（电气工程专业论文）开闭所自动化终端装置设计与配网自动化通信系统.pdf

山东大学硕士学仿论文 摘要 随着对供电质量和供电可靠性要求的逐步提高，以及城区配网环网供 电系统改造的推进，环状多电源点供电网络逐渐增多，环网柜、开闭所等 节点在城区供电网络中的作用日益突出。在实现配电自动化时，开闭所作 为配电网中底层的基本单元，其自动化功能是配电网自动化系统必不可少 的重要内容。开闭所自动化终端负责监控开闭所高压进线、低压出线、母 线运行状态，处理母线及出线故障检测、备用电源自投功能。安装于大型 开闭所的配网终端还肩负着配电子站的功能：负责收集所管辖的馈线的实 时运行数据和故障数据，并上传给后台主站系统，及时处理馈线故障。 通信系统是建设配电自动化系统的关键技术。通信质量的好坏从很大 程度上说决定了自动化系统的优劣，是各种配电自动化功能能否实现的关 键。配电自动化要借助可靠的通信手段，将控制中心的控制命令下发到各 执行机构或远方终端，同时将各远方监控单元所采集的各种信息上传至控 制中心。 关键词：配电自动化配电自动化终端故障隔离配电自动化通信系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o l eo ft h er i n gn e tc a b i n e ta n ds s pn o d e si nu r b a na r e a s p o w e rs u p p l ys y s t e mb e c o m e si n c r e a s i n 9 1 yi m p o r t a n t ，a sp e o p l e d e m a n d i n gh i g h e rf o rt h eq u a l i t ya n dr e li a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y ， t h ei m p r o v e m e n to fp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rt h er i n gn e t w o r ka n dc i t y d is t r i b u t i o nn e t w o r ka sw e l la st h ei n c r e a s i n go fr i n gm u l t i p o w e r s u p p l yn e t w o r k i no r d e rt oc a r r yo u tt h ea u t o m a t i o no fm a t c h e l e c t r i c i t y ，t h ea u t o m a t i o no ft h es s pi se s s e n t i a lf o rt h ei m p o r t a n t c o n t e n to ft h ea u t o m a t i o no fp o w e rs u p p l ys y s t e m t h ea u t o m a t i o n t e r m i n a lo fs s pc a nw a t c ht h eh i g h p r e s s u r ei n t ot h e1i n e ，t h e 1 0 w - p r e s s u r eo u t l e t ，t h er u n n i n gs t a t e o ft h eg e n e r a t r i x ，t h e d e t e c t i o no ft h ep r o b l e ma b o u tt h eg e n e r a t r i xa n dt h eo u t l e tl i n e a n dt h ef u n c t i o no ft h eb a c k u pp o w e rs o u r c e t h ed is t r i b u t i o n t e r m i n a lc n i ti n s t a l l e di nt h el a r g e s c a l ed is t r i b u t i o nn e t w o r kh a v e t h ef u n c t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns u b s t a r i o n ，f o re x a m p l e ，t oc 0 1 1 e c t t h er e a l t i m eo p e r a t i n gd a t aa n df a u l td a t ai n f o r m a t i o no ft h ef e e d t e r m i n a lu n i t ，a n du p l o a dt h ei n f o r m a t i o nt ot h em a s t e rs t a t i o n ，t h e n t op r o c e s st h ef e e d e rf a u l ti nti m e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r