配電網自動化技術郭謀發(fā)CH4配電網饋線監(jiān)控終端【修訂】

第4章配電網饋線監(jiān)控終端4.1饋線監(jiān)控終端簡介4.1.1饋線監(jiān)控終端功能及性能要求4.1.2饋線監(jiān)控終端構成4.1.3饋線終端單元硬件4.1.4饋線終端單元軟件4.1.5環(huán)網柜和開閉所的饋線終端單元4.2饋線監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集原理4.2.1概述4.2.2模擬量采集的基本原理4.2.3交流采樣算法4.2.4數(shù)字濾波原理4.2.5開關量輸入/輸出4.3饋線監(jiān)控終端實例4.3.1FD-F2010型饋線監(jiān)控終端的構成4.3.2F2010B型饋線終端單元硬件4.3.3F2010B型饋線終端單元軟件4.4饋線故障指示器4.4.1概述4.4.2短路故障指示器4.4.3故障指示器的應用和發(fā)展第一頁，共七十一頁。饋線監(jiān)控終端應具有功能：遙信、遙測、遙控對時事故記錄、事件順序記錄定值遠方修改和召喚定值通信功能故障錄波……4.1饋線監(jiān)控終端簡介一、饋線監(jiān)控終端功能及性能要求第二頁，共七十一頁。饋線監(jiān)控終端作為一個獨立的智能設備，一般由1個或若干個核心模塊饋線終端單元（獨立機殼）、外置接口電路板、充電器、蓄電池、機箱外殼以及各種附件組成。各種附件包括就地遠方控制把手、分合閘按鈕、跳合位置指示燈、接線端子排、航空接插件、空氣開關、除濕和加熱器等。二、饋線監(jiān)控終端的構成第三頁，共七十一頁。圖3-1饋線終端單元硬件框圖三、饋線終端單元的硬件第四頁，共七十一頁。1.交流量采集回路交流量采集回路設計主要需考慮的是：該饋線終端單元的應用場合需要監(jiān)視的交流通道數(shù)量和各通道的輸入范圍前置低通濾波器的參數(shù)A／D轉換的精度、輸入范圍和轉換速度。第五頁，共七十一頁。交流量采集回路--交流通道數(shù)量交流通道數(shù)量取決于饋線終端單元需要監(jiān)視的饋線數(shù)量。一條饋線需要監(jiān)視的交流量主要有三相電壓、三相電流共計6個交流量。如果饋線終端單元需要監(jiān)視分段器，則需要考慮引入分段器兩側的饋線電壓量以用于備用電源自動投入，此時饋線終端單元需要監(jiān)視的量就達到了9個（6路電壓、3路電流）。第六頁，共七十一頁。交流量采集回路--交流輸入的量程在配電網自動化終端設計中，TA取了一個既能保證一定的測量精度，又能滿足短路故障時不會深度飽和的TA。饋線終端單元內的電流互感器的輸入范圍不同于傳統(tǒng)的保護或監(jiān)控裝置，一般來說，其動態(tài)輸入范圍為0-50A。第七頁，共七十一頁。交流量采集回路--濾波及采樣點數(shù)由于采樣頻率為信號頻率的幾十倍甚至上百倍，使用FFT等數(shù)字濾波的效果極為明顯。它能非常真實的分離出系統(tǒng)的基波分量和通常所關心的高次諧波分量，這樣饋線終端單元中對前置低通濾波器一般采用一個一階RC無源低通濾波器就足夠了。由于一階低通濾波器的濾波特性不太理想，考慮一定的裕度，截止頻率取1500Hz（30次諧波）左右，則采樣頻率為每周波64點或以上。第八頁，共七十一頁。交流量采集回路--A／D轉換的速度、精度和范圍饋線終端單元內部經小TA、小TV變換后的信號的電壓幅度越大，其受噪聲干擾的影響也就越小。因而在選取小TA、小TV的輸出范圍和A／D的輸入范圍時，應該越大越好。工作環(huán)境的電磁噪聲強度往往處在1~10mV之間，A／D轉換的最小分辨率低于5mV無甚意義。以輸入范圍為±10V的A／D來說，12位（最小分辨率為±5mV）或14位（最小分辨率為±1.25mV）精度已經足夠了。