（控制理论与控制工程专业论文）基于tms320f28335的配电监控终端的设计及实现.pdf

合肥工业大学 i j i l l l i i p l l ij i ii i i pi i i i r lr l j li l l j l i f jrill iy 18 8 7 2 2 0 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 蛳：壶次平静郴锄波哗留7 一：。缝囊堂雾覆 卉j 奇如一一一日划义 ：谰妒仓弘二杪武雪习承疑 。 独创性声明 -， 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 一 也不包含为获得：金魍王些太堂 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谢意。 学位论文作者签名：弓长玛云 签字日期：及d f 年加2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：云 天踢艺、 签字日期：a 0 1 1 年啤月) 6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一菇调中青 签字日期：口f f 年年月2 6 日， 电话： 邮编： 基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的配电监控终端的设计及实现 摘要 随着电力需求的快速增长，用户对供电质量、供电可靠性的要求也越来越 高，传统的配电技术和管理手段已不能满足用户的需要。实现配电自动化对于 提高供电质量，保证电力供应的安全、经济、可靠，能够起到关键的作用。配 电监控终端位于配电自动化系统的底层，它作为配电自动化系统的重要组成部 分，主要负责配电自动化系统对电网实时数据的采集和执行配电自动化中心的 指令等功能。 本文分析了现有配电网监控系统的发展现状，主要介绍了配电监控终端的 功能，利用先进的数字信号处理技术来设计实现配电监控终端。它主要以美国 德州仪器公司( t i ) 生产的浮点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 为核心处理单元；选用 m a x i m 公司最新推出的8 通道、1 6 位、同步采样模数转换器m a x l l 0 4 6 对模 拟信号进行交流采样；采用快速傅里叶变换f f t 算法完成对采样数据的分析、 处理和计算；支持串口、以太网通讯接口，以完成配电监控终端与主站系统之 间或终端与其他各种通信传输设备之间要进行数据交互，完成通信转发功能； 采用s d 卡和e e p r o m 来存储采集数据和校准参数等数据。 本文按照配电监控终端的功能要求提出了硬件和软件的设计方案，给出了 硬件设计框架和软件的主程序流程图，并对部分模块的硬件电路设计和软件实 现进行详细介绍，完成了对配电监控终端各个功能模块的测试，使用了本终端 对电压、电流等电力参数进行测量、计算、分析实验误差。测试和实验结果表 明，配电监控终端的所有模块均满足设计要求，能够实现配电监控终端的相应 功能。 关键词：配电监控终端，t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p ，模数转换器，以太网通讯 t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fd i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n g r e r m i n a lu n i tb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dg r o w t ho fe l e c t r i c i t yd e m a n d ，t h ec o n s u m e r sd e m a n df o re l e c t r i c i t y q u a l i t y a n dr e l i a b i l i t ya r ei n c r e a s i n g t h u st h et r a d i t i o n a lm e a n so fd i s t r i b u t i o n t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tc a nn o tm e e tt h en e e d so ft h ec o n s u m e r s t h er e a l i z a t i o no f d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n