（信号与信息处理专业论文）基于arm的10kv配电网控制与保护技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 深入研究了我国1 0 k v 配电网特点和馈线自动化技术，设计了以基于f t u 和电 力线载波通信的集中式保护为主、基于f t u 的重合闸保护为辅的馈线自动化方案， 不论通信是否正常，都能实现线路故障区段的自动隔离和非故障区段的供电恢复， 设计并制作了基于a r m 的馈线自动化终端硬件，实现了f t u 主要的软件功能，并 对f t u 所处恶劣环境中几种典型的干扰的产生机理和频谱特性进行了分析，在硬 件和软件方面采取了必要的抗干扰措施来提高f t u 的可靠性，最后在实验室和 1 0 k v 现场进行了实验和测试，结果表明所研制的f t u 达到了预期的要求。 关键词：配电自动化，馈线自动化终端，a r m ，f f t 算法，抗干扰 a b s t r a c t h “sp a p c 1 1 i n a - s1ok vd i s t r i b u t i o nn 咖o r kc h 娥喊e i i s 缸c sa n df e e d e ra u t o m a t i o n t ec _ h n o l o g ya r ed e e p l ys 砌i e d t l l e nap r o p e rm o d ei sp r o p o s e d ，m a ti sp r o t e c t i o nb a s e do n f t u 锄dp o w e rl i i l ec a r r i e rc o r n m u 盘c a t i o ni sp m l a 巧a i l dp r o t e c t i o nb a s e do n 吐l ef t u r e c l o s i i l gm e m o di ss e c o i l d a r y n om a t t e rc o m n m i l i c a t i o ni sn o m l 2 l lo rn o t ，i tc a na c 虹e v e i s o l a t i n g l ef l a u l tl i n es e c t i o na l l dr e s t o r i n gp o w e rt ou i l f | a u l t e d1 i n es e c 缸o r l s n e i lh a r d w a r e a n ds 0 脚a r eo ff t ut ot h ep r o p o s e dm o d ea r ed e s i 萨e da n da c c o m p l i s h e d s e v e r a lt ) ，p i c a l l i n t 酬衙e 1 1 c es o u r c e si 1 1p o w e rs y s t 锄砸t ht h e i rg e i l e r a t i o n sa n ds p e 龇a r ea n a l y z e d ，趾d m e ns o m ec o n e s p o n d i n ga n t i - j a m m i n gm e t h o d si n c l u d i i l gh a r d w a r ca n ds o 胁a r ea r et a k e nt 0 i m p r o v em er e l i a b i l i t ) ro ff t u f i n a l l y ，s o m ee x p e r i m e l l t sa n dt e s t sa r ed o n eb o t hi nt l l e l a b o r a t o 巧a n d 也e1o k vp o w e r1 i 1 1 e 。r e s u l t ss h o w e d 也a t 仕l ef t u a c 量1 i e v e dn l ee x p e c t e d d e m a n d l il e l e ( s i g n a la n di n f o 锄a t i o np r o c e s s i n 曲 d i r e c t e db yp r o fx i ez h i y u a n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，a r m ， f f ta l g o r i t h m i c ， a t i - j a m m i n g 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 深入研究了我国1 0 k v 配电网特点和馈线自动化技术，设计了以基于f t u 和电 力线载波通信的集中式保护为主、基于f t u 的重合闸保护为辅的馈线自动化方案， 不论通信是否正常，都能实现线路故障区段的自动隔离和非故障区段的供电恢复， 设计并制作了基于a r m 的馈线自动化终端硬件，实现了f t u 主要的软件功能，并 对f t u 所处恶劣环境中几种典型的干扰的产生机理和频谱特性进行了分析，在硬 件和软件方面采取了必要的抗干扰措施来提高f t u 的可靠性，最后在实验室和 1 0 k v 现场进行了实验和测试，结果表明所研制的f t u 达到了预期的要求。 