至于A／D轉換的速度，取決于采樣通道數(shù)量，另外與軟件處理方式有一定關系，一般每秒采樣10~50萬次已經足夠。第九頁，共七十一頁。開關位置信號，彈簧儲能信號，接地刀閘信號，工作電源的失電信號等，因而每饋線提供6~8個數(shù)字量輸入已能滿足要求。硬件上一般增加低通濾波回路以防止高頻電磁干擾造成遙信誤報，軟件上采用變位記錄并延時確認的方式避免接點抖動造成遙信誤報。由于許多饋線終端單元安裝在戶外甚至電線桿上，檢修維護極為不便，設計時最好能考慮到遙信量自檢功能。2.數(shù)字量輸入回路第十頁，共七十一頁。提供返校通道能保證在錯誤的遙控命令已發(fā)出的情況下，通過返?；芈愤€能及時發(fā)現(xiàn)錯誤命令并立即閉鎖遙控出口，避免事故發(fā)生。返校回路也能保證饋線終端單元能定期地對遙控回路監(jiān)視，防患于未然。3.數(shù)字量輸出回路第十一頁，共七十一頁。饋線終端單元除了需完成交流采樣和故障檢測外，更重要的是應與配電網主站或子站通信，及時將遙測、遙信和故障信號傳到主站或子站，并執(zhí)行主站或子站相應的遙控命令。饋線終端單元的人機界面包括按鍵及顯示兩部分。顯示部分一般采用液晶顯示器，也有采用便攜電腦由軟件提供數(shù)據(jù)顯示及人機交互功能4.通信接口及人機界面第十二頁，共七十一頁。按照功能劃分，將不同的功能分配給不同的CPU來處理由DSP完成數(shù)據(jù)濾波和處理由網絡協(xié)處理器完成以太網通信由主CPU完成邏輯運算和其他功能。5.CPU第十三頁，共七十一頁。1.測控功能饋線終端單元的測控功能包括交流電壓、電流信號的高速實時采樣和有效值計算，有功、無功、功率因數(shù)計算，各交流量的2~16次高次諧波分量及諧波總量計算；遙信量的采集及上送；遙控返校及執(zhí)行等功能。四、饋線終端單元軟件第十四頁，共七十一頁。2.故障檢測功能（1）相間短路故障檢測故障檢測通過監(jiān)視交流輸入相電流或零序電流是否超過整定值，來判別短路故障。①相電流的整定值一般是選為大于線路的最大負荷電流值；②零序電流的整定值要躲過系統(tǒng)正常運行時的不平衡電流值。四、饋線終端單元軟件第十五頁，共七十一頁。2.故障檢測功能（1）相間短路故障檢測涌流電流最大時可以達到配電變壓器額定電流的6~8倍，在配電網中勵磁涌流通常需要0.1~0.15s才衰減完畢。在空投變壓器時，通常會出現(xiàn)勵磁涌流現(xiàn)象，涌流波形的二次諧波含量一般大于15%的基波電流。通過檢測二次諧波含量的大小，可以有效地區(qū)分線路合閘送電和饋線短路故障。當并聯(lián)電容器投入時，也會出現(xiàn)很大的合閘沖擊電流，不過它衰減更快，可以通過二次諧波制動方案結合兩個周波的故障延時確認。第十六頁，共七十一頁。2.故障檢測功能（2）單相接地故障檢測單相接地選線和定位在配電網中是一個技術難點，單相接地故障占配電網總故障的70%以上。配電網自動化的通信系統(tǒng)使得小電流接地系統(tǒng)接地故障檢測方案可綜合考慮各處饋線終端單元的零序電流數(shù)據(jù)。對零序電流測量，有直接和間接兩種測量方式。直接方式是饋線終端單元直接接入零序電流互感器的二次輸出，直接采集零序電流；間接方式是饋線終端單元接入三相電流互感器的二次輸出，軟件將采集的三相電流相加，間接計算出零序電流值。第十七頁，共七十一頁。1.柱上開關饋線終端單元一般的饋線終端單元都是按監(jiān)控一條線路設計的，在碰到同桿架設兩條線路的情況時，可以用同時裝設兩臺饋線終端單元的辦法來解決這一問題。一般兩臺饋線終端單元用級連的方法相連，兩臺饋線終端單元一主一從，只有主饋線終端單元直接和主站系統(tǒng)通信，從饋線終端單元通過主饋線終端單元間接和主站系統(tǒng)通信。