ge l e c t r i c i t y q u a l i t ya n d e n s u r i n gs a f e ，e c o n o m i c a l ，r e l i a b l ep o w e rs u p p l y a sa ni m p o r t a n tp a r to fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lu n i ti sab a s eo fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m i tp r o v i d e sr e a l - t i m ea c q u i s i t i o nd a t af o rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a n de x e c u t e st h ei n s t r u c t i o n sf r o md i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nc e n t e r t 1 1 et h e s i sa n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ee x i s t i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so f d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lu n i t ，a n d u s e sa d v a n c e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt od e s i g nt h ed i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n g t e r m i n a lu n i t i tu s e sf l o a t i n g - p o i n td s p 硼m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5p r o d u c e di nt e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) a st h ec o r ep r o c e s s i n gu n i t i tc h o o s e sm a x i m sl a t e s t 8i n d e p e n d e n ti n p u tc h a n n e l ， 16 - b i t ，s i m u l t a n e o u s - s a m p l i n ga d cm a x 110 4 6t os a m p l et h ea n a l o g ys i g n a l s i tu s e sf a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a l g o r i t h mt oc o m p l e t et h ea n a l y s i s ，p r o c e s s i o na n dc a l c u l a t i o no f t h es a m p l i n gd a t a i th a ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n de t h e m e tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ei no r d e rt oc o m p l e t et h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n g t e r m i n a lu m ta n dt h em a s t e rs t a t i o no ro t h e rc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s i tu s e ss dc a r d ，a n d e e p r o mt os t o r et h es a m p l i n gd a t a , c a l i b r a t i o np a r a m e t e r sa n dt h eo t h e rd a t a t 1 1 et h e s i