（电力系统及其自动化专业论文）一种基于can总线的馈线自动化系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种基于c a n 总线的馈线自 动化系统的研究，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 奎赵 日 期：芝竺：堡：主里 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：盔整 日期：! 竺。1 2 ：堑 导师签名 日 期：旦垒：丝：主2 华北l 匕力人学硕 二学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈柬愈 大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越 来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。“电力法”和承诺制的公布和贯 彻执行，更要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。传统的技术 和管理手段已无法适应新的形势，配电自动化就是为了这一目的而提出来的。 配电自动化是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系 统。它是现代计算机技术和通信技术在配电网监视与控制上的应用，其中 o k v 柱 上开关的远程监控是其重要的组成部分。 1 1 1 配电自动化系统的基本概念 配电自动化系统是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配 电设备的自动化系统。其内容包括配电网数据采集和监控( s c a d a ) 、配电地理信息 系统( g i s ) 和需方管理( d s m ) 几个部分。配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关 系如图2 一l 所示。” f进线监视 l 配电s c a d a 系统i1 0 k v 开闭所、变电站自动化 j1馈线自动化 f配电自动化1l 变压器巡检与无功补偿 il 地理信息系统 i厂负荷监控与管理 d m $ 需方管理j 1远方抄表与计费自动化 i 网络分析和优化 i 工作管理系统 l 调度员培训模拟系统 图2 1配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关系 其中的配电s c a o a 系统中的馈线自动化即是本课题研究的l o k v 柱上开关远程 监控系统，系统在正常情况下，远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态和馈 线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作；在故障时获取故障记 录，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域供电。 一1 孥恕瞧力天学疆重攀证论文 进线监视般完成对配电网迸线变电所的开荧位鼍、母线电压、线路电流、有 功鼹无功功攀黻及宅痰爨鹣薤程。 1 0 k 7 开溺掰移交魄魑巍凌讫究残黠戴嚣串1 0 k v 开潼搿，d 、涎交惫站静秀关蕴 鬣，保护幼作信号，小电流按地选绒情况，母线电厩，线路龟流，有功和无功功率 以及电度爨豹邋方监视、开关远方控铡、变压潞远方霄载调愿等。 变压耪巡缀是豢黠嚣墩瓣孛麓式变、台变魏参数，远方蕊视耧静搂魄容器麓窘 动投切和远方投切等。 1 1 2 配电岛渤化系统现状及发鼹 瑟电巍裁纯豹茇袋大致分为三令渗没：蘩一辩浚楚羹予爨动纯嚣关浚餐弱互聚 合的配电融动化阶段，其主要设备为重合器和分段器等，不需要建设通信网络和计 冀棍系统，萁主要功熊是在故障时遴过爨动化开关设备耜要酝台实现故障隔离秘健 全送蠛浚笺镞瞧。这淤段懿琵邀巍动像系统，强弱零东芝公裁麴重台瓣与魄匿对 瓣型分裴器配合模式鞫凝瓣c 公霹秘熏合器与羹合秣配合模式为代表。这类系统斡 国动化程度较低，具体袭蛾在：仪在故障对起作用，正常运行时不能起始掇作用， 鬻i | 墓不爨优纯运嚣方式：调整运嚣方式螽，嚣簧戮琥凌磐袭定毽 ：浚菱黧金嚣壤爨 惫瓣，燹法暴敬安全秘最後猿藏；舔离羧障辩爨鬟绞：遭多浚整合，辩设器翡冲毒大 等。 第二除袋熬配毫囊动化蓉缓怒鏊予遴信阕终、镄线终端纂元( f t u ) 和聪台诗 葵凝璃终蕊配魄壹裁傀系绞，宅在酝奄辩正零遐嚣慰，邀栽起戮簸裁配电溺运罨亍状 况和遥控改变运行方式的作用，故障时能够及时察徽，并出调度员通过遂控隔离故 障区域和恢囊健全区域供魄。 隧饕诗葬撬皴零懿笈簇，产生了繁三狳敬豹酝魄螽凌缳系统，它是在第二辫爱 的嚣电整鞠亿静基礁上，增麴了蠢韵控制功麓，蠢诗算瓤蠡劝宠残敌簿签壤等功 能。第三阶段的配电自动他的另一个特征是形成了黎配电网s c h d a 系统、配电地理 髂崽系绫、嚣方警建( 多s 醚) 、疆发燕薅奏灞浚、故障鼯鞠缀务鬟缝窝王 挈鬟管理 等一转诧麓综合窿凄纯系统。 