配电自动化远动终端FTU开关量采样通道及软件设计

1、配电网自自动化技术术课程设计任任务书题 目配电自动化化远动终端端FTU开开关量采样样通道及软软件设计学生姓名学号专业班级设计内容与要求1背景FTU是配配电自动化化系统的重重要设备，在在配电自动动化系统中中得到了广广泛的应用用。开关量量采样通道道是FTUU的重要部部分。开关量输入入:10个个分辨率：55ms两次事件处处理能力：25mss。光电隔离: 耐压11000VV耐浪涌电压压: 20000V2设计要要求熟悉开关量量采样通道道电路的工工作原理。熟悉FTUU的功能和和性能。通过互联网网查询选择择各类器件件。掌握器件的的性能参数数。3设计内内容根据以上要要求设计FFTU开关关量采样通通道。性能指标

2、计计算电路设计。根据性能指指标，选择择元器件。开关量采集集程序算法法和程序流流程设计。撰写设计报报告起止时间2011 年 12 月 20 日 至 2011 年 12 月 277日指导教师签签名年 月月 日日系（教研室室）主任签签名年 月月 日日学生签名年 月月 日日 目目录一、设计由由来11.1现场场设备概念念1 1.2配电网网馈线远方方终端单元元FTU简简介 22 1.3开关量量内容3二、设计原原理 44 2.1 电路路原理设计计44 2.2 各环环节电路55三、详细设设计 77 3.1设计要要求 7 3.2 性能能指标计算算及元器件件的选择7 3.3开关量量的采集程程序算法及及程序流程程设

3、计15四、设计总总结17 五、附录：参考文献献 188一、设计由由来电力系统由由发电系统统，输电系系统，配电电系统构成成。它是由大量量的发电机机、变压器器、电力线线路和负荷荷等设备有有机的构成成，旨在生生产、传输输、分配、消费电能能的各种电电气设备按按照一定方方式连接的的整体。配电系统和和输电系统统，实际上上是按其实实现的功能能来划分。通常按输输电系统的的降压变电电站中主变变中压侧来来划分，高高压侧断路路器及其连连接的系统统为输电系系统，另一一侧为配电电系统。配配电系统(disttribuutionn sysstem)：是电力力系统中从从输电系统统的变压点点(traansfoormattion

4、 poinnts)向向电力用户户传送电能能的部分，也也是将电能能分配到各各个用户的的最终环节节，包括不不同电压等等级的变电电站、配电电变压器、配电线路路以及把不不同用户连连接起来的的其它电气气设施，常常称为配电电网。 配电网自自动化，是一个涵涵盖面广，用用于管理与与运行配电电网的综合合自动化系系统，包含含了配电网网中的变电电站、馈线线网络、及及用户管理理、监控、优化运行行等功能的的系统。配电自动化化系统是应应用现代电电子技术、通信技术术、计算机机及网络技技术，将配配电网实时时信息、离离线信息、用户信息息、电网结结构参数、地理信息息进行安全全集成，构构成完整的的自动化及及管理系统统，实现配配电网

5、正常常运行及事事故情况下下的监测、保护、控控制和配电电管理。它它是配电自自动化与配配电管理集集成为一体体的系统。目前的功能能：变电站站自动化、馈线自动动化、需方方用电管理理、配电管管理自动化化。1.1 现现场设备：（1）RTTU (RRemotte Teerminnal UUnit)：远动终端端，是采集所所在发电厂厂或变电站站表征电力力系统运行行状态的模模拟量和状状态量，监监视并向调调度中心传传送这些模模拟量和状状态量，执执行调度中中心发往所所在发电厂厂或变电站站的控制和和调节命令令。 (2) FTU（FFeedeer Teerminnal UUnit）: 馈线终终端单元，特特指实现馈馈线段的

6、模模拟、信号号量的测量量、控制、的设备。(3) TTTU(TTranssformmer TTermiinal Unitt):配电电变压器终终端单元，实实现配电变变压器的模模拟、信号号量的远方方设备。(4) DDTU(DDistrributtion Termminall Uniit ):配电终端端单元, 配电环网网柜等设备备的模拟、信号的测测量控制的的设备。(5) IIED(IIntellligeent EElecttroniic Deevicee)智能电电子设备：由一个或或多个微处处理器组成成，完成特特定的功能能，能向外外部装置发发送信息，并并能接受外外部指令的的装置。我国特指发发电厂开关关站

