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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)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、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。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,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 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,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PS2501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
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