et h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo f d is t r ib u tio na u t o m a tio ns y s t e m t h eq u a lit yo fc o m m u n ic a tio ns y s t e m m a k ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h eq u a l i t yo ft h ea u t o m a t i o ns y s t e m s ，a n d i ti st h ek e yo ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nf u n c t i o nc o m i n gt ot r u e t h r o u g ht h ec o r r e c tc o m m u n i c a t em e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n c a nt r a n s p o r tt h ec o m m a n d e ro ft h ec o n t r o lc e n t e rt ot h er e m o t e t e r m i n a lo rt h ee x e c u t i n ga g e n c y ，a n dt ot r a n s p o r tt h ei n f o r m a t i o n o ft h er e m o t em o n i t o r i n gu n i t t ot h ec o n t r o lc e n t e ra tt h es a m e 1 i k e y w o r d ： 山东大学硕十学位论文 d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o i l ，d is t r i b u t i o na u t o m a t i o i lt e r m i n a lu n i t ， f a i l u r ei s 0 1 a t i o n ，d is t r i b u t i o i la u t o m a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ 。_ _ - 。- - _ _ i _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 。- - _ _ _ _ _ - _ l _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - - _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ - i 一一 i i l 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：掣日期：继 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 山东大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力生产和运行过程由发电、输电、变电、配电、用电等五大环节有 机组成，配电是电力系统的发、输、配中直接面向电力用户的重要环节。 配电网是电力系统向用户供电的最后一个环节。它由配电网( 其中包括馈 线、降压变压器、断路器、各种开关等配电设备) 、继电保护、自动装置、 测量和计量仪表以及通信和控制设备构成一个配电系统。从广义上讲，城 市配电网应包括11o k v - o 4 k v 各电压等级的电网。配电网的优质运行是电 力生产的一个重要环节。 随着我国电网改造的基本完成和电力市场的发展，电力系统对于馈线 端的管理越来越受到重视，在这种情况下，配电系统自动化得到蓬勃发展， 配电自动化技术是提高配电网络运行水平、管理水平和降低损耗的一个重 要手段。3 3 1 0 1 配电自动化是利用现代计算机技术、自动控制技术、数据通信、信息 管理技术，将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等 信息进行集成，构成完整的自动化系统，实现配电网运行监控及管理的自 动化、信息化。其目的是提高供电可靠性，改善供电质量和服务质量，优 化电网操作，提高供电企业的经济效益和提高企业的管理水平，使供电企 业和用户双方受益。体现供电企业的社会责任和社会效益。副 国际供电会议组织( c i r e d ) 19 9 5 “配电自动化 专题工作组的报告中 指出，配电自动化功能可分为二部分：把配电网实时监控、自动故障隔离 及恢复供电、负荷管理等功能，称为配电网运行自动化功能；而把离线的 或实时性要求不强的设备管理、停电管理、用电管理等功能，称为配电网 管理自动化功能。 经过近几年的实践，国内配网自动化系统技术取得了以下进展： 山东大学硕十学位论文 1 、馈线自动化的实现有电流型和电压型两种方式得到应用。