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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 I学号II专业班级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：W25ms。光电隔离：耐压1000V设计内容与要求耐浪涌电压: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日指导教师签名系（教研室）主任签名学生签名目录一、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
3、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
4、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、故障隔离和非故障区域快速恢 复供电功能。FTU是安装在配
5、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。积成电子FTU柱上FTUFTU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，并通过适当的结构设计使之防雷、防雨、防潮。2-1、F
6、TU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）定值远方整定和召唤。（9）自检自恢复，看门狗。（10）远
7、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
8、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。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、故隙等；(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IED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
9、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。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。2-1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(b)有源转换电路2-2消抖漉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
10、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。当输入信号电压以逐渐增大到大于4+时，触发器立即发生翻转，输出高电平 “1”，U。由低变成高电平；当输入信号电压上逐渐减小小于U.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
11、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（3）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）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，
12、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SI、S2接通，启动小信号继电器K1,K2, 然后由KI、K2的触点以Kl-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
13、 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。、详细设计（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。（9）掌握器件的性能参数。（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
14、，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（S0E） o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M间间隔。站内分辨率小 于2ms,站间分辨率小于lOmso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。（3）两次事件处理能力： W 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Ikv,选择型号为P
15、S2501的光电耦合器:耐压值5. Okv, 正向电流：If=80mA,输出集电极电流：Ic=80mA。内部接线图:PW 100$Duty Cycle = V10Pulse InputoVccoVout Rl-IOOU性能参数:ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Ta = 25)ParameterSymtxjlConditionsMIN.TYP.MAX.UnitDiodeForward VoltageVfIf = 10 mA1.171.4VReverse CurrentIrVr = 5 V5Terminal CapacitanceCtV = 0V.f=1.0 MHz50pFTransistorCollector to Emitter Oartc Current|COVee - 80 V. If - 0 mA100nACoupledCurrent Transfer Rati
