智能配電網(wǎng)教案省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

《智能配電網(wǎng)》電子教案第五講配網(wǎng)自動化終端設備-5-12~-5-191第1頁變電站自動化——遠動終端RTU變電站綜合自動化概念：將變電站二次設備（包含測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護自動裝置和遠動裝置等）經(jīng)過功效組合和優(yōu)化設計，利用先進計算機技術(shù)，當代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)實現(xiàn)對全變電站主要設備和輸配電線路自動監(jiān)視、測量、控制和微機保護。以及與調(diào)度通信等綜合性自動化功效。配電變電站綜合自動化實現(xiàn)主要由遠動終端RTU來完成。遠動終端（RTU）作為變電站自動化主要設備，它發(fā)展在一定程度上也代表著變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展。我國遠動技術(shù)是在20世紀50年代發(fā)展起來。2第2頁RTU主要功效一、“四遙”功效遙控（YK）：斷路器合、分控制和電容器、電抗器投切以及其它能夠采取繼電器控制場所。遙調(diào)（YT）：有載調(diào)壓變壓器抽頭升、降調(diào)整和其它可采取一組繼電器控制，含有分級升降功效場所。

遙測（YC）：模擬量（電壓、電流、有功、無功）和數(shù)字量（水位、溫度、頻率）和脈沖量（脈沖電能表輸出脈沖）遙信〔開關(guān)量或狀態(tài)量〕（YX）：開關(guān)位置信號、變壓器內(nèi)部故障綜合信號、保護裝置動作信號、通信設備運行情況信號、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號、自動調(diào)整裝置運行狀態(tài)信號和其它可提供繼電器方式輸出信號；事故總信號及裝置主電源停電信號等。3第3頁二、與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信功效要求RTU能按預定通信規(guī)約要求，將采集現(xiàn)場信息自動循環(huán)（或按調(diào)度端要求）上報SCADA系統(tǒng)，并能接收調(diào)度端（SCADA系統(tǒng)）下達各種命令。三、事件次序統(tǒng)計（SOE）功效電網(wǎng)調(diào)度人員需要及時掌握電網(wǎng)事故發(fā)生時各斷路器和繼電保護動作情況及動作時間，以區(qū)分事件次序，作出運行對策和進行事故分析。時間分辨率：RTU內(nèi)（即站內(nèi)）與RTU之間（即站間）四、系統(tǒng)對時功效利用全球定位系統(tǒng)GPS提供時間頻率同時對時，有效地確保SOE站間分辨率指標。采取軟件對時，SC1801、CDT,DNP和Modbos等通信規(guī)約均提供了軟件對時伎倆。RTU主要功效4第4頁模擬量輸入兩種方式：直流采樣和交流采樣

直流采樣RTU模擬量輸入通道（遙測通道）通常將采取電量變送器進行采樣稱為直流采樣，其模擬量輸入通道普通由變送器、信號處理電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成，如圖所表示。5第5頁1、變送器作用為：1）將強信號（普通為交流100V，5A）轉(zhuǎn)化為適合于計算機和儀表使用弱信號（普通為直流5V，1mA）。2）將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號。3）從瞬時信號取得有效值。4）確保輸出直流量與輸入測量量之間滿足線性關(guān)系。5）實現(xiàn)輸入與輸出隔離。2、濾涉及信號處理部分中:濾波電路（RC電路）是為了消除干擾，提升輸入信號信/噪比；信號處理是為了將變送器或傳感器輸出各種不一樣電信號經(jīng)過放大或處理成為后面A/D轉(zhuǎn)換器所能接收電壓范圍。RTU模擬量輸入通道（遙測通道）