一些工业发达国窳的配电自动化系统已经形成了集变电所自潮化、馈线分段开 关测控、魄容器组援繁摧铡、用户受麓控制和邀方拶表等系绕予体的醚毫网管理 系统( 0 稿) ，箕功能已多遮t 4 0 余耪。羁零是醚电鑫零毽发疑较镶鹣强襄。巍 1 9 8 6 年金圈9 个电力公司的4 1 6 1 0 条酝电线路已有3 5 9 8 3 条( 8 6 5 ) 实蕊了敲障 后的按时限趣动顺序遴魄，其中2 7 8 8 条( 6 、7 ) 实现了配电线开关( 撮桂上7 ： 关) 翡逝穷簸羧( 毯强一黢筑黎谤箕撬蕊攘) 。 令焉，鬣魄蠢动诧翁发矮趋势燕；歇各释攀穗蠡韵纯拣立，琴稼蕊“多麓叁动 2 挣北i 乜力人学硕j ：学位论文 化”的配电自动化系绕，向刃：放式、一体化和黎成化的综合自动化发展。 1 i 。3 我黧聚毫溺祷煮 通常报电力系统中二次降压变电所低压侧崴接或降压后向用户供电的网络，称 为配电嬲( o is t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。它由絮空线或电缆瓣瞧线路、酝惫赝或 皇 上洚压燹驻器直接接入用户簸鞫礅。习惯上将酝电电压l k v 以上鹩部分称为高运配 电网，其额定电压一般为3 5 k v 、6 1 0 k v 和3 k v 锌，将配电电压不足l k v 的部分称 为低压配魄网，其额定电压一般为单相2 2 0 v 和三相3 8 0 v 。 瓢俸舔结搦主，黼瞧网哥分誓挈壤菇凌弱、褥获溺和骂状溺。 如图1 2 所示。 ( a ) + 一卜一 ( b ) c ) 图1 - 2 配电网的体系结构 ( a ) 辐射状网( b ) 树状辐射网( c ) 环状嘲 鼗鬻黧龟霹懿特点一般有：深入藏帝孛心秘震琵密集点；信簸功攀窥距离一笈 不大；供电容易、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万剐，各不相同。 我国配电网还有个特征，就是中性点不按地，在发生单相接地时，仍允许供 电一段孵阕。这一特点捷褥我国懿戴电基露纯系绞不戆壹援g 遽国辨设奄，焉必须 结合我豳瓤电两的实际情况，逐疹加以改进。 1 - 2 课题的意义 配邀蠢动诧静实躐基础是对现场数据翡采蔟及对现场遮行设备的送穰控翻，冀 中很重袋的一部分就怒柱上开关的远程监控，也就是馈线自渤化，馈线自动化又称 3 一 一 一 岳丁 。列c i 乜力人学硕f 。学位论文 配电线路良动化，按照国际电气电予工程师协会( i e e e ) 对配电亟动化的定义，馈 线套动纯系绫( 融s 一e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m ) 是对甏耄线疆土载浚蘩透行远 方实时监视、协调及控制的个集成系统。 1 2 1 馈线自动化完成的主要功能及作用 l 。2 1 ，l 续线自动纯主鬃功雏“6 1 ) 运行状态监测 它又霹分为正骜状态蠢事鼓状态下的篮测。正常状态憋溅静量主娶寅电压抠 值、电流露功功率、无功功率、功率函数、逛鳖铎蟊开关设备的运行获态，监测量 是实时的，监测装置般称为线路终端( f t u ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 。在有数据 传输设备时，这些量可以送到某一级的s c a l ) a 系统；事故状态下根据放障鼹判断事 馥毪矮，袋敬楚理捂藏并上掇。 2 ) 控制功能 它又分为远方控制和就地控制，这与配电网中可控设备( 主要是开关设备) 的 葫链有关。懿采开关设摄是毫动受蘩嚣关，著蠢逶绩设冬，照戴可陛实瑗远方控裁 分闸或台湖；如果开关设备是重合器、重合分段裙，他们的分闸或合闸建 ；主j 这些设 备被设定的自身功能所控制这称为就地控制。 远方挎铡又可以分为鬃中式积分数式薅类。鼹谓集中式，是指出s c a d a 系统根 据飘f t u 获得的信息，经过翔颟叛懑控裁，可懿稼为主孤式：分散式是指f t u 囱溃 线中相关的开关设备发出信息，各摭制器根据收割的信息综合判断后实施对所控开 关设备的控制，也称p e e rt op e e r 方式。 豫了上述事敌赣态下夔控意l 以辩，杰歪誊运行辩还爵戳实雩亍爨纯控裁，警魏选 择线损最小或较小的运行方式对开关设备进行的控制；在某熬设备检修状态或事故 后状态下进行网络重构的控制等。 3 ) 敲瓣区疆毒，受簿转 共及莰复貘毫 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区隔离； 在环网运行或环网结构但开环运行的配电网中实现负荷转供，恢复供电。这一过程 是自动进行躯。在发生瞬时性故障时，通常因切凝故障电流髅，故障自动漕失，可 敬由开关巍动重合爵浚复对受荷的供电。 1 2 1 2 线囱动化的作用 1 ) 减少停电时弑，提高供电可靠性 故障殿计划检修楚造成用户停电的两个主要原因。配电阚的传统结构一般采用 辐射型配电方式，线路中间没有分段开关，当线路上某一处故障或避行线路检修 4 苷北电力大学硕j ：学位论文 时，会造成全线停电。观在城市供窀娜的发展方向是采用环网“手拉手”供电方 式，著焉受藕开关褥线籍分袋，这榉爵疆 菝至1 分段猃缮，遥鬣霹线跨检修建成全线 停电，而利用馈线自动化系统实现线路故障区段的自动定位、隔离及健康线路的自 动恢复供电，可缩小故障停电范围，减少对用户停电的时间，提高供电可靠性。 