配电网自动化技术郭谋发CH4配电网馈线监控终端【修订】

第4章配电网馈线监控终端4.1馈线监控终端简介4.1.1馈线监控终端功能及性能要求4.1.2馈线监控终端构成4.1.3馈线终端单元硬件4.1.4馈线终端单元软件4.1.5环网柜和开闭所的馈线终端单元4.2馈线监控终端数据采集原理4.2.1概述4.2.2模拟量采集的基本原理4.2.3交流采样算法4.2.4数字滤波原理4.2.5开关量输入/输出4.3馈线监控终端实例4.3.1FD-F2010型馈线监控终端的构成4.3.2F2010B型馈线终端单元硬件4.3.3F2010B型馈线终端单元软件4.4馈线故障指示器4.4.1概述4.4.2短路故障指示器4.4.3故障指示器的应用和发展第一页，共七十一页。馈线监控终端应具有功能：遥信、遥测、遥控对时事故记录、事件顺序记录定值远方修改和召唤定值通信功能故障录波……4.1馈线监控终端简介一、馈线监控终端功能及性能要求第二页，共七十一页。馈线监控终端作为一个独立的智能设备，一般由1个或若干个核心模块馈线终端单元（独立机壳）、外置接口电路板、充电器、蓄电池、机箱外壳以及各种附件组成。各种附件包括就地远方控制把手、分合闸按钮、跳合位置指示灯、接线端子排、航空接插件、空气开关、除湿和加热器等。二、馈线监控终端的构成第三页，共七十一页。图3-1馈线终端单元硬件框图三、馈线终端单元的硬件第四页，共七十一页。1.交流量采集回路交流量采集回路设计主要需考虑的是：该馈线终端单元的应用场合需要监视的交流通道数量和各通道的输入范围前置低通滤波器的参数A／D转换的精度、输入范围和转换速度。第五页，共七十一页。交流量采集回路--交流通道数量交流通道数量取决于馈线终端单元需要监视的馈线数量。一条馈线需要监视的交流量主要有三相电压、三相电流共计6个交流量。如果馈线终端单元需要监视分段器，则需要考虑引入分段器两侧的馈线电压量以用于备用电源自动投入，此时馈线终端单元需要监视的量就达到了9个（6路电压、3路电流）。第六页，共七十一页。交流量采集回路--交流输入的量程在配电网自动化终端设计中，TA取了一个既能保证一定的测量精度，又能满足短路故障时不会深度饱和的TA。馈线终端单元内的电流互感器的输入范围不同于传统的保护或监控装置，一般来说，其动态输入范围为0-50A。第七页，共七十一页。交流量采集回路--滤波及采样点数由于采样频率为信号频率的几十倍甚至上百倍，使用FFT等数字滤波的效果极为明显。它能非常真实的分离出系统的基波分量和通常所关心的高次谐波分量，这样馈线终端单元中对前置低通滤波器一般采用一个一阶RC无源低通滤波器就足够了。由于一阶低通滤波器的滤波特性不太理想，考虑一定的裕度，截止频率取1500Hz（30次谐波）左右，则采样频率为每周波64点或以上。第八页，共七十一页。交流量采集回路--A／D转换的速度、精度和范围馈线终端单元内部经小TA、小TV变换后的信号的电压幅度越大，其受噪声干扰的影响也就越小。因而在选取小TA、小TV的输出范围和A／D的输入范围时，应该越大越好。工作环境的电磁噪声强度往往处在1~10mV之间，A／D转换的最小分辨率低于5mV无甚意义。以输入范围为±10V的A／D来说，12位（最小分辨率为±5mV）或14位（最小分辨率为±1.25mV）精度已经足够了。至于A／D转换的速度，取决于采样通道数量，另外与软件处理方式有一定关系，一般每秒采样10~50万次已经足够。第九页，共七十一页。开关位置信号，弹簧储能信号，接地刀闸信号，工作电源的失电信号等，因而每馈线提供6~8个数字量输入已能满足要求。硬件上一般增加低通滤波回路以防止高频电磁干扰造成遥信误报，软件上采用变位记录并延时确认的方式避免接点抖动造成遥信误报。由于许多馈线终端单元安装在户外甚至电线杆上，检修维护极为不便，设计时最好能考虑到遥信量自检功能。2.数字量输入回路第十页，共七十一页。提供返校通道能保证在错误的遥控命令已发出的情况下，通过返校回路还能及时发现错误命令并立即闭锁遥控出口，避免事故发生。