sp u t sf o r w a r dt h ed e s i g ns c h e m eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea c c o r d i n gt o f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fd i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lu n i t ，p r e s e n t st h eh a r d w a r e d e s i g nf r a m e w o r ka n dt h es o f t w a r ep r o g r a mf l o wc h a r t ，i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no f s o m em o d u l e sa n ds o f t w a r ei nd e t a i l ，c o m p l e t e st h ee v e r ym o d u l et e s to fd i s t r i b u t i o n m o n i t o r i n gt e r m i n a lu n i t ，a n du s e si tt om e a s u r e t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to ro t h e re l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，c a l c u l a t ea n da n a l y z et h ee x p e r i m e n t a le r r o r s t h et e s ta n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a ta l lm o d u l e so fd i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lu i l i tm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dc a l la c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lu n i t ，t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p , a d c ，e t h e m e t c o m m u n i c a t i o n 致谢 三年时间转瞬即逝，在论文完成之际我要感谢在此期间给予我帮助和鼓励 的师长、同学、朋友和家人们。 首先感谢我敬爱的导师陶维青副教授。无论从论文的选题、资料收集、实 验研究，还是现场实验的整个过程，都倾注着陶老师大量的心血。陶老师既能 把握住课题的大方向，又能放手让我们去努力实现自己的想法，使我们得到很 好的锻炼。当我们遇到困难时，陶老师就会组织大家进行讨论，在讨论中拓展 思路，并总结出解决问题的方案。当我们课题有进展时，陶老师也会组织大家 进行汇报，总结成功经验。在实验条件欠缺的情况下，陶老师鼓励我们主动创 造条件进行实验，并积极联系国内产品供应商的技术支持。在整个研究生学习 期间，陶老师不仅仅传授了我科学知识，更以他勤奋的工作、严谨的作风、务 实的态度和创新的理念时时影响和督促着我，这些宝贵的人生经验会令我受用 终生。在此，谨向恩师致以最诚挚的谢意和最崇高的敬意! 感谢金明、崔北京、汪俊锋、张全、费文坤、毛建维、陈雄、周俭节、王壕、 王晶等各位师兄，感谢实验室的黄俊祥、范维银、项玉球以及各位师弟、师妹们， 感谢宿舍的陈克琼、曹慧颖等姐妹们，你们不仅在学习上为我提供了宝贵的科 研经验，在生活上也对我关怀备至，三年里，我们一起学习、成长和进步，这将是 我人生中最珍贵的回忆。感谢合肥工业大学和安徽科大智能有限责任公司提供的 现场实验条件，使得我的课题得以顺利进行，同时感谢安徽科大智能有限责任 公司研发部的同事们，你们高超的研发技术水平和忘我的工作热情深深地感染了我， 感谢你们对我的指导和帮助。 最后，要特别感谢我的家人，尤其是爸爸、妈妈，感谢你们为我付出的辛 劳! 感谢你们对我的支持和无微不至的关怀，你们无私的付出使我能够顺利的 完成学业，愿家人幸福安康! 感谢亲戚们二十多年来对我以及我家人的关心和 鼓励l 感谢一直激励我上进的人们! 