配电自动化远动终端FTU开关量采样通道及软件设计

1、配电网自动化技术课程设计任务书题 目配电自动化远动动终端FTUU开关量采样样通道及软件件设计学生姓名学号专业班级设计内容与要求1背景FTU是配电自自动化系统的的重要设备，在在配电自动化化系统中得到到了广泛的应应用。开关量量采样通道是是FTU的重重要部分。开关量输入:110个分辨率：5mss两次事件处理能能力：25ms。光电隔离: 耐耐压10000V耐浪涌电压: 2000VV2设计要求熟悉开关量采样样通道电路的的工作原理。熟悉FTU的功功能和性能。通过互联网查询询选择各类器器件。掌握器件的性能能参数。3设计内容根据以上要求设设计FTU开开关量采样通通道。性能指标计算电路设计。根据性能指标，选选择

2、元器件。开关量采集程序序算法和程序序流程设计。撰写设计报告起止时间2011 年 12 月 20 日 至 20011 年 12 月 27日指导教师签名年 月 日系（教研室）主主任签名年 月 日学生签名年 月 日 目录一、设计由来111.1现场设备备概念1 1.2配配电网馈线远远方终端单元元FTU简介介 2 1.3开开关量内容3二、设计原理 4 2.1 电路原理设设计4 2.2 各环节电路路5三、详细设计 7 3.1设设计要求 7 3.2 性能指标计计算及元器件件的选择7 3.3开开关量的采集集程序算法及及程序流程设计计15四、设计总结17 五、附录：参考考文献 118一、设计由来电力系统由发电电

3、系统，输电电系统，配电电系统构成。它是由大量的发电机、变压器、电力线路和负荷等设备有机的构成，旨在生产、传输、分配、消费电能的各种电气设备按照一定方式连接的整体。配电系统和输电电系统，实际际上是按其实实现的功能来来划分。通常常按输电系统统的降压变电电站中主变中中压侧来划分分，高压侧断断路器及其连连接的系统为为输电系统，另另一侧为配电电系统。配电电系统(diistribbutionn systtem)：是是电力系统中中从输电系统统的变压点(transsformaation pointts)向电力力用户传送电电能的部分，也也是将电能分分配到各个用用户的最终环环节，包括不不同电压等级级的变电站、配配

4、电变压器、配配电线路以及及把不同用户户连接起来的的其它电气设设施，常称为为配电网。 配电网自动化化，是一个涵盖盖面广，用于于管理与运行行配电网的综综合自动化系系统，包含了了配电网中的的变电站、馈馈线网络、及及用户管理、监监控、优化运运行等功能的的系统。配电自动化系统统是应用现代代电子技术、通通信技术、计计算机及网络络技术，将配配电网实时信信息、离线信信息、用户信信息、电网结结构参数、地地理信息进行行安全集成，构构成完整的自自动化及管理理系统，实现现配电网正常常运行及事故故情况下的监监测、保护、控控制和配电管管理。它是配配电自动化与与配电管理集集成为一体的的系统。目前的功能：变变电站自动化化、馈

5、线自动动化、需方用用电管理、配配电管理自动动化。1.1 现场设设备：（1）RTU (Remoote Teerminaal Uniit)：远动终端，是采集所在在发电厂或变变电站表征电电力系统运行行状态的模拟拟量和状态量量，监视并向向调度中心传传送这些模拟拟量和状态量量，执行调度度中心发往所所在发电厂或或变电站的控控制和调节命命令。 (2) FTTU（Feeeder TTerminnal Unnit）: 馈线终端单单元，特指实实现馈线段的的模拟、信号号量的测量、控控制、的设备备。(3) TTUU(Trannsformmer Teerminaal Uniit):配电电变压器终端端单元，实现现配电变压

6、器器的模拟、信信号量的远方方设备。(4) DTUU(Disttributtion TTerminnal Unnit ):配电终端单单元, 配电电环网柜等设设备的模拟、信信号的测量控控制的设备。(5) IEDD(Inteelligeent Ellectroonic DDevicee)智能电子子设备：由一一个或多个微微处理器组成成，完成特定定的功能，能能向外部装置置发送信息，并并能接受外部部指令的装置置。我国特指发电厂厂开关站或变变电站内实现现四遥的自动动化设备，目目前已变电站站自 动动化系统取代代。 配电网馈线线远方终端单单元FTU1.2.1 配电网馈线远远方终端单元元FTU，一般根据其其安装应