关键词：配电自动化，馈线自动化终端，a r m ，f f t 算法，抗干扰 a b s t r a c t h “sp a p c 1 1 i n a - s1ok vd i s t r i b u t i o nn 咖o r kc h 娥喊e i i s 缸c sa n df e e d e ra u t o m a t i o n t ec _ h n o l o g ya r ed e e p l ys 砌i e d t l l e nap r o p e rm o d ei sp r o p o s e d ，m a ti sp r o t e c t i o nb a s e do n f t u 锄dp o w e rl i i l ec a r r i e rc o r n m u 盘c a t i o ni sp m l a 巧a i l dp r o t e c t i o nb a s e do n 吐l ef t u r e c l o s i i l gm e m o di ss e c o i l d a r y n om a t t e rc o m n m i l i c a t i o ni sn o m l 2 l lo rn o t ，i tc a na c 虹e v e i s o l a t i n g l ef l a u l tl i n es e c t i o na l l dr e s t o r i n gp o w e rt ou i l f | a u l t e d1 i n es e c 缸o r l s n e i lh a r d w a r e a n ds 0 脚a r eo ff t ut ot h ep r o p o s e dm o d ea r ed e s i 萨e da n da c c o m p l i s h e d s e v e r a lt ) ，p i c a l l i n t 酬衙e 1 1 c es o u r c e si 1 1p o w e rs y s t 锄砸t ht h e i rg e i l e r a t i o n sa n ds p e 龇a r ea n a l y z e d ，趾d m e ns o m ec o n e s p o n d i n ga n t i - j a m m i n gm e t h o d si n c l u d i i l gh a r d w a r ca n ds o 胁a r ea r et a k e nt 0 i m p r o v em er e l i a b i l i t ) ro ff t u f i n a l l y ，s o m ee x p e r i m e l l t sa n dt e s t sa r ed o n eb o t hi nt l l e l a b o r a t o 巧a n d 也e1o k vp o w e r1 i 1 1 e 。r e s u l t ss h o w e d 也a t 仕l ef t u a c 量1 i e v e dn l ee x p e c t e d d e m a n d l il e l e ( s i g n a la n di n f o 锄a t i o np r o c e s s i n 曲 d i r e c t e db yp r o fx i ez h i y u a n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，a r m ， f f ta l g o r i t h m i c ， a t i - j a m m i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于删的1 0 k v 配电网 控制与保护技术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1我国10 k v 配电网现状 在电力系统中，由输电、变电、蓍芒电设备以及各种毫压等级的电力线路所组成 的部分称力电赠，电网又可分为输电网和配电网两部分。一般来讲，将3 5 k v 及以 上电压等级的电网称为输电网，1 0 k v 及以下电压等级的电网称为配电网，其作用 是将电能分配给用户，承担着工农业生产、居民及商业用电。配电网覆盖面最广， 是电网中最重要和最直接的一部分，其运行的可靠性和经济性是直接关系到豳计民 生的大事。 我国配电网的发展是随城市建设规模及用电负荷迅速增长和供电可靠性要求 而提出的，由于城市规划与电力规划脱节的历史原因，自然形成了城市电网和农村 电网两种形式，城网配电设备和自动化水平随经济的发展不断提高，丽农网由于赘 金、技术等原因发展相对落后，自动化水平相对较低，供电可靠性差。原有的配电 网结构和自动化水平已经不能适应发展的需求，迫切需要进行电网改造和配电自动 化水平的提高h 】。 