作者：张巧云 2 0 11 年4 月 目录 第一章引言j 1 1 1 配电网监控系统的背景技术1 1 2 国内外发展现状及趋势j 2 1 2 1 国外配电网自动化的发展现状及趋势一2 1 2 2 国内配电监控终端的发展现状及趋势3 1 3 本文研究的主要内容3 第二章智能配网自动化系统。5 2 1 智能配电自动化系统的组成及功能一5 2 2 配电监控终端的控制方式。：6 2 。3 本章小结8 第三章电力参数计算原理与分析9 3 1 电力参数计算原理9 3 1 1 电力参数及测量技术9 3 1 2 快速傅里叶变换9 3 1 3 电力参数的有效值计算1 l 3 2f t u 的交流采样和提高测量精度技术原理1 2 3 3 校准参数原理及保存方法1 3 3 4 本章小结1 4 第四章配电监控终端的设计1 5 4 1 配电监控终端的功能1 5 4 2 配电监控终端的总体设计及特点1 6 4 2 1 配电监控终端的硬件结构设计1 6 4 2 2 配电监控终端的软件设计1 9 4 2 2 1 软件结构设计19 4 2 2 2d s p 中断的使用2 2 4 2 3 配电监控终端的总体特点2 5 4 3 配电监控终端的功能模块2 5 4 3 1t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 的介绍2 5 4 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 的主要特点2 5 4 3 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 浮点处理的优点2 7 4 3 1 3t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 浮点处理单元的数据存储结构2 7 4 3 1 4t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 与t m s 3 2 0 x 2 8 l x 的区别2 8 4 3 2 看门狗及断电复位模块2 9 4 3 3 数据采样和处理模块3 0 4 3 4 数据存储模块3 4 4 3 4 1s d 卡的简介3 4 4 3 4 2s d 卡与t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的接口电路设计3 4 4 3 4 3s d 卡调试的关键点筠 4 3 4 4s d 卡的时序研究及软件设计3 6 4 3 5 以太网通讯模块。4 3 4 3 5 1 网络芯片w 5 1 0 0 的简介4 3 4 3 5 2t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 与w 5 1 0 0 的接口电路设计4 3 4 3 5 3 以太网通讯模块的软件设计4 4 4 4 本章小结_ 4 8 第五章配电监控终端的实现与分析4 9 5 1 配电监控终端的硬件实现j 。4 9 5 2 配电监控终端的软件实现5 0 5 3 实验结果与分析5 l 5 3 1 实验测试结果5 l 5 3 2 误差分析及改进措施5 3 5 4 本章小结。5 3 第六章结论5 4 6 1 总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 硕士期间发表的论文及申请的专利5 9 插图清单 图2 1 智能配电网自动化系统的组成5 图2 2 典型的馈线自动化系统，：7 图3 1 直流采样的工作原理。9 图3 2 配电监控终端的校准原理框图14 图4 1 配电监控终端的硬件原理框图。1 7 图4 2 配电监控终端的软件模块结构框图1 9 图4 3 配电监控终端的软件流程图2 1 图4 4 单精度浮点数据格式2 8 图4 5 看门狗模块的电路图一2 9 图4 6m a x l l 0 4 6 与t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 之间的接口电路框图3 l 图4 7m a x l1 0 4 6 的转换时序图3 2 图4 8s d 卡与t m $ 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的接口电路3 5 图4 9 软件复位s d 卡的时序图：3 6 图4 1 0 初始化s d 卡的时序图j 3 7 图4 1 1s d 卡的上电初始化流程图3 7 图4 1 2s d 卡的单块读时序图3 7 图4 1 3s d 卡的单块写时序图- 3 7 图4 1 4s d 卡的单块读流程图3 8 图4 1 5s d 卡的单块写流程图4 0 图4 1 6 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 与w 5 1 0 0 的接口电路图4 4 图4 1 7i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的帧格式4 5 图4 18i 格式的控制域4 5 图4 1 9s 格式的控制域4 5 图4 2 0u 格式的控制域4 6 图4 2 1 配电监控终端与组态王总召唤命令的传送过程4 6 图4 2 2 以太网通讯模块的软件程序流程图4 7 图5 1 配电监控终端的硬件实物图4 9 图5 2 维护软件主界面5 1 插表清单 表1 。