故障隔离和非 故障区域恢复供电以集中式处理为主，但是分布式处理也有应用。 2 、配电自动化的关键设备由依赖进口逐步转向相信国产设备，f t u 已有了 国产的入网许可产品，其功能与性价比上更有利于各供电部门选用。 3 、配电自动化也由单纯的配电网s c a d a ( 数据采集与监控系统) 加d a ( 配电 自动化) 转向具有d a 、d m s ( 配电网管理系统) 、g i s ( 地理信息系统) 等 较完整的配网自动化实时及供电企业管理系统。 4 、通信方式多样化，配电网通信有无线、光纤、专线电缆、载波等多种通 信方式都有使用现场，但在主干通信线路上使用光纤的几率日益增加， 1o k v 配电线载波通信技术以及基于g p r s c d m a 的无线通信在配电网中 的应用依然受到用户的广泛关注。 5 、地理信息系统也由孤立的静态设备管理系统逐步转向动态的实时地理信 息系统，将s c a d a 和地理信息有机地进行集成。 6 、配电网管理系统由需求不确定、功能繁杂逐步向功能需求实用化，系统 与其他系统有机集成构造供电企业信息一体化方向发展。1 3 3 1 2 配电自动化终端装置介绍 1 2 1 配电自动化终端技术的发展 我国配电自动化技术发展历史比较短，从2 0 世纪8 0 年代末才开始探讨 和研究配网自动化系统领域的新技术，l9 9 6 年，国内第1 套d a 系统在上海 浦东投运。早期的配电终端基本从国外引进( 例如法国的t a lu s - 2 0 0 f t u 和 美国的d a r t ) 。随着配网自动化技术的不断发展，国内相关厂家和研究单位 在消化国外先进技术的基础上，先后推出国产化的不同类型的配电终端。 12 1 6 1 7 】 配电自动化系统( d a ) 对馈线上开关的分合操作都是通过配电终端去 执行，配电终端工作的可靠性、实时性直接影响整个d a 系统的可靠性和实 时性。配电自动化终端有如下特点： 2 山尔大学硕七学位论文 具有故障自动监测与识别功能；提供可靠的不间断电源；满足户外工作 环境的要求；满足电磁兼容性的要求；支持多种通信方式和通信协议；具 有远程维护、诊断和自诊断功能。比钉 配电自动化终端核心硬件设计从早期的单c p u 结构到多c p u 结构，再 到c p u + d s p + e p l d 技术，发展到现在的单c p u 结构。c p u 芯片从8 位 到16 位( 8 0 c 18 8 19 6 ) ，甚至3 2 位( 6 8 3 3 2 ) 。为了保证配电终端硬件设 计的高可靠性、故障检测的实时性以及谐波检测分析的需要，数字信号处 理器( d s p )的高速采样和数据处理技术以及冗余设计、自诊断、自检等 是目前普遍采用的硬件设计技术。为什么会有这样的一个历史轮回呢? 这 是随着d a 功能的不断完善，科技不断的进步，芯片制造技术的发展而不断 成长的。开始阶段，由于d a 功能比较少，计算量不大，采用单c p u 结构， 那时的c p u 主要以m c s 一51 或8 0 9 8 为主，其c p u 主频在10 m 左右，随着用 户对d a 认识不断加深，对d a 功能提出一些新的要求，这样就使c p u 的计 算量不断加大，这样c p u + d s p + e p l d 的使用模式就出现了。这时的c p u 是3 2 位机为主，如m o t o r o l a 的m c 6 8 3 3 2 ，其c p u 主频为16 7 8 m h z 也不能独立完 成交流采样计算，谐波分析，以及通讯等功能，这样就需要把交流采样和 谐波分析等计算功能放到带有硬件乘加器的d s p 中，另外遥信和遥控的逻 辑控制电路由e p l d 编程，这样就形成双c p u 结构技术。随着科技的进步， 芯片制造业的发展，c p u 的集成度越来越高，主频越来越快，功耗越来越低， 目前单c p u 完全能够独立完成交流采样，谐波分析，故障检测，通讯等功 能任务，这样不仅可以使设计简化，降低成本，提高可靠性。因此目前越 来越多的开发商采用单c p u 结构。1 1 2 2 3 3 0 1 目前配电自动化终端发展中主要问题有： 1 部分终端设备没有经过严格的质量测试，系统在恶劣环境下运行存在质 量隐患。 2 终端出厂试验和现场试验没有指导性的试验规范和验收标准。 3 现场运行的设备性能不稳定，控制的开关有时不能正常动作。 4 f t u 蓄电池寿命太短，达不到现场运行的要求。 5 配电网设备多、线路长、人员少，系统及设备的维护跟不上，导致投运 设备损坏多。 山东大学硕十学位论文 6 配电网线路经常变化和扩展，原试点范围内的配电终端容量常常跟不上 网架的扩展，不匹配也导致系统无法正常运行。 1 2 2 配电自动化终端的分类 配电终端的分类也是按照市场的应用需求逐步形成的，它可以按照以 下应用情况分类： 按应用场合分类有： 1 、馈线远方终端f e e d e rte r m in a lt i l lit ( f t u ) ：安装在配电网馈线回 路的柱上和开关柜等处。并具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测( 或利 用故障指示器检测故障) 等功能的远方终端。 2 、环网柜开闭所配电终端dis t r i b u tio nt e r m ih a lu n it ( d t u ) ：安装 在配电网馈线回路的开闭所和配电所等处。