我国传统l o w 配电网多为辐射型结构，线路之间没有分段开关，在线路发生 故障或停电检修时，必然造成全线停电，停电时间长、面积大，严重影响人民生活 水平提高和经济发展。随着我囡城市建设的发展，用电负荷迅速增加，对配电系统 和可靠性的要求不断提高，辐射型配电网很难适应发展的需要，我国从2 0 世纪8 0 年代开始在沿海大、中城市推广l o l ( v 环网结构，城市l o l 【v 配电阙的改造方向也 是“手拉手环网结构。这种方式投资节省，又能提高供电可靠性，目前“手拉手 环网结构在我国配电网中已有定的代表性。“手拉手”环网供电一般采用开环运 行模式，用负荷开关或断路器将线路分段，并通过联络开关与另一电源相联，电溺 平时处于开环运行模式，即联络开关处于断开状态，在配电线路或变压器故障时可 以通过分段开关隔离故障区段，并通过联络开关进行负荷转移，达到恢复非故障区 段供电的目的，不仅缩小了停电范围，更提高了供电可靠性。 总之，我国1 0 k v 配电网阿架结构相对薄弱，供电能力较弱，供电可靠性及配 电网自动化水平有待进一步提高。 1 。2配电自动他发展综述 配电臼动化是综合应用现代计算机、电子和通信技术对配电网、配电设备和用 电设备实现运行自动化的管理自动纯，用于提高供电可靠性，改善电能质量，降低 王 华北电力大学硕士学位论文 线损，减少运行费用，优化配电网运行和管理。 在一些工业发达国家中，供电可靠性受到广泛重视，配电自动化技术发展迅速， 国外的配电自动化已经发展到运行、管理综合自动化的阶段。配电自动化技术的发 展大体经历了三个阶段【2 4 】：第一阶段是局部馈线自动化，利用重合器、分段器技 术，实现馈线故障自动定位、隔离及非故障区段恢复供电；第二阶段是监控自动化 阶段，利用计算机技术对配网实行远程监控，构成配电自动化系统；第三阶段是运 行、管理综合自动化阶段，研究的是配电系统的综合自动化。 日本是配电自动化发展较快的国家，4 0 年代起着手研究配电自动化技术，4 0 年代末实现并普遍应用了自动切除故障区间、人工恢复供电；5 0 年代实现了配电系 统的远方监视与控制；6 0 年代应用了自动恢复供电；7 0 年代实现了配电信息系统、 负荷管理及配电管理等；8 0 年代后期开发了重合器，自动隔离故障段及恢复供电， 缩小了停电范围，提高了供电可靠性，并实现了配电综合自动化系统；9 0 年代初期， 在重合器的基础上增加了通信功能，实现了遥测、遥信和遥控，通信手段以配电网 载波为主( 占8 0 ) ；9 0 年代中期，加强了事故处理能力，并将管理功能与监控功能 相结合，近年又在光纤通信方面取得了进展【3 】。 2 0 世纪9 0 年代初期，随着通信技术的发展，调度自动化的s c a d a 技术开始 延伸至配电自动化，在负荷开关上加配电自动化终端，采集负荷开关运行实时信息， 通过通信系统向配电控制中心的主站集中，实现配电网信息的远程监控。当配电网 发生故障时，有关的f t u 记录下故障信息并及时向主站报告，主站的计算机系统 根据全网运行状态进行综合分析判断，确定故障区段，遥控相关f t u 断开故障两 侧开关以隔离故障，再转移负荷，进行网络重构，恢复故障部分供电。从此将单一 的馈线自动化提高为配电自动化系统，克服了馈线自动化会再次重合到故障点的缺 点，隔离故障和恢复供电较快，并为配电自动化提供实时数据，有助于配电系统的 信息化集成，为配电自动化系统朝着综合自动化方向发展打下了基础。 美国在过去的三十年内，s c a d a 技术被逐步推广应用并渐趋成熟，并加入许 多新功能，例如配电自动化d a 、设备管理f m 、地理信息系统g i s 、需方管理d s m 等。9 0 年代中期增加了通信功能，使配电综合自动化系统的硬件、软件集成在一起， 通信手段以配电网载波为主( 占8 0 ) ，形成了配电综合自动化系统。 中国的配电自动化技术起步较晚，随着我国电力运行体制改革的深化和电力市 场的深入发展，迫切需要进行城网和农网改造，国家的巨额投资和广阔的市场前景 也吸引大批的科研单位和电力企业从事配电自动化的研究。在2 0 世纪9 0 年代开始， 通过使用一些自动重合开关，局部试点馈线自动化。1 9 9 7 年，上海浦东金藤工业园 区配电自动化工程综合了国内外新技术；乌鲁木齐市中山路8 个环网供电单元采用 2 华北电力大学硕士学位论文 电压型馈线自动化设备实现自动化；2 0 0 0 年底至2 0 0 1 年，电科院与烟台电业局采 用p m 3 0 0 0 ( 罗克韦尔自动化电源监视器) 在烟台市区实施了配电自动化系统。随着 配电自动化技术的不断发展，我国相继建立了上海浦东的光纤通信配电自动化网、 江苏盐城的无线通信配电自动化网、河北邯郸的电力线载波通信配电自动化网等。 然而，在过去的十多年中，由于1 0 k v 配电网处于配电末端，事故影响面小， 配电自动化发展相对缓慢，有的线路甚至没有任何保护措施。鉴于目前我国电力系 统发展迅速，l o k v 配电网也不断扩大，覆盖面积更为广泛，加上用户对供电质量 要求的不断提高，迫切要求1 0 k v 配电网自动化水平不断提高以保证供电的可靠性 和运行的经济性。