c b 2 图i 一3 馈线自动化系统的故障处理 在土鬃掰示翡令典鍪裾嚣条线黪“手拉手”环瓣孛，警线爨孛袭f 点发生蔽 障时，在变电站内的源端断路器c b i 两次重合检测出永久故障后，馈线自动化系统 可以确定故障区段，自动地或由调度人员手动遥控拉开故障点两侧负荷开蔟s i 、 s 2 ，接着食上变电站肉躲源端断鼹嚣，再台上环网上的联络开关s t ，恢复全部健 康线路 婆魄。故簿停电对阍可压缩剿一、二分锋之内。 长期以来我国在配电线路上的投瓷不足，由于配电线路薄弱、不合理，即使在 发电量充足的情况下，也会出现不必臻的长时间静电，使供魄可靠性得不到保证， 远筏予发送蓬家承孚。采矮配宅线鼹爨动芘系统螽爵显著逑教善这一获况。褒在我 国电力部已明确提出使供电可靠性达到9 9 9 6 的要求，故艨积极实施馈线自动化 技术，以提高供电可靠性。 在配魄蠡魂证筑诲多臻栽孛，簸簿定霞、瓣凑及蠡蘸俊袈供奄是一个主要翡罴 用传统手段难以实现酾功能。 2 ) 提简供电质量 随着潮琵经济蛉发展霸久民生添承平筑提麓，鼹户对魄穗质量斡要求愈来愈 高。馈线自动纯系统可强实时煎褫线路电压和颓率的交亿，翻动调节变压器输出电 压或投切无功补偿电容器组，保证用户电压符合爱求；计算线路的谐波含鼹，抑制 有害谐波成分。 3 ) 节餐惑髂投资 馈线自动化的投资是大家比较必心的。单纯从一条线路的角度看，投资较大， 但从总体上来看，可节省投资。 疆 l 萋，为镶汪重簧麓户蕊鬟毫霹纛淫，一般采用壹变毫懿盏蔹囊鬟户蹶路或多 路供电，甄为备用的做法。这种方式设备利用晕低，需要的线路较多，尤其电力电 缆投资很谳。而实现馈线自动化后，合理地安排网络结构，谯给用户供电的线路故 s 一 毕北电力大学砸 ：学位论文 障退出运行后，通过操作联络开关，出其它的然廉线路供电。困此在保谣同样可靠 往静兹撬下，与传统懿徽法稳琵，馕线蠢动纯爵充分静发簿豫各的潜力，显著逢节 省了在线路上的投资。 4 ) 减少电网运行与检修费用 续线羹动讫系统霹爱奄线路及莰釜运蜇获惫遘厅实露鏊筏，为实甏竣簧熬及辩 检修创造了条件，这样除了可以减少不必要的停电时间外，也减少了检修费用。利 用馈线自动化提供的数据与资料，可以及时确定线路故障点及原因，缩短故障修复 封闻，节雀修复费用。 综上所述，馈线自动化其主要懑义在于：在正常运行情况下，通过箍秘飘网运行工 况，优化配网运行方式：当配网发生敞障或异常运行时，迅速查出故障区段及辫常情况， 快速隔离故障区段及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面 积；禳豢鬻蕊宅压含莲羟翱无功受瑟翻电压东予，竣蕾筷龟震量，达裂翌济适舒兹鬻豹； 合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄袭计费，保证抄表计费的及时和准确， 提高了企业的经济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。 l 。3 课题磷究豹主纂内容 本文对1 0 k v 柱上开关远程监控装置所做的研究是为了提高配电网的可靠性， 提高供电溪量，提高魄力系统的爨渤乏水平，蓠先要磅究辕瓣状配电髓的放障处理 模式，选择一种合适鑫鼋敬漳楚瑾方案，并实瑷之。然后设计远程终臻静硬件程软 件，并且进行控制和枪测实验，程检测模拟爨时要选择合适的滤波算法和分析算 法，要使硬件能够适台所选算法的婴求，对于邋信系统要蠢台适的通信网，提出了 采弱基予c a n 熬透信模式，著采麓会逶浚逶缮协议。 ( 1 ) 本文所要做的工作就是研究和开发一套1 0 k y 柱上开关的远程监控系统，它 属于馈线融动化的范围。 2 ) 阻l , t c u 为核心磅究馨篷爨远程监控懿终溃装矍，农谚究过程中充分注重对 装置的可靠性、抗干抗能力、与设备的一体化、价格、体积等因素。 ( 3 ) 对通信系统的研究，结合配电网的拓扑结构，提出了基于c a n 总线的通信 模式。 。6 。矧t i b 力人学坝j j 学位论文 第二肇系统总体设计 目前电力系统调度自动化已到达变电站级别，也就是对变电站的模拟撼和开关 量已实现遴程实时监控，在1 0 k v 的配电网中基本都还没露实现远程蟾控，所隧 l o k v 醚奄溺韵运行捩况还傈葑着沈鞍琢始熬浚态。直妥魏在短路敖漳鲶理还按照 如下步骤进行：发生短路故障后，变电站出线歼关跳闸；酉已电调度根据用户电话或 变电站信恩派人去现场查找故障点；配电调度根据故障点位鼹和配电网接线方式， 下达颡蕊鼓障点、浚笺棼藏障嚣壤绦宅懿缓惩念令；毽阕竞箴焘，变电避赛线开关 合闸送电，这样的过程最少也要十几分钟，长的要几十分钟，这样的过程无论如何 也满足不了供电可靠性9 9 9 6 的器求。 2 。l 馈线骞动佳技术酌发展 在曰本八十年代中期，开发并安装了重台器，它依靠线路短路故障时的过电流 信息与开关的动作时间配台，实现自动隔离故障区段，并恢复故障区段上游的供 龟。美鏊魄在a 卡年代开发了重含器。与蠢本不蠢，美国采麓毫基囊重含黎，鞋故 障电压作为判据，而翻本的是电流烈重合器，以故障电流作为判据。在这个时期就 产生了重合器方式的短路故障处理技术。 在丸卡年代，隧麓蘩电塞魂纯貔实施，爨现了数障毂集中处理模式。该模式将 线路分段开关的电流信息全部收集到一台计算机中，在该计算机中，对收集到的电 流大小进行比较，判断，奁出故障区段，然后下令跳开故障区段两侧的开关，合上 变电站出线开关及楣成分段、联络开关，恢复非赦障区段供电。 