7、或变电电站内实现现四遥的自自动化设备备，目前已已变电站自自 动化系统统取代。 配电网网馈线远方方终端单元元FTU1.2.11 配电网网馈线远方方终端单元元FTU，一般根据据其安装应应用场合的的不同,分为柱上上FTU，环环网柜FTTU(DTU)。不同的的FTU监监测的馈线线回路数据据不一样，但但基本功能能一样，包包括遥信、遥调、遥遥控和故障障电流检测测等功能。 配电网馈馈线终端单单元FTUU, 安装在在柱上开关关处，完成成对柱上开开关的监 控。 FTUU的工作电电源来自FFTU自身身携带的免免维护蓄电电池；开关关的操作电电源以及蓄蓄电池的充充电电源来来自柱上开开关两侧的的电压互感感器。一般般的F

8、TUU采用高性性能单片机机，具有带带光电隔离离的多路开开关量输入入，多路交交流采样，可可远方或就就地控制一一个或多个个对象，具具有重合闸闸功能，可可选配过流流、速断保保护，具有有对时功能能和定值远远方下装和和召唤功能能；具有故故障报告功功能；能在在恶劣环境境（高温、严寒、防防雷、防尘尘、防雨等等）下运行行。1.2.22 FTTU的基本本功能： (1) 遥信功能能：FTUU对柱上开开关当前开开合状态、通信是否否正常、开开关储能、柜门、电池是否否正常、及及保护动作作等信号进进行采集。 (2) 遥测功能能：线路电电压，电流流(零序电流流)有功、无功、电源电压压及蓄电池池容量进行行采集。 (3) 遥控

9、：FFTU接受受区域站转转发的主站站合闸或分分闸命令。 (4) 统计功能能：对开关关的动作次次数和运行行时间和过过电流次数数进行统计计。 (5) 对时功能能：能接收收区域站的的对时命令令。 (6) 事件顺序序记录(SOE)：记录状状态量发生生变化的时时刻的先后后顺序。 (7) 事故记录录：记录事事故发生前前和发生时时的电流、电压、及及功率，便便于 分析事故故，确定故故障区段。 (8) 定值远方方整定和召召唤； (9) 自检自恢恢复，看门门狗。 (10) 远方控控制闭锁与与手动操作作功能。当当进行线路路开关检修修时，相应应的 FTU有有远方控制制闭锁功能能，以确保保操作的安安全性，避避免发生误误

10、操作和恶恶性事故，同同时提供当当地手工合合闸、分闸闸操作。 (11) 通信：总线接口口，以太网网接口。 (12) 扩展：(1)电量量采集，积分方式式得到电量量，用于管管理。 (12) 微机保保护:具备备保护动能能。 (13) 故障录录波(发展中，存存在争议)1.2.33 FTTU选配功功能 （1）采采集交流电电压，实现现对电压、有功功率率、无功功功率的测量量并有互感感 器的异常常报警。 （2）能能够储存顶顶点的电流流量并按照照召唤向子子站或主站站传送。 （3）接接收并执行行对时命令令。 （4）具具有与两个个及以上主主站通信的的功能。 （5）采采集事件顺顺序记录并并向远方传传送。 （6）具具有设

11、备自自诊断或远远方诊断。 （7）具具有通道监监视功能。 （8）具具有当地显显示功能。 （9）采采集电能表表脉冲或多多功能表数数据。 （10）可可具有继电电保护和重重合闸功能能。1.3 开关量量现代IEDD的输入信信息分为，模模拟量和开开关量两种种。开关量主要要包括：由由电力设备备的继电器器触点提供供。反映各各种开关开开合状态、设备的工工作状态。具体信息为为：(1) 短短路器、刀刀闸的状态态。(2) 继继电保护动动作信息。(3) 设设备的运行行信息，断断线、缺相相，运行、停运，正正常、故障障等(4) 其其它，门禁禁，动物进进入等状态态信息，压压力超限，油油温超限等等。以上信号，均均取自现场场设备

12、的继继电器的辅辅助触点，提提供给IEED装置的的辅助触点点信息有两两种：有源源触点和无无源触点。有源触点，通通过一个电电压反映设设备开关量量信息。无源触点，相相当一个开开关，输入入IED装装置时，无无论反映的的是“合”还是“分”，触点两两端均无电电位差。断断路器、隔隔离刀闸的的信息，均均是无源触触点。 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 一般的IEED具备开开关量的输输入功能，因因此开关量量输入是IIED的重重要功能之之一。因此此，对IEED中开关关量采样通通道及软件的处处理算法进进行设计。 二、设计计原理2.1 电电路原理设设计： SKIPIF 1 0 (1)信号号转换环节节：将现场

13、的的开关量信信号（无源源、有源）装装换成计算算机可接 收的逻辑辑电平信号号。(2)信号号调理：将逻辑电电平信号进进行、滤波波和消抖处处理。例RRC滤波器器。(3)隔离离:实现现场场信号和微微处理机或或单片机的的隔离。(4)接口口电路:实现现场场信号和CCPU处理理信号之间间的转换。2.2 各个环节节的电路2.2.11 信号转转换环节:无源触点： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 2.2.22消抖滤波波电路 当开关量量作为输入入信号，在在开关量发发生变化时时，往往伴伴随着电气气设备的 操 作，电气气设备操作作产生的干干扰，可能能耦合到信信号回路中中，信号回回路由此产产生高频干干扰，因此