返校回路也能保证馈线终端单元能定期地对遥控回路监视，防患于未然。3.数字量输出回路第十一页，共七十一页。馈线终端单元除了需完成交流采样和故障检测外，更重要的是应与配电网主站或子站通信，及时将遥测、遥信和故障信号传到主站或子站，并执行主站或子站相应的遥控命令。馈线终端单元的人机界面包括按键及显示两部分。显示部分一般采用液晶显示器，也有采用便携电脑由软件提供数据显示及人机交互功能4.通信接口及人机界面第十二页，共七十一页。按照功能划分，将不同的功能分配给不同的CPU来处理由DSP完成数据滤波和处理由网络协处理器完成以太网通信由主CPU完成逻辑运算和其他功能。5.CPU第十三页，共七十一页。1.测控功能馈线终端单元的测控功能包括交流电压、电流信号的高速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算，各交流量的2~16次高次谐波分量及谐波总量计算；遥信量的采集及上送；遥控返校及执行等功能。四、馈线终端单元软件第十四页，共七十一页。2.故障检测功能（1）相间短路故障检测故障检测通过监视交流输入相电流或零序电流是否超过整定值，来判别短路故障。①相电流的整定值一般是选为大于线路的最大负荷电流值；②零序电流的整定值要躲过系统正常运行时的不平衡电流值。四、馈线终端单元软件第十五页，共七十一页。2.故障检测功能（1）相间短路故障检测涌流电流最大时可以达到配电变压器额定电流的6~8倍，在配电网中励磁涌流通常需要0.1~0.15s才衰减完毕。在空投变压器时，通常会出现励磁涌流现象，涌流波形的二次谐波含量一般大于15%的基波电流。通过检测二次谐波含量的大小，可以有效地区分线路合闸送电和馈线短路故障。当并联电容器投入时，也会出现很大的合闸冲击电流，不过它衰减更快，可以通过二次谐波制动方案结合两个周波的故障延时确认。第十六页，共七十一页。2.故障检测功能（2）单相接地故障检测单相接地选线和定位在配电网中是一个技术难点，单相接地故障占配电网总故障的70%以上。配电网自动化的通信系统使得小电流接地系统接地故障检测方案可综合考虑各处馈线终端单元的零序电流数据。对零序电流测量，有直接和间接两种测量方式。直接方式是馈线终端单元直接接入零序电流互感器的二次输出，直接采集零序电流；间接方式是馈线终端单元接入三相电流互感器的二次输出，软件将采集的三相电流相加，间接计算出零序电流值。第十七页，共七十一页。1.柱上开关馈线终端单元一般的馈线终端单元都是按监控一条线路设计的，在碰到同杆架设两条线路的情况时，可以用同时装设两台馈线终端单元的办法来解决这一问题。一般两台馈线终端单元用级连的方法相连，两台馈线终端单元一主一从，只有主馈线终端单元直接和主站系统通信，从馈线终端单元通过主馈线终端单元间接和主站系统通信。五、环网柜和开闭所的馈线终端单元第十八页，共七十一页。环网柜馈线终端单元安装在环网柜内。环网柜一般都为2路进线，多路出线，因此环网柜馈线终端单元至少需要监控四条线路，要求馈线终端单元有很大的数据容量。采用柜式结构，多个带CPU的馈线终端单元板插到机柜的插槽中，采用CAN总线方式实现互联。CPU单元CAN控制器SJA1000高速光耦6N137CAN网接口CAN接口82C250CANBus2.环网柜的馈线终端单元第十九页，共七十一页。对开闭所馈线终端单元的实现，主要有两种方案：一种是每个馈线终端单元分别监视一条或几条馈线，同时各馈线终端单元间通过通信网络互联实现数据转发和共享。系统可以分散安装，各馈线终端单元功能独立，接线相对简单，便于系统扩充和运行维护。另一种方案是在传统的RTU基础上将功能增强，提供故障检测功能，甚至继电保护及备用电源自投等功能，由类似的成套设备来完成全部的功能。这种方案不利于安装及维护，系统扩充也不方便，另外整个系统稳定性也相对较低。3.开闭所的馈线终端单元第二十页，共七十一页。模拟信号首先被转换成与馈线终端单元的CPU相匹配的电平信号；把来自电压互感器和电流互感器的交流电波形的幅值降低，以达到电平配合的目的。