（测试计量技术及仪器专业论文）基于双处理器的馈线终端单元的设计.pdf

摘要 摘要 根据配电网自动化系统远方终端中馈线远方终端单元_ f ，r u 的定义，明确 了f t u 的功能及性能要求，配电网远方终端并不等同于传统意义上的r t u ：一方面， 配电自动化远方终端除了完成r t u 的四遥功能外，更重要的是它还需完成故障电流 检测、低周减载和备用电源自投等功能，有时甚至还需要提供过流保护等原来属于 继电保护的功能。配电自动化远方终端设备往往安装在电线杆上、马路边的环网柜 内等环境非常恶劣的户外，因而对设备的抗震、抗雷击、低功耗、耐高低温等性能 要求较高。 针对我国电力系统10 k v 低压配电网的现状，参考和借鉴国内外f t u 的设计 经验，研究和开发一种配电网馈线终端单元f t u 的实现方案，使该f t u 尽可能 包括测量、保护、控制、通信等功能。该设备采用双c p u 的体系结构，由数字信 号处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、嵌入式工业芯片组e p 9 3 0 2 、复杂可编程逻辑器件c p l d 、 双口r a m 等先进硬件组成，提高了硬件平台的可复用性和可配置性。本文对配电设 备测量和保护算法进行了详细的分析，包括离散傅立叶算法、全波傅立叶算法、递 推傅立叶算法，以及谐波、功率和频率测量算法。装置的故障启动元件共有3 个： 缓慢过电流启动、相电流差突变量启动和零序过电压启动，任一启动元件的启动， 对所有投入的保护都有效。 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 提供了在主站和f t u 之间发送基本远动报文的通信文件 集，它适用的网络拓扑结构为点对点、多个点对点、多点共线、多点环形和多点 星形网络配置的远动系统中，但是由于我国电力系统接线方式的限制，1 0 1 规约 只能采用非平衡传输模式。使用国际标准作为f t u 与配电网主站的通信规约，可 以使产品间具有更好的兼容性、开放性和标准性。 关键词配电自动化；馈线终端单元；数字信号处理器；继电保护；传输规约 a b s t r a c t r 1i _ | | = j = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = j _ | ，_ _ _ - e = = 目_ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = _ 目_ t _ j 目e 宣 a b s t r a c t b a s e do n t h ef t u i sd e f i n e d ，t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ff t ui sc l e a r ，t h ef t ui sn o t e q u a lt ot r a d i t i o n a lr t u ：o n es i d e ，b e s i d e st h ef t uf u l f i l l st h ef o u rr e m o t ef u n c t i o n so f r t u ，t h ee q u i p m e n ta l s oi n c l u d e sw i t hf u n c t i o n so ff a u l tc u r r e n td e t e c t i o n ，l o a ds c h e d u l e a c c o r d i n gt of r e q u e n c yc h a n g e ，b a c k u pp o w e ra u t o m a t i ct h r o w - i na n ds oo n ，s o m e t i m e si t i se v e np r o v i d e d 、忻t hr e l a yp r o t e c t i o ns u c ha so v e rc u r r e n tp r o t e c t i o nf u n c t i o n i ti sf i x e d i nb a d l yo p e na i rc o n d i t i o n ，f o ri n s t a n c ec u r r e n tl i n ep o l e ，r i n gs w i t c hc a b i n e t s ot h ef t u h a sh i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ti n r e s i s t i n gs h a k ea n dl i g h t n i n gs t r i k e ，r e d u c i n g p o w e rc o n s u m p t i o n ，r e s i s t i n gh i 曲a n dl o wt e m p e r a t u r e i na l l u s i o nt ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t a t u so f10 k vv o l t a g el e v e li no u rc o u n t r y ， r e f e r r i n gt h ed e s i g n i n ge x p e r i e n c eo ff t ut h a tw eg o th o m ea n da b r o a d a 妯n ds c h e m eo f f t ui sd e s i g n e d ，w h i c hi n v o l v e ss u c hf u n c t i o n sa sm e a s u r e ，c o m m u n i c a t i o n ，p r o t e c t i o n , c o n t r o la n de t c t h i se q u i p m e n ta d o p t sd o u b l ec p u ，w h i c hc o n s i s t so fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12 ，e m b e d d e di n d u s t r i a lm o d u l ee p 9 3 0 2 ，c p l d ，d u a l - p o r tr a m a n do t h e ra d v a n c e dc h i p s ，t h er e p e t i t i o n sa n dr e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g no f f t ui s i m p r o v e d i nt h i sp a p e r , m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o na l g o r i t h md i s t r i b u t i o n e q u i p m e n tf o rad e t a i l e da n a l y s i s ，i n c l u d i n gd i s c r e t ef o u r i e ra l g o r i t h m ，f u l l w a v ef o u r i e r a l g o r i t h m ，f o u r i e rr e c u r s i v ea l g o r i t h m ，a sw e l la sh a r m o n i c s ，p o w e ra n df r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m d e v i c ef a u l tl a u n c h e dat o t a lo ft h r e ec o m p o n e n t s ：t h es l o w o v e r - c u r r e n ts t a r t ，t h e p h a s ec u r r e n t d i f f e r e n c em u t a t i o ns t a r ta n d z e r o - s e q u e n c e o v e r - v o l t a g es t a r t ，a n y o n es t a r t s ，t h ea l li n p u t sp r o t e c t i o na r ee f f e c t i v e i e c6 0 8 7 0 - 5 10 1 p r o v i d e dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n sd o c u m e n tb e t w e e nt h e m a s t e rs t a t i o na n df t u ，i ta p p l i e st op e e r t o p e e rn e t w o r kt o p o l o g y ，an u m b e ro f p o i n t t o - p o i n ta n dm u l t i - p o i n tc o l l i n e a r ，m o r er i n ga n dm u l t i p o i n ts t a rn e t w o r k c o n f i g u r a t i o no ft h er e m o t es y s t e m ，b u tb e c a u s eo fc h i n a s e l e c t r i cp o w e rs y s t e m c o n n e c t i o nm o d er e s t r i c t i o n s ，o n l y101 p r o t o c o lo ft h eu s eo fn o n - e q u i l i b r i u m t r a n s f e rm o d e u s i n go fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ff t u a n dm a s t e rs t a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h eb e t t e rc o m p a t i b i l i t y , o p e n i n ga b i l i t ya n d s t a n d a r da b i l i t yc a l lb eg o tb e t w e e nt h ep r o d u c t i o n s k e yw o r d sd 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 ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； r e l a yp r o t e c t i o n ；t r a n s m i t t e ds t i p u l a t i o n i l 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以日j j 确方 式标明。除文中已经注明弓1 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 数论文作者虢勿么指剥币躲蛹繇 。夕年f 月，同知。f 年fn v 同 5 - j ：l l ：科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保冒f 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数扼库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 【请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： t 弓年石月| 同 f 挣剥蹴躲黼 阳9 年月f 同 及 、| 书 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景 配电自动化( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，简称d a ) 是8 0 年代末首先由美国而 后到其他工业发达国家逐步发展起来的，其内容也在不断变化。