五、環(huán)網柜和開閉所的饋線終端單元第十八頁，共七十一頁。環(huán)網柜饋線終端單元安裝在環(huán)網柜內。環(huán)網柜一般都為2路進線，多路出線，因此環(huán)網柜饋線終端單元至少需要監(jiān)控四條線路，要求饋線終端單元有很大的數(shù)據(jù)容量。采用柜式結構，多個帶CPU的饋線終端單元板插到機柜的插槽中，采用CAN總線方式實現(xiàn)互聯(lián)。CPU單元CAN控制器SJA1000高速光耦6N137CAN網接口CAN接口82C250CANBus2.環(huán)網柜的饋線終端單元第十九頁，共七十一頁。對開閉所饋線終端單元的實現(xiàn)，主要有兩種方案：一種是每個饋線終端單元分別監(jiān)視一條或幾條饋線，同時各饋線終端單元間通過通信網絡互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)和共享。系統(tǒng)可以分散安裝，各饋線終端單元功能獨立，接線相對簡單，便于系統(tǒng)擴充和運行維護。另一種方案是在傳統(tǒng)的RTU基礎上將功能增強，提供故障檢測功能，甚至繼電保護及備用電源自投等功能，由類似的成套設備來完成全部的功能。這種方案不利于安裝及維護，系統(tǒng)擴充也不方便，另外整個系統(tǒng)穩(wěn)定性也相對較低。3.開閉所的饋線終端單元第二十頁，共七十一頁。模擬信號首先被轉換成與饋線終端單元的CPU相匹配的電平信號；把來自電壓互感器和電流互感器的交流電波形的幅值降低，以達到電平配合的目的。經過前置模擬低通濾波器濾除其中的高頻分量；經過模數(shù)轉換器把模擬量轉化成相對應的數(shù)字量；CPU利用得到的數(shù)字量并結合一定算法求得各電參數(shù)的值。4.2饋線監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集原理一、概述第二十一頁，共七十一頁。饋線終端單元輸入的開關量包括內部和外部兩類開關量。饋線終端單元輸出的開關量則主要有跳閘、合閘信號及其他控制信號，如饋線終端單元面板上顯示的信號等。饋線終端單元的開關量接口電路設計的要點之一是實現(xiàn)饋線終端單元內外部之間的電氣隔離，以保證饋線終端單元內部弱電電路的安全并減少外部干擾。一、概述第二十二頁，共七十一頁。二、模擬量采集的基本原理被調制的脈沖載波調制信號可以把采樣過程看作是脈沖調幅過程1.模擬量的采樣離散化第二十三頁，共七十一頁。模擬信號x(t)首先通過采樣保持器，每隔一段時間采樣一次（定時采樣）輸入信號的即時幅度，并把它存放在保持電路里面供A／D轉換使用。經過采樣以后的信號稱為離散時間信號xs(t)，可表示為(4-2)

第二十四頁，共七十一頁。對于50Hz的正弦交流電流、電壓來說，理論上只要每個周波采樣兩點就可以表示其波形的特點了。但為了保證計算準確度，需要有更高的采樣頻率。一般取每個周波12點、16點、20點或24點的采樣頻率。如果為了分析諧波，例如考慮到16次諧波，則需要采用每個周波32點的采樣速率，即采樣頻率為1600Hz。第二十五頁，共七十一頁。2.采樣方式（1）基本采樣方式1）異步采樣異步采樣也稱定時采樣。等間隔采樣周期保持不變，即為常數(shù)。采樣頻率通常取為工頻的整倍數(shù)。2）同步采樣同步跟蹤采樣。通過硬件或軟件測取基頻周期的變化，然后動態(tài)調整采樣周期來實現(xiàn)。第二十六頁，共七十一頁。（2）多通道采樣方式1）同時采樣a）b）圖4-6同時采樣a）同時采樣，同時A／D轉換b）同時采樣，順序A／D采樣2.采樣方式第二十七頁，共七十一頁。（2）多通道采樣方式2）順序采樣圖3-13順序采樣，順序A／D轉換2.采樣方式第二十八頁，共七十一頁。假設先對三相電流及零序電流采樣后，再對三相電壓及零序電壓采樣，且同相電壓與電流間的各項參數(shù)為：

