點(diǎn)，通過一個(gè)電壓反映設(shè)備開關(guān)量信息。無源觸點(diǎn)，相當(dāng)一個(gè)開關(guān)，輸入IED裝置時(shí)，無論反映的是“合”還是“分”，觸點(diǎn)兩端均無電位差。斷路器、隔離刀閘的信息，均是無源觸點(diǎn)。 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(duì)IED中開關(guān)量采樣通道及軟件的處理算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 二、設(shè)計(jì)原理2.1 電路原理設(shè)計(jì)： (1)信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將現(xiàn)場的開關(guān)量信號(hào)（無源、有源）裝換成計(jì)算機(jī)可接 收的邏輯電平信號(hào)。(2)信號(hào)調(diào)理：將邏輯電平信號(hào)進(jìn)行、濾波和消抖處理。例RC濾波器。(3)隔離:實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)和微處理機(jī)或單片機(jī)的隔離。(4)接口電路:實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)和CPU處理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。2.2 各個(gè)環(huán)節(jié)的電路2.2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié):無源觸點(diǎn)：2.2.2消抖濾波電路 當(dāng)開關(guān)量作為輸入信號(hào)，在開關(guān)量發(fā)生變化時(shí)，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(hào)回路中，信號(hào)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(duì)部分高頻量進(jìn)行濾波。例如采用RC濾波器。 消抖電路，各類繼電器，節(jié)點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，觸點(diǎn)均有一個(gè)抖動(dòng)的過程，加上 干擾，使?fàn)顟B(tài)發(fā)生錯(cuò)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(gè)典型的消抖電路：當(dāng)Ui加大到UT+時(shí)，Uo由 低變成高電平，當(dāng)Ui減到UT- 時(shí)，Uo變成低電平。2.2.3 電氣隔離電路由于斷路器、隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)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(qiáng)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(guān)的輔助觸點(diǎn)S1、S2接通，去啟動(dòng)小信號(hào)繼電器 K1、K2，然后由K1、K2的觸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)速度匹配。 三、詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)要求：（1）開關(guān)量輸入:10個(gè)（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(biāo)計(jì)算及元器件的選擇：3.2.1 開關(guān)量輸入:10個(gè)； 因此采用10路通道。3.2.2 分辨率：5ms； 確定時(shí)間有兩種方法：立即計(jì)時(shí)法,最終計(jì)時(shí)法。 一般按照定是方式掃查，Ts為周期。如果掃查時(shí)間為 t為0時(shí)，兩種方法結(jié)果一致。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間 大于Ts 時(shí)，時(shí)間標(biāo)記不會(huì)一樣。不 足Ts 時(shí)，時(shí)間標(biāo)記相同 為了確定事件的先后順序，用以分開各個(gè)事件所需的最小時(shí)間間隔，標(biāo)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(shè)計(jì)，定時(shí)5ms掃描一次。3.2.3 兩次事件處理能力：25ms。 在25ms之內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)：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(fù)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(biāo)準(zhǔn)：反向電壓耐浪涌電壓/50 ,而耐浪涌電壓為2000V，計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。3.2.7 限流電阻整定 選擇標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)：因?yàn)槭且宦罚什捎?4HC04.3.2.9 濾波電路選擇標(biāo)準(zhǔn)：R4估算值：因?yàn)镽4、C1組成濾波電路，時(shí)間常數(shù)。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(gè)CMOS反相器組成的施密特觸發(fā)器，輸入電壓u經(jīng)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(hào)?？騼?nèi)的“ ”為施密特觸發(fā)器的限定符號(hào)（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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，而這兩個(gè)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u上升到略大于U+或下降到略小于U時(shí)，施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就會(huì)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(shí)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(zhuǎn)時(shí)的值，稱為負(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)：因?yàn)槭?0路開關(guān)量，故用兩個(gè)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(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) 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(hào)：D0D7 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 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(shí)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(shè)計(jì)：3.3.1 開關(guān)信號(hào)的識(shí)別編程時(shí)開關(guān)變位識(shí)別是開關(guān)量采集過程中，一項(xiàng)十分重要的工作，假設(shè)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(duì)一路連續(xù)三次采樣，三決二，A.B+B.C+C.A（一個(gè)點(diǎn)，1 1 0 結(jié)果為1）得到這一路的開關(guān)量 。然后對(duì)十六路進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的判斷。 判斷方法： 原開關(guān)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(guān)狀態(tài)： D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 對(duì)比：D6 1變0、 D4 0變1、D1 1變0，D0 0變1 (1) 用原開關(guān)狀態(tài)和現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)異或（）運(yùn)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(guān)狀態(tài)“與”, 發(fā)現(xiàn)由1 變0位 原開關(guān)狀態(tài)：1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 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。(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(guān)狀態(tài)：1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1結(jié)果： 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1結(jié)果表示D4、D0由0變1?？偨Y(jié)：現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài) 原運(yùn)行狀態(tài)得到的值,有變位位是1，結(jié)果原狀態(tài), 結(jié)果是1的位,表示1變0。結(jié)果現(xiàn)狀態(tài)，1 位是0變1。3.3.2 程序流程設(shè)計(jì)3.4設(shè)計(jì)總圖四、設(shè)計(jì)總結(jié) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平的提高，對(duì)電力的需求越開越大，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力市場對(duì)電能質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格，要求電力系統(tǒng)應(yīng)提供更為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量的電能。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是能夠?qū)?