（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的ftu的研究与设计.pdf

硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd 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 ，m o r er e q u e s t s h a v ea r i s e ni nd e a l i n g - w i t ht h ef a u l to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma n dr e a l - t i m e c o n t r 0 1 f e e d e ra u t o m a t i o ni si m p o r t a n t * a c h eo fd a sa n df e e d e rt e r m i n a lu n i ti st h e b a s e dk e y e q u i p m e n t t h ep e r f o r m a n c e o ff t ud e t e r m i n e dt h er e a l i z a t i o no fd a s i nt h i s p a p e r , i te x p o u n d st h ea c t u a l i t yo fd a s a n dt h er e a l i z a t i o no ff aa n d g i v e s t h e d e s i g n o ff t u b a s e do n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n d d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r t h ec p u o ff t ui su s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft i c o r p o r a t i o n t h em a i nf u n c t i o n so ff t ui n c l u d et h ea l t e r n a t i n g c u r r e n ts a m p l i n g b a s e do nm e t h o do f f r e q u e n c e s c e n t ，h a r d w a r ef i l t e la s y n c h r o n i s m s e r i e s c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l l e r - a e r a - n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n da r i t h m e t i co ff i r ，f f t i ta l s oh a sg i v e nt h es t e p so f r e s o l u t i o no nr e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n go f f t u i nt h i s p a p e r i tp r o v i d e st h em a i nh a r d w a r ed e s i g no ff t u a n dt h eh a r d w a r e c i r c u i t sh a v eb e e ne s t a b i i s h i e d ，a l s ot h ec o r r e l a t i v ep r o g r a m m ea n dm a t h m e t i ch a v e b e e nd e b u g g i n ga n de m u l a t e di nl a ba l lt h e s ef u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z a t i o ni n l a b t h e s ed a t aa n dc o n s e q u e n c eh a v ei d e n t i f i e dt h a td e s i g no fd s p - b a s e df t ui s b e t t e r , f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：f e e d e ra u t o m a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，f i rf i l t e r l i 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 1 绪论 1 1 论文研究的背景 随着经济发展，人民物质文化生活的不断提高，我国电力的主要矛盾还是 体现在电力的生产和需求不平衡，需求大于供给，并且差额较大，人们除对电 能需求量成倍增加，也要求高的供电质量及高的供电可靠性。现代化工业、现 代化服务设备也不允许连续停电。