14、此，在电路路中设置低低通滤波回回路，对部部分高频量量进行滤波波。例如采采用RC滤滤波器。 SKIPIF 1 0 消抖电电路，各类类继电器，节节点动作时时，触点均均有一个抖抖动的过程程，加上 干扰，使使状态发生生错误。处处理结果表表现为，一一次分或合合的过程，表表现为多次次，“分”“合”“分”。下图为一个个典型的消消抖电路：当Ui加大大到UT+时，Uo由 低变变成高电平平，当Uii减到UT- 时，UUo变成低电电平。2.2.33 电气隔隔离电路由于断路器器、隔离开开关的辅助助触点所处处环境恶劣劣，例IEED装置有有一定的距距离，现场场的开关量量与逻辑电电路之间采采用电气隔隔离。作用：使现现场的强

15、电电回路和IIED装置置的弱电回回路隔离，以以免损坏处处理器。 利用现场场断路器或或隔离开关关的辅助触触点S1、S2接通通，去启动动小信号继继电器 K1、KK2，然后后由K1、K2的触触点以K11-1、KK2-1等等输入至测测控装置，这这样做可起起到很好的的隔离作用用。2.2.44接口：并并行接口芯芯片，锁存存器等。 74LSS373等等实现速度度匹配。 三三、详细设设计3.1设计计要求：（1）开关关量输入:10个（2）分辨辨率：5mms（3）两次次事件处理理能力：25mss。（4）光电电隔离: 耐压10000V（5）耐浪浪涌电压: 20000V3.2 性性能指标计计算及元器器件的选择择：3.

16、2.11 开关关量输入:10个； 因因此采用110路通道道。3.2.22 分辨辨率：5mms； 确定定时间有两两种方法：立即计时时法,最终终计时法。 一一般按照定定是方式扫扫查，Tss为周期。如果扫查查时间为 t为0时时，两种方方法结果一一致。当两两个开关动动作时间 大于TTs 时，时时间标记不不会一样。不 足足Ts 时时，时间标标记相同 为了确定事事件的先后后顺序，用用以分开各各个事件所所需的最小小时间间隔隔，标为事事件的分辨辨率，如果果扫描周期期为Ts在在理想情况况下，事件件分辨率为为Ts. 因此，程序序设计，定定时5mss扫描一次次。3.2.33 两次次事件处理理能力：25mss。 在在

17、25mss之内完成成两次事件件的处理。3.2.44 光电电隔离: 耐压10000V； 选择光电耦耦合器PCC817：耐压值55000VV；正向电电流：Iff=50mmA；输出出集电极电电流：Icc=50mmA。 选择择标准：耐耐压值要求求大于10000V，而而PC8117的耐压压值为50000V，符符合要求。 稳压二极管管。选择IN7757型稳稳压二极管管， 稳压压值：8.999.3V；最大工作电电流：522mA。 选择择标准：由由于光电耦耦合器的正正向电流为为50mAA，所以稳稳压管的最最大工作电电流要求在在50mAA左右，IIN7577的最大工工作电流为为52mAA，符合要要求。3.2.6

18、6 二极极管：选择快恢复复整流二极极管1N44001 （反向电电压50VV，正向电电流1.00A， SKIPIF 1 耐浪涌涌电压/550 ,而而耐浪涌电电压为20000V，计计算出来的的反向电压压只要大于于40V就就符合要求求。因此选选择1N44001，反反向电压为为50V，符符合选择标标准。3.2.77 限流流电阻整定定 选择标准准：按光电耦合合器的正向向电流500mA整定定：则R1估算算值： SKIPIF 1 0 。则取R1=1100 SKIPIF 1 0 R2估算值值： SKIPIF 1 0 .则取R2=5000 SKIPIF 1 0 R3估算值值： SKIPIF 1 0 。则取R3=

19、1000 SKIPIF 1 0 3.2.88 与非门：选择标准：因为是一一路，故采采用74HHC04.滤波电路 SKIPIF 1 0 选择标准：R4估算算值：因为为R4、CC1组成滤滤波电路，时时间常数 SKIPIF 1 0 。则选R44=2k SKIPIF 1 0 ，C1=11F，即即 SKIPIF 1 0 施密特触发发器 用门电路路组成的施施密特触发发器下图为由GG1和G22两个CMMOS反相相器组成的的施密特触触发器，输输入电压uu经电阻RR和R分压来控控制反相器器的工作状状态，要求求RR。用门电路组组成的施密密特触发器器其中R1=1k RR2=2kk，则 SKIPIF 1 0 = SK