并具有遥信、遥测、遥控和故 障电流检测( 或利用故障指示器检测故障) 等功能的远方终端。 3 、配电变压器配变远方终端t r a n s f o r m e rte r m in a lu n it ( t t u ) ，用于 配电变压器的各种运行参数的监视、测量的远方终端。目前国内厂家的t t u 还可以提供低压无功控制功能。n 8 1 按结构体系分类： 1 、分散式配电终端 类似变电站自动化监控单元r t u ，以一次开关设备为对象进行设计， 配电监控单元可分散在线路开关柜上安装，亦可集中组屏。每个监控单元 独立工作，单元之间通过工业现场总线c a n b u s 与通信管理单元连接，通信 管理单元完成通信协议转换、远动及配电s c a d a 功能。分散式配电终端用 于开闭所和大容量环网柜。 2 、集中式配电终端 硬件设计按功能划分不同模件，每个模件可以集中测量或控制几条线 路：1 、遥测模件：每个模件可交流采样1 条线路全电量；2 、遥信模件： 每个模件有8 路遥信信号输入；3 、遥控模件：每个模件有6 路遥控输出。 加上主c p u 板和通信接口、电源板、机箱等组成一个配电终端。 按功能分类： 1 、电流型配电终端 4 山东大学硕十学位论文 d a 故障处理的判据是故障电流，配电终端主要检测的对象是电流， 同时，终端驻留有相应电流型d a 故障自动处理软件。 2 、电压型配电终端 这种终端与电压型一次设备开关配套使用。所谓电压型，即故障处理 的主要判据是馈线是否有电压。当馈线失压时，分段开关依次断开：当馈 线来电时，分段开关依次延时闭合。若开关闭合后，在故障探测时间at 内，馈线又失电，该分段开关就闭锁。电压型配电终端驻留有相应电压型 d a 软件，与电压型分段开关组合完成d a 功能。 3 、电压电流兼容型配电终端 这种终端软件设计满足电流型或电压型d a 功能的需求，既可用于电压 型分段开关，亦可用于电流型d a 。由于各个配电网的网络结构、一次设备 开关、采用的通信方式千差万别，对配电终端的要求无论从功能上还是结 构上亦有所不同。因此，开发研制不同类别的配电终端满足用户不同的需 求，这是d a 发展的必然结果。 总结这几年的发展，我国配电自动化终端从无到有逐步完善。为适应 d a 不断发展的需求，配电自动化终端将进一步朝着功能完善化、技术智能 化、通信集成化、结构模块化、设计标准化、体积小型化、产品系列化的 方向发展。2 0 2 4 1 3 开闭所自动化终端装置( d t u ) 的特点 l 、具有故障自动检测与识别功能 开闭所自动化终端不仅能够在系统正常情况下监测配电网馈线运行工 况，更主要的是在馈线故障情况下能够快速、可靠地捕捉故障信号，判 断发生故障的类型( 是单相接地故障还是相间故障) ，为d a 系统进行 故障处理提供准确、可靠的判据，这是开闭所自动化终端不同于其他电力 监控终端的显著特点。 2 、提供可靠的不间断电源 配电终端应用场合特殊，户外环网柜上安装，配备不问断电源十分重 要。d a 系统在故障自动处理过程中，当馈线环路出现永久性故障时， 环 路出线开关保护动作跳闸，导致馈线全线停电，这时配电终端、通信设 山东大学硕十学位论文 备、一次设备开关的操作都要求不间断电源供电。因此，提供可靠的不间 断电源是配电终端开发设计中首要考虑的问题。 3 、满足户外工作环境的要求 由于开闭所大多独立建设在户外，工作环境比较恶劣，加上我国幅员 辽阔，南北运行环境差异非常大，所以开闭所自动化终端装置必须能够满 足高低温、高潮湿、高污染等恶劣环境要求，具有很高的环境适应性。 4 、满足电磁兼容性( e h c ) 的要求 开闭所自动化终端装置和高压一次设备在一起，强电和弱电同处一个 环境，较容易受到如雷电干扰、电弧放电高频辐射干扰、开关设备动作时 的干扰、开关设备操作时产生过电压的干扰等干扰源的电磁波影响，因此 为保证终端工作的可靠性，在设计中必须充分考虑电磁兼容性。 5 、具有远程维护、诊断和自诊断功能 由于开闭所自动化终端分布较广，数量非常大，所以带来的安装、调试、 维护的工作量就非常大。因此开闭所自动化终端必须有很好的工程化设计、 很高的可靠性以及很强的自诊断自恢复能力。 6 、具有多路监控和灵活的可扩展性 由于开闭所自动化终端主要应用于多进多出的配电节点，所以要求装置 可以监控双母线多个进出线的容量。由于城市电网的需求增长旺盛，因此开 闭所需要不断扩容，对d t u 设备就要求可以灵活扩展容量。驯 1 4 开闭所自动化终端的发展状况 经过国内近几年配网自动化的发展，已形成了包括北京、上海、南京、 武汉、广州、深圳等大中型城市在内上百个开闭所自动化终端的运行现场， 但大多数城市配网自动化还处于试点阶段。 国内外生产开闭所自动化终端产品的厂家众多，国外产品设计水平较 高，但存在的问题是价格太高，服务难等问题，另外国内用户经常提出的 一些个性化需求也是国外厂商所不愿满足的。这些问题限制了国外厂家的 开闭所自动化终端产品在国内的使用。开闭所自动化终端具有遥信、遥测、 遥控、故障电流检测等功能，并能同上一级分站或主站通信。该终端基本 的三遥技术、故障检测技术已经有了很好的解决方案，并且相关设备在远 6 山东大学硕七学位论文 动、保护等领域已经有了几十年的运行经验。