随着我国城、乡电网的改造，主要解决的问题 是供电的可靠性。供电的经济性，但由于我国配电网结构的不合理以及设备技术 性能落后等因素，配电网的薄弱环节显得越来越突出，为了解决这些问题，实 施配电自动化的改造尤其重要，但配电自动化( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 实现起来还需要一段较长的改革过程和时间。 我国发电装机容量巳超过1 7 亿千瓦，跃居世界第二位，但是长期以来在 发、输变、配电三方面的建设投资比例失调，因此目前的问题是需要解决中、 低压配电网的卡脖子现象。如今供电部门在调度自动化，3 5 k v 以上变电站自动 化，用户侧负荷管理自动化等方面都已经实现了，在1 0 k v 及以下配电网中，由 于过载问题多，电网经济性差，故障多，运行事故多，故障停电时间长等等问 题，所以1 0 k v 线路实现配电自动化是非常必要的。要提高配电网可靠性，电力 部门曾经提出指标为9 9 9 9 “1 ，也就是说使每个用户的年平均停电时间不大于 0 8 7 6 小时，即5 3 分钟，随着社会发展现代化、信息化、金融电子化的日益完 善，社会各方面承受停电的能力越来越弱，因此对配电网提出了更高的要求。 我们只有不断的深入加强城乡电网的改造，逐步实现配电自动化，才能保证我 国供电可靠性水平n ，。 馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ) 是配电自动化系统的基础。要解决配电 网供电可靠性问题，其主要环节就是实现馈线自动化。1 。馈线自动化的主要作 用简单说就是在正常情况下监视馈线负荷并优化运行方式，当故障发生后，及 时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电。实现馈线自 动化能充分的保证供电的可靠性，能使故障自动隔离，网络自动重构，负荷自 动转移，远方对配网进行监视和控制以及其他的管理过程。但由于馈线自动化 涉及到供电可靠率，电压质量，线路损耗和系统优化组合等方面诸多问题，要 实现馈线自动化还有很长的路要走，需要不断的研究和努力。我国目前配电网 自动化也只是处于开展阶段，并没有深入的展开。 硕士论文基于d s p 的f 1 u 的研究与设计 1 2 国内外配电自动化的发展现状 1 2 1 国外配电自动化发展和现状 配电自动化技术是- - f 综合性的技术，它包含了很多的实用技术和高科技 技术在内。在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外 的配电网自动系统已经形成了集变电站自动化、馈线分段开关测控、电容器组 调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统 ( d i s t r i b u t i o nm a n a g es y s t e m ) ，其功能已多达1 4 0 余神“1 。 国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足配电自动化领域。4 “。”1 ，如德 国西门予公司、法国施耐德公司、美国c o o p e r 公司、摩托罗拉公司、英国a b b 公司、日本东芝公司等均推出了各具特色的配电自动化产品“。 日本是配电自动化发展得比较快的国家。其馈线自动化的发展大致可以分 为三个阶段：第一阶段是基于重合器和电压一时间型分段器配合的馈线自动化， 控制部分主要是安装于柱上的故障检测继电器( f a u l td e t e c tr e l a y s ) ，指示装 置主要是安装于变电站的故障区段指示继电器。开始在配电线上采用自动隔离 故障区，并向健全区恢复送电的按时限送电装置；第二阶段是在6 0 7 0 年代研 究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置，即f t u ，并通 过通讯手段在配电控制中心采用计算机系统实现馈线信息采集和遥控；第三阶 段是在8 0 年代开始利用计算机构成自动控制系统，即在发生效障后，能够自动 隔离故障区段，并自动以最佳方案恢复健全区段供电。其后由于电子技术、计 算机技术及信息传送技术的发展，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控 制系统在实际应用上得到很大的发展。到1 9 8 6 年，全国9 个电力公司的4 1 6 1 0 条配电线路已有3 5 9 8 3 条( 8 6 5 ) 实现了故障后按时限自动顺序送电，其中 2 7 8 8 条( 6 7 ) 实现了配电线开关( 柱上开关) 的远方监控和计算机监控。 新加坡公用电力局在8 0 年代中期投运并在9 0 年代加以发展和完善的大型 配电网的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，其规模 最初覆盖其2 2 k v 配电网的1 3 3 0 个配电网，目前已将网络管理功能扩展到6 6 k v 配电网，进而覆盖约4 0 0 0 个配电站。 芬兰“e s p o os a h k o ”电力公司的配电自动化覆盖了该公司的8 5 0 0 0 个用户， 8 座ll o 2 2 0 k v 的次变电站，1l o o k m 的2 0 k v 馈电线和1 4 0 0 个2 0 0 4 k v 配电 变电站。 