配电网自动化技术第四章 配电网馈线监控终端

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xs (t) x(nTs )(n 1, 2,3 )
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。
通信
程序 数据 存储
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。
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。
3.数字量输出回路
• 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。
三、馈线终端单元的硬件
4.通信接口及人机界面
• 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。
(2)衡量算法优劣的标准 • 计算精度 • 计算速度
(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。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。 • 继电保护更关心反映故障特征的量,例如频谱、突变量、负
序或零序分量、以及谐波分量等。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。
二、模拟量采集的基本原理
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。
fs / f1 N
2. 采样方式
(2)多通道采样方式
三、交流采样算法 2. 电气量交流采样算法
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。
馈线终端单元常采用傅里叶级数算法。
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
• 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1 500Hz(30次谐波)左右,则采样频率 为每周波64点或以上。
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。
• 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 。
5.CPU
• 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。
4.2 馈线监控终端数据采集原理
一、概述
总线
TV

低通滤波 采样保持 多


TA
变 换 器 电压形成回路
… … …
低通滤波
采样保持
转 换 A/D 开 关
CPU 存储器
1. 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。
三、馈线终端单元的硬件
2.数字量输入回路
• 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。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。
第4章
配电网馈线监控终 端
4.1 馈线监控终端简介
一、馈线监控终端功能及性能要求
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……
二、馈线监控终端的构成
• 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。
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。
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。

通道2 路 转



采样 保持器
A/D 转换器
图4-7 顺序采样,顺序

A/D转换


线
通道n
考虑n个通道间的基波信号相位差。设单通道采百度文库时间为 Ts (单位s),单通道A/D转换时间为 TA/ D,第一通道与第n通道
间的相位差为 n ,则:
n n 1Ts TA/ D 2f1 360n 1Ts TA/ D
(1)相间短路故障检测
整定值整定原则:
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。 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
• 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。
4.1 馈线监控终端简介
四、馈线终端单元软件 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 2. 故障检测功能
1)同时采样
通道1
采样 保持器
A/D 转换器
通道2
采样 保持器
A/D 转换器
数 据 总
线 …
通道n
采样 保持器
A/D 转换器
通道1
采样 保持器

通道2
采样 保持器
路 转



通道n
采样 保持器

A/D

转换器

线
a)同时采样,同时A/D转换
b)同时采样,顺序A/D采样
图4-6 同时采样
2)顺序采样
通道1
t
0
xs (t) Ts
xs (t) x(t)s(xts)(t) Ts
0
t
0
可以把采样过程看作是脉冲调幅过程
调制信号 t
t t
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:
• 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。
2.环网柜的馈线终端单元
• 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。
3. 开闭所的馈线终端单元
• 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)。
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。
五、环网柜和开闭所的馈线终端单元
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。
• 各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。
三、馈线终端单元的硬件
AC输入 模拟 DC输入 量输

模数 转换
DSP 芯片

开入 开关 量
开出 I/O
CPU 可编程逻
辑器件
图3-1 馈线终端单元硬件框图
1.交流量采集回路
通信 调试 接口


2. 经过前置模拟低通滤波器滤除其中的高频分量; 3. 经过模数转换器把模拟量转化成相对应的数字量; 4. CPU利用得到的数字量并结合一定算法求得各电参数的值。
二、模拟量采集的基本原理
1. 模拟量的采样离散化
x(t)
x(t) Ts
s(t)
Ts
xs (t) 0
被调制的
脉冲载波
T (t)
Ts
0
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。
三、交流采样算法
1. 概述
(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。完成上述分析计算的方法,称为交流采样算法。
• 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±1.25 mV)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。
T1
rad
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:
n 5 T1 20ms Ts 10 s TA/D 30s
于是同相电压与电流通道采样值间隔的电气角度为
5
360
(5 1) (10 30) 106 20 103
• 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。
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。
2.88
二、模拟量采集的基本原理 3. 模数转换器的主要技术指标
•(1)分辨率 A/D转换器对模拟输入量的辨别能力。
•(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)量程 指模数转换器输入模拟电压的范围。
•(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
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