由配电设备以及 通信和控制设备构成一个配电系统，按一定的规则运行，以高质量的电能持续地 满足电力用户需求，因此配电自动化应该是指整个配电网并包括电力用户在内的 自动化。对于配电自动化，配电系统自动化设计导则中针对其特点给出了很 确切的定义：“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检测、保护、控制、 用电和配电管理的现代化 1 2 j 。 配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，其主要意义在于：在正常运行情 况下，通过监视配网运行工况，优化配网运行方式；当配网发生故障或异常运行 时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区段的 供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面积；根据配网电压合理控制无功负荷 和电压水平，改善供电质量，达到经济运行的目的；合理控制用电负荷，从而提 高设备利用率；自动抄表计费，保证抄表计费的及时和准确，提高企业的经济效 益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。 馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ，简称f a ) 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。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。 1 2 国内外配电自动化的发展现状 1 2 1国外配电自动化的发展现状 国外配电网自动化开始于2 0 世纪7 0 年代，欧美发达国家开展配电网自动化 的早期目标是缩短馈线故障停电时间。如美国，在开展配电自动化工作的初期， 采用在配电线路上装设多组重合器、分段器方式，使线路故障不影响变电站馈线 1 河北科技大学硕士学位论文 供电。在纽约曼哈顿地区，2 7 k v 线路一般都组成环网，由两个变电站供电，开 环运行，线路分成4 段，装5 台真空重合器。任意一条线路故障时，真空重合器 和变电站内的断路器配合，经过小于3 次的开合操作，自动隔离故障，使非故障 区段恢复供电。1 9 9 7 年，全纽约的用户平均年停电时间( 含检修、故障等各种 因素造成停电时间) 为1 0 4 分钟，而曼哈顿地区仅为9 分钟。 日本配电网自动化的发展途径和美、英等国不同，它首先是在配电线路上安 装具有自动判别故障及按时限顺序合闸的柱上自动配电开关，并与安装在线路上 的重合器、分段器及变电站馈线开关的保护相配合。当线路发生故障经过二次合 闸，重合器、分段器能自动判别故障，将自动配电开关的信息送至中央控制室， 由配电自动化计算机系统对配电网络进行监控。其功能包括s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 、a m g i s ( 自动绘图地理信息系统，a u t o m a t i c m a p p i n g g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、负荷控制等。 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 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1 1 0 2 2 0 k v 的一次变电站，1 1 0 0 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。 国外的配电自动化系统己经形成了集变电所自动化、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 e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) ，其功能己多达1 4 0 余种l z j 。 1 2 2国内配电自动化的发展现状 近几年，一些地区发生电网事故，导致重要用户停电，除了某些人为的因素 以外，电网结构薄弱、可靠性低，是其主要原因；自动化程度低、管理不善也是 重要原因之一。加强电网建设，除了强化输电网以外，加强配电网建设是当务之 急，根据国家电网公司会议精神，“十一五”期间，电网建设的重点将是着力解 决特高压电网和配电网两头薄弱的问题。特高压电网主要解决的是大规模、大范 围优化资源配置的问题，配电网主要解决的是电力送得进、落得下、供得上的问 题。投资建设的重点在改造和建设配电网，合理增加变电站，完善配电网络，更 换陈旧的开关设备，提高配电自动化水平，这是非常正确的，也是迫切需要的。 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试点的配电自动化工程，但 2 第1 章绪论 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，已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 腻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 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 ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 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。 