1 2 2 国内配电自动化的现状 我国目前在配电自动化方面仍处于起步阶段，相应的设备及技术较之国外 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 要落后许多。9 0 年代以来，国内电力系统的3 5 k v 变电站逐渐实现了四遥功能， 但规模不是很大，并且配电网综合管理系统中很多功能都没能实现，在前几年 也才逐渐的实现一些功能，典型的是上海金桥金藤开发区9 1 试点的配电自动化 工程，但其配网工程造价高，不便于推广普及。北京供电局引进日本东芝的技 术生产具有自动化功能的柱上真空开关设备，己达到国外配电自动化第一阶段 水平。 银川城区配电自动化系统全部采用自行研制的国产设备，采用馈线r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、配变r t u 和建立在w i n d o w s 9 5 n t 平台上的先进的 计算机网络系统，运用s q ls e r v e r 大型数据库系统，并采用有线通信和无线通 信相结合的综合数据通道，而且充分利用银川地调的已有资源，实现了配电网 中3 0 余条进线、几十条馈线和7 个开闭所及小区变的全面监控，取得了大量经 验，该系统于1 9 9 8 年通过国家电力公司组成的技术鉴定，达到国内领先水平。 这是我国第一套通过急速鉴定的配电自动化系统，标志着我国城网改造进入了 一个新的阶段。 厦门供电局、江苏南通供电局、成都双流供电局采用由南瑞集团自己研究 开发的d m 一8 0 0 0 配网综合自动化管理系统，该系统以新型的配电设备为基础， 采用了先进的计算机、通讯等多方面的技术，通信系统主要采用有线通信和无 线通信相结合的数据通道，达到了国内领先水平。 兰州嘉陵关铁路局配电网由北京四方华能电网控制系统公司自己开发的配 电网设备f t u 及后台系统软件c s d a 2 0 0 0 ，该系统采用了国际先进的计算机技术。 主要由主站系统数据通信、配电远方终端f t u 等构成，并与一次设备共同实现 配电自动化功能，包括配电s c a d a 、故障定位、隔离、无故障区域快速恢复供 电及负荷转移等。其构成是一个分层、分布式的监控管理系统，实现配电控制 中心、配电自动化主站、f t u 子站及负荷节点的通信和控制，达到国外9 0 年代 的先进水平。 在国家“十五”计划中，明确提出了城网、农网自动化改造的要求。随着 我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，对电能的要求越来越高，在配电 自动化方面集成化、智能化和综合化是一个发展趋势。我国在馈线自动化方面 是采用的类似于日本发展的阶段和思路，在某些地方已经实现了馈线半自动化， 也有少数地方在试点馈线全自动化。但按照发展的趋势，馈线自动化将是未来 电网实现配电自动化的一个重要结果。在馈线自动化阶段，智能型终端装置f t u 与开关、信道和控制中心构成网络系统，再加上公用变压器参数远送以及其他 的如t t u 、g p s 同步数据采集技术、a m f m g i s 技术、s c a d a 系统、m i s 系统等 等实现配电自动化的整套功能。随着配电自动化系统应用的逐步扩大、深入， 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 馈线自动化技术也将不断得以发展，前景将十分广阔。 在f t u 的研究设计方面，我国目前主要还是依据单片机来完成f t u 的主控 制器的设计，基于d s p 芯片的f t u 的产品还不多见。随着配网自动化的不断发 展以及计算机、通信技术的不断前进和创新，对馈线自动化远方终端的设计和 定位也将有更高的要求，d s p 技术也将在电力系统中得到广泛而充分的应用。 1 3 论文研究的意义 基于我国电力系统配电自动化的不断发展和改进，对自动化装置的要求也 越来越高。在自动化程度日益高涨的今天，单纯完成某一功能的自动化装置也 逐渐向集成化发展。通信技术的发展推动了保护构成方式的发展，配电网保护 更强调在保护独立跳闸的基础上依赖于通信实现现代化的协同动作。因而研究 适用于配电网自动化系统及配电通信系统并最终实现较高性能的配网综合自动 化系统技术对我国城乡电网建设具有迫切的现实意义“”“。 馈线自动化里的关键设备就是馈线自动化远方终端f t u 。f t u 是整个馈线自 动化系统的基础控制单元，起到联接开关与数据采集，主控制系统的桥梁作用， 用于实现配电网监控，对配电负荷开关或者环网柜进行监控的自动化设备。以 前的f t u 主要依据单片机5 l 系列或者9 6 系列，随着最近2 0 年的数字信号处理 技术的发展，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术已经日趋成熟，d s p 技术 已经开始应用于各个领域。在电力系统中，已经开始逐步引用该技术。电力系 统是一个庞大的、瞬变的多输入输出的系统，为了保证其安全运行，需要实时 地监视各节点的运行状况，及时发现电力系统的不正常状态及故障状态，通知 运行人员或快速地进行控制和处理。这要求在电网各节点都要有数据采集单元， 将测得的电力系统运行参数转化为数字量，进行分析和控制就地解决问题或者 通过远方通信送往调度中心进行处理。电力系统监视和控制的参数要求实时性 较强，不仅包括频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、序分量等，还有 些采集的特征量频率变化快而且复杂如暂态突变量，高频的故障行波等，普 通的采集处理方法对多路进行采样计算时，就会显得吃力甚至难以实现。