因此，研究1 0 k v 配电网的控制与保护技术有着极为重要的意义。 我国配电自动化建设应根据国情因地制宜、因时制宜，在做好总体规划的前提 下，分步进行。较可行的配电自动化的实施步骤是：首先进行整体规划，结合配电 网的地理信息系统( g i s ) ，通过安装于馈线终端的智能配电终端的通信连接，实现 包括故障定位、隔离和自动恢复供电等功能的馈线自动化( f a ) ；然后在馈线自动 化、变电站自动化和配电网g i s 系统的基础上，增加信息管理和相关的高级应用软 件，逐步扩充，建立完善的配电自动化及其管理系统。 1 3配电系统的馈线自动化技术 1 3 1 馈线自动化的功能【5 】 馈线自动化，又称配电线路自动化，是对配电线路上的设备进行远方实时监视、 协调、控制的一个集成系统，是配电自动化的重要组成部分之一，也是提高配电网 可靠性的关键技术之一。 1 ) 状态监测和数据记录 正常运行状态下，同过安装在配电设备( 如线路开关、电容器、配变压器等) 的监测终端( 如f t u 等) 监视电压、电流、有功、无功、功率因数等参数和开关 设备的运行状态。在故障状态下的监测包括对故障种类、故障点电流大小和故障点 位置的监测。能够将正常状态和故障状态下的各种操作记录、负荷曲线、故障特征 等记录下来，供工作人员调用。 2 1 控制操作功能 分为远方控制和就地控制，在基于配电开关相互配合的馈线自动化系统中，通 过自身设定的控制顺序可以自动隔离故障区段、自动进行网络重构；在基于f t u 的馈线自动化系统中，可以通过主站远方对开关设备进行分闸、合闸操作，在配电 网发生故障时，可以通过遥控开关进行故障处理和网络重构，必要时可以进行负荷 3 华北电力大学硕士学位论文 转移和网络优化，实现配电网的最优运行。 3 ) 无功补偿和电压调节 配电网中无功补偿设备主要有安装在变电站和用户端两种。前者由变电站自动 化系统控制，后者一般为就地控制，但仍有众多的小容量配变压器难以实现就地补 偿，故在中压配电线路上进行无功补偿仍有广泛的应用。通常采用自动投切开关和 安装控制器来实施，控制器根据负荷变化情况，按照事先整定好的启动定时自动控 制电容器组的投切，达到改善电网功率因数、提高电压质量的目的。 4 ) 故障自动隔离和网络重构 在配电网中，若发生永久性故障，通过开关设备的顺序动作实现故障隔离。对 于环网供电系统，在开环运行的配电网中实现负荷转移，恢复非故障区域的供电， 这一过程自动进行。由于智能电子设备和通信技术的发展，在环网供电系统中可实 现故障后网络的自动重构。 目前馈线自动化主要有两种实现方案 6 】：一种是基于配电自动化开关设备相互 配合的就地控制方案，通过重合器、分段器等实现，通过相互之间的配合达到隔离 故障区段和恢复健全区段供电的目的；另一种是基于馈线自动化终端设备( f e e d e r t e m i n a lu n i t ，f t u ) 和通信网络的远方控制方案，通过f t u 、断路器或负荷开关、 主站系统来实现，f t u 检测电流、电压判断故障，故障信息上传到主站，由主站确 定故障点并遥控f t u 控制开关隔离故障区段或进行网络重构恢复非故障区段的供 电。 1 3 2 馈线自动化的意义 实现馈线自动化的目的和意义主要在于以下几个方面： 1 ) 提高供电可靠性 我国配电网自动化水平较低，网络结构主要是辐射型和简单环网结构，配电网 发生故障时，容易全线停电，停电面积大、时间长，需要人工巡线查找故障点，使 得故障恢复时间长。利用馈线自动化可以实现配电网的故障自动定位、自动隔离和 自动恢复供电，可以将故障隔离在一个区段内而不会影响全线，在很短的时间内就 可恢复健全区段供电，并且由于故障区段可以被准确定位，因此故障排除时间缩短， 大大提高了供电可靠性。 2 ) 提高供电质量 利用馈线自动化可以实时监测配电网运行参数，实现无功补偿自动控制，提高 供电质量，减少网损。 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 提高供电能力 一般来说，配电网是按满足峰值负荷的要求来设计的，但实际运行中配电网的 负荷分布是不均衡的、甚至是不平衡的，将严重降低配电线路和设备的利用率，增 大线损。通过馈线自动化实现配电网优化控制，在必要的时候进行负荷转移，可以 有效地提高馈线的负荷率，提高配电网的供电能力。 4 ) 提高供电经济性 馈线自动化可以通过配电网网络重构和负荷转移来优化电网运行方式，降低网 损。因馈线自动化系统可以对故障线路实现自动准确定位，提高了工作人员的工作 效率，降低了劳动强度，从而使减少运行和维护人员数量和费用支出成为可能。 5 ) 提高配电系统管理水平 实现了对配电网的智能监测和控制，有利于配电网信息的集成和共享，使配电 控制中心可以实时收集配电网运行参数，为配电网的全局优化和信息综合提供支 持，有利于进一步提高配电系统的管理水平。 1 4课题研究的内容 研究我国1 0 k v 配电网现状，通过分析目前常用的馈线自动化方案的优劣，为 1 0 k v 配电网设计一种实用的馈线自动化方案，以便能更快速、更有效地实现故障 检测、故障区段定位、隔离及非故障区域的供电恢复，将1 0 k v 配电网的供电可靠 性、经济性进一步提高。 