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 1 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 c 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 3 河北科技大学硕士学位论文 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 己经成为2 1 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，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，d 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1 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 馈线自动化是配电自动化的主要内容之一，馈线终端单元( f e e d e rt e r m i n a l u n i t ，简称f t u ) 又是实现馈线自动化的基础核心单元之一。针对我国电力系统 1 0 k v 低压配电网的现状，参考和借鉴国内外f t u 的硬件和软件实现方法，研究 和开发一种配电网馈线终端单元f t u 的实现方案，使该f t u 尽可能包括测量、 保护、控制、通信等功能。论文所做的工作主要有以下几个方面： 1 ) 分析和比较当前f t u 的硬件实现方案，设计一种以数字信号处理器 ( d s p ) t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 和嵌入式工业芯片组( m c u ) e p 9 3 0 2 为核心控制器的双 处理器实现方案，这样既可以发挥m c u 强大的控制能力，又可以充分利用d s p 的信号处理能力，两者互相取长补短； 4 第l 章绪论 2 ) 介绍了馈线终端单元f t u 的总体结构，并简要描述馈线终端单元f t u 的 硬件结构； 3 ) 分析和比较电力系统各种交流采样算法，选择适用于配电设备测量参数 计算的最佳方法，数据处理是f t u 的一项基本功能，本文中的f t u 采用均方根 算法、全波傅立叶算法和递推傅立叶算法进行遥测量计算、谐波分析和保护故障 检测； 4 ) 针对f t u 易受到各种干扰的情况，对影响f t u 正常工作的各种干扰进行 分析，并采取相应措施加以解决，提高f t u 的抗干扰能力。 5 ) 配电网运行数据的采集、配电网运行状态的变化、配电网的优化均要通 过通信系统实现，目前我国应用较多的适用于馈线自动化的通信规约主要有两 种：i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 和d n p 3 0 。重点介绍i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 在f t u 通信中的应 用。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章配电自动化与馈线终端单元 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，馈线终端单元f t u 的设计也就显得重要与突出。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 lp 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 2 1 1 配电自动化概述 配电网是电力系统发电、输电和配电( 有时也称供电和用电) 三大系统之一。 配电自动化( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，简称d a ) 是指：利用现代电子技术、通 信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的 监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，改进供电质 量，与用户建立更密切更负责的关系，以合理的价格满足用户要求的多样性，力 求供电经济性最好，企业管理更为有效。 配电自动化是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含电力企业中 与配电系统有关的全部功能数据流和控制。从保证对用户的供电质量，提高服务 水平，减少运行费用的观点来看，配电自动化是一个统一的整体。 如图2 1 所示，配电自动化( d a ) 包含以下4 个方面： 1 ) 馈线自动化( f a ) 馈线自动化完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、 故障隔离和网络重构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、 故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿和调压等。 2 ) 变电站自动化( s a ) 变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传 输技术，通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站进行监控、测量和 运行操作的一种自动化系统。变电站自动化以信号数字化和计算机通信技术为标 志，进入传统的变电站二次设备领域，使变电站运行和监控发生了巨大的变化， 取得显著的效益。 变电站自动化的基本功能有：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、 开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站 其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等项功能。 6 第2 章配电自动化与馈线终端单元 变电站自动化技术是配电自动化的重点之一。 配电管理系统( d m s ) 变电站自动化( s a ) l 广一 柱上馈线自动化 图2 - 1配电自动化 f i g 一2 1 d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ：。 3 ) 配电管理系统( d m s ) 配电管理系统( d m s ) 是指用现代计算机、信息处 理及通信等技术和相关设备对配电网的运行进行监视、管理和控制。