7、用场场合的不同,分为柱上FFTU，环网网柜FTU(DTU)。不同的FFTU监测的的馈线回路数数据不一样，但但基本功能一一样，包括遥遥信、遥调、遥遥控和故障电电流检测等功功能。 配电网馈线终终端单元FTTU, 安装在柱柱上开关处，完完成对柱上开开关的监 控。 FTU的的工作电源来来自FTU自自身携带的免免维护蓄电池池；开关的操操作电源以及及蓄电池的充充电电源来自自柱上开关两两侧的电压互互感器。一般般的FTU采用高高性能单片机机，具有带光光电隔离的多多路开关量输输入，多路交交流采样，可可远方或就地地控制一个或或多个对象，具具有重合闸功功能，可选配配过流、速断断保护，具有有对时功能和和定值远方下下装

8、和召唤功功能；具有故故障报告功能能；能在恶劣环境境（高温、严严寒、防雷、防防尘、防雨等等）下运行。1.2.2 FTU的的基本功能： (1) 遥信信功能：FTTU对柱上开开关当前开合合状态、通信是否正正常、开关储能、柜门、电池是否正正常、及保护护动作等信号号进行采集。 (2) 遥测测功能：线路路电压，电流流(零序电流)有功、无功、电源电压及及蓄电池容量量进行采集。 (3) 遥控控：FTU接接受区域站转转发的主站合合闸或分闸命命令。 (4) 统计计功能：对开开关的动作次次数和运行时时间和过电流流次数进行统计计。 (5) 对时时功能：能接接收区域站的的对时命令。 (6) 事件件顺序记录(SOE)：记

9、录状态态量发生变化化的时刻的先先后顺序。 (7) 事故故记录：记录录事故发生前前和发生时的的电流、电压压、及功率，便便于 分析事故，确确定故障区段段。 (8) 定值值远方整定和和召唤； (9) 自检检自恢复，看看门狗。 (10) 远远方控制闭锁锁与手动操作作功能。当进进行线路开关关检修时，相相应的 FTU有远远方控制闭锁锁功能，以确确保操作的安安全性，避免免发生误操作作和恶性事故故，同时提供供当地手工合合闸、分闸操操作。 (11) 通通信：总线接接口，以太网网接口。 (12) 扩扩展：(1)电量采集，积分方式得得到电量，用用于管理。 (12) 微微机保护:具具备保护动能能。 (13) 故故障录

10、波(发展中，存存在争议)1.2.3 FTU选选配功能 （1）采集交交流电压，实实现对电压、有有功功率、无无功功率的测测量并有互感感 器的异常报报警。 （2）能够储储存顶点的电电流量并按照照召唤向子站站或主站传送送。 （3）接收并并执行对时命命令。 （4）具有与与两个及以上上主站通信的的功能。 （5）采集事事件顺序记录录并向远方传传送。 （6）具有设设备自诊断或或远方诊断。 （7）具有通通道监视功能能。 （8）具有当当地显示功能能。 （9）采集电电能表脉冲或或多功能表数数据。 （10）可具具有继电保护护和重合闸功功能。1.3 开开关量现代IED的输输入信息分为为，模拟量和和开关量两种种。开关量主

11、要包括括：由电力设设备的继电器器触点提供。反反映各种开关关开合状态、设设备的工作状状态。具体信息为：(1) 短路器器、刀闸的状状态。(2) 继电保保护动作信息息。(3) 设备的的运行信息，断断线、缺相，运运行、停运，正正常、故障等等(4) 其它，门门禁，动物进进入等状态信信息，压力超超限，油温超超限等。以上信号，均取取自现场设备备的继电器的的辅助触点，提提供给IEDD装置的辅助助触点信息有有两种：有源源触点和无源源触点。有源触点，通过过一个电压反反映设备开关关量信息。无源触点，相当当一个开关，输输入IED装装置时，无论论反映的是“合”还是“分”，触点两端端均无电位差差。断路器、隔隔离刀闸的信信

12、息，均是无无源触点。 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 一般的IED具具备开关量的的输入功能，因因此开关量输输入是IEDD的重要功能能之一。因此此，对IEDD中开关量采采样通道及软件的处理理算法进行设设计。 二、设计原理理2.1 电路原原理设计： SKIPIF 1 0 (1)信号转换换环节：将现场的开开关量信号（无无源、有源）装装换成计算机机可接 收的逻辑辑电平信号。(2)信号调理理：将逻辑电平平信号进行、滤滤波和消抖处处理。例RCC滤波器。(3)隔离:实实现现场信号号和微处理机机或单片机的的隔离。(4)接口电路路:实现现场信信号和CPUU处理信号之之间的转换。2.2 各个个环节的电