6第6頁3、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是一個受CPU控制電子切換開關(guān)。由電量變送器送來多路模擬量公用一套A/D，只有被選中一路才能夠經(jīng)過多路開關(guān)進入A/D，其余各量則需等候下一次選擇。RTU模擬量輸入通道（遙測通道）7第7頁可在微機指令下將瞬間采集模擬量“樣本”凍結(jié)一段時間，以確保在A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整轉(zhuǎn)換所需時間段中（比如AD574A需25μs），各模擬量不發(fā)生改變，為同一時刻采樣值，不然就會不準確。比如，為了準確地測量有功功率和無功功率，采樣關(guān)鍵在于采集電壓和電流信號同時性，若采集電壓和電流信號有時間差，則相當于改變了功率因數(shù)角φ，從而造成測量誤差。采樣保持器作用對于改變較慢模擬信號，比如經(jīng)過變送器輸出直流模擬信號，在A/D進行轉(zhuǎn)換很短時段內(nèi)（若干μs），幾乎沒什么改變，所以在直流采樣中也能夠不配置采樣保持器。而對改變較快模擬量來說，比如不經(jīng)過變送器而直接對交流進行采樣時，就必須配置一組同時起動性能很好采樣保持器(S/H)。RTU模擬量輸入通道（遙測通道）8第8頁采取變送器直流采樣系統(tǒng)存在以下一些問題：（1）遙測數(shù)據(jù)準確性受變送器穩(wěn)定性影響，變送器出現(xiàn)不正常情況時有發(fā)生，這么就影響了遙測準確性。（3）變送器維護工作量比較大。（2）遙測數(shù)據(jù)實時性受變送器響應速度影響。（4）對于變電站來說，需要大量變送器，增加了工程造價和占地面積。RTU模擬量輸入通道（遙測通道）9第9頁

不經(jīng)過變送器，僅將信號經(jīng)過起隔離和降低幅值作用中間TA和TV后，仍以交流模擬信號供A/D按一定規(guī)律（等間隔同時采樣）進行直接采樣，并加以處理，計算出（方法有FFT等）電壓、電流有效值以及有功、無功功率方法稱為交流采樣。交流采樣RTU模擬量輸入通道（遙測通道）10第10頁組成鎖存器作用因為計算機輸出一組待轉(zhuǎn)換數(shù)字量在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定時間很短，而D/A轉(zhuǎn)換需要一定時間，為確保在此D/A轉(zhuǎn)換期間待轉(zhuǎn)換數(shù)字量不發(fā)生改變，必須用鎖存器來保持數(shù)字量穩(wěn)定，一直鎖存到轉(zhuǎn)換完成，又有新數(shù)據(jù)存入時為止，所以鎖存器作用類似于A/D轉(zhuǎn)換時S/H作用。RTU模擬量輸出通道（遙調(diào)）11第11頁概念：開關(guān)量信息輸入微機系統(tǒng)電路稱為開關(guān)量輸入通道（簡稱開入），即遙信通道；開關(guān)量信息自微機系統(tǒng)輸出去遙控遠方開關(guān)狀態(tài)，則稱為開關(guān)量輸出通道（簡稱開出），即遙控通道。開關(guān)量輸入電路RTU開關(guān)量輸入/輸出通道（遙信/遙控）12第12頁開關(guān)量輸入電路1、輸入電路中隔離辦法：繼電器隔離光電耦合隔離2、開關(guān)信號防誤采集（預防遙信誤報）硬件辦法：增加低通濾波回路和消噪除顫步驟。軟件辦法:變位統(tǒng)計并延時確認方式。RTU開關(guān)量輸入/輸出通道（遙信/遙控）13第13頁３、變電站中開關(guān)量采集電路2）斷路器和刀閘輔助接點，圖示中Q、S1、S2三類開關(guān)量1）保護繼電器輸出觸點，圖示中K1、K2、K33）刀閘和斷路等設備故障信號（如壓力監(jiān)視等），用來反應刀閘和斷路器等設備故障，如圖示中K4RTU開關(guān)量輸入/輸出通道（遙信/遙控）14第14頁硬件框圖開關(guān)量成組輸入/輸出經(jīng)典電路開關(guān)量輸出電路（遙控輸出）RTU開關(guān)量輸入/輸出通道（遙信/遙控）15第15頁配電遠方終端定義及分類