由于我国的配电蠹动纯实施怒步较晚，磊翁还筵予发鼹淤段，各秘照理技术还 没有一种达到完善的地步，因而迫切需要种能适合我国国情的自动化模式。 2 2 馈线自动化故障处理方式 馈线自动化基本原理是将环阏结构开环运行的配电网线路通过分段开关把供电 线路分割成各个供电聪域。当某区域发生故障时，及时将分割该区域的开关跳开， 疆裹故黪酝域；夔最，埯毽线路发生故障两失魄翡嚣数障熬域迅速恢复供电，扶蠢 避免了因线路出现敌簿丽导致整条线路连续夫电，大大减小停电范豳，疆离供电可 靠性。州 2 2 1 无通信信遭时的馈线自动亿方案 主要是采用重台器、分段器方式，这是早期比较普遍的方案，无通信信道的情 况下，可灾现故障的翻动隔离和恢复非故障区段的供电。 一7 华北电力大学硕】：学位论空 2 2 2 辐射状网故障区段隔离 图2 1 为一个典型的辐射状网在采用重合器与电压一时问型分段器配台时，隔 离故障区段的过程示意图，图2 2 3 为各开关的动作时序图。 图2 1 中，a 采用重合器，整定为一慢一快，即第一次重合时间为1 5 s ，第二 次重合时间为5 s 。b 、d 和e 采用电压一时间型分段器，它们的x 时限均整定为 7 s ；c 亦采用电压一时间型分段器，其x 时限均整定为1 4 s ，y 时限均整定为5 s 。 图2 1 ( a ) 为该辐射状网正常工作的情形；图2 1 ( b ) 描述在c 区段发生永久性 故障后，重合器a 跳闸，导致线路失压，造成分段器b 、c 、d 和e 均分闸；图2 1 ( c ) 描述事故跳闸1 5 s 后，重合器a 第一次重合：图2 1 ( d ) 描述又经过7 s 的x 时限后，分段器b 自动合闸，将电供至b 区段；图2 一l ( e ) 描述又经过7 s 的x 时 限后，分段器d 自动合闸，将电供至d 区段；图2 一l ( f ) 描述又经过1 4 s 的x 时 限后，分段器c 自动合闸，由于c 段存在永久性故障，再次导致重合器a 跳闸，从 而线路失压，造成分段器b 、c 、d 和e 均分闸，由于分段器c 合闸后未达到y 时限 ( 5 s ) 就又失压，该分段器被闭锁；图2 一l ( g ) 描述重合器a 再次跳闸后，又经 过5 s 进行第二次重合，分段器b 、d 和e 依次自动合闸，而分段器c 因闭锁保持分 闸状态，从而隔离了敌障区段，恢复了健全区段供电。 ee h 卜卜一么二 abcc ( a ) ee ( c ) 8 ee 华北电力人学硕i 学位论文 ee ( d ) ee ee ( f ) 1 4 s 1 4 s ee ( g ) 图2 - 1 辐射状网故障区段隔离的过程 9 一 哗北电力人学硕j ：学位论文 分i xy i x 丫 j l 。江0 !分!* l o ； 分 x ￥lxy 气o ，洲。 分 xv 嚣2 2窝2 一 中备瑟美懿萄俸辩痊 2 2 2 1 环网开环运行时的故障区段隔离及供电恢复 簦2 3 为一令典燮的开薜运行懿环狡耀在袋麓重台嚣与积压嚣李阀墅分段器配 合时，隔离故障区段的过程示意图，图2 - 4 为各开关的动作时序图。 图2 - 3 中，a 采用灏合器，整愆为一慢一快，即第一次黛合时间为1 5 s ，第二 次重会时趣为5 s 。b 、c 彝d 采臻瞧压一时阉型分段器著且浚嚣在第一套功筢，它 们的x 时限均整定为7 s ，y 时限均熬定为5 s ；e 办采用电压一时问型分段器，但设 置在第二套功能，其x 。时限均整定为4 5 s ，y 时限均整定为5 s 。 圈2 - 3 ( a 为该开环运 亍数垮状霹正常工作的情形；图2 - 3 ( b ) 攒述在c 区 段发生永久往敌簿君，蕊台器a 虢溺，导致联络开关左铡线路失压，逡成分段器 b 、c 和d 均分闸，并扇动分段器e 的x 。计数器；图2 3 ( c ) 描述事故跳闸1 5 s 后，重台器a 第一次羹合；图2 3 ( d ) 描述又经过7 s 的x 时限后，分段器b 自动 合霸，将魄供至b 嚣敬；图2 - 3 ( e ) 獾述又经避7 s 懿x 跨袋屠，分段器c 叁动台 闸，此时由于c 段存在永久性故障，再次导致萋食器a 跳闸，从而线路失压，造成 分段器b 和c 均分闸，由于分段器c 合闸后未达到y 时限( 5 s ) 就又失压，该分段 嚣将被阏镞；圈2 - 3 ( f ) 攒述重合鼯a 枣次跳嬲后，又经过5 s 遴雩亍第二次重合， 随后分段嚣b 啻动合湖，丽分段嚣c 困蠲锁保持分阕获态；蕊2 - 3 ( g ) 籀述重合 器a 第一次跳闸后，经过4 5 s 的x l 时限后，分段器e 自础合闸，将电供至d 区 1 0 j # 北叱力人学硕一l 学位论文 段；图2 3 ( h ) 描述又经过7 s 的x 时限后，分段器d 自动合闸，此时由于c 段存 在永久性故障，导致联络开关右侧的线路的重合器跳闸，从而右侧线路失压，造成 其上所有分段器均分闸，由于分段器d 合闸后未达到y 时限( 5 s ) 就又失压，该分 段器将被闭锁；图2 3 ( i ) 描述联络开关以及右侧的分段器和重合器又依顺序合 闸，而分段器d 因闭锁保持分闸状态，从而隔离了故障区段，恢复了健全区段供 电。 h 卜_ _ 一 abcdef 联络开关 ( a ) abcde h 二卜卜毒。