为了 克服以上不足，适应现代电力系统的要求，将先进的数字信号处理d s p 技术应 用到电力系统中来，充分发挥其快速强大的运算和处理能力以及并行运行的能 力。满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等更高的要求，并为不 断发展的新理论和新算法应用于电力系统的实践奠定了技术基础。 由于d s p 技术较单片机技术有许多优越性。“，再者，这是一门新兴的技 术，d s p 已经成为2 l 世纪连接数字世界的关键所在。研究基于d s p 技术的f t u 在理论上由于运用新型的数字信号处理技术，在理论研究上有一定的研究价值， 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 另外d s p 在对电力系统的数据处理方面有较强的应用空间，电力系统的数据采 集量大，数据计算繁琐、复杂，但对于数据的实时性要求又比较高，9 s p 控制 器特有的反序间接寻址就是专为f f t 算法而设计的，其他的间接寻址方式还可 以实现增减l 或者增减一个变址量，这就为各种查表方法的实现提供了方便， 另外d s p 控制器能在一个指令周期内完成乘和累加的工作。采用d s p 技术能利 用其特有的d s p 芯片结构和快速的计算能力完成并满足电力系统数据采集、谐 波分析、f f t 运算等等要求，并且随着研发成本的回收和取得的效益，d s p 芯片 的价格也在不断的降低，性价比越来越高，在电力系统配电自动化方面将会有 重要的应用价值。对于解决我国配电自动化现有的问题将产生较深的影响”。 1 4 论文主要研究的内容 论文烙重点研究馈线自动化远方智能终端f t u 以及相应的软硬件设计，这 是本论文的重点。论文将选用较新的d s p 技术为主控制芯片来完成馈线自动化 终端装置f t u 的研究与设计并对其可靠性以及抗干扰性给出相应的分析和解 决，较之以前依靠5 1 或者9 6 系列单片机完成设计的f t u 有了进一步的提高， 在数据采集、处理以及运算速度、运算量、通信等方面都有了较高的改进，并 且f t u 的设计也逐渐向智能化发展，故障定位、隔离、线路恢复将是以后f t u 设计智能化的一个重要方面，融合了保护功能的f t u 更能适应将来配网自动化 发展的需求。 论文所做的工作主要在以下三个方面： a ) 设计f t u 的硬件电路 设计基于d s p 的馈线自动化终端装置f t u 的整体硬件电路，完成包括基于 频率跟踪的交流采样电路、开关量输入输出电路、通信电路、f t u 电源切换电 路、f t u 蓄电池监控电路、主控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的外围相关电路等。 b ) 完成f t u 的软件设计编程 编写相关的a d 采集、c a n 通信、异步串行通信以及算法程序，对f i r 滤波 算法、f f t 算法、频率采样算法以及故障隔离算法给出具体的设计过程，完成 了整个f t u 的软件设计，并给出总体软件流程图。 c ) 对设计的硬件电路、软件进行调试、仿真，给出相关的实验仿真结果。 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 2 配电自动化与f t u 配电网是电力系统电能发、变、送、配中的最后一个环节，也是极其重要 的环节。配电自动化是一个技术密集型系统，涉及面广、规模大、难度高，而 馈线自动化则是配电自动化的一个重要环节，其实现的好坏将直接决定配网自 动化的可靠性，因此研究f t u 在整个电力系统配电自动化中的作用是有着实际 的应用价值的，馈线自动化远方终端f t u 的设计也就显得重要与突出。1 并且 随着信息技术和电子技术的发展，数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 已经掀起了一个崭新的技术高潮，论文将基于数字信号处理技术 和数字信号处理芯片来完成馈线自动化远方终端的设计。 2 1 配电自动化d a 2 。1 。1 配电自动化概述 配电自动化系统d a s 是近几年国际配电自动化会议的普遍提法和1 9 9 7 年5 月召开的城市供电、配电自动化技术研讨会上明确提出的相关内容。所谓配电 自动化是利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线数据和离线 数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整 的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控 制、用电和配电管理的现代化”。配电自动化系统( d f i s ) 的内容很丰富，包 括配电自动化管理子系统( d m s ) 、馈线自动化系统( f a s ) 、变电站自动化系统、 配变监测和需方管理子系统等，见图1 。要解决配电网供电可靠件问题，其主 要环节就是实现馈线自动化。馈线自动化就是实现配电自动化的核心，是配电 自动化的切入点，也就是主攻方向。 