但由于开闭所自动化终端安 装分散，而且是户外工作，要求停电后，后备电源需维持装置工作，并对 开关进行分合操作。该装置设计难点主要是可靠性设计，包括整个装置的 宽温设计；元器件的降额设计；主电源、开关操作电源的宽温、防雷设计； 后备电源的有效性预测；配套通信设备的可靠性设计等等。 从设计水平和产品稳定性上看国外产品要高一些，如g eh a r r is 的d a r t d t u 、施耐德d t u ，运行经验也较丰富，国内比较有特色和影响力的产品和 厂商如东方电子的d f 9 3l0 系列d t u 、四方华能的c s f l0 0 系列d t u ，这些产 品基本上是沿着远动r t u d t u 或综合保护一d t u ( 如四方华能d t u ) 的技 术路线继承发展，在馈线的监测、控制、保护功能等方面各有偏重。 我公司在19 9 8 年就推出了配电自动化系列产品，是国内较早从事开闭 所自动化终端产品生产设计的厂家，技术水平处于领先地位( 部级鉴定结 论) 。但经过近几年的发展，也存在着一些急待改进的地方。在充分考虑配 电自动化技术的发展，认真总结现场经验教训，广泛调研用户需求的基础| f 上，本次开发的开闭所自动化终端在以下方面进行改进： 1 ) 可靠性：开闭所自动化终端一般安装在1o k v 开关附近，工作环境 恶劣，而且数量众多，安装和维护十分不便，这就要求它必须具有极高的。 可靠性。国家标准d l t7 21 - 2 0 0 0 提出的可靠性指标是m t b f 8 7 6 0 小时， 该指标只是考虑了国内大多数厂家的实际水平后提出的，对用户来说难以缸 接受。因此本次产品开发将提高可靠性作为一个重要目标，要将平均无故障 时间提高到5 年以上。 2 ) 可维护性：可维护性一方面体现在硬件上，包括产品结构合理，安 装简便、灵活，用户经过简单培训就可以独立完成安装工作；产品硬件各 功能模块接口规范，拆装简单，运行状态一目了然。另一方面体现在软件 上，通过维护软件可以灵活、方便、简单对产品各种功能进行配置。 改善终端产品的可维护性对用户来说可以提高产品的可使用时间，对 生产厂家来说可以减少现场服务成本，对双方都是有利的。 3 ) 当地功能：主要包括按钮和指示灯，以方便现场设备联调。这是充 分考虑了用户需求的一项功能，在设备联调和安装现场利用各种按钮和指 示灯能够简单明了的对设备进行简单操作及判断设备运行状态。 4 ) 性价比：充分利用近几年发展的新技术和新器件对产品进行改造， 一 7 山东大学硕十学位论文 在保证产品高性能的同时尽量降低产品的成本，以提供产品的市场竞争力。 通过以上方面的改进，开发的开闭所自动化终端可以满足今后5 10 年 的配电自动化的需求。 1 5 开闭所自动化终端的设计应用前景 电力系统配电网自动化是当前电网建设的热点。无论是大型、中小型 城市都是把电网建设改造及自动化的实施列为工作重点，投入大量的资金 和人力，其目的都是为了扩大供电能力，提高供电可靠性，优化电力服务。 现代化社会要求充足、可靠、优质的电能供应。随着城市化的进程和 现代化大城市的出现，配电系统的重要性与日俱增。现在，发达国家近半 数的电力投资用于配电系统。现代化大都市供电负荷密度大、供电方式复 杂、可靠性要求高，以及供电负荷不断增加、供电网升格快。因此，现代 化大都市的配电系统运行、调度、控制和维护都需要十分复杂的技术，配 电自动化正是解决这些复杂问题的技术手段和可靠保证。 2 0 0 9 年，中国提出了智能电网的建设。根据坚强智能电网总体发展目 标，采用先进的计算机技术、电力电子技术、数字系统控制技术、灵活高 效的通信技术和传感器技术，实现配电网能量流、信息流、业务流的双向 运作与高度整合，构成具备集成、互动、自愈、兼容、优化等特征的职能 配电系统，配电网网架坚强，网络智能。国家电网公司将分三个阶段推进 坚强智能电网建设： 2 0 0 9 - 2 010 年是规划试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划，制 定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点； 2 0l l 一2 015 年是全面建设阶段，将加快特高压电网和城乡配电网建设， 初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突 破和广泛应用； 2 016 2 0 2 0 年是引领提升阶段，将全面建成统一的坚强智能电网，技 术和装备达到国际先进水平。 虽然国家电网没有宣布智能电网的投资规模，但预计，要达到国际先 进水平，三个阶段总投资会超过1 万亿元。 由此可见，配网自动化是智能电网的重要基础之一，配电自动化市场 前景看好。 8 山东大学硕十学位论文 1 6 开闭所自动化终端的设计要点 针对上述开闭所自动化终端的特点，在进行终端设计过程中进行有针对 性的开发，包括终端结构设计、器件选型、硬件设计、软件开发等方面。 1 、结构设计 开闭所自动化终端装置结构基本要求是可以适应不同地区，不同环 境，不同用户要求。设计应充分考虑已有开闭所空间和安装方式的局限。 应满足户外安装、接线便利、调试容易的要求。要求有良好的户外机柜终 端箱设计经验，能够满足户外高低温环境，散热良好同时能够防水、防潮、 防尘、抗震。同时要能够配合硬件电路完成电磁兼容性设计。 