经过前置模拟低通滤波器滤除其中的高频分量；经过模数转换器把模拟量转化成相对应的数字量；CPU利用得到的数字量并结合一定算法求得各电参数的值。4.2馈线监控终端数据采集原理一、概述第二十一页，共七十一页。馈线终端单元输入的开关量包括内部和外部两类开关量。馈线终端单元输出的开关量则主要有跳闸、合闸信号及其他控制信号，如馈线终端单元面板上显示的信号等。馈线终端单元的开关量接口电路设计的要点之一是实现馈线终端单元内外部之间的电气隔离，以保证馈线终端单元内部弱电电路的安全并减少外部干扰。一、概述第二十二页，共七十一页。二、模拟量采集的基本原理被调制的脉冲载波调制信号可以把采样过程看作是脉冲调幅过程1.模拟量的采样离散化第二十三页，共七十一页。模拟信号x(t)首先通过采样保持器，每隔一段时间采样一次（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路里面供A／D转换使用。经过采样以后的信号称为离散时间信号xs(t)，可表示为(4-2)

第二十四页，共七十一页。对于50Hz的正弦交流电流、电压来说，理论上只要每个周波采样两点就可以表示其波形的特点了。但为了保证计算准确度，需要有更高的采样频率。一般取每个周波12点、16点、20点或24点的采样频率。如果为了分析谐波，例如考虑到16次谐波，则需要采用每个周波32点的采样速率，即采样频率为1600Hz。第二十五页，共七十一页。2.采样方式（1）基本采样方式1）异步采样异步采样也称定时采样。等间隔采样周期保持不变，即为常数。采样频率通常取为工频的整倍数。2）同步采样同步跟踪采样。通过硬件或软件测取基频周期的变化，然后动态调整采样周期来实现。第二十六页，共七十一页。（2）多通道采样方式1）同时采样a）b）图4-6同时采样a）同时采样，同时A／D转换b）同时采样，顺序A／D采样2.采样方式第二十七页，共七十一页。（2）多通道采样方式2）顺序采样图3-13顺序采样，顺序A／D转换2.采样方式第二十八页，共七十一页。假设先对三相电流及零序电流采样后，再对三相电压及零序电压采样，且同相电压与电流间的各项参数为：

于是同相电压与电流通道采样值间隔的电气角度为第二十九页，共七十一页。（1）分辨率12位、16位模数转换器的分辨率分别是12和16，若12位模数转换器的满量程为±5V。其满量程的为，如果输入电压的变化量比0.0024V还小，则模数转换器将无法分辨。（2）输入模拟量的极性指模数转换器要求输入信号是单极性或双极性电压。3.模数转换器的主要技术指标第三十页，共七十一页。（3）量程。指模数转换器输入模拟电压的范围，如：0V～+5V，0V～+10V，-5V～+5V等。（4）精度。模数转换器的转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数字量的位数来表示绝对精度单位，如精度是最低位的1/2位即±1/2LSB；而用百分比来表示满量程的相对误差，如0.05％。（5）转换时间。指模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量的过程所需要的时间。3.模数转换器的主要技术指标第三十一页，共七十一页。（1）算法的基本概念连续型的电压、电流等模拟信号经过离散采样和模／数变换成为数字量后，CPU将对这些数字量进行分析、计算，得到所需的电参数。而完成上述分析计算的方法，就称为交流采样算法。三、交流采样算法1.概述第三十二页，共七十一页。（2）衡量算法优劣的标准两种消除噪声分量的影响提高参数计算精度的途径：其一是首先采用性能完善的滤波器对输入信号进行滤波处理，然后根据滤波后得到的有效信号进行参数计算。其二是将滤波与参数计算算法相融合，通过合理设计，使参数计算算法本身具有良好的滤波性能。算法的计算速度包含两方面的含义：一是指算法的数据窗长度，即需要采用多少个采样数据才能计算出所需的参数值；二是指算法的计算量，算法越复杂，运算量也越大，在相同的硬件条件下，计算时间也越长。