研究并实现该馈线自动化方案所需的馈线自动化终端( f t u ) ，完成f t u 相关 的硬件原理图、p c b 图设计，并进行p c b 制版完成硬件平台，在该硬件平台上编 写程序实现f t u 相关软件功能，对其运行环境的典型干扰进行分析，设计硬件和 软件抗干扰措施，保证f t u 运行的可靠性。本文设计实现的1 0 k v 馈线自动化终端 的主要有以下功能： 1 ) 配电网正常运行和故障时，完成柱上开关处电流、电压、有功功率、无功功 率、功率因数等的监测，开关状态、储能完成信号等的监视，并通过通信网 络传回远方控制中心。 2 ) 发生故障或异常时，故障信息记录，故障隔离、故障区段定位以及自动恢复 非故障区段的供电。 3 ) 实现配电网的过流、速断等保护。 4 ) 实现远方遥控开关操作，远方召唤和修改保护定值，远方对时等功能。 5 ) 本地无线遥控开关操作。 5 华北电力大学硕士学位论文 6 ) 断电时备用蓄电池自动启动和蓄电池保护等。 根据给定的技术指标，进行馈线自动化终端的方案比较、硬件选型、功能电路 设计，并制作印制电路板。根据馈线自动化终端需要实现的功能完成各个软件模块 程序的编写和调试，并根据现有条件对f t u 分别进行实验室和1 0 k v 现场测试，针 对出现的问题进行进一步研究和改进。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于a r m 的馈线自动化终端硬件设计 2 1馈线自动化解决方案 馈线自动化系统主要有两种方案【7 】：基于自动化开关设备相互配合的馈线自动 化和基于馈线自动化终端设备( f 1 u ) 的馈线自动化。 配电自动化开关设备一般是指能够通过相互配合实现故障区域自动隔离、健全 区域自动恢复供电的开关设备，包括各类重合器和分段器等智能化的开关设备。采 用配电自动化开关设备相互配合的馈线自动化系统，不需要建设通信信道，只需要 利用配电自动化开关之间的相互配合，就能达到隔离故障区段和恢复健全区域供电 的功能。 常用的配电自动化开关设备主要有重合器、电压一时间型分段开关、过流脉冲 计数型分段开关，一般有重合器和重合器配合、重合器和电压一时间型分段开关配 合、重合器和过流脉冲计数型分段开关配合几种方案。在此，主要介绍跟本文研究 相关的重合器和重合器配合的方案。 图2 1 中给出一个双电源“手拉手”环网结构示意图，其中q f l 、q f 2 分别为 两个电源a 、b 的出线断路器，r 1 r 4 为分段开关，采用的是具重合闸功能的断路 器，h w 为联络开关，正常运行时h w 断开，系统处于开环运行状态。r 1 - r 4 在故 障处理时，是以失压分闸方式受控，在有压后重合，如重合不成功，则以过流速断 方式分闸，分闸后闭锁重合。出线断路器应在供电范围末端短路时以定时限保护动 作，重合闸后加速j 。 - a b cde f- a p l _ 伊卜_ c 卜1 叫b q f l r 1 r 2h wr 3 r 4q f 2 i a 兮 cde f i a 卜 卜乒卜弋卜1 叫b q f l r 1r 2h wr 3r 4 q f 2 7 华北电力大学硕士学位论文 - abcdef i a 卜i p 菅o - 叫争十卜一叫b 。q f l r l r 2h wr 3r 4 q f 2 ( c ) - a b c d e 士 - a 卜- i _ 哥卜 _ 1 卜_ 1 叫b 。q f l r l r 2h wr 3r 4 q f 2 - abcde f- a 卜i 专叫b o f l r lr 2h wr 3r 4o f 2 - abcdef i a 卜_ i 伊伊_ 卜卜- 卜卜1 b o f l r 1 r 2h wr 3r 4 q f 2 - abcdef i a 卜 i 伊爹o _ 卜卜卜1 1 b 。q f l r 1 r 2h wi br 4 q f 2 ( g ) 圆，1 茸干喾舌全阍的断救舆| ：日百酮合的蜥暗府卜硼 如图2 1 ( a ) 所示，当b 段发生永久性故障时处理过程如下： a ) q f l 定时限电流保护动作跳闸。 b 1r 1 、r 2 感受到失压后分闸，如图2 1 ( b ) ，同时h w 感受到一侧无压，延时启 动，准备合闸。 c ) q f l 重合，并短时开放重合闸后加速，如图2 1 ( c ) 。 d 1r 1 感受到有压重合，如图2 1 ( d ) ，重合到故障上，然后快速分闸后闭锁， 隔离故障，并恢复a 段供电。 e 1h w 延时到后合闸，如图2 1 ( e ) 。 nr 2 感受到有压重合，如图2 1 ( f ) ，重合到故障上，然后快速分闸后闭锁， 隔离故障，并恢复c 段供电，如图2 1 ( g ) 。 基于自动化开关设备相互配合的馈线自动化方案有建设费用低，无需建设通信 8 华北电力大学硕士学位论文 网络的优点，但是需要多次重合，对系统短路冲击大，故障恢复时间长，而且对于 稍复杂的网络开关配合、参数整定困难，由于没有通信也无法实现信息的集成，不 利于配电自动化朝着信息综合的方向发展，只适用于对供电可靠性要求不高和简单 的配电网络。 