它是配电自 动化系统的神经中枢，整个配电自动化系统的监视、控制和管理中心。主要功能 有：数据采集和监控( s c a d a ) 、配电网运行管理、用户管理和控制、自动绘图 设备管理地理信息系统( a m f m g i s ) 等。 4 ) 需求侧管理( l m )通过一系列经济政策和技术措施，由供需双方共同 参与的供用电管理。包含负荷管理、用电管理及需方发电管理等。需求侧管理的 几个内容涉及电力供需双方，甚至与电力管理体制有关，必须通过立法和制订相 应的规则，并最终由电力市场来调节。可以看到，电力的供需双方不仅仅是一种 电力买卖关系，也是以双方利益为纽带的合作伙伴关系，在电力市场环境下，需 求侧管理必将被重视。 上述4 个方面的内容可以相互独立运行，它们之间的联系十分密切，特别是 信息的采集、传递、存储、利用以及这些信息经过处理作出的决策和控制相互影 响。因而，信息的管理十分重要。 2 1 2 配电自动化终端系列 按被监控对象分，对应的配电自动化终端主要分为三大类：馈线远方终端 ( f t u f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 、环网柜控制终端( d t u d i s t r i b u t i o nt e r m i n a lu n i t ) 、 7 河北科技大学硕士学位论文 配电变压器远方终端( t t u t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 。 图2 2 配电自动化体系层次 f i g 2 - 2a r r a n g e m e n ts y s t e mo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n 配电自动化系统完全遵循开放系统的设计原则，如图2 2 所示，系统总体分 为三个体系层次： 第一层：配电管理层 配电管理层是整个配电自动化系统的核心。 配电网监控和管理中心层作为整个系统中的某一地区的管理层，负责本地区 配电网的监视和控制及完成向上级中心站的数据通信。配电主站系统硬件支撑平 台采用高性能服务器和工作站，并通过高速网络互联组成企业局域网系统，系统 软件是基于开放式软件支撑平台，按照“软总线 一体化设计思想，将数据采集 和监控( s c a d a ) 、馈线自动化、自动绘图设备管理地理信息系统( a m f m g i s ) 、 配电高级应用、负荷管理系统、集中抄表系统等多种子系统进行有机整合，可完 成各种数据采集与处理、图形显示、控制调节、事件报警、报表打印、历史存储、 统计分析、计算汇总、系统维护、设备管理以及与其它系统的信息交换，实现集 监控、管理于一体的配电综合自动化系统的功能。 第二层：配电中间层 8 第2 章配电自动化与馈线终端单元 配电中间层功能由配电监控子站及通信网络实现。 配电监控子站将f t u d t u ( r t u ) t t u 采集的各种现场信息中转( 上传下 达) 给配电主站的通信处理机，监控子站还具有所辖区域内故障识别、隔离、恢 复的功能。配电子站一般设在变电站内，通过电缆、光纤、无线或电力载波等方 式与所属馈线的监控终端通信，通过电缆或光纤方式与配网自动化主站通信。 第三层：配电基础层 配电监控基础层由f t u 、d t u ( r t u ) 、t t u 完成现场各种信息的采集处理 及监控功能。 它们是整个系统的基础层，完成柱上开关、环网开关( f t u ) 、开闭所、配 电室( d t u ) 、配电变压器、箱式变( t t u ) 等各种现场信息的采集处理及监控 功能。 2 2 馈线自动化 2 2 1 馈线自动化简介 馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ，简称f a ) 又称配电线路自动化，按照国 际电气电子工程师协会( i e e e ) 对配电自动化的定义，馈线自动化系统是对配 电线路上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系统。其主要功能有： 运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障诊断、故障区段隔离、负荷转移 及恢复供电、无功补偿和调压等。 馈线自动化系统通常是整个配电自动化系统的子系统，也可以作为一个独立 的子系统存在。我国许多城市的配网自动化系统实际上是一个独立于调度自动化 系统的馈线自动化系统【1 】【2 1 。本论文所论述的馈线自动化系统主要对1 0 k v 线路进 行监控和保护。 2 2 2 馈线自动化的实现方式 馈线自动化有两种实现方式【2 】：当地控制方式和远方控制方式。当地控制方 式又叫电压型实现方式，通过重合器来实现，馈线失电压时开关跳开，然后依时 间延时顺序试合各分段开关，最后确定故障区段再隔离故障并恢复非故障区段供 电。远方控制方式，又叫电流型实现方式，通过负荷开关、f t u ( 馈线终端单元， f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 加主站系统来实现。由f t u 检测电流以判别故障，故障信 息传送到主站，由主站确定故障区段，然后由主站系统发遥控命令控制开关动作， 完成故障隔离并恢复非故障区段供电。 当地控制方式的优点是，故障隔离和自动恢复供电由重合器自身完成，不需 要主站控制，因此在故障处理时对通信系统没有要求，所以投资省见效快。其缺 点是，这种实现方式只使用于配电网络相对比较简单的系统，而且要求配电网运 9 河北科技大学硕士学位论文 行方式相对固定，另外，这种实现方式对开关性能要求较高，而且多次重合对设 备及系统冲击大。 远方控制方式的优点是，由配电自动化主站系统完成故障定位，因此故障定 位迅速，可快速实现非故障区段的自动恢复供电，而且开关动作次数少，对配电 系统的冲击也小。其缺点是，需要高质量的通信通道及计算机主站，投资较大， 工程涉及面广、复杂；尤其是对通信系统要求较高，在线路故障时，要求相应的 信息能及时传送到上级站，上级站发送的控制信息也能迅速传送到f t u 。 从最近几年我国配电系统自动化的实施来看，越来越多的电力企业正在采用 远方控制的馈线自动化方案。2 0 0 1 年底，江苏省有9 个单位实施配网自动化项 目，仅有盐城供电局的配网自动化系统采用了当地控制方式，其余均为远方控制 方式。 