lf t u 、d t u 、t t u 之间的比较：2 表4 1 主要模块的芯片型号及功能1 7 表4 - 2 配电监控终端主要模块的连接与功能1 8 表4 3 中断向量表映射。：- 2 4 表4 4t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 与t m s 3 2 0 f 2 8 l2 之间的主要区别。2 8 表4 5n c r 、n a c 、n w r 和n b u s v 的取值范围：3 8 表5 1 低温4 0 0 ，湿度o 下的测试数据5 1 表5 2 常温2 0 0 ，湿度0 下的测试数据5 2 表5 3 高温6 5 0 ，湿度1 0 0 下的测试数据5 2 第一章引言 1 1 配电网监控系统的背景技术 自从人类走进2 1 世纪的计算机网络信息化时代，全球资源环境的压力逐渐 增大，能源需求逐渐增加，电力市场化的进程逐渐深入，电力用户对电能可靠 性和供电质量的要求也在逐渐提高。因此电力行业面临着前所未有的挑战和机 遇，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为2 1 世纪全球电力行 业的共同目标。因此美国电力行业所提出的智能电网成为当今世界电力系统发 展和变革的最新动向，被认为是2 1 世纪电力系统的重大科技创新和最新发展趋 势。智能电网的主要特性可以用“新能源+ 新客户+ 新电网 来概括，它是以电 力系统的发电、变电、输电、配电、用电、调度等环节为对象，通过数字化信 息网络有机地连接在一起，并且通过智能化控制手段优化整个电力系统【卜3 1 。 在电力系统的各大环节中，配电网领域是整个电力系统与分散的用户直接 相连的部分，是对社会生活变化最为敏感的部分，因此配电网自动化成为智能 电网建设过程中的重要组成环节。我们所定义的配电网是指1 1o k v 及以下的电 力网络，其中3 5 k v 及以上属于高压配电网；1o k v 及以上属于中压配电网； 3 8 0 2 2 0 v 属于低压配电网l 引。配电网自动化就是将信号采集、计量、故障处理、 数据存储以及数据通讯等集为一体的综合性系统。利用先进的计算机通信技术， 实现对配电设备的自动监测、控制和管理，以保证配电网安全、经济可靠地运 行，以合理的价格满足用户的新需求”】。 配电自动化监控系统主要由主站数据采集系统、通信网络系统、配电自动 化子站、配电自动化终端等部分组成【6 j 。 主站数据采集系统是配电网监控系统的监控和管理中心，它作为客户端， 可以采用以太网通讯方式，使用t c p i p 协议结合应用层协议或其他通讯方式 与服务器端进行通讯，采集历史数据或实时数据，并可对服务器端进行控制， 以满足不同用户的新需求，提高供电质量j 。 配电自动化子站是配电自动化监控系统的中间层，之所以要设置子站的主 要目的是优化网络结构、实现分层分散控制。对于较大规模的配电网，它们监 控的线路点多、面广，如果把所有的监控终端直接连接至主站，那么很难保证 实时性，因此必须增设中间层，用于监视小区内的馈线自动化终端，同时作为 通讯子节点，将所采集的小区内数据转发给主站，完成数据集中器的功能。 配电自动化终端根据使用场合来划分，主要包括安装在配电线路上的馈线 自动化终端( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，f t u ) 、安装在开闭所内部的开闭所监控终 端( d i s t r i b u t i o nt e r m i n a lu n i t ，d t u ) 、安装在变电站内部的配电变压器终端 ( t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ，t t u ) 等。这几种终端均应用于配电网监控，其 基本原理一样，但由于安装地点、环境条件、监控对象数量、主要功能、终端 结构等要求不同而有很大的区别，如下表1 1 所示。 