第三十三页，共七十一页。（3）保护和监控对算法的不同要求监控需要CPU得到的是反映正常运行状态的电参数继电保护更关心的是反映故障特征的量，例如频谱、突变量、负序或零序分量、以及谐波分量等。监控在算法的准确性上要求更高一些，希望计算出的结果尽可能准确；继电保护则更看重算法的速度和灵敏性，必须在故障后尽快反应，以便快速切除故障。第三十四页，共七十一页。为了获得被测电量值，必须对采样所得的一组离散量进行计算。由交流采样计算电气量的算法比较多，如有效值法、两点乘积法、导数法、半周积分法及傅里叶级数算法等。2.电气量交流采样算法第三十五页，共七十一页。傅里叶级数算法假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为第三十六页，共七十一页。x(t)中的基波分量为合并正弦、余弦项，可写为用和角公式展开得到傅里叶级数算法第三十七页，共七十一页。用复数表示为有效值和相角为积分可以用梯形法则求得傅里叶级数算法第三十八页，共七十一页。N=12时

傅里叶级数算法第三十九页，共七十一页。已求得基波的实部和虚部参数，因此，可以方便地实现任意角度的移相傅里叶级数算法第四十页，共七十一页。求得A、B、C三相基波的实部和虚部参数后，可得到A、B、C三相的基波相量，进而求得A相（或B、C相）正序、负序和零序的对称分量傅里叶级数算法第四十一页，共七十一页。例3-1馈线终端单元的CPU对一交流电压信号进行等间隔的A／D采样，得到的5个采样点经变换后的实际物理量值分别为：用交流采样傅里叶算法求其有效值（单位：V）。傅里叶级数算法第四十二页，共七十一页。傅里叶级数算法第四十三页，共七十一页。滤波器是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。图4-9模拟式滤波基本流程图4-10数字式滤波基本流程四、馈线监控终端数据滤波原理1.基本概念第四十四页，共七十一页。模拟滤波器（1）无源低通滤波器图4-11二阶无源低通滤波器（2）二阶有源低通滤波器图4-12二阶有源低通滤波器电路第四十五页，共七十一页。数字滤波器数字滤波器通常是指一种程序或算法，数字滤波器的运算过程可用下述线性差分方程来描述，即式中，、为滤波器的输入值和输出值序列；为滤波器系数。第四十六页，共七十一页。图4-22开关量输入电路示意图五、开关量输入/输出1.开关量输入第四十七页，共七十一页。（1）滤波消抖与信号整形电路b）未采用消噪电路的输出波形a）消噪电路c）采用消噪电路的输出波形1.开关量输入第四十八页，共七十一页。（2）开关量输入电隔离方法1）光电隔离a）b）图4-24光电耦合器原理接线图a）输出为低电平b）输出为高电平1.开关量输入第四十九页，共七十一页。（2）开关量输入电隔离方法2）继电器隔离a）b）图4-25采用继电器隔离的开关原理接线图a）现场开关辅助触点输入电路b）继电器触点输出1.开关量输入第五十页，共七十一页。（3）开关量输入电路分类a）b）图3-19开关量输入电路原理图a）配电终端内触点输入回路b）配电终端外触点输入回路1.开关量输入第五十一页，共七十一页。开关量输出电路图4-27配电终端开关量输出电路2.开关量输出第五十二页，共七十一页。FD-F2010型馈线监控终端：1个或若干个F2010B型馈线终端单元多功能电源模块现地操作模块通信接口设备蓄电池模拟量输入板开关量输入/输出板机箱终端的维护软件。