2 2 3 馈线自动化系统的组成 典型的基于f t u 的馈线自动化系统的组成如图2 3 所示p 】。 一馈线；控制线：通信线；of 1 u ：口分段开关；因联络开关；o 断路器 图2 - 3典型的基于f t u 的馈线自动化系统的组成 f i g 2 3t y p i c a lc o m p o s i n go ff e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e mb a s c do i lf t u 图2 3 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、功率和开关当前位置、储能完成情况等，并将上述信息由通信网络发向远 方的配电网自动化控制中心。各f t u 接受配网控制中心下达的命令进行相应的 远方倒闸操作。在故障发生时，各f t u 记录下故障前及故障时的重要信息，如 最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等，并将上述信息传至配电自 动化系统控制中心，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区段，恢复健全区段供电。 2 2 4 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 1 0 第2 章配电自动化与馈线终端单元 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。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 3 馈线终端单元 馈线终端单元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，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。 2 3 1f t u 的功能要求 f t u 一般具有以下基本功能【l j ： 1 ) 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、储能完成情 况等重要状态量进行采集。若f t u 自身具有微机继电保护功能的话，还应对保 护动作情况进行遥信。 2 ) 遥测功能f t u 应能采集线路的电压、开关经历的负荷电流和有功功率、 无功功率等模拟量。一般线路的故障电流远大于正常负荷电流，要采集故障信息 必须要求f t u 能提供较大的电流动态输入范围。故障电流测量主要完成继电保 护功能和判断故障区段，因此对测量精度要求不高，但要求响应速度快，而且要 滤出基波信号，一般采用全波或半波傅氏算法。测量正常运行情况下的电流对测 量精度有很高要求，但响应可以慢些，并且要求的电流有效值是一种平均的概念， 一般采用均方根算法。f t u 般还应对电源电压及蓄电池剩余容量进行监视。 1 1 河北科技大学硕士学位论文 3 ) 遥控功能 程等。 4 ) 统计功能 平进行监视。 f t u 应能接受远方命令控制开关合闸和跳闸，以及起动储能过 f t u 应能对开关的动作次数和动作时间及累计切断电流的水 5 ) 对时功能f t u 应能接受主系统的对时命令，以便和系统时钟保持一致。 6 ) 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。 7 ) 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( 一般是1 分钟) 的平均负荷，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。 8 1 远方定值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。 9 1 自检和自，恢复功能f t u 应具有自检测功能，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，凡是受干扰造成死机时，则通过监视定时器 ( w d g ) 重新复位系统，能恢复正常运行。 1 0 ) 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， 避免上杆直接操作开关。 1 1 ) 通信功能除了需提供一个通信口与远方主站通信外，f t u 应能提供标准 的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口和周边各种通信传输设备相连，完成通信转发功能。 以下三项为f t u 的选配功能： 1 ) 电度采集f t u 对采集到的有功和无功功率进行积分，可以获得粗略的有 功和无功电能值，对于核算电费和估算线损有一定的意义。虽然瞬间干扰造成的 误差可能会被累计，影响电度测量精度，但在分段开关处测电度的目的在于估算 线损，侦察窃电行为，因此这个测量精度一般可以容忍。 2 ) 微机保护虽然在选用柱上开关时可以选择过流脱扣型设备，即利用开关 本体的保护功能，但利用f t u 中的c p u 进行交流采样构成的微机保护，则具有 更强的功能和灵活性。因为这样做可以使定值自动随运行方式调整，从而实现自 适应的继电保护策略。 3 ) 故障录波尽管故障时电流、电压的小型记录是否具有作用仍是一个有争 议的问题，但是对于我国这样的中性点不接地的配网，对零序电流的录波用来判 断单相接地区段，显然是十分有效的。 1 2 第2 章配电自动化与馈线终端单元 2 3 2f t u 的性能要求 f t u 是配网自动化系统的核心设备之一，还有一些特别的性能要求，如抗恶 劣环境、具有良好的维修性、可靠的电源等【lj 。 1 ) 抗恶劣环境f t u 通常安装在户外，要求它在恶劣环境下仍能可靠工作。 恶劣环境通常包括： 雷电：直接雷击或间接雷击造成的过电压是极其有害的。因此，必须考虑 充分的防雷措施，包括加装避雷器、可靠接地和电气防雷等。 环境温度：一般f t u 应能在2 5 + 7 0 的环境下正常工作，对于一些特 殊地区，甚至会有更高的要求。 防雨、防湿：具有导电性的雨水是一切电子设备的大敌，因此f t u 应当 具有可靠的防雨手段，f t u 应能在湿度为9 5 的环境下正常工作。 风沙：风沙也是