1、定義：配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端是用于配電網(wǎng)饋線回路各種饋線遠方終端、配電變壓器遠方終端以及中壓監(jiān)控單元等設備統(tǒng)稱。采取通信通道完成數(shù)據(jù)采集和遠方控制功效（電力行業(yè)標準DL／T721－）。2、分類：（1）饋線遠方終端單元FTU（2）配電變壓器遠方終端單元TTU（3）中壓監(jiān)控單元（子站）16第16頁FTU功效及性能要求1、FTU功效（1）遙信功效、遙測功效、遙控功效。（2）統(tǒng)計功效。（3）對時功效。（4）自檢和自恢復功效。（5）遠程通信功效。（6）遠方控制閉鎖與手動操作功效。（7）定值遠方修改和召喚定值。（8）事件次序統(tǒng)計（SOE）2、FTU性能要求（1）抗惡劣環(huán)境。（2）含有良好維修性。（3）可靠電源。17第17頁FTU組成

FTU作為一個獨立智能設備，由以下幾部分組成：（1）遠方終端控制器——關(guān)鍵模塊（單元）。（2）充電器——電源模塊。（3）蓄電池——FTU全部供電電源后備電源。（4）機箱外殼。（5）各種附件：包含就地遠方控制閉鎖開關(guān)、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(guān)、除濕和加熱器等。FTU經(jīng)典結(jié)構(gòu)如右圖18第18頁FTU機柜圖片19第19頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

遠方終端控制器普通由高性能嵌入式CPU或DSP來完成，考慮到工作環(huán)境，設計時應選取工業(yè)級芯片?？刂破鲬韵聨讉€組成部分：模擬量采集回路、數(shù)字量采集回路，通信接口及CPU、RAM、ROM等關(guān)鍵芯片，有時還加入DSP芯片以追求高性能濾波和信號處理能力。圖4-15是一個經(jīng)典FTU控制器系統(tǒng)框圖。

20第20頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

（1）交流量采集回路（遙測回路）設計FTU控制器交流量采集回路通常是交流采樣，即按一定規(guī)律直接采集各路交流量。交流量采集回路設計時要考慮問題依據(jù)該FTU應用場所（需要監(jiān)視饋線數(shù)量，遙測速度、精度要求，故障檢測范圍等）來考慮其所要采取交流通道數(shù)量，交流輸入量程，TA/TV輸出范圍，AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度、精度（位數(shù)）和輸入范圍及前置低通濾波器參數(shù)等。

21第21頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

（2）數(shù)字量采集回路（遙信回路）設計數(shù)字量采集回路與RTU相同，也須考慮電磁干擾隔離和接點防抖問題，因為FTU內(nèi)部使用工作電源普通是DC24V或DC48V，數(shù)字量采集回路使用電源也就往往采取DC24V或DC48V。輸入通道數(shù)量方面，對于監(jiān)控饋線上一個開關(guān)來說，所需采集數(shù)字量輸入并不多，主要為：開關(guān)位置信號，彈簧儲能信號，斷路器或負荷開關(guān)壓力信號，工作電源失電信號等，因而每饋線提供6～8個數(shù)字量輸入已能滿足要求。FTU數(shù)字量采集回路還有一個問題是遙信自檢問題。因為許多FTU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效。22第22頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