表1 1f t u 、d t u 、t t u 之间的比较 比较内容 f t u d t ut t u 安装地点 户外柱上或路边 开闭所内部电容器补偿柜或控制柜内 环境条件 环境恶劣 环境较好环境较好 监控对象数 1 台少则2 、3 台多达1 0 台以上 l 台 遥测、遥信、遥控、多路保 监测配电变压器的运行工 主要功能 遥测、遥信、遥控 护功能、各自投等功能况、无功补偿等功能 终端结构 台式，体积较小柜式，体积较大，落地安装 嵌入安装柜内，体积很小 c p u 性能较高 较高较低 1 2 国内外发展现状及趋势 1 2 1 国外配电网自动化的发展现状及趋势 国外配电监控终端的研究起步较早，最早起始于2 0 世纪7 0 年代，欧美等 国家开展配电监控终端的早期目标是缩短馈线停电时间。到2 0 世纪9 0 年代， 美国的配电网自动化技术已达到相当高的水平。其中最典型的例子就是美国纽 约长岛照明公司于1 9 9 3 年投运的配电网自动化系统，系统涉及7 5 0 条馈线，10 0 多万用户，该系统的使用使受主线路故障影响的用户减少2 5 ，即总计2 4 万 用户可实现在1 分钟内完成故障区间隔离和非故障区间的自动化恢复送电，代 表当时这一领域的国际最高水平。相对于美国、英国等发达国家，日本配电网 自动化的发展途径有所不同。他们的具体方案是：在配电线路上安装柱上开关 与重合器、分段器以及变电站馈线开关的保护相互配合，相辅相成。其中，柱 上开关具有判别故障及按时限顺序合闸功能【8 】。而欧洲配电自动化系统的实施 进程则不如美国日本那么快。例如意大利国家电力公司在2 0 世纪8 0 年代初， 才进行研究自动控制变电站设备，到8 0 年代末才开始研究基于电网数据传输的 配电网自动化系统的工业性开发。 自进入2 1 世纪以来，为了解决能源安全与环保问题，应对气候变化，确 保电力供应的安全性和可靠性，避免发生大面积停电事故，提高电力供应的经 济性，降低成本和节约能源，提高电能质量，适应电力市场化的要求，优化资 源配置，提高电力企业的运行、管理水平和效益，增强电力企业的竞争力。世 界上很多国家和地区相继开展了智能电网的相关研究，其中最具代表性的是美 国与欧洲。近年来，美国的电力企业和研究机构在智能电网领域开展了一系列 研究与实践。美国科罗拉多州的波尔德市，从2 0 0 8 年开始建设全美国第一个“智 能电网 城市。其主要技术路线包含：构建配电网实时高速双向通信网络；建 设具备远程监控、准实时数据采集通信以及优化性能的“智能”变电站；安装 可编程家居控制装置和自动控制家居功能的管理系统；整合基础设施，支持小 型风电和太阳能发电、混合动力汽车、电池系统等分布式能源和储能设施的建 2 设。欧洲智能电网更加关注可再生能源接入和分布式发电，其建设智能电网的 重点是提高运营效率，降低电力价格，加强与用户互动，同时重视环境保护， 关注可再生能源的接入以及对生态环境的影响 g q o o 。 从以上分析国外配电自动化的研究现状可以看出，国外配电自动化的实 现，大致是先实现馈线自动化，然后建立通信信道和配电自动化主站系统，再 完善各项的功能，向着以坚强、自愈、兼容、经济、集成和优化等为主要特征 的智能电网发展【l 。 1 2 2 国内配电监控终端的发展现状及趋势 我国配电自动化工作起步于2 0 世纪8 0 年代，其标志是石家庄和南通各自 引进了一套日本户上制作赠送的配电网自动化环路设备，该设备可完成故障隔 离功能。配电自动化发展于9 0 年代，其标志是陆续在一些省会城市建设局部范 围的配电自动化试点。其主要功能包括馈线自动化、开闭所自动化、配电地理 信息系统、故障报修等，并实现了各个子系统之间的信息实时共享、功能相互 共享的一体综合化的配电自动化系统。 我国的配电网架构相对其他国家比较薄弱，普遍采用辐射状配电网架构， 馈线分段数较少并且分段不够合理。尽管有较多配电网具备了“手拉手 的联 络线，但是馈线的备用容量和供电能力不足，线路设备的功能分散且可靠性较 差，配电节能降损潜力巨大，同时存在多点分散通信瓶颈。随着经济社会的高 速发展和综合国力的不断增强，我国电力行业紧密跟踪欧美等发达国家电网向 智能化发展的趋势，着力技术创新，重视研究与实践，在智能电网的发展模式、 理念和基础理论、技术体系以及智能设备等方面开展了大量卓有成效的研究和 探索。结合我国发展低碳经济的新形势、新挑战，针对智能电网建设的重点领 域，智能电网的研究与实践日益得到政府高度重视和全社会的关注。2 0 10 年的 政府工作报告明确提出要“加强智能电网建设，由此可以说明，建设智能电 网在我国已形成共识f l 引。 通过建设坚强智能电网，提高电网大范围优化配置资源能力，实现电力远 距离、大规模输送，满足经济快速发展对电力的需求。同时为了弥补我国发电 能源分布和经济发展不均衡的基本国情，我国有必要对可再生能源进行集约型 开发，实现远距离、大规模的运输和高效利用，从而改善我国的能源结构，提 高能源的利用率。除此之外，我国还可以实现将各种集中式、分布式电源、用 电设施和储能装置等进行标准化并网接入，采用智能化手段控制电网的运行情 况，通过采取这些措施来提高我国电力系统的资产运营效益和有限的能源利用 率。 