2 、器件选型 器件选型必须满足故障自动检测和识别功能的要求，由于电力故障暂 态过程非常短暂，因此终端必须有非常快速的计算能力；由于开闭所终端 需要搜集开闭所出线的馈线终端数据和信息，并搜集站内其他智能设备的 信息并上传给后台监控系统，所以要求有非常强大的通信能力；由于终端 运行环境恶劣，所选其问必须满足工业级产品要求，具有良好的电磁兼容 性；考虑到后备电源的容量有限，器件选型时也必须充分考虑低功耗设计 的要求。 3 、硬件设计 硬件电路设计必须充分考虑工程化、可靠性、电磁兼容性、可扩充性 等方面的要求。硬件电路必须便于调试、维护和互换。同时也必须满足现 场和高压设备的互联问题。 4 、软件设计 软件设计是实现配网自动化功能的关键，必须具有功能完备的软件体 系，成熟快速的馈线故障检测、识别算法，同时要求稳定性高，维护界面 简单友好，容错能力强，和丰富的通信规约库。 1 7 配电自动化通信系统 通信系统在配电自动化系统中具有举足轻重的作用，所有的配电自动 化功能的实现都是基于良好的通信系统。 一 9 山东大学硕十学位论文 随着通信手段的日新月异，目前可供使用、选择的通信方式有多种多 样。按照传统的分类方法，可简单地分为：有线方式和无线方式，其中有 线方式包括有：架空明线或电缆、配电线载波、邮电本地网、租用电话线、 光纤、有线电视网( c a t v ) 、现场总线和r s - 4 8 5 、专线等；无线方式包括： 一点多址微波、传统无线电通信，如：a m 、f m 、p m 等、无线扩频、卫星通 信、无线寻呼、数控电台等。 配电自动化对通信系统的要求，取决于配电网的规模和要求实现的具 体希望水平，总体比较各种通信方式的优劣应综合考虑如下几点： 一、通信的可靠性。 二、通信技术的先进性。 三、可行性和使用维护的方便性。 四、配电通信的实时性。 五、通信系统的可扩充性。 1 8 本文的主要工作 本文围绕开闭所自动化终端的设计开展研究，主要工作如下： 1 ) 对国内外配电自动化终端的研究现状进行分析总结，明确当前开 闭所自动化终端装置的功能需求； 2 ) 根据开闭所自动化终端装置功能要求，遵循硬件选型和设计的原 则，确定了装置合适的硬件平台，针对所选平台进行各功能电路的具体设 计： 3 ) 通过调研和对比研究，确定各种通信方式在配电自动化系统中的 应用方案； 4 ) 最后，对论文的研究进行了总结和展望。 1 0 山东大学硕七学位论文 第二章开闭所自动化终端装置的硬件设计 开闭所自动化终端装置主要用于主要用于开闭站、开闭器、电缆分界 室及配电室、低压变电站等监控，应用环境如图2 1 所示。可以完成馈线 监控、馈线故障识别功能，支持r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、g p r s c d m s 及以太网络通 讯。 装置应具有模块组态灵活的特点，插箱式结构，i o 插件种类丰富，扩 展灵活方便，能够实现各种复杂配置的要求，能够识别馈线故障，支持 1o m lo o m 以太网络通讯。 出线 出线1 图2 1 开闭所自动化终端装置应用环境图 出线n 开闭所自动化终端具有以下技术特点 1 、具有交流采样、遥信、遥控的功能。 2 、具有馈线故障检测、指示功能。 3 、数据汇集：通过串口以太网连接各种网络表、保护管理机、直流 山尔大学硕+ 学位论文 屏等。 4 、检测、存储各种历史数据和极值数据并远传。 5 、能够直接采样或从网络表获取无功需量，可以启动多个无功投切控 制任务，分别实现分段低压母线的无功投切功能。 6 、具有笔记本当地远程调试维护功能。 7 、全面的自检、互检及错误报警功能：在系统信息中提供更全面的报 警信息，并可以通过前面板上的l e d 灯显示系统运行状态和错误报警。 8 、扩展灵活：标准i o 插件，插槽结构，便于灵活扩展，支持插件热 插拔功能。 9 、支持光纤以太网、光纤双环自愈网、配电载波、r s 4 8 5 、g p r s c d m a 等多种通信方式。 1o 、具有丰富的规约库，支持l0 1 、10 4 、m o d b u s 、d l - 4 51 等多种通信 规约。 1 1 、具有电源监视及蓄电池管理功能，交流电正常供电时，蓄电池处 于浮充状态，交流失电后由蓄电池给系统供电。 12 、具有很强的抗电磁干扰能力，满足ie c 610 0 - 4 - i v ( 最严酷等级) 电 磁兼容的要求，可在条件恶劣的环境中使用。 l3 、更加安全可靠的遥控输出控制：d 9 31 2 采用了多项防“误动技 术：节点返校、长密码锁控制技术和负压驱动技术。 l4 、自动跳合闸功能：具有在故障情况下自动跳闸和重合闸的功能， 可以满足配电自动化中的各种类型的保护配合要求。 l5 、装置具有记录故障时刻的电压电流采样波形的能力：记录时间从 故障前2 周波到故障后2 0 周波( 手动录波或自动录波) ，可以用来分析一 次故障的动作过程。 16 、采用低功耗设计：降低了因为系统发热造成的故障。 17 、紧凑式结构设计，减少了安装空间，方便嵌入式安装。 18 、工业及设计，温度适应范围( - 4 0 - - + 7 5 ) ，防磁、防震、防潮、 防雷。 开闭所自动化终端装置主要由系统电源、功能插件、接口插件或接口端 子板、蓄电池等组成。