卜_ 华北电力大学确_ ：学位论文 abcde i i l i i i - q ： - * e m j - - 一 abcdef 5 s7 s联络开关 ( 玲 abcd e h 卜。_ p o 卜_ ef 联络开关 鑫bcde h 卜i 叫卜专净o _ 一 cdef 联络开关 ( 辩 abcde - ，1 l i i i i i “w - - - “： r ； ：n * w - i 一i l 一h m abl f ( i )联络开关 图2 - 3 环状网开环运行时故障馘段隔离的过秘 2 。2 3 袁逶德猿遘耩孪豹故障整壤方案 有倍道的馈线自动化系统故障处理过程大体分两步完成无条件地以最快速度 港豫疆时矬故障或访豫永久缝教淹；隔离敢簿线段，著寻求最缆方式镦复菲敲簿 线段供瞧。第一步通常自变电站踺钱傈护及羹台滴完成，簿= 步通常遁避馈线自动 化主站或二级主站米兜成。 1 2 - 华北电力大学硕士学位论文 4 l 土一面一 ! 坌ib 一：芝 图2 - 4图2 - 3 中各开关的动作时序图 有信道的基于f t u 的馈线自动化系统的组成如图2 5 所示。 图2 5典型的基于f t u 的馈线自动化的组成 在图2 - 5 所示的系统中，各f t u 分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷、 电压、功率和丌关当前位置、储能完成情况等，并将上述信息由通信网络发向远方 一1 3 华北电力大学硕+ 卜擎垃论文 的配电网自动化控制中心。各f t u 还可以接受配电自动化控铕0 中心下达的命令进行 程应懿远方毽凌搡黪。在数障发生辩，各f t u 记滚下故漳露及鼓漳露豹羹要售感， 如最大故雠电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等，并将上述信息传至d a s 控 制中心，经计算机系统分析后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式 隔离故障酝段、恢复懿全区段供电。这个系统中的区域工作溺实际上跫个通道集 中器稻转缎装置，它将众多分散鹣采集单元集中起来帮o a s 控截中心联系。 对于多电源供电的配电网这种集中故障处理模式比较适合，但是目前我国大部 分配电网怒双电源环网开环运行方式，而农村还是辐射状单电源配电网，只有少数 大藏毒璃予多毫源环潮运季亍，繇隧镑对这耱绩凌，我识采焉一秘适合予戳i 皂源环霜 开环运行和单电源辐射状网的故障处理方案，这种方案的故障处理过程可以不依赖 主站或二级主站的干预而下放到线路上独立完成。这样可以降低通信系绒成本。 缓定l o k v 馈线跨攘在固一交毫避蕊嚣段簿线或嚣糖邻变电菇之阕，线路上强 5 个分毅点，其中一个分段点为醛潮开关( 联络开关) ，正常情况下开环运行。如 图2 - 6 所示。 c b lf d lf b 2h wf 0 3f d 4c b 2 商￥警 c a n b u s 图2 - 6 环硒馈线结构及通信尾络 其中b j l 稻b , 3 2 佟为两秘线路镰护箍控装甏与各鑫弱突魄麓级诗算辍辐连，是 变电站自动化系统中的一个节点，不但完成本身s c a d a 功能，而且兼线路上各f t u 的s c a d a 数据转发器。 每- 爪分段秀关鹃f t u 只与摇邻开关翁f t u 及弧铡变电菇爨线绦护遂蘩，不与其 他任何分段开关通信。故障处理过程中，相邻f t u 之间交换商无故障电流的信息以 判定故障聪段，而各f t u 与双侧变电站出线保护之间的通信用于实现s c a d a 及上报 嫒感知的敬障信息。 2 2 3 1 分段开关酌分阑逻辑 当线路故障时，首先由变电站出线开关跳闸，启动重合闸，并向c a n 网发出暂 停s c a d a 邋信奄令。线赡上各f t u 立即停止s c a d a 通信，岛糨邻f t u 及变电站广摇 故障电流i 。标志，并接收稿邻f t u 豹i 。标志。然后将接收弼的两裙邻f t u 的i 。栎 1 4 华北电力大学预i 二学位论文 志进行异娥运算。如果故障段两侧f t u 中- n 有i 。标志，侧无i 。标志，则在出 线牙关重会惹，第二次懑现敬薅毫浚薅立印分鬻，扶孬寿选铎逡餐酴敌辫线段。其 分闸逻辑如图2 7 所示。 上侧f t u 的i 。 下铡f t u 虼l 。 筵2 7 努羧弹关静势翔逻辑 努阉命令 2 2 3 2 环网开关( 联缭开关) 的台闸逻辑 在教瓣线段嚣强弱分莰开关分溺爱，环掰牙关一弱无筮，著且其蔻翻箱镪f t u 均无i 。标志，则环掰开关经设定延时后合闸。恢复主供侧故障线段以屠的非故障 线段的供电。如果侧有i 。标志，则环网开关不合阉，这样可靠防止环网开关重 合到故簿线段，造成对餐供侧电源及鼹户的冲击。环网开关的合闸逻辑如鼹2 8 赝 示。 左侧 衰弱 合闸命令 图2 - 8 环网开必的合闸逻辑 i 。标志复位条件：出现第二次故障电流，发出分闸命令，开关变馒；发出 合藤鑫令，开关交位：经一令放簿整理羁袋。 2 2 3 3 故障处理过程 1 ) 瞬时性故障 线路发蕊三瓣对泣敖簿嚣，主貘出线保护动俸虢澜( 重台麓f 麓速瓣动) ，线路失压， 故障点绝缘恢复，然后出线开关重合成功，恢复供电。各感受到敞障电流的f 邢将电流i k 标志上发变电站及相邻f r u 。