20、IPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 下图分别为为施密特触触发器反相相输出和同同相输出的的逻辑符号号。框内的的“ ”为施密特特触发器的的限定符号号（左图为为反向输出出，右图为为正向输出出）。工作原理施密特触发发器有两个个稳定状态态，而这两两个稳定状状态的维持持和转换完完全取决于于输入电压压的大小。只要输入入电压u上升到略略大于U+或下降降到略小于于U时，施施密特触发发器的输出出状态就会会发生翻转转，从而输输出边沿陡陡峭的矩形形脉冲。施密特触发发器的电压压传输特性性输入电压uuI上升到使使电路状态态发生翻转转时的值，称称为正向阈阈值电压，用用U+表示。输入电压压u下降

21、到使使电路状态态发生翻转转时的值，称称为负向阈阈值电压，用用U表示。施密特触触发器的正正向阈值电电压U+和负向阈阈值电压UU的差值值，称为回回差电压，用用U表示。 电电压传输特特性反映的的是触发器器输出电压压随输入电电压变化的的规律.反相施密特特触发器电电压传输特特性同相施密特特触发器电电压传输特特性 反反相施密特特触发器:随着输入入电压的升升高和降低低，输出电电压呈反相相变化趋势势。 同同相施密特特触发器:随着输入入电压的升升高和降低低，输出电电压呈同相相变化趋势势。 3.2.111 锁锁存器选择标准：因为是110路开关关量，故用用两个带三三态缓冲输输出的8DD触发器 74LS373373

22、的的输出端 O0OO7 可直直接与总线线相连。 当三态允允许控制端端 OE 为低电平平时，O00O7 为正常逻逻辑状态，可可用来驱动动负载或总总线。当 OE 为为高电平时时，O0O7 呈呈高阻态，即即不驱动总总线，也不不为总线的的负载，但但锁存器内内部的逻辑辑操作不受受影响。当锁存允许许端 LEE 为高电电平时，OO 随数据据 D 而而变。当 LE 为为低电平时时，O 被被锁存在已已建立的数数据电平。当 LEE 端施密密特触发器器的输入滞滞后作用，使使交流和直直流噪声抗抗扰度被改改善 4000mV。引出端符号号：D0D7 数数据输入端端OE 三态允许许控制端（低低电平有效效）LE 锁存允许许端

23、 O00O7 输出端真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态 3.2.112 微处理器器：采用MCSS-51. 利用774LS3373实现现锁存，与与C51速速配。3.3 开开关量采集集程序算法法和程序流流程设计：3.3.11 开关信信号的识别别编程时开关关变位识别别是开关量量采集过程程中，一项项十分重要要的工作，假假设CPUU 从十六六位锁存器器得到开关关状态（11表示“合”，0表示“分“），对一一路连续三三次采样，三三决二，AA.B+BB.C+CC.A（一一个点，11 1 00 结果果为1）得得到这一路路的开关量量 。然后后对十六路路进行开关关状态的判判断。 判断方法法

24、： 原开关状状态： DD9 DD8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 1 00 11 00 开关状态态： DD9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 对比：DD6 11变0、 D4 00变1、DD1 1变变0，D00 0变11 (1) 用原开关关状态和现现开关状态态异或（ SKIPIF 1 0 ）运算发现现变位 0 0 00 1 0 1 00 0 1 1 (2) 变位位与与原开关状状态“与”, 发现现由1 变变0位 原开开关状态：1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0

25、 1 1 结果果： 00 0 0 1 0 0 0 0 1 0结果表示DD6、D1，由 1变0。(3) 现现状态与变变位字节“与”发现变位位由0变为为1位现开关状态态：1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 00 0 0 1 0 1 0 0 1 1结果： 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1结果表示DD4、D0由0变11。总结：现运运行状态 原运行行状态得到到的值,有有变位位是是1，结果果原状态, 结果是是1的位,表示1变变0。结果果现状态，11 位是00变1。3.3.22 程序序流程设计计 SKIPIF 1 0 3.4设计计总图 SKIPIF 1 0 四、设计总总结 课程设计计是培养学学生综合运运用所学知知识,发现,提出,分析和解解决实际问问题,锻炼实践践能力的重重要环节,是对学生生实际工作作能力的具具体训练和和考察过程程。随着国民民经济的发发展，人民民物质文化化生活水平平的提高，对对电力的需需求越开越越大，电网网规模不断断扩大，电电力市场对对电能质量量的要求更更为严格，要要求电力系系统应提供供更为安全全、可靠、经济和高高质量的电电能。配电电网自动化化系统是能能够实时监监视、协调调