1 3 本文研究的主要内容 本论文研究的主要内容在于：了解国内外配电网自动化的发展现状和趋势， 3 比较目前各种配电监控终端实现方法，针对实际应用中存在的精度、价格、通 信、可靠性等问题，提出一种高精度、高可靠性的电力监测系统设计方案，并 完成了样机的制作与调试。为了达到以上目的，本论文所完成的主要工作如下： ( 1 ) 深入理解电能质量的五个国家标准：供电电压偏差、电压波动和 闪变、电网谐波、三相电压不平衡和电压频率，根据国家标准对各项 指标的监测要求，明确其算法。 ( 2 ) 对电网电压、电流、功率等电力参数的各种分析计算方法进行深入的 研究，通过分析对比并结合系统的要求，最终确定了对电力参数的分析算法， 并对其做出改进。 ( 3 ) 系统的硬件与软件设计：为进一步保证数据采集的实时性，本系统采 用数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 作为核心处理单元，利用一片d s p 与多 通道1 6 位同步采样a d 转换芯片完成多通道的实时数据采集，并采用快速傅里 叶变换f f t 算法完成电压、电流、有功功率、无功功率等电力参数在时域、频 域的分析和运算，达到降低成本、结构紧凑的目的。 ( 4 ) 使用大容量存储器s d 卡完成对实时数据和历史数据的存储，以及使 用网络芯片w 5 1o o 实现以太网通讯，其中应用层规约采用i e c 6 0 8 7 0 5 10 4 通 信规约。 ( 5 ) 完成基于t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 的配电监控装置的硬件和软件调试， 配备所需要的硬件，运行系统。在实验室进行长时间运行测试，使得此配电监 控装置运行可靠、安全，满足配电自动化的遥测、遥信、遥控等功能要求。 4 第二章智能配网自动化系统 2 1 智能配电自动化系统的组成及功能 近几年，智能电网已经成为电力行业的热点话题，被电力部门认为是改变 未来电力系统面貌的发展模式，而智能配电网( s m a r t d i s t r i b u t i o ng r i d ，s d g ) 是智能电网的重要组成部分。它以灵活、可靠、高效的配电网网架结构和高可 靠性、高安全性的通信网络为基础，支持灵活自适应的故障隔离和自愈，可满 足高渗透率的分布式电源和储能元件接入的要求，满足用户提高电能质量的要 求。智能配电网技术有机集成和融合现代计算机与通信、高级传感和测控等技 术，满足未来配电系统集成、互动、自愈、兼容、优化的要求【l 4 。 智能配电网自动化现场监控装置的主要功能是：完成对智能配电网现场一次设备 ( 开关、变压器、环网柜) 等的信号采集、监测、状态判断、故障捕获，将数据通过 多种通信方式送到主站，并在配电网出现故障时完成故障处理，包括保护功能、网络 故障区段隔离和非故障区段恢复供电等功能。 ( ) f t u 分段开关口联络开关 i i 断路器 图2 - 1 智能配电网自动化系统的组成 典型的远方集中控制的配网自动化系统( s c a d a ) 的组成如图2 1 所示。它是由 配网自动化主站( s c a d a ) 、通信网络和现场设备( 开关和现场配电监控终端f t u 和d t u ) 组成。f t u 主要用于馈线自动化柱上开关监控，d t u 用于环网柜和开闭所 监控。各f t u 、d t u 分别通过电压互感器、电流互感器采集接入终端内部的电压、 电流、开关位置和储能状态等信号，然后对采集的信号进行分析处理，判断出开关的 运行情况，主要包括负荷电流、电压、功率、开关当前位置和储能完成情况等，并将 上述信息通过以太网通讯方式或g p r s 通讯方式等通讯方式传送给远方的配电自动化 控制系统，即主站。主站还可以下达控制命令对各f t u 进行相应的远方倒闸操作以 5 优化配电网的运行方式。当发生故障时，各f t u 记录下故障前以及故障发生时的重 要信息，例如故障前的负荷电流和最大故障电流、最大故障功率等信息，并将这些重 要信息通过配电自动化通讯网络传送给配电自动化控制系统，经配电自动化控制系统 对这些信息经过分析处理后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离 故障区段以恢复健全区段供电，提高用户用电的可靠性，减少停电面积 1 5 j 。 2 2 配电监控终端的控制方式 配电自动化监控系统主要由主站数据采集系统、通信网络系统、配电自动 化子站、配电自动化终端等部分组成。因此配电自动化终端的控制方式主要包 括以下几种实现方式：基于主站远方控制方式、子站监控式馈线自动化、终端 监控式馈线自动化和分布式智能f a 控制方式n 坶j 。 基于主站远方控制方式是指全部依靠配电主站来实现的馈线故障实时控制，主 要依赖通信系统通过负荷开关、配电监控终端和主站系统来实现。