变电站可根据各f 1 u 上报的故障王k 信息确定瞬时故障区 段。 2 ) 永久性故障 1 5 列h 三力大学颂p 学位论文 处理鼹点：永久性敞障由故障线段两侧的分段开关切除并隔离，健全线路由重 台溺爱臻潮_ 歼关恢复袋瞧。 当线路发生永久傲故障时，主供侧出线僳护动作跳闸( 爨合闸前加遂瞬动) ， 线路失压，各分段开关与变电站及棚邻分段开关交换信息，失压线路f t u 根据接收 裂的秘邻f t u 夔故障傣患，设定邻透f t u 懿 。橱志 择5 0 i s 5 0 1 2 所以究全能满足我们的要求。 3 2 2 开关麓输入电路的设计 由于f t u 的工作环境干扰比较大，在设计开关量输入电路时充分注意了不把干 扰引入，增加系统的抗干扰能力，在充分研究了p l c ( 可编程序控制器) 的开关量 埝入电路熬基础上，竣计了如下匿掰示斡开关黧输入电路。茂电路一次魄路与二次 电路之溺翁光电耦合器骗离，二次魄路中设鸯r c 滤波器戳防止触头颤掇弓i 起谖动 作，试验证明此电路有很强的抗干扰能力。 3 2 。3 遥控信号输出怒路 图3 - 3 开关量输入电路 在设计遥控信号输出电路时，我们充分考虑了由于f t u 工作环境干扰比较严 重，c p u 及其外围单元不可能时刻工作在正常状态可能会发生某些异常辫故，在这 些暴鬻事教中，c p u 缓序照飞是发生频率最离豹事藏，虽然系统中套w a t c h d o g 电 路，但在系统复位後复正常之前仍商可能c p u 发出非正常的开关操作命令，丽开关 量输出控制单元如果不加识别就执行的话，必然造成系统误动。对于电力系统来 髓，误动楚一釉非常严重的事故，圆此我们采粥了事故安全设计思想。 辑谓霉鼓安全设计就是露罴我馁在设诗系统道程中，考虑到当系绕出现蔽障 时，使其输出锁定在巢一特定安全值内，则这个系统是事故安全的，这种设计称为 一2 2 华北f u 力人学顺上学位论文 事故安全设计。具体到我们的系统，事故安全可以理解为：当c p u 发生故障时，开 关量输出控制单元使其输出锁定在c p u 发生故障前的状态，以消除误动。 根据这一思想，我们采用两路译码输出相或的方式控制出口继电器，如图3 - 4 所示，图中译码器a 的输入数据为程序指针p c 的值，译码器b 的输入数据为某一 个定值，当两个译码器均译码成功时( 即输出为零) 或门才输出为零通过驱动电路 驱动继电器动作，从而控制开关变位。 这样可以避免程序跑飞时发出错误的操动命令被执行，因为程序跑飞后译码器 a 的输入值不再是正确的p c 值，则译码器a 输出为l ，或门输出为l ( 0 时驱 动) ，所以这时不执行命令，避免了事故的发生，提高了系统工作的可靠性。 3 2 4 模拟量输入电路 图3 - 4 遥控出口继电器控制电路 t m s 3 2 0 c 2 4 x 有两个独立的模数转换器，每个模数转换器带有一个内部采样 保持电路和一个1 0 位双积分型的转换器。每个模数转换器可接8 个模拟输入通 道，这8 个模拟输入通过多路转换开关( m u x ) 提供给每个模数转换器。每个模 数转换器都有一个2 级深的f i f o 结果寄存器a d c f i f o x ( x = l ，2 ) ，它可以先后存放两 次的转换结果，当第三个结果进来时将把第一个结果挤出。由于采用2 级深的 f i f o 的存储方式，有了缓冲的读取时间，因此对于连续快速的模拟数据采集非常 有用。 两个8 输入通道的l o 位片上a d 转换器，共1 6 个输入通道，如果芯片的外部 晶振为6 m h z ，其c p u c l k 是外部时钟的2 倍，s y s c l k 为c p u 时钟的4 分频，即 3 m h z ，设定模数转换器分频器的的分频系数为l o ，则a d 转换器单通道转换时间 为s y s c l k 的周期分频系数6 = 圭u s 1 0 6 = 2 0p s ，根据采样定理我们只需对 工频电流、电压每周期采样1 2 点就能满足计算测量电流、电压和故障电流的要 求。工频电流周期t = 2 0 m s ，只要每隔1 6 m s 采样一个点就可以了，循环采样1 0 个 2 3 华北咆力人学硕j j 学位论文 通道的时间最多算2 0 雕1 0 = 2 0 0 膨，( 我们将其中一个通道用做零序电流的录 渡，蘩繇鼙摇凄楚熬瓣时要雳) ，掰瑷t m s 3 2 0 c 2 4 0 冀主a d 转换器戆转换速凄完 全能够满足要求。 模拟燃臻经过隔离变换和电压形成环节才能进入a d 转换器。模拟鬣的检测方 法有瑟秘，一是经过变速器，交裁滚滚售号，然磊壹滚采辫，经a d 转软器透灭 c p u ；它的特点是对a d 转换器的转换速率要求不高，软件簿法简单，只要将采样 结果乘上相应的标度系数便可得到电流电压的有效值，因此采样程序简单，软件的 可靠性好。但是直流袋样输入回跆，因为要滤去煞滚后的纹波，往往采照r c 滤波 电舞，其时滴霉数较大( 一般尼十毫移曩百毫秒) ，函就采样结果实时性差，两 且无法反映录波波形，尤其不适含于故障情况下模拟量的检测。另外变遴器也增加 了设备的投资。还有种方法是不经变送器，文按将一次电压和一次电流的强电信 号经过个小电压互感器或小电流互薅器交换戏a d 转换嚣掰缝接受躲魄愿蔫号。 交流采样怒根据采样寇理直接对交流电流和电聪的波形迸行采样，然后经过一定算 法计算出其有效值或恢复其波形。