变 电 站 实 时 监 控 配电自动化系统d s 警ji 粼ll 缸裂瑚j 一群l 一帮 雏 图2 1 配电网自动化结构示意图 潮 流 计 算雏 图形自动生成配电地理信息图形显示界面 制态网络线路跟时 配电弼实时监控 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 2 1 2 实现配网自动化的优点 a ) 减少停电时间，缩小故障停电范围，提高供电可靠性 据统计资料显示，计划停电和故障停电是造成用户停电的两个主要原因。 对于城网供电可靠性，国家对此提出要达到9 9 9 9 以上的目标，改进配网供 电结构是保证实现供电可靠性指标的基础工作。诚实供电网的发展方向就是采 用环网“手拉手”供电方式，用闭环网的开环运行来实现供电的灵活性以及分 段检修的目的。在加上馈线自动化系统对于故障的自动定位和隔离以及故障隔 离后的网络重构及恢复供电，均可以缩小故障停电范围，减少对用户的停电时 间，显著提高供电的可靠性。 b ) 降低网损，提高供电质量 实施配电自动化可为实现配网潮流优化和经济运行打下良好基础，另外对 于线路电压的变化可以无功补偿装置或者自动调节变压器输出电压等保证电压 满足要求，并且可以降低电网网损状况，提高供电的质量。 c ) 实现状态检修，减少配电网运行和维护费用 配电自动化系统能够对整体系统和各种设备运行状态进行监视，从而减少 检修的盲目性，并且可以根据故障判断、定位分析对故障原因和故障点进行查 找，缩短故障修复时间，节省了修复费用。 d ) 节省总体投资，提高经济效益和社会效益 实现配电自动化，单从每条线路上看都是增加了投资，但这样的投资是长 久受益的，合理安排网络结构，采用先进的技术，正确的判断故障及定位等等 都将充分发挥配电网的优势，确保线路供电的可靠性，还能充分发挥设备的潜 力，提高利用率，对整个社会和国家都将产生良好的经济效益和社会效益“1 。 我国配电自动化已能基本实现电网实时监控及数据采集功能s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c g u i t i o n ) ，为进一步实现配电网全面自动 化打下了基础，提供了十分有利的条件。配电网自动化是电力系统现代化的必 然趋势。 2 2 馈线自动化f a 2 2 1 馈线自动化概述“。”1 要解决配电网供电可靠性问题，其主要环节就是实现馈线自动化f a ，它主 要包括线路及其开关设备的状态监视和控制、数据采集、处理和统计分析，故 障定位、隔离与恢复以及无功补偿和电压调节等内容。i e e e 对馈线自动化定义 为对配电线路上的设备进行远方监视、协调及控制的集成系统“”1 。内容可归 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 结为两个方面：正常情况下的状态监测、数据测量；事故状态下的故障检测、 故障隔离、负荷转移和供电恢复。馈线自动化是配电自动化系统d a s 的基础。 馈线自动化f a 对于提高供电可靠性，减小停电面积和缩短停电时间具有深远的 意义“。配电网馈线自动化示意框图见图2 2 。 图2 2 配电网馈线自动化示意框图 2 2 2 馈线自动化功能 配网馈线自动化主要功能包括：配网馈线运行状态监测；馈线故障检测； 故障定位；故障隔离；馈线负荷重新优化配置( 网络重构) ；供电电源恢复；馈 线过负荷时，系统切换操作；正常计划调度操作；馈线开关远方控制操作；统 计及记录：开关动作次数累计、供电可靠性累计、事故记录报告、负荷记录等。 2 2 3 馈线自动化作用 馈线自动化的主要作用就是在正常情况下监视馈线负荷并优化运行方式， 当故障发生后，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段 供电。实现馈线自动化能充分的保证供电的可靠性，能使故障自动隔离，网络 自动重构，负荷自动转移，远方对配网进行监视和控制以及其他的管理过程。 但由于馈线自动化涉及到供电可靠率，电压质量，线路损耗和系统优化组合等 方面诸多问题，要实现馈线自动化还有很长的路要走“1 。馈线自动化技术的 应用，从早期的单个电力环路、双电源，逐步扩大到多个电力环路、多个备用 电源。电力环路有架空馈线手拉手；地下电缆环网柜电力环路或架空，电线混 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 合型电力环路：开闭所之间手拉手电力环路等。配电网一次接线的网络结构越 来越复杂，系统对配电网馈线自动化的要求也越来越高。 2 2 4 馈线自动化的实现方式 馈线自动化系统可通过馈线自动化主站区域集控站f t u 分级组织 实现。配电网的实对信息通过就地的f t u 采集，传送到区域集控站集中后，上 报自动化主站。主站的控制命令通过区域集控站转发给就地的f t u 执行，进而 完成对配电网的监测和控制o ”。 f a 控制主站可设在变电站内( 见图2 3 ) ，也可单独设置，放在配调主控制 室内( 见图2 4 ) 。 站内局域罔 厂诬圃 l 变电站ii _ s c d d 1 4 s- 1 洲蝴岵i 柱士f t uu 柱上f t ul 系缱l 通信接oj i 通信接i ：2l 调度中心控制室 通信 斟攀i 接口 p 控制通信线路1 3 主站 无线 v 阿脚 接口 _ j 变电站综合自动化 馈电线路自动化 图2 3f a 控制主站设在变电站内的结构示意图 s c d a 系统 习 1 望苎! l j 兰! ：! 