基于f t u 的馈线自动化适合于辐射型、环形和多电源网络式等各种配电网络， 通过在变电站出口断路器及户外馈线分段开关处安装柱上f t u ，并建设可靠的通信 网络将它们和配电网控制中心s c a d a 系统连接，配合主站计算机上的后台处理软 件构成智能式馈线自动化系统。在配电网正常运行时，远方实时监控柱上开关处的 馈线电压、电流等配电网运行参数和馈线分段开关、联络开关及储能状态，通过可 靠的通信网络收集全网运行信息，利用后台处理软件对配电网进行全局优化，并通 过f t u 远方遥控分段开关实现负荷转移或网络重构，从而达到充分发挥现有设备 容量和降低线损的目的；在配电网发生故障时，f t u 将检测到的故障信息上传给主 站，主站后台软件对故障进行自动分析处理后通过f t u 遥控分段开关隔离故障并 恢复非故障区段的正常供电，从而达到减少停电面积和缩短停电时间的目的。 基于f t u 的馈线自动化系统又分为集中式和分布式两种【5 】，两者都需要建立可 靠的通信网络，集中式模式是f t u 将故障信息上传至配电主站控制中心，控制中 心对故障进行处理后根据全网运行情况给出最优恢复供电策略，下发到各f t u 执 行，故障处理时间较长，但故障处理结果可以是最优的，适用于对供电可靠性要求 不高的配电网；分布式模式是馈线内各f t u 在检测到故障后，通过相互之间传递 故障信息进行故障处理，只需把处理结果上传到主站，故障处理结果未必最优，但 速度更快，因此对网络实时性要求也更高，适用于对供电可靠性要求较高的配电网。 本文主要介绍基于f r r u 的集中式馈线自动化系统，一般采用分层结构，典型 的基于f t u 的馈线自动化系统组成如图2 2 所示： 厂：。、j厂、)r 、子站 华北电力大学硕士学位论文 断路器具有断开故障电流的能力，因此用断路器作为柱上开关对馈线进行分 段，并为每台断路器配置一台f t u ，实时监测开关处负荷、电压、电流等参数。为 减轻主站的负担，实现故障的迅速、准确处理，一般为每条馈线设置一个配电子站， 配电网正常运行时用来集中馈线内各f t u 的信息并向主站控制中心转发；配电网 故障时，可以及时处理馈线内故障，如不能处理则将故障信息上传给主站，然后等 待接收并执行主站下发的故障处理策略。基于f t u 的馈线自动化系统中一般采用 主从式网络或对等式网络，根据现场需要采用电话线、无线、光纤或配电线载波等 通信方式。 基于f t u 的馈线自动化方案中，都要求有可靠的通信网络，集中式在配电主 站对故障进行远方处理，因此可以更准确的进行故障定位、实施最优的故障恢复方 案；分布式则可以更迅速地进行故障处理，故障处理速度快。由于f t u 具有各种 监测、控制等功能，智能化程度高，便于信息的集成，基于f t u 的馈线自动化系 统有利于与地理信息系统( g i s ) 、需方管理( d s m ) 、管理信息系统( m i s ) 等配 合实现更为复杂的配电自动化网络【9 j 。 本文研究的1 0 k v 馈线自动化系统方案采用以基于电力线载波通信( p o w e rl i n e c o m m 嘶c a t i o n ，p l c ) 构成的集中式保护为主，以基于f t u 的重合闸保护为辅的方 案，用断路器作为分段开关将线路进行分段，通信正常时可以实现集中式保护，通 信中断时，通过f t u 之间的重合闸策略亦可实现故障隔离及供电恢复，从而进一 步保证了供电的可靠性。 2 2馈线自动化终端实现功能 本文研究了实现上述馈线自动化方案的1 0 k v 馈线自动化终端( f t u ) ，配电网 正常运行时可以实时监测配网运行，故障时可以通过控制断路器进行故障隔离和供 电恢复，具有以下功能： 1 ) 遥测功能。1 0 k v 柱上开关处的电流、电压、无功功率、有功功率和功率因 数等。 2 ) 遥信功能。1 0 k v 柱上开关的当前位置、通信是否正常、储能完成情况以及 其它状态量的采集。 3 ) 遥控功能。接受远方命令控制1 0 k v 柱上开关的分闸、合闸等操作。 4 ) 对时功能。接受主系统的对时命令，以便和系统时钟保持一致。 5 ) 事件顺序记录( s o e ) 。记录状态量发生变化的时刻和先后顺序。 6 ) 事故记录。记录事故发生时的故障最大电流和事故前一段时间的平均负荷， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 以便分析事故，确定故障区段，并为恢复健全区段供电时进行负荷重新分配提 供依据。 7 ) 定值远方修改和召唤定值。为了在故障发生时及时地启动故障处理程序等过 程，必须对f 1 u 进行整定，并且能随着配电网运行方式的改变而自适应。 8 ) 自检和自恢复功能。f 1 u 应具有自检功能，并在设备自身故障时及时告警； f t u 应具有可靠的自恢复功能，一旦受到干扰造成死机，则通过监视定时器 ( w d t ) 重新复位系统好恢复正常运行。 9 ) 远方闭锁与手动操作功能。在检修线路或开关时，相应的f t u 应具有远方 控制闭锁的功能，以确保操作的安全性，避免误操作造成的恶性事故。同时f t u 应能提供手动分闸、合闸按钮，以备当通道出现故障时能进行手动操作，避免 上杆直接操作开关。 1 0 ) 通信功能。f t u 除了需提供和远方主站通信的通信接口，还应提供标准的 r s 2 3 2 接口和其它通信设备相连，实现通信转发。 