13、路路2.2.1 信信号转换环节节:无源触点： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 2.2.2消抖抖滤波电路 当开关量作为为输入信号，在在开关量发生生变化时，往往往伴随着电电气设备的 操 作，电气设设备操作产生生的干扰，可可能耦合到信信号回路中，信信号回路由此此产生高频干干扰，因此，在在电路中设置置低通滤波回回路，对部分分高频量进行行滤波。例如如采用RC滤滤波器。 SKIPIF 1 0 消抖电路，各各类继电器，节节点动作时，触触点均有一个个抖动的过程程，加上 干扰扰，使状态发发生错误。处处理结果表现现为，一次分分或合的过程程，表现为多多次，“分”“合”“分”。下图为一个典型型的消抖电路路

14、：当Ui加大到UUT+时，Uo由 低变成成高电平，当当Ui减到UT- 时，UUo变成低电平平。2.2.3 电电气隔离电路路由于断路器、隔隔离开关的辅辅助触点所处处环境恶劣，例例IED装置置有一定的距距离，现场的的开关量与逻逻辑电路之间间采用电气隔隔离。作用：使现场的的强电回路和和IED装置置的弱电回路路隔离，以免免损坏处理器器。 利用用现场断路器器或隔离开关关的辅助触点点S1、S22接通，去启启动小信号继继电器 K1、KK2，然后由由K1、K22的触点以KK1-1、KK2-1等输输入至测控装装置，这样做做可起到很好好的隔离作用用。2.2.4接口口：并行接口口芯片，锁存存器等。 74LLS373

15、等等实现速度匹匹配。 三、详细细设计3.1设计要求求：（1）开关量输输入:10个个（2）分辨率：5ms（3）两次事件件处理能力：25ms。（4）光电隔离离: 耐压11000V（5）耐浪涌电电压: 20000V3.2 性能指指标计算及元元器件的选择择：3.2.1 开关量输输入:10个个； 因此采用100路通道。3.2.2 分辨率：5ms； 确定时间有有两种方法：立即计时法法,最终计时时法。 一般按照照定是方式扫扫查，Ts为为周期。如果果扫查时间为为 t为0时时，两种方法法结果一致。当当两个开关动动作时间 大于Ts 时，时间标标记不会一样样。不 足足Ts 时，时时间标记相同同 为了确定事件的的先后

16、顺序，用用以分开各个个事件所需的的最小时间间间隔，标为事事件的分辨率率，如果扫描描周期为Tss在理想情况况下，事件分分辨率为Tss. 因此，程序设计计，定时5mms扫描一次次。3.2.3 两次事件件处理能力：25ms。 在25mms之内完成成两次事件的的处理。3.2.4 光电隔离离: 耐压11000V； 选择光电耦合器器PC8177：耐压值55000V；正向电流：If=500mA；输出出集电极电流流：Ic=550mA。 选择标准准：耐压值要要求大于10000V，而而PC8177的耐压值为为5000VV，符合要求求。 稳压二极管。选择IN7577型稳压二极极管， 稳压压值：8.999.33V；最

17、大工作电流流：52mA。 选择标准：由于光电耦耦合器的正向向电流为500mA，所以以稳压管的最最大工作电流流要求在500mA左右，IIN757的的最大工作电电流为52mmA，符合要要求。3.2.6 二极管：选择快恢复整流流二极管1NN4001 （反向电压压50V，正正向电流1.0A， SKIPIF 1 耐浪涌涌电压/500 ,而耐浪浪涌电压为22000V，计计算出来的反反向电压只要要大于40VV就符合要求求。因此选择择1N40001，反向电电压为50VV，符合选择择标准。3.2.7 限流电阻整整定 选择择标准：按光电耦合器器的正向电流流50mA整定定：则R1估算值： SKIPIF 1 0 。则

18、取R1=1000 SKIPIF 1 0 R2估算值： SKIPIF 1 0 .则取R2=5000 SKIPIF 1 0 R3估算值： SKIPIF 1 0 。则则取R3=1000 SKIPIF 1 0 3.2.8 与非门：选择标准：因为为是一路，故故采用74HHC04.滤波电路 SKIPIF 1 0 选择标准：R44估算值：因因为R4、CC1组成滤波波电路，时间间常数 SKIPIF 1 0 。则选选R4=2kk SKIPIF 1 0 ，C1=1F，即 SKIPIF 1 0 施密特触发器 用门电电路组成的施施密特触发器器下图为由G1和和G2两个CCMOS反相相器组成的施施密特触发器器，输入电压压