广 曲 调度中心控制室 图2 4f a 控制主站设在配调主控室的结构示意图 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 2 2 5 馈线自动化技术解决方案 故障自动诊断、隔离与恢复是馈线自动化较重要和关键的功能，根据故障 隔离、网络重构策略的着重点不同，馈线自动化技术的解决方案经历了分布式 就地控制模式，远方集中监控、分层处理模式以及综合智能控制模式三种控制 模式”“圳，前两种模式使用比较广泛。但随着电力系统综合自动化的升级改造 和不断完善，综合智能控制将是以后的主要发展方向。这三种控制模式的功能 如下。 a ) 分布式就地控制方式 分布式就地控制方式根据设备选用的不同又分为以下三种具体的实现方式： 1 ) 带时限电压型馈线自动分段解决方案 馈线分段开关采用电压型、带时限的自动配电开关，开关动作判据是馈线 是否失电，这是年代日本采用的馈线自动化方式。当馈线失压时，开关延时 断开：当馈线恢复带电时，经延时a t l 闭合；当小于t 2 又失电，则开关自动 闭锁，自动隔离故障点。t 1 要求与重合闸时限相匹配，t 2 与出线开关速断 保护相配合。这种馈线自 动分段f a 解决方案最简 单，不需要任何通信手 段，通过检测馈线电压和 时限，经多次重合，实现 故障自动隔离的目的。但 这种方案需要多次重合。 同时，非故障区段也要受 停电影响，馈线长、分段 多，逐级延时的时限越 长，对系统影响越大。这 种馈线方案目前已逐渐 被淘汰。 2 ) 重合器f a 解决方案 变电所2 图2 5 基于电压一时间型分段开关的f a 解决方案 重合器具有切断故障电流的能力，利用重合器自身的保护和自动化能实现 馈线故障就地隔离和网络重构的功能。重合器f a 解决方案一般用于市郊或农电 长馈线，负荷分散、传输容量不大的线路，以减少重合器多次重合对系统的冲 击。但缺点是环路上重合器之间的配合靠重合次数来实现，分段越多，相互配 合越困难，尤其是出线开关速断保护延时的时限超长，对系统影响越大，另外 重合器的投资比较大。 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 采用重合器组网实现馈线自动化功能与采用自动开关相比有很大进步，其 特点为： 利用重合器本身切断故障电流的能力，实现故障就地隔离，避免因某段故障 导致全线路停电的情况，同时减少出线开关动作次数； 不需要通信手段，利用重合器多次重台以及保护动作时限的相互配合，实现 故障自动隔离、自动恢复供电功能； 环路上重合器之间保护的配合靠延时来实现，分段越多，保护级差越难配合； 为与重合器保护级差相配合，变电站出现断路器是最后一级速断保护，分段 重合器越多，出线开关速断保护延时就越长，对配电系统影响也越大： 重台器具有切断故障电流的能力，因此投资比较大： 由于上述因素，限制了重合器组网的使用范围，一般用于市郊或农电的长 线路，负荷比较分散，馈线传输容量不大的线路应尽量减少重合器动作对系统 的打击。重合器方案类似于分段开关，目前已逐步被f t u 方案取代。基于电流 时间型自动重合器系统见图2 6 。 线路重台器 线路重台器 更电所2 图2 6 基于电流一时间型自动重合器的f a 解决方案 3 ) 馈线控制终端f t u 就地解决方案 配电网自动化系统要实现f a 功能，必须建立一种可靠、高效、合理、易于 扩展、易于维护的f a 通信网。在该方式解决方案中，采用具有电动操作机构的 负荷开关或环网柜作为馈线分段开关，同时配置具有通信功能的馈线控制终端 f t u ，见图2 7 。在线路故障、变电站出线断路器跳闸后，装设在线路上将线路 分段的f t u 通过点对点通信交换故障信息，f t u 通过网络通信接收相邻f t u 故 障电流信息，f t u 就地判断相邻f t u 是否都有或都没有故障电流信号。若是， 则故障不在本线段；若不是，则相邻f t u ，一侧有故障电流信号而另一侧没有， 故障就定位在本线段区间内。f t u 就地发操作命令，将各自开关跳开，完成故 硕士论文 基于d s p 的f t u 的研究与设计 障自动隔离，自动恢复非故障区段的供电。 这种控制方式的主要特点为： 采用f t u 馈线智能控制终端，实现故障自动隔离，与前两种控制模式相比， 技术上更先进。 分段开关采用负荷开关，与重合器相比，一次设备投资少，但要增加相应的 f t u 和通信的投资。 广泛用于市区和市中心配网馈线自动化，是s c a d a 控制方式的过渡阶段。 图2 7 基于f t u 和负荷开关的f a 解决方案 b ) 远方集中监控、分层处理模式 这是目前应用比较广泛的一种控制方式。配电网的发展趋势是实现远方监 控。开关或环网柜的f t u 都要与配调中心站通信，故障隔离操作由馈线自动化 主站以遥控方式进行集中控制。f a 故障自动处理采用分层分布处理，与配电网 自动化系统分层结构相关联。一般分为3 个层次：第一层以f t u 为基础，主要 完成故障检测与识别；第二层以配电子站为幅射中心，完成在其辖区内f a 处理 和控制：第三层以主站为配调中心层高层次全局管理和网络优化。这3 个层次 的分布处理相互关联，能在底层处理的，尽量在底层处理，底层处理不了的， 将信息转送上一层处理，以保证f a 处理的快速性、准确性。采用这种分层处理 方式，一般故障自动隔离时间小于3 0s ，故障后网络重构恢复供电时间小于6 0 s 。该控制模式采用先进的电子技术、计算机技术和通信技术，能有效减少馈线 开关的多次重合，迅速准确的定位和隔离故障，快速恢复非故障区段的供电。 并且基于网络信息，实施集中控翩，能按照最优经济方案实现恢复供电，在正 常情况下能实现s c a d a 功能，实时监控馈线运行情况，能完成“四遥”功能。 