此外，还可以根据用户的实际需要配备多种通信单元 1 2 山采大学硕士学幢埝文 等扩充设备，开闭所自动化终端概要图见图2 - 2 。 功能插件包括主控插件、电源插件、交流采样插件、遥信采集插件、遥 控插件。接口插件包括交流采样接口插件端子板( 6 u 6 i 配置、4 u 8 i 配置、 1 2 i 配置) 、遥控输出接口插件端子板、遥信采集接口插件端子板。 开闭所自动化终端装置各功能插件中，主控插件、系统电源模块属于基本 插件，其余功能插件遥信采集插件、遥控输出插件、交流采样插件和通信 插件为选配插件，可以根据用户的需求灵活配置，接口插件应根据功能插 件的配置进行相应的选择。 凰 人机接口界面 口a tt itt l l 图2 - 2 开闭所自动化终端概要 山尔大学硕十学f ：7 = 论文 2 1o p u 主控电路 主控单元为开闭所自动化终端装置的核心部分，由底板和背板组成。其 主要功能描述如下： 1 采用德州仪器高性能处理器m c f 5 2 7 5 为c p u 。 2 接收交流采样数据，完成馈线自动化f a 功能。 3 完成遥信采集和遥控输出的控制。 4 采用先进的工业级芯片，良好的电气隔离和电磁屏蔽设计，具有较强的抗 干扰能力和很高的工作可靠性。 5 支持d n p 3 0 、i e c 6 0 8 7 0 5 1o1 、i e c 6 0 8 7 0 5 10 4 等通信规约。 6 具有4 个串行接口，1 个维护串行口、2 个10 m 10 0 m 自适应以太网接口。 7 完成对主站后台的数据通信功能，作为通信中继也可以转发站内其他智 能终端的数据，如负控终端、直流屏等。 m cf 52 75 是飞思卜尔半导休公司c o l d f i r e 系列一款精简指令集3 2 位 v 2 核的处理器芯片。它在l6 6 m h z 时钟频率下其运算能力可达到15 9 m i p s ， 是一款哈佛结构，带两级流水。它广泛适用于工业控制、仪器仪表、民用 产品、网络产品等领域。以下是其特点： 1 带l6 个3 2 位通用寄存器：一组增强乘累加单元( e m a c ) ； 2 两组快速以太网控制器f e c ，一组u s b 控制器和q s p i 模块，3 组 u a r t s 模块，4 组脉宽调制单元p w m ； 3 带6 4k 片内s r a m ，16 k 可配置缓存，16 b i t 的d d rs d r a m 内存 控制单元。支持页模式f l a s h 存储器； 4 通道3 2 位d m a 控制器，4 组周期中断计数器( p i t ) ，锁相环( p l l ) 的时钟模块； 5 32 位非复用总线，支持8 个片选信号，最多可有6 5 个g p i o ； 6 两个中断控制器，可以处理1 1o 个中断源，其中有l0 3 个可编程中 断源，所有中断源可分七个中断优先等级。 7 i o 和封装：2 5 6 脚m a p b g a 封装。 8 温度范围：- 4 0 。c - 8 5 。c 工业级标准。 1 4 山东大学硕十学位论文 2 2 晶振与复位电路 虽然m c f 5 2 7 5 支持采用内部振荡器，但是为了使时钟更准确，一般采 用外部晶振。在本系统中，采用的是贴片2 5 m h z 晶振，内部倍频到15 0 m h z ， 该晶振具体参数为： 1 、频率精度：5 0 p p m 2 、温度稳定度：- 2 0 7 0 2 0 p p m 3 、负载电容：15 p f 4 、激励功率：lo m wt y p ic a l ：5uwm a x 较高温度稳定和频率精度的晶振，有助于系统稳定可靠精准的运行。 复位电路在整个系统运行过程中监视程序是否正常，如果有跑飞、死 循环等现象时自动复位系统，恢复系统的正常运行。在本系统中复位电路 采用m a x 818 芯片。复位电路图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 复位电路原理图 在本系统中复位电路除了具有看门狗功能外，还具有s r a m 写保护，后 备电池转换功能。具体工作原理如下： 看门狗功能：正常情况下系统必须在1 6 5s 之内改变w d i 引脚的电平 状态，如果w d i 引脚电平保持高或低时间超过看门狗延时时间，则m a x 81 8 就会在r s t 引脚产生一个复位脉冲，复位系统。 后备电池转换：在系统中设计有静态r a m 模块，需要在系统掉电的情 况下，保存其中的内容。正常情况下m a x 818 检测b a t t 引脚的电池电压和 v c c 电压，如果v c c 电压低于电池电压时，则把o u t 引脚连接到后备电池上， 以维持s r a m 中的数据不丢失；如果v c c 电压高于电池电压时，则把o u t 引 山东大学硕十学侮论文 脚重新连接到v c c 上。 s r a m 写保护：在系统复位、上电、或受到干扰电压不稳定的时候，为 了防止s r a m 中的信息被错误更改，则通过m a x 818 对片选信号进行保护。 在系统电压不稳定或过低的时候，m a x 818 片选使能会被禁止，这样就使c e o 引脚电平保持高阻状态，保护s r a m 不被非法改写。 2 3 外部存储器电路 外部存储器包括f 1a s h 和s r a m 两部分。f l a s h 主要用于参数、历史数据、 字库等数据的存储。