配电自动化监 控系统的主站是大型配电网自动化建设的核心，它作为控制中心，依赖于通信网络系 统，向配电监控终端采集故障前后的各种信息和数据，然后分析处理这些信息 和数据，确定故障区段和最佳的恢复用户供电方案，最后发送遥控命令给配电 监控终端控制开关动作，完成故障隔离并恢复非故障区供电，提高用户供电的 可靠性。但这种控制方式对配电网的通信系统的依赖性较强，一旦通信系统或 主站控制中心发生故障，就会导致整个配电控制系统瘫痪，从而无法实现故障 隔离、及时恢复用户供电，可靠性较差。 子站监控式馈线自动化是指可以独立实现对配电监控终端的信息采集和控 制，完成故障识别、故障隔离功能。此种方式的优点是将紧急控制的部分功能 从主站下放至子站，增强子站的控制功能，减弱了对主站的依赖，提高了可靠 性。此种控制方式必须解决故障隔离和负荷转移之间的关系。一般情况下，理 想的控制方案是：首先在正常运行情况下，由主站先预想线路中可能出现的故 障状态，然后生成故障处理的控制方案，对那些可以由子站来完成的故障控制 方案直接传送给子站，而主站则作为该项故障处理的替补，从而成功地完成故 障负荷由主站转移至子站。 终端监控式馈线自动化根据判断故障原理的方式不同，可分为重合器方式 和馈线系统保护方式。重合器方式是最为简单的终端控制式馈线自动化，它主 要依靠馈线上安装的重合器和分段器本身的功能来消除瞬时性和隔离永久性故 障，不用跟控制中心通信即可完成故障隔离和恢复供电。这种控制方式的优点是 具有独立的功能，无需其他设备干涉，封装性好。但是这种控制方式的缺点是故障隔 离所需要的时间较长，多次重合对相关负荷及电能质量会造成一定的影响。馈线系统 保护方式是利用良好的网络通信和分散安装的配电终端实现的具有特殊原理的全线 速动式区域性馈线保护。其优点是能够快速隔离故障，提高供电可靠性，同时能够完 6 成故障处理和负荷转移功能。 分布式智能f a 方式是各智能f t u 之间可以进行相互通信，完成故障快速 定位、隔离和网络重构，这是近年在广泛研究的一种新的配网自动化技术。这 种控制方式是将故障处理功能尽量下放到配电监控终端上，从而不仅仅依赖于 主站，强调故障处理的独立性、完整性，提高故障处理的可靠性。 下面以一个简单的例子来说明基于主站远方控制方式的故障处理的实现过程 【2 0 】 o 典型的馈线自动化系统入图2 2 所示，假设馈线线路中有4 个分段开关s l 、 s 2 、s 3 、s 4 和1 个联络开关r 0 ，其中如果有另一路电源，那么联络开关r 0 与其连接，r 0 在一般情况下是处于分闸状态的。在s 1 、s 2 、s 3 、s 4 和r 0 上 分别安装馈线自动化终端( f t u ) ，即f t u l f t u 5 ，馈线线路被这些f t u 分 为6 段，c b l 和c b 2 分别为变电站a 和变电站b 的出口断路器。 变 变电站b c b 2s 4 ( f t u 4 )s 3 ( f t u 3 ) r o ( f t u 5 ) 图2 2 典型的馈线自动化系统 r 0 在一般情况下是处于分闸状态的，变电站a 对r 0 左侧的线路负荷进行 供电，变电站b 对r 0 右侧的线路负荷进行供电。当在s l 与s 2 之间发生永久 性故障f 1 时，则故障处理过程如下： ( 1 ) 当f 1 发生时，变电站a 处安装的断路器c b l 就会检测到故障电流， 从而进行分闸操作，切除此故障线路。 ( 2 ) 由于各个线路上的f t u 会将各个线路的状态及信息上传至变电站内 部的主站，主站根据这些状态及信息进行分析和处理，就会发现故障电流仅仅 流过f t u l ，而f t u 2 , - - , f t u 5 均没有故障电流流过，由此可以判断出故障发生 在f t u l - - - , f t u 2 之间。 ( 3 ) 由主站发出遥控命令给f t u l 与f t u 2 ，断开s 1 与s 2 ，实现故障隔 离。 7 ( 4 ) 主站发出遥控命令给f t u 5 闭合联络开关r 0 ，实现部分被甩掉的负 荷供电，减小停电面积，提高用电的可靠性。 ( 5 ) 主站将各个f t u 上传的故障信息上传到配调中心，开启故障处理软 件，对这些故障信息进行分析后，生成恢复供电的方案，通过自动方式或由调 度员手工方式确认供电方案。 一 ( 6 ) 配调中心根据所产生的恢复供电方案发送遥控命令给f t u l ，由f t u l 来闭合c b l ，从而恢复部分被甩掉的负荷供电，减小了停电面积，提高了用电 的可靠性。 ( 7 ) 待故障线路经维修人员修复后，通过人工手动操作，下发遥控命令恢 复原来的供电方式，从而完成整个故障处理过程。 2 3 本章小结 本章主要介绍智能配电自动化系统的组成及它所完成的主要功能，并详细 介绍了配电监控终端的控制方式：基于主站远方控制方式、子站监控式配电监 控终端、终端监控式配电监