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 该控制模式的主要问题是对通信的可靠性要求比较高，旦系统通信方式 出现故障，将直接导致馈线自动化的功能，因此必须要求有很高的通信可靠性。 远方集中监控、分层处理模式的实现框图见图2 8 。 圈2 8 远方集中监控、分层处理模式f a 解决方案 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 c ) 综合智能控制方式 这是馈线自动化系统将来发展和应该达到的一种控制模式。它以远方监控 为主，本地监控为辅。吸收了就地监控的一些优势，实现综合控制，这也是国 家电力公司倡导的控制方式，目前这类产品还不多，大多在研究阶段。 对于综合智能控制方式，它的最大优势是快速，故障自动隔离在几百毫秒， 恢复供电时间是s 级。因此要求配电系统l o k v 电力馈线分段开关或环网柜进线 开关必须选用断路器，能够切断故障电流并且速度要快。对于系统的保护采用 常规的速断保护加时限不能满足系统的要求，相应的故障状态差动保护的提出 就能解决该问题。所谓故障状态差动保护就是当电力环路任意一点故障时，通 过相邻分段开关之间点对点的通信，把本端故障电流状态与对端相比较，若两 端状态相反，即启动差动保护，跳开故障段两端的开关，完成故障自动隔离。 对于以上的几种方案，在我国不同的地区已有实现，而且每种方案都有各 自的优缺点。将视各地现有的具体情况“因地而异”。 2 2 6 馈线自动化的新发展 随着国内外配电自动化工程的应用和发展，电力工业界逐步认识到馈线自 动化和配电网其他系统的不同特性，从而形成馈线自动化的新概念“8 ”1 ： 馈线自动化系统应用的关键，在于能够通过馈线自动化远方智能终端f t u ， 快速恢复无故障区域送电，缩短停电时间，提高供电的可靠性。 馈线自动化系统应与线路检修维护工区结合，实施分区管理，可先实施配网 分层控制管理，不依赖建立处理功能齐全的主站系统。 把负荷端故障检测定位、故障隔离，和供电恢复的配电调度处理工作，下放 到馈电线的开关控制器，让它们自己相互通讯来解决问题。 配电网断路器和负荷开关，通过与新一代带f d i r ( f a u l td e t e c t i o ni s o l a r i o n r e c o v e r y ) 功能的f t i j ，实现相互通讯和分析处理，及时完成故障检测定位、 故障隔离，和非故障区自动供电恢复，简化主站控制。 逐步扩大馈线自动化的实施，当具备相当规模后，则发展或建立主站系统； 增加面向全配电网的应用功能，如断线保护，线路无功优化补偿，需方管理( 峰 谷改进供电) 等。 对于馈线监控级( f t u 级) 的高级目标为：把负荷故障检测定位、故障隔离 和供电恢复( f d i r ) 的配电调度处理工作，有效地下放到馈电线的f t u ，让它 们自己相互通讯来解决问题：配电网断路器负荷开关，通过与新一代带f d i r 功能一组f t u ，实现相互通讯和故障分析处理，及时完成故障检测定位、故障 隔离和供电恢复，简化主站控制o ”。 1 4 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 2 3f t u 馈线自动化远方终端f t u 主要为环网馈线实现实时数据采集与遥控。它是 整个馈线自动化系统的基础控制单元o “”1 ，起到联接开关与数据采集，主控制 系统的桥梁作用，用于实现配电网监控，对配电负荷开关或者环网柜进行监控 的自动化设备。首先应明确，馈线自动化的首要条件是一次系统应是环网结构、 开环运行，实现网络重构的一次系统的硬件是变电站的出线断路器与负荷开关， 而要较好地实现网络自动重构则要加装智能化f t u 。智能化f t u 是馈线自动化 系统的核心，集自动网络重构、数据测量、事件记录和通讯接口等功能于一体， 并提供与开关设备的接口，能够与重合器、分段器和负荷开关等配套在线路上 运行，构成自动清除故障、自动隔离故障、自动转移供电( 自动网络重构) 的馈 线自动化功能。它通过检测线路是否失压、过流，以及失压、过流的次数来判 断故障所在，继而操作开关，隔离故障，恢复供电。典型的基于f t u 和c a n 通 信的馈线自动化的组成见图2 9 。 变电站a变电站b 图2 9 基于f t u 及c a n 的配电网自动化系统的组成 2 3 1f t u 的主要性能。1 a ) 遥测功能：f t u 应能采集线路的电压、电流，开关的负荷电流以及有功、无 功功率等，并能对测量和故障情况分剐对待。 b ) 遥信功能：f t u 应能对柱上开关的当前位置、通信是否正常、保护动作情况 等重要状态量进行采集。 c ) 遥控功能：f t u 能接受远方命令控制柱上开关合跳闸以及起动储能过程等。 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 d ) 统计功能：对开关的动作次数和动作时间及累计切断电流的水平进行监视。 e ) 对时功能：能接受主系统的对时命令，随时和系统时钟保持一致。 f ) 事件顺序记录：记录状态量发生变化的时刻和先后顺序。 g ) 事故记录：记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间的平均负荷， 以便分析事故，确定故障区段，并为恢复区段供电进行负荷重新分配提供依据。 