s r a m 有后备电池供电，在掉电后数据不丢失，因此除 了可以做普通内存使用外，还可以用来存储事件，告警信息等需要实时存 储且掉电不丢失的数据。 f l a s h 存储器是一种可在线( i n s y s te m ) 电可擦写，掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区进行系 统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作， 因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。作为一种非易失性存储器， f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要 保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或16 位的数据宽度，编程电压为 单3 3 v 。 本系统使用的f 1a s h 芯片为a t 2 9 c 0 4 0 ，其特点如下： 1 快速读取访问时间只有12 0 n s ，可以把f l a s h 当作r a m 来读取。 2 在线编程电压只需要5 v ，不需额外电源。 3 以扇区为单位进行编程操作。擦除和再编程个过程完成：具有2 0 4 8 个 扇区，每个扇区只有2 5 6 个字节；内部最大缓存2 5 6 字节。 4 软硬件数据保护 5 快速编程周期1o m s 6 低功耗，最大编程电流4 0 m a ，后备电流lo o u a 7 最大擦写周期大于10 0 0 0 次 该f 1a s h 芯片最大的特点就是具有很小的扇区结构，一般f 1a s h 扇区都 是6 4 k 大小。扇区小了以后，在进行大量数据存储时，就可以灵活的安排 扇区空间，避免不必要的浪费。 1 6 山东大学硕十学位论文 m cf 52 75 本身具有6 4 k s r a m ，但是满足不了本系统的需求。因此根据 需要外扩了512 m 的s r a m 。在本系统中使用的s r a m 型号为m t 4 6 v 3 2 m 16 ，把 该芯片v c c 引脚连接到m a x 818 的o u t 引脚上，s r a m 就具有了掉电数据不丢 失的特性。2 1 1 2 8 3 2 4 实时时钟电路 时钟信息对于配电终端很重要，事件记录，统计记录、电能量累积，历 史数据的存储等都需要一个精准的时钟作为依据。因此需要设计一个比较 精准的实时时钟。本系统采用的实时时钟芯片型号为x l2 2 6 ，该芯片采用 i c 的通讯方式。 i c 总线是一种用于i c 器件之间连接的两线式总线，所以又名t w i ( t w o - w i r es e r ia lin t e r f a c e ) 。一般具有i c 总线的器件其s d a 和s c l 引 脚都是漏极开路( 或集电极开路) 输出结构。因此实际使用时，s d a 和s c l 信 号线都必须要加上拉电阻。上拉电阻一般取值3 1o kq 。开漏结构的好处是： 当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平，几乎不消耗电流；电气兼容性 好，上拉电阻接5 v 电源就能与5 v 逻辑器件接口，上拉电阻接3 v 电源又能 与3 v 逻辑器件接口：因为是开漏结构，所以不同器件的s d a 与s d a 之间、 s c l 与s c l 之间可以直接相连，不需要额外的转换电路。 i c 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收 器。如果主机向从机发送数据，则主机是发送器，而从机是接收器；如果主 机从从机读取数据，则主机是接收器，而从机是发送器。在本系统中m c f 5 2 7 5 是主机，x 12 2 6 时钟芯片是从机，主机通过唯一的从机地址访问总线上的从 机。在数据传送的过程中，当总线s c l 为高电平时，数据线s d a 的电平必须保 持稳定的状态，不允许有跳变。只有当s c l 为低电平时才允许s d a 改变数据。 当时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作是总线的启动信号或 停止信号。 x 12 2 6 是一个带有时钟、日历、两路报警、5 12x8 位的e e p r o m ，振荡器补 偿和电池切换的实时时钟。振荡器用一个外部的、低价格的3 2 7 6 8 k h z 晶体。 所有补偿和调整元件集成于芯片上。这样消除了外部的分离元件和一个调整 电容，节约了印制板和元器件费用。x l2 2 6 可以准确地用秒、分、时、日、 1 7 山东大学硕十学位论文 星期、月、年来显示时间和日期，具有世纪字节，解决了两千年问题，可以 自动实现闰年调整直到2 0 9 6 年。强大的双报警功能，能够设置到任何的时钟 日历值上，与报警相匹配。报警能够在状态寄存器中被查询或提供一个硬 件的中断( i r q 管脚) ，报警允许产生一个周期的中断。该器件提供个后 备电源输入引脚v b a c k ，该引脚允许器件用电池或大容量电容进行后备供电。 另外提供4 k b it 的e e p r o m ，可用作用户小容量数据存储器，具有安全性，保 密性。这个存储器在主电