于是同相電壓與電流通道采樣值間隔的電氣角度為第二十九頁，共七十一頁。（1）分辨率12位、16位模數(shù)轉換器的分辨率分別是12和16，若12位模數(shù)轉換器的滿量程為±5V。其滿量程的為，如果輸入電壓的變化量比0.0024V還小，則模數(shù)轉換器將無法分辨。（2）輸入模擬量的極性指模數(shù)轉換器要求輸入信號是單極性或雙極性電壓。3.模數(shù)轉換器的主要技術指標第三十頁，共七十一頁。（3）量程。指模數(shù)轉換器輸入模擬電壓的范圍，如：0V～+5V，0V～+10V，-5V～+5V等。（4）精度。模數(shù)轉換器的轉換精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示絕對精度單位，如精度是最低位的1/2位即±1/2LSB；而用百分比來表示滿量程的相對誤差，如0.05％。（5）轉換時間。指模數(shù)轉換器完成一次將模擬量轉換為數(shù)字量的過程所需要的時間。3.模數(shù)轉換器的主要技術指標第三十一頁，共七十一頁。（1）算法的基本概念連續(xù)型的電壓、電流等模擬信號經過離散采樣和模／數(shù)變換成為數(shù)字量后，CPU將對這些數(shù)字量進行分析、計算，得到所需的電參數(shù)。而完成上述分析計算的方法，就稱為交流采樣算法。三、交流采樣算法1.概述第三十二頁，共七十一頁。（2）衡量算法優(yōu)劣的標準兩種消除噪聲分量的影響提高參數(shù)計算精度的途徑：其一是首先采用性能完善的濾波器對輸入信號進行濾波處理，然后根據(jù)濾波后得到的有效信號進行參數(shù)計算。其二是將濾波與參數(shù)計算算法相融合，通過合理設計，使參數(shù)計算算法本身具有良好的濾波性能。算法的計算速度包含兩方面的含義：一是指算法的數(shù)據(jù)窗長度，即需要采用多少個采樣數(shù)據(jù)才能計算出所需的參數(shù)值；二是指算法的計算量，算法越復雜，運算量也越大，在相同的硬件條件下，計算時間也越長。第三十三頁，共七十一頁。（3）保護和監(jiān)控對算法的不同要求監(jiān)控需要CPU得到的是反映正常運行狀態(tài)的電參數(shù)繼電保護更關心的是反映故障特征的量，例如頻譜、突變量、負序或零序分量、以及諧波分量等。監(jiān)控在算法的準確性上要求更高一些，希望計算出的結果盡可能準確；繼電保護則更看重算法的速度和靈敏性，必須在故障后盡快反應，以便快速切除故障。第三十四頁，共七十一頁。為了獲得被測電量值，必須對采樣所得的一組離散量進行計算。由交流采樣計算電氣量的算法比較多，如有效值法、兩點乘積法、導數(shù)法、半周積分法及傅里葉級數(shù)算法等。2.電氣量交流采樣算法第三十五頁，共七十一頁。傅里葉級數(shù)算法假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為第三十六頁，共七十一頁。x(t)中的基波分量為合并正弦、余弦項，可寫為用和角公式展開得到傅里葉級數(shù)算法第三十七頁，共七十一頁。用復數(shù)表示為有效值和相角為積分可以用梯形法則求得傅里葉級數(shù)算法第三十八頁，共七十一頁。N=12時