2 3f t u 硬件总体设计 针对所选用的馈线自动化方案，本文研究了与之配合的馈线自动化终端，其总 体结构【1 1 8 1 如图2 3 所示： 芸：剁模嚣笑号斟巫耍电流、电困输入广岬! ! ：兰 光 电 隔 离 a r m 7 ( c p u ) 图2 3f t u 硬件总体框图 无线遥控 c p l d 电源模块 本文研究的f t u 主要硬件功能模块包括以下几个部分： 1 ) c p u 主模块，整个f t u 的核心，采用a r m 7 核心的l p c 2 1 3 8 处理器，内 部实时时钟，配合c p l d 实现终端的主要功能。 2 ) 电源管理模块，为整个终端提供工作电源，主要实现双电源切换和蓄电池 充电及过放保护。 3 ) 数据采集模块，实现监测p t 、c t 信号输入和信号调理。 11 脬一 蔫懈 开黼 断 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 开关量输入输出模块，实现开关状态、储能信号等的输入检测和继电器保 护出口。 5 ) 通信模块，实现f t u 和通信板的接口及与p c 机调试。 6 ) 无线遥控模块，实现f t u 的本地无线遥控。 2 4f t u 各功能模块设计 2 4 1c p u 主模块 c p u 是馈线自动化终端的核心，传统的基于单片机的f t u 不管是处理速度还是 容量上都不能满足需要，数字信号处理器( d s p ) 虽然处理速度快，但片内资源方 面仍不够丰富，需要外扩大量资源，本文研究的f t u 选用p h i l i p s 公司的a i 蝴7 核心 的l p c 2 1 3 8 作为主c p u ，它处理速度高，并且具有丰富的片内资源和外设，配合很 少的外部资源就可以实现所需功能，对于工作环境恶劣的f t u 来说，大大提高了其 抗干扰能力19 1 。 l p c 2 1 3 8 的片内资源如下： 1 ) 3 2 k b 静态r a m 、5 1 2 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接口加速器实 现高达6 0 m h z 的操作频率。 2 ) 片内b o o t 装载软件实现在系统在应用中编程( i s p i a p ) 。扇区擦除或整片 擦除的时间为4 0 0 m s ，l m s 可编程2 5 6 字节。 3 ) e m b e d d e di c e 1 玎和嵌入式跟踪接口可实时调试( 利用片内r e a lm o n i t o r 软件) 、高速跟踪执行代码。 4 ) 2 个8 路l o 位d 转换器共包含1 6 个模拟输入，每个通道的转换时间低至 2 4 4 u s 。 5 ) 2 个3 2 位定时器计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路 输出) 和看门狗。 6 ) 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 7 ) 多个串行接口，包括2 个16 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 接口 ( 4 0 0 k b i t s ) 、s p i t m 和s s p ( 具有缓冲功能，数据长度可变) 。 8 ) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 9 ) 多达4 7 个5 v 的通用i o 口( l q f p 6 4 封装) 。 1 0 ) 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 ) 单电源供电，含有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路。c p u 操作 电压范围：3 肚3 6v ( 3 3v l o ) ，i o 口可承受5 v 的最大电压。 l p c 2 1 3 8 内部有2 个8 路l o 位d ，其转换速度和精度完全满足需要，大容量的 f l a s h 和r a m 空间使f t u 可以实现更加复杂的功能而无需外扩，片内实时时钟 ( i h c ) 加外部3 2 7 6 8 h z 晶体和纽扣锂电可为f t u 提供准确的时钟参数，i s p 功能使 软件的仿真调试更加方便，可大大缩短开发周期。 a l 蝴芯片需要有可靠的复位电路来保证其能正常工作，电源监控电路和复位电 路可在系统上电、掉电时保护存储器和系统控制器，禁止系统微控制器、a s i c 或外 围器件的操作。本f t u 采用带e 2 p r o m 的电压监控器c a t l 0 2 5 实现电源监控和复位， 并且内部2 k b i t 的串行e 2 p r o m 存储器可以用来存储永久保存的参数和定值等。 2 4 2 电源管理模块 2 4 2 1f t u 电源供电设计 正常状态下，f t u 的电源由断路器内p t 提供，因为这时线路电压是稳定的，因 此给f t u 提供的电源也是稳定的，在故障时，若要保证f t u 仍能够继续工作，则需 要蓄电池作为后备电源，因此，电源管理模块主要完成双电源的切换和蓄电池的充 电及保护功能。 