4.3馈线监控终端实例第五十三页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元可设置为主单元或子单元。其中主单元具有现地网络管理功能、与主站的通信管理功能、测控及线路故障监测功能，子单元仅具有测控及线路故障监测功能。柱上开关监控终端、环网柜监控终端采用一台F2010B型馈线终端主单元；开闭所监控终端采用一台F2010B型馈线终端主单元及若干台F2010B型馈线终端子单元，主单元和各子单元间采用CAN网络联接。4.3馈线监控终端实例第五十四页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元内部硬件结构F2010B型馈线终端单元由控制板、电源板、底板组成。控制板包括微控制器系统、数字信号处理器系统、可编程逻辑器件等。底板与外部模拟量输入板、开关量输入板、开关量输出板等一起完成信号调理功能。第五十五页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元内部硬件结构F2010B馈线终端单元采用双CPU结构，除了应用通用微处理器来控制系统运行外，还增加了一个数字信号处理芯片DSP，来完成模拟输入量的处理计算，第五十六页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元内部硬件结构FPGA完成的主要功能有主CPU和DSP之间的接口控制、模拟输入量的多路选择等。由16位高速A／D转换器转换为数字量，以串行数据流的形式送入DSP进行处理。第五十七页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元内部硬件结构实现对状态量的取反处理和去颤处理，去颤时间可设数字量输出采用两级继电器设计。CPU通过返校寄存器，检查校对继电器输出控制过程中硬件控制电路及继电器驱动器状态是否正确，实现了继电器的状态返校。第五十八页，共七十一页。图4-30F2010B馈线终端单元接线端子功能图F2010B型馈线终端单元外部接口第五十九页，共七十一页。F2010B型馈线终端单元软件1．基本测量模块每个周波采样64个点，每个点A／D转换的精度为16位。采样速率可以自动调整以适应被测信号频率的变化。每路馈线的三相电压及零序电压、线电压、三相电流及零序电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相角、频率、直流电压等。遥信量主要有：输入遥信、馈线电流过流、馈线电流方向、馈线电流倒送、零序过流、零序过压、开关动作、开关闭锁、中性点过流、接地故障、馈线终端单元运行状态等第六十页，共七十一页。2.F2010B型馈线终端单元的通信规约DL/T634104-2002由馈线终端单元维护软件实现与主站通信的发送信息表灵活配置。3.故障检测（1）故障检测类型相间短路故障；中性点过流故障（电容电流）；小电流接地故障。F2010B型馈线终端单元软件第六十一页，共七十一页。（2）相间短路故障检测相间短路故障处理模块可以检测和区分负荷过流故障、瞬间故障和永久性故障产生各相电流过流、断路器重合成功、断路器闭锁等不同的告警信息并可以选择上报给主站。故障处理模块可以生成故障开始和故障结束几个周波的故障记录数据表供主站召唤。F2010B型馈线终端单元软件第六十二页，共七十一页。判断12种状态，包括：无压无流状态，确认无压无流状态，空闲状态，电压正常状态，过流状态，确认过流状态，确认复归状态，断路器动作状态，确认断路器动作，断路器闭锁状态，确认断路器复归状态，励磁涌流抑制状态。（2）相间短路故障检测第六十三页，共七十一页。通过检测零序电压或零序电流是否超过定值，来判断是否启动接地故障处理模块；零序电压启动的整定值一般设定为额定相电压值的16.6%(即相应3U0的门槛值设定为额定相电压值的50%)；零序电流启动的整定值一般设定为系统最大接地电流稳态值的1/2倍，最大接地电流稳态值即系统接地故障时的3倍最大零序电容电流稳态值；故障处理模块可以生成故障开始和故障结束几个周波的故障记录数据表供主站召唤。（3）小电流系统单相接地故障检测第六十四页，共七十一页。配网不同于输电网，分支很多，故障后一般只是上级断路器跳闸，但不能确定具体故障分支和位置。目前，配电系统大多还不能对配电线路进行全面的监测和控制，即使在主干线上有开关分段，也只能隔离