傅里葉級數(shù)算法第三十九頁，共七十一頁。已求得基波的實部和虛部參數(shù)，因此，可以方便地實現(xiàn)任意角度的移相傅里葉級數(shù)算法第四十頁，共七十一頁。求得A、B、C三相基波的實部和虛部參數(shù)后，可得到A、B、C三相的基波相量，進而求得A相（或B、C相）正序、負序和零序的對稱分量傅里葉級數(shù)算法第四十一頁，共七十一頁。例3-1饋線終端單元的CPU對一交流電壓信號進行等間隔的A／D采樣，得到的5個采樣點經變換后的實際物理量值分別為：用交流采樣傅里葉算法求其有效值（單位：V）。傅里葉級數(shù)算法第四十二頁，共七十一頁。傅里葉級數(shù)算法第四十三頁，共七十一頁。濾波器是一個裝置或系統(tǒng)，用于對輸入信號進行某種加工處理，以達到取得信號中的有用信息而去掉無用成分的目的。圖4-9模擬式濾波基本流程圖4-10數(shù)字式濾波基本流程四、饋線監(jiān)控終端數(shù)據(jù)濾波原理1.基本概念第四十四頁，共七十一頁。模擬濾波器（1）無源低通濾波器圖4-11二階無源低通濾波器（2）二階有源低通濾波器圖4-12二階有源低通濾波器電路第四十五頁，共七十一頁。數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器通常是指一種程序或算法，數(shù)字濾波器的運算過程可用下述線性差分方程來描述，即式中，、為濾波器的輸入值和輸出值序列；為濾波器系數(shù)。第四十六頁，共七十一頁。圖4-22開關量輸入電路示意圖五、開關量輸入/輸出1.開關量輸入第四十七頁，共七十一頁。（1）濾波消抖與信號整形電路b）未采用消噪電路的輸出波形a）消噪電路c）采用消噪電路的輸出波形1.開關量輸入第四十八頁，共七十一頁。（2）開關量輸入電隔離方法1）光電隔離a）b）圖4-24光電耦合器原理接線圖a）輸出為低電平b）輸出為高電平1.開關量輸入第四十九頁，共七十一頁。（2）開關量輸入電隔離方法2）繼電器隔離a）b）圖4-25采用繼電器隔離的開關原理接線圖a）現(xiàn)場開關輔助觸點輸入電路b）繼電器觸點輸出1.開關量輸入第五十頁，共七十一頁。（3）開關量輸入電路分類a）b）圖3-19開關量輸入電路原理圖a）配電終端內觸點輸入回路b）配電終端外觸點輸入回路1.開關量輸入第五十一頁，共七十一頁。開關量輸出電路圖4-27配電終端開關量輸出電路2.開關量輸出第五十二頁，共七十一頁。FD-F2010型饋線監(jiān)控終端：1個或若干個F2010B型饋線終端單元多功能電源模塊現(xiàn)地操作模塊通信接口設備蓄電池模擬量輸入板開關量輸入/輸出板機箱終端的維護軟件。

4.3饋線監(jiān)控終端實例第五十三頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元可設置為主單元或子單元。其中主單元具有現(xiàn)地網絡管理功能、與主站的通信管理功能、測控及線路故障監(jiān)測功能，子單元僅具有測控及線路故障監(jiān)測功能。柱上開關監(jiān)控終端、環(huán)網柜監(jiān)控終端采用一臺F2010B型饋線終端主單元；開閉所監(jiān)控終端采用一臺F2010B型饋線終端主單元及若干臺F2010B型饋線終端子單元，主單元和各子單元間采用CAN網絡聯(lián)接。4.3饋線監(jiān)控終端實例第五十四頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元內部硬件結構F2010B型饋線終端單元由控制板、電源板、底板組成?？刂瓢灏ㄎ⒖刂破飨到y(tǒng)、數(shù)字信號處理器系統(tǒng)、可編程邏輯器件等。底板與外部模擬量輸入板、開關量輸入板、開關量輸出板等一起完成信號調理功能。