本f t u 中，所有硬件都是低功耗设计，f t u 对断路器的控制是通过控制断路器 提供的两组空节点来实现的，耗能少，采用一块蓄电池d c l 2 v 作为f t u 的备用电源 即可满足需求，f t u 板所需的其它电源2 4 v 、1 2 v 、+ 5 v 由两个d c d c 电源模块 提供。由于采用了d c d c 电源模块，降低了由电源引入的干扰，可以提高整个f t u 的抗干扰性。在断路器中，提供了一个可以输出a c l 5 v 的p t ，经整流滤波后可直接 作为d c d c 模块的输入和蓄电池的充电电源，并且两者之间可以互相切换，供电电 源模块如图2 4 所示： 断 路 器 + 1 2 v 蓄电池 + 1 2 v 切换 电路 c 盎f c o 卜n ，e l h e ri c 滕e r 盛c o n v e r t e r 卜= 二 i+ 5 v 图2 4f t u 电源管理模块 1 3 华北电力大学硕士学位论文 删、c p l d 芯片所需的+ 3 3 v 电源由+ 5 v 经过电源转换芯片a s l l l 7 3 3 提供。 如图2 5 所示： s l l l 7 - 3 3u 9 图2 55 v 到3 3 v 转换电路 2 4 2 2 蓄电池监控电路设计 蓄电池采用密封免维护铅酸蓄电池，具有密封好、无泄露、无污染、免维护等 优点，采用适当的浮充电压，在正常使用的情况下，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命 可达1 0 年以上，但是若浮充电压偏差5 则使用寿命缩短一半，必需设计专用的充电 电路来防止过充和过放的发生，保证蓄电池的使用寿命。 本文设计的f t u 采用一块1 2 v 3 a h 的密封免维护铅酸蓄电池，其充电控制电路用 t i 公司的铅酸蓄电池专用芯片u c 3 9 0 6 设计。u c 3 9 0 6 内部的逻辑电路可提供三种充 电状态：大电流充电、可控过充电和浮充充电，并对温度进行了精确的跟踪补偿， 可以发挥电池的最大容量，延长电池的使用寿命f 2 0 】【2 1 1 。 蓄电池充电状态转换如图2 6 所示： 0 c i n d i g a l e o u t p u t o c t e r m n a l e n h j t c 愿o u 了 誓二 o n _ l l 一_ j l 一 = 二二 = =渊一“一一一 陋竖4 型坠0 叫叭引 图2 6u c 3 9 0 6 充电状态转换图 1 4 一 一一 一一 一一 华北电力大学硕士学位论文 如图2 6 ，当输入电源供电时，若蓄电池初始电压过低，则开始对蓄电池进行涓 流充电，当电池电压达到巧时，转入大电流充电状态，电池以最大充电电流，刎r 恒 流充电，同时充电电路连续监控蓄电池两端电压，当电池的电压达到转换电压k ，时， 蓄电池的电量已恢复到放出容量的7 0 9 0 ，充电电路转入过充电状态。蓄电池电 压达到过充电压，充电电压保持不变，充电电流开始持续下降，当充电电流下 降到过充终止电流厶仃时，蓄电池电量已达到额定容量的1 0 0 ，充电电压转入到较 低的浮充电压圪。当蓄电池对负载供电、电压下降到特定电压时，充电电路转到特 定的充电状态。若蓄电池长期未用电压降到k 时，又从状态1 开始继续对蓄电池进 行涓流充电重复整个充电过程。 在最终设计中，利用i h ，r b 、r c ，r d 构成的分压网络来检测蓄电池的电压，通过 与精确参考电压相比较完成理想的充电电流、关键切换电压、最大充电电流等参数 的控制，u c 3 9 0 6 内部电路如图2 7 所示： 融 图2 7u c 3 9 0 6 内部电路图 丌日v | _ 在2 5 时为2 3 v ，关键参数计算公式组如下： 过充娅= m + 半+ 警) ( 2 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 浮充慨= m + 半) 最大充电慌j 脚2 警 过充终止电流：，嬲= 鲁芋 过充转换电压：k ：= o 9 5 浮充转换电压：= o 9 珞 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 输入电源加到充电电路输入端或浮充电压下降后，在正常情况下，充电器立即 进入大电流恒流充电状态，随着电池充电，电池两端的电压逐渐升高，电压经r a 、 r b 、r c 分压后加到电压取样比较器反向输入端( 1 3 脚) 。当电压达到过充转换电压k ： 时，电压取样比较器输出低电平，充电电路进入过充电状态，此时，过充电指示端 输出低电平；刚进入过充电状态时，充电电路继续输出最大电流，当电池电压升高 到时，电压放大器控制驱动级，充电器进行恒压充电，电压稳定在，此时 u c 3 9 0 6 的1 3 脚电压等于内部基准电压。此后，电池接受的充电电流开始减小，当充 电电流下降到过充电终止电流，一时，电流取样比较器的输出中断，u c 3 9 0 6 内部的 1 0 u a 提升电流使过充终止端( 8 脚) 的电位升高。当干扰或其它原