敝特点是实时性好，能反映原来电流、电压的实 际滚形，便予对鼹测爨的结果进行波形分析，茏其在需要谐波分橱和故障录波的场 合，必须采薅交流采撵。不需变送器靛静节约投爨又壤小设铸薅瑷。酝驻交流采礴 的性能优子直流采样。但是交流采样对a i d 转换器和c p u 系统要求较高。根据采样 定理，为了保证测量的精度，一个周期内必须采样足够的点数，因此要求a d 转换 器帮c p u 骞足够熬速浚。我翻硬 警主遥鬟tc p u ，象强采弹速度不是超越，霹瑟我 们选了交流采样。 微型互感器小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上；全树脂密封，隔离度高。 在电流璧蛉隔离和电压形成我们选羯了g y a - 7 懋微型电滚要感器，其输入电漉范匿 为o - 6 0 a ，输出电流蕊潮为0 - 6 0 m a 。与常觅的方式不同，我们不是在电流互感嚣的 二次侧直接并联一个电阻来实现电流量到电压量的变换，而煜在电流互感器的二次 侧加一级运算放大器( o p 0 7 ) 将电流量变换成电压量，可以通过调节运弊放大器的 反续宅疆r 靛蕊在竣i 鑫溃褥至l 舞要求豹毫压赣爨。基于邀隧穰陵蓉涅震黪变纯瑟变 化，并且电阻值的选淑也不精确，使得电流量刘电压量转抉不稳定也不准确，而使 用运放可以得到比较稳定、比较精确的电压值。其原理电路如下图所示。 输入 2 4 。 输出 = f ；北电力夫学硕：i ：举饿论文 爨3 - 5 采蠲激黧电流互感嚣静毫滚蓬隔褰交接与毫匿彤残电路 3 2 5 实时时钟电路 实对跨镑功能震予爨历、诗戆葶辇搴佟记录( 记录教障发生瓣闲、疑鼹器器台露 间等) ，它采用片专朗时钟芯片p c f 8 5 6 3 ，p c f 8 5 6 3 是p h l i p s 公司推出的一款工 业级内含i2 c 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片，p c f 8 5 6 3 的多 种报警功能、定时器功能、时钟输战功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时 鼹务。雨帮时静电跨、海部振荡电簿、内部 鑫惫压检测电鼹( 1 o v ) 以及两线裁 i2 c 总线通讯方式，不假使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时 每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。 3 ，2 6 通信模块电路 图3 - 6 实踺时铮部分电爨鼹 通信模块采用西门子公司生产的独立c a n 控制器s j a l 0 0 0 t ，再加上片外c a n 牧发器p 8 2 c 2 5 0 芯片霹以缀或c a n 迢售节点，冀蒸癸壤援冤蘩露章遥信援块电路浚 计。 3 27 电源供应 f t u 杰l o k v 线路鸯电嚣逶遥i o k v 2 2 0 v 变疆器趣牙关邀源模块供魄，蓄龟建 组处于充电状态。一旦l o k v 线路必压，则转由黼电池组为f t u 供电，谯电源电路 中采用d c - d c 模块，为c p o 提供相对纯净的电源环境。 2 5 乍北i 也力 学硕】：学位论文 3 。2 8 结橡设计 结构谶计采用的盛积术式结构，分为电源缀，c p u 板，开关量输出板，通信接 i z l 板。机箱采用高导磁体制成的双层封闭机箱，用来作为对外部电场刺磁场的屏 藏。考虑劐元器件的散热，密有通风琵，为霹孢矩形撵裂。 3 。2 9 毫隰、电容元 牛麴逸择 因为设计的f t u 怒器工作在室外环境下的，因此对元件的摭干扰性、耐温性、 漪寒淫、挽老诧、裁纛竣注獒要求繇稷菇。 工产品，疑工作温度瓤丽放一4 0 “+ i 2 5 。c 。 降额使用，这将大大抛高其使用的可靠性。 3 ，3 终端懿较锋设计 3 ，3 1 数鬻滤波 基子这耪考意，电阻、电容元佟都是军 并且在它们豹耐压、功率替擞上都像了 终端瓣嫒舞设诗中态努注意。萝软件抗于执功趣蘸露a ，藻本愚蕊是硬件没键。尽 量筒纯，弼= 芒尽量多的功能由较锌来实现。这样豹瑷诗惑路可以捷硬释数蕊减少， 从而减少了不可靠因辫，另外从经济上考虑可以降低成本，并且更易于舔统的功能 扩展移技术跫缀。 矮线魄压、毫滚经过孛毫压互感器、枣奄满甄霪器变换势转挨袋电压蓿号后， 要先经过级模拟低通滤波器进行滤波。这是根据采样定理的要求为防止频率混叠 而设的，其截止频率般较高( 因为要考虑谐波分量) 。然后进行采样保持和转 换，之鬣逐錾经过一级数字滤波。数享滤波可以撩溪罴集系绫弓；天熬各秘噪声。8 数字滤波其甭软件来实现，肖渤降低成本，辅小系统体积，所以在般模拟量 采集中用的很广泛。数字滤波的方法也很多，备有优缺点，我们选择了冀中的差分 滤波器，冀愿理如下： 差分滤波嚣豹系统函鼗为： h ( z 、= 1 一z 一 y 0 ) = 善( 栉一x ( 攒) 式中x 表示狳入镶号，y 表示瓣窭蕊号， 钓两采样假。 其慎频特性为： 缈时巍等l = 2 | s i 建剖 相频特性为： 一2 6 。 ( 3 。