h ) 自检和自恢复功能：f t u 应具有自检测功能并能在设备自身故障时及时报警， 并具有可靠的自恢复功能，一旦受干扰造成死机时，则能通过监视定时器重新 复位系统恢复正常运行。 i ) 远程通信功能：能够与相邻f r o 或者调度中心进行通信，并且能够协调好通 信规约的问题，使之尽快标准化。 j ) 定值远方修改和召唤定值：为了能够在故障发生时及时地起动事故记录等过 程，必须对f t u 进行整定，并且整定值应能随着配网运行方式的改变而自适应。 为此，应使f t u 能接受d a s 控制中心的置顶修改定值并使d a s 控制中心可以随 着召唤f t u 的当前整定值。 k ) 可靠的电源：f t u 对电源的要求比较高，电源可靠性是其保持稳定、可靠工 作的保证。当线路故障或者其他原因导致电路停电时，f t u 应保持有工作电源， 因为这是f t u 上报的故障信息对于故障区段的判断极有意义，另外，在恢复线 路供电时，往往也需要可靠的操作电源。 1 ) 远方控制闭锁与手动操作功能：在检修线路或开关时，相应的f t u 应能具有 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 应能提供手动合闸跳闸按钮，以备当通道出现故障时能进行手动操作， 避免繁琐操作。 i i j ) 具有良好的维修性：因为f t u 安放于柱上开关处，因此当f t u 故障时必须能 够不停电检修，否则会造成较大面积停电。因此要在p t 、c t 进线处采用实验端 子，与开关之间采用航空插头链接，加装电源保险，以及采用双层机壳等措施。 n ) 抗恶劣环境：因为f t u 安装在户外，因此要求它在恶劣的环境里仍能可靠地 工作。能够抗雷击，可以加装避雷器、可靠接地和电气防雷等，做好可靠的防 雷措施：耐环境温度，f t u 应能在一4 0 + 8 5 。c 环境下正常工作，这就要求 f t u 的重要器件应选用工业品级芯片；要能防雨、防湿，防雨措旌是必要的， 因为雨水导电是电子设备的大敌，另外湿度过大对设备运行也会造成威胁，f t u 应能在湿度达到9 5 的环境下工作；防振动，外界的诸多因素会对f t u 造成振 动，因此需考虑采用单板机的一体化结构和采取紧固措施。 o ) 微机保护和故障录波功能：f t u 具有保护功能将是未来f t u 发展的一个趋势， 另外对于故障录波对于我国中性点不接地的配网仍然有其特殊的用途。 6 硕士论文基于d s p 的f t u 的研究与设计 2 3 2d s p 技术及d s p 芯片 a ) d s p 技术简介 d s p 包含两个概念，一是指数字信号处理即d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， 是指数字信号处理的理论、分析方法和算法；另一是指数字信号处理器件即 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，是数字信号处理的实现。”，两者是不可分割的， 前者是后者理论上的技术，要通过后者变成实际产品。数字信号处理是把数字 或者符号表示的序列，通过计算机或者专用处理设备，用数字形式对其进行采 集、滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等处理，以达到符合人们需要的信 号形式。 在信号与信息处理领域，数字信号处理是一门十分重要的新兴学科。2 0 世纪 7 0 年代以来，随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展“7 。，数字信 号处理技术应运而生并得到迅速的发展。可以说数字信号处理技术是这个时 代最核心的技术之一。数字信号处理的理论和技术应用于多个学科领域，数字 信号处理利用计算机或其他信号处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、 滤波、估值、增强、压缩、识别等处理。7 1 ，以得到满足不同应用需要的信号 形式。而d s p 芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。在国外， d s p 芯片已经被广泛的应用于当今技术革命的各个领域；在我国，d s p 技术也正 以极快的速度被立用到科技和国民经济的各个领域。与单片机相比，d s p 有着 更适合于数字信号处理的优点：首先，它采用改进的哈佛结构( h a v a r d s t r u c t u r e ) 。已非冯，诺依曼结构，程序和数据具有独立的存储空间，即程序总 线和数据总线相互独立，大大提高了数据处理能力。其次，d s p 芯片广泛采用 了流水线操作以减少指令执行时间，进一步增强了处理器的数据处理能力。另 外，d s p 芯片还有专用的硬件乘法器，特殊的指令系统，快速的指令周期以及 良好的多d s p 并，厅运 亍特性等使得d s p 成为新宠“。 如今d s p 技术已经在众多的领域得以应用即发展，如无线通信，音频、视 频产品，电机控制，航空航天，网络和互联网，工业控制等等。在电力系统中， d s p 技术也开始逐渐被引用。电力系统是一个非常特殊的系统，它在运行中常 常受到各种突然的扰动，使系统处于暂态过程中，这时运行参量可能发生较大 的变化，以至于对系统造成较大的危害。另外，可能由于系统的一些其他故障， 造成系统的停电等。如何快速、有效的判断出系统的故障等、运行参数等