（3）數(shù)字量輸出回路（遙控回路）設計數(shù)字量輸出回路是FTU執(zhí)行接口，其安全可靠工作對FTU至關(guān)主要。數(shù)字量輸出從軟件和硬件設計都應考慮為次序邏輯控制出口(SBO)，以確保動作可靠性。對于遙控輸出通道較多FTU（如環(huán)網(wǎng)柜或開閉所FTU）能夠?qū)b控輸出提供對應返校回路，提供返校通道能確保在錯誤遙控命令已發(fā)出情況下，經(jīng)過返?；芈愤€能及時發(fā)覺錯誤命令并馬上閉鎖遙控出口，防止事故發(fā)生。遙控輸出設計另一個問題是接點容量問題。普通FTU控制器提供繼電器大都是焊接在印制板上繼電器，它特點是體積小，動作速度快，驅(qū)動電流小，不過接點容量也有限，普通為5A、AC250V或5A、DC30V。這個容量對一些開關(guān)操作可能還不夠，所以往往需要在FTU箱體內(nèi)部提供跳、合閘重動繼電器一對。設置重動繼電器還能夠在機構(gòu)故障時起保護FTU控制器作用。23第23頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

（4）通信接口設計普通來說，為使FTU具備較為廣泛應用范圍，應能提供一個RS232C或RS485接口與遠方通信，并依據(jù)通信介質(zhì)不一樣，配置對應接口設備如（光端機、無線或有線MODEM，電力線載波機等）。FTU除了需提供與遠方通信接口外，還應提供與周圍智能設備通信接口，完成遠方主站等與這些智能設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，假如FTU已經(jīng)提供了以太網(wǎng)接口，F(xiàn)TU能夠完成類似網(wǎng)關(guān)功效，為周圍智能設備提供了一個以太網(wǎng)接入點。24第24頁FTU功效實現(xiàn)--遠方終端控制器設計

（5）關(guān)鍵器件CPU選擇FTU控制器中關(guān)鍵器件CPU運算速度和位數(shù)選擇應以“夠用”為標準，以確保備可靠性和完成FTU必備功效，并有一定擴充余地。沒有必要片面地追求CPU數(shù)或運算速度。在選擇CPU時有兩種方案，一個是按照功效劃分，將不一樣功效分配給不一樣CPU來處理，如前所述，由DSP完成數(shù)據(jù)濾波和處理，由網(wǎng)絡協(xié)處理器完成以太網(wǎng)通信，而由主CPU完成邏輯運算和其它功效。另一個方案是由單片CPU獨立完成，這種方案對CPU運算能力和運行速度就有一定要求了。25第25頁三類FTU安裝及特點

（1）柱上FTU柱上FTU往往安裝在戶外柱上或路邊等處，主要監(jiān)控是單一柱上開關(guān)。安裝時要尤其注意地方是：（1）安裝配件要耐腐蝕、電線桿及安裝支架要有足夠強度支撐開關(guān)及控制箱。（2）可靠接地。開關(guān)外殼和避雷器應經(jīng)過大于70mm2銅導體直接接地，使任何沖擊電流經(jīng)過這條通路流入地下；假如采取無線通信，通信天線應也應接到開關(guān)或主接地回路上。（3）工作電源連接。FTU安裝固定如右圖所表示。26第26頁三類FTU安裝及特點

（2）環(huán)網(wǎng)柜FTU環(huán)網(wǎng)柜FTU安裝在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)，環(huán)網(wǎng)柜普通都為2路進線，多路出線，所以環(huán)網(wǎng)柜FTU最少需要監(jiān)控四條線路，要求FTU有很大數(shù)據(jù)容量。對環(huán)網(wǎng)柜FTU在設計上最基本要求就是數(shù)據(jù)容量大，物理體積小。（3）開閉所FTU開閉所FTU（或者稱DTU），所要監(jiān)控開關(guān)和線路數(shù)量就更多了，所以對數(shù)據(jù)容量要求就更大。但相對于環(huán)網(wǎng)柜FTU，開閉所FTU對體積大小要求不是很嚴。27第27頁配電變壓器遠方終端單元（TTU）配變終端TTU用于對配變信息采集和控制，它實時監(jiān)測配電變壓器運行工況，用以