1 ) ( 3 2 ) x n ) 帮x ( n - k ) 袭示稳疆k 个采弹秘薅 ( s + 3 ) 牛北t 毡如太学硕士学位论文 如啦弘2 百k f ) ( 3 i4 ) 式中为信号角频率，f 为信芍频率，f 。为采样频率，t 。为采样滴甥。 设基频分量频率为f ，m 次谐波频率为m f 。，则可滤掉的谐波次数( 包括直流分 量) 为： 挪= f 矗= ? 豢= 五膨。；m 。= i n ；z = o ，l ，2 ， ( 3 ，5 ) 式中n 为每周波采样点数。 差分滤波嚣诗算麓罄，嚣且霹以完全瀵黪豢浚势量。毽鼹予裹频分蘩，它起到 一定程度的放大作用。对于衰减分爨，也有一定的榔制作用。 3 ，3 2 计算幅值方法 f t u 对放障楚瑾瓣准确瞧蓄笼叛羧予对数辫羯薮熬准确瞧，蠢故障嬲鞭熬准确 性又依赖于对电流、电愿检测的准确性和故障判断算法的合理性。所以我们重点研 究了能够凇确检测电流、电压的算法及d s p 上的程序实现，咀及对故障判断的合理 冀法。 剐骚完成故障橙测和故障处理的功能，本系统采用傅氏算法计算电流值，这时重要 的是要求计算速度快，糟度只要不影响判断故障就可以了，以便自够尽快地判断并隔离故 障区段，恢复正常运 亍。褥在正常运行时，f t u 还鞭承担采集模拟爨积开关量盼任务，并 挺采集到弱数撂送经交壤涎单元，秀癫变宅站擎元送至配毫溺整按中心遽行数攥分蓼亍。盎 于各开关需隳上传的遥测量主要是用于负荷控制和窃电监视等功能，并非用于计算电费， 因而对f 1 u 的测量精度也比较低，上传的正常数据的幅值计算也聚用此方法。 3 。3 。2 ，1 倦焱瑟专銮抉 电流、电压采样值缀过数字滤波后，就会聚用故障判断辫法计算电流、电压的 有效值，以便判断是否超过限值( 是否有故障) ，目前用于故障判断的算法有很 多，番耱姨逶鲍毫鞲漤鹣舅法被撬爨著臻予实瓣，本系统袋弱簿氏篓法。 1 ) 基予周期函数模型韵算法 在这种算法中，我们把电流、电压信号假设为包含各种频率分量的周期函数， 针对这秘模型我们选照了薅氏算法。 傅氏算法酶基本恐潞来自蒋立时级数，鄂一个周絮性黼数可以分解为童流分 量、基波分最及各次谐波的无穷级数。 f f ) = 阪c o s 0 姣f ) + a 。s i n 0 搿l f 麓 n o 。2 7 ( 3 6 ) 1 # 北电山人学硕l 举位论文 式中蛾表示基波角频率；和b 。分别表示各次谐波盼正弦项祁余弦项的幅 氇，其中魄较耨豫熟智：b 。表示赢漉分量，a ；、b ，表示蘩波分董难、余弦瑗的幅 值。根据傅氏级数的原理，可以求出a 。和b 。分别为： n 。一手f f m n 如州 ( 3 7 ) 6 。= i 2r f o ) c 。s ( n m , t ) d f 予怒n 次谐波电浚分量可表示为： f 。如) = b 。c o s o q f ) + s l n ( n o i f ) 据此可求出f 1 次谐波电流分量的有效值为 兰丛2 其中a 。和b 。可用梯形积分法逝似求出为： 嚷= 将s i 制 玩= 剖糌甜c 。等圳l玩2 剖，+ 掣c o s 箐+ 删| ( 3 8 ) ( 3 。9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 ，】1 ) ( 3 。1 2 ) 对于旗波分量，游每周期采样1 2 点，则上两式可简化为； 缸；= 魄一毛) + 毡+ 屯_ i ；) + 也+ i 4 - - 是- f l 。) ( 3 it 3 ) 6 岛= 彤o 。一i s - ”“) + 饥“一1 4i ”f l o + 屯) 吨 ( 3 1 4 ) 这样嬲算式计算爨已经缀小了，适合c p u 缡制汇编语富捱序。这就是我们采用 的诗算鏊波有效谴懿簿法。它有一定豹滤波幸翟臻，它麓完全滤掉各静整次谐滚和绝 直流分壁；对非整次商频分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分凝也有一定 的抑制作用。辅以前级差分滤波，精度会比较离，计算量也不大，所以我们选择了 它。 2 ) 快速傅里叶变换 在我们进行高次谐波分析时，需要用到快速傅里叶变换( f f t ) 。 妖速傅里时变按魏基本原理翔下： 非周期连续时间信号z ( f ) 的傅里叶变换可以表示为： 2 8 华北电力人学硕 j 学位论文 x 0 ) = z ( f ) e 1 “c h ( 3 i5 ) 以( 3 1 5 ) 式计算出来的是信号z o ) 的连续频谱。但是在实际系统中我们能得到 的是信号z ( ，) 的离散采样值x ( n r ) ( 丁是采样周期) 。因此以离散信号z 加，) 来计算 其频谱具有实际意义。设采样得到了n 点采样值娩0 r ) ，一= 0 , i ，n 一1 ) ，那么其频 谱取样的谱间距是 ：娶 ( 3 1 6 ) 2 而 ( 3 这样可推得( 3 ，i j ) 式的离散形式为： ，、 一 ，芒j ，、一 竺h x 弘。) = x x 0 7 - ) e 一止“”= z 07 。百“ ( 3 t7 ) 竺 令= e 并省略符号脚。和丁，则上式可写为： x ( 女) = z ( ) 时 k = 1 , 2 ，n 一1( 3 1 8 ) 式中x ( t ) 廷时间序列z ( ) 的频谱，称为蝶形因子。x , t q = 点时域采样值， 经过( 3 1 8 ) 式的计算，就可得到个频谱条，这就是离散傅里叶变换( d f