第五十五頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元內部硬件結構F2010B饋線終端單元采用雙CPU結構，除了應用通用微處理器來控制系統(tǒng)運行外，還增加了一個數(shù)字信號處理芯片DSP，來完成模擬輸入量的處理計算，第五十六頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元內部硬件結構FPGA完成的主要功能有主CPU和DSP之間的接口控制、模擬輸入量的多路選擇等。由16位高速A／D轉換器轉換為數(shù)字量，以串行數(shù)據(jù)流的形式送入DSP進行處理。第五十七頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元內部硬件結構實現(xiàn)對狀態(tài)量的取反處理和去顫處理，去顫時間可設數(shù)字量輸出采用兩級繼電器設計。CPU通過返校寄存器，檢查校對繼電器輸出控制過程中硬件控制電路及繼電器驅動器狀態(tài)是否正確，實現(xiàn)了繼電器的狀態(tài)返校。第五十八頁，共七十一頁。圖4-30F2010B饋線終端單元接線端子功能圖F2010B型饋線終端單元外部接口第五十九頁，共七十一頁。F2010B型饋線終端單元軟件1．基本測量模塊每個周波采樣64個點，每個點A／D轉換的精度為16位。采樣速率可以自動調整以適應被測信號頻率的變化。每路饋線的三相電壓及零序電壓、線電壓、三相電流及零序電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、相角、頻率、直流電壓等。遙信量主要有：輸入遙信、饋線電流過流、饋線電流方向、饋線電流倒送、零序過流、零序過壓、開關動作、開關閉鎖、中性點過流、接地故障、饋線終端單元運行狀態(tài)等第六十頁，共七十一頁。2.F2010B型饋線終端單元的通信規(guī)約DL/T634104-2002由饋線終端單元維護軟件實現(xiàn)與主站通信的發(fā)送信息表靈活配置。3.故障檢測（1）故障檢測類型相間短路故障；中性點過流故障（電容電流）；小電流接地故障。F2010B型饋線終端單元軟件第六十一頁，共七十一頁。（2）相間短路故障檢測相間短路故障處理模塊可以檢測和區(qū)分負荷過流故障、瞬間故障和永久性故障產生各相電流過流、斷路器重合成功、斷路器閉鎖等不同的告警信息并可以選擇上報給主站。故障處理模塊可以生成故障開始和故障結束幾個周波的故障記錄數(shù)據(jù)表供主站召喚。F2010B型饋線終端單元軟件第六十二頁，共七十一頁。判斷12種狀態(tài)，包括：無壓無流狀態(tài)，確認無壓無流狀態(tài)，空閑狀態(tài)，電壓正常狀態(tài)，過流狀態(tài)，確認過流狀態(tài)，確認復歸狀態(tài)，斷路器動作狀態(tài)，確認斷路器動作，斷路器閉鎖狀態(tài)，確認斷路器復歸狀態(tài)，勵磁涌流抑制狀態(tài)。（2）相間短路故障檢測第六十三頁，共七十一頁。通過檢測零序電壓或零序電流是否超過定值，來判斷是否啟動接地故障處理模塊；零序電壓啟動的整定值一般設定為額定相電壓值的16.6%(即相應3U0的門檻值設定為額定相電壓值的50%)；零序電流啟動的整定值一般設定為系統(tǒng)最大接地電流穩(wěn)態(tài)值的1/2倍，最大接地電流穩(wěn)態(tài)值即系統(tǒng)接地故障時的3倍最大零序電容電流穩(wěn)態(tài)值；故障處理模塊可以生成故障開始和故障結束幾個周波的故障記錄數(shù)據(jù)表供主站召喚。（3）小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測第六十四頁，共七十一頁。配網不同于輸電網，分支很多，故障后一般只是上級斷路器跳閘，但不能確定具體故障分支和位置。目前，配電系統(tǒng)大多還不能對配電線路進行全面的監(jiān)測和控制，即使在主干線上有開關分段，也只能隔離