19、u经电阻R和R分压来控制制反相器的工工作状态，要要求RR。用门电路组成的的施密特触发发器其中R1=1kk R2=22k，则 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 下图分别为施密密特触发器反反相输出和同同相输出的逻逻辑符号。框框内的“ ”为施密特触触发器的限定定符号（左图图为反向输出出，右图为正正向输出）。工作原理施密特触发器有有两个稳定状状态，而这两两个稳定状态态的维持和转转换完全取决决于输入电压压的大小。只只要输入电压压u上升到略大大于U+或下降到到略小于U时，施密密特触发器的的输出状态就就会发生翻转转，从而输出出边沿陡峭的的矩形脉冲

20、。施密特触发器的的电压传输特特性输入电压uI上上升到使电路路状态发生翻翻转时的值，称称为正向阈值值电压，用UU+表示。输输入电压u下降到使电电路状态发生生翻转时的值值，称为负向向阈值电压，用用U表示。施施密特触发器器的正向阈值值电压U+和负向阈值值电压U的差值，称称为回差电压压，用U表示。 电压传输输特性反映的的是触发器输输出电压随输输入电压变化化的规律.反相施密特触发发器电压传输输特性同相施密特触发发器电压传输输特性 反相施施密特触发器器:随着输入入电压的升高高和降低，输输出电压呈反反相变化趋势势。 同相施施密特触发器器:随着输入入电压的升高高和降低，输输出电压呈同同相变化趋势势。 3.2.

21、11 锁存器选择标准：因为为是10路开开关量，故用用两个带三态态缓冲输出的的8D触发器器 74LS373373 的输出出端 O0O7 可直直接与总线相相连。 当三态允许许控制端 OOE 为低电电平时，O00O7 为为正常逻辑状状态，可用来来驱动负载或或总线。当 OE 为高高电平时，OO0O7 呈高阻态，即即不驱动总线线，也不为总总线的负载，但但锁存器内部部的逻辑操作作不受影响。当锁存允许端 LE 为高高电平时，OO 随数据 D 而变。当当 LE 为为低电平时，OO 被锁存在在已建立的数数据电平。当当 LE 端端施密特触发发器的输入滞滞后作用，使使交流和直流流噪声抗扰度度被改善 4400mV。引

22、出端符号：D0D77 数据输入入端OE 三态态允许控制端端（低电平有有效）LE 锁存存允许端 O0OO7 输出端端真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态 3.2.12 微处理器：采用MCS-551. 利用744LS3733实现锁存，与与C51速配配。3.3 开关量量采集程序算算法和程序流流程设计：3.3.1 开开关信号的识识别编程时开关变位位识别是开关关量采集过程程中，一项十十分重要的工工作，假设CCPU 从十十六位锁存器器得到开关状状态（1表示示“合”，0表示“分“），对一路路连续三次采采样，三决二二，A.B+B.C+CC.A（一个个点，1 11 0 结结果为1）得得到

23、这一路的的开关量 。然然后对十六路路进行开关状状态的判断。 判断方法： 原开关状态： DD9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 00 1 1 0 1 0 1 00 开关关状态： DD9 DD8 D77 D6 D5 D4 DD3 D22 D1 D0 1 00 0 0 1 1 1 00 0 11 对比比：D6 1变0、 D4 0变变1、D1 1变0，DD0 0变11 (11) 用原开开关状态和现现开关状态异异或（ SKIPIF 1 0 ）运算发现变变位 0 00 0 1 0 1 00 0 1 1 (22) 变位位位与原开关状状态“与”, 发现由由1 变0位位 原开关状态

24、态：1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 结结果： 00 0 0 1 0 0 0 0 1 0结果表示D6、DD1，由 1变0。(3) 现状态态与变位字节节“与”发现变位由由0变为1位位现开关状态：11 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1结果： 00 0 0 0 0 1 0 0 0 1结果表示D4、DD0由0变1。总结：现运行状状态 原运行状状态得到的值值,有变位位位是1，结果果原状态, 结果是1的的位,表示11变0。结果果现状态，11 位是0变变1。3.3.2 程序流程设设计 SKIPIF 1 0 3.4设计总图图 SKIPIF 1 0 四、设计总结 课程程设计是培养养学生综合运运用所学知识识,发现,提出,分析和解决决实际问题,锻炼实践能能力的重要环环节,是对学生实实际工作能力力的具体训练练和考察过程程。随着国民经经济的发展，人人民物质文化化生活水平的的提高，对电电力的需求越越开越大，电电网规模不断断扩大，电力力市场对电能能质量的要求求更为严格，要要求电力系统统应提供更为为安全、可靠靠、经济和高高质量的电能能。配电网自自动化系统是是能够实时监监视、