1、機電與自動化學院 何朝陽4.1 饋線監控終端簡介4.1.1 饋線監控終端功能及性能要求4.1.2 饋線監控終端構成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 環網柜和開閉所的饋線終端單元4.2 饋線監控終端數據采集原理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 數字濾波原理4.2.5 開關量輸入/輸出4.3 饋線監控終端實例4.3.1 FD-F2010型饋線監控終端的構成4.3.2 F2010B型饋線終端單元硬件4.3.3 F2010B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

2、障指示器的應用和發展饋線監控終端應具有功能：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 4.1 饋線監控終端簡介饋線監控終端簡介一、饋線監控終端功能及性能要求一、饋線監控終端功能及性能要求饋線監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、饋線監控終端的構成二、饋線監控終端的構成圖3-1 饋線終端單元硬件框圖 三、饋線終端單元的硬件三、饋線終端單

3、元的硬件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視的交流通道數量和各通道的輸入范圍前置低通濾波器的參數AD轉換的精度、輸入范圍和轉換速度。 交流通道數量取決于饋線終端單元需要監視的饋線數量。一條饋線需要監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視的量就達到了9個（6路電壓、3路電流）。 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的保護或監控裝置，

4、一般來說，其動態輸入范圍為0- 50A。由于采樣頻率為信號頻率的幾十倍甚至上百倍，使用FFT等數字濾波的效果極為明顯。它能非常真實的分離出系統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1 500Hz（30次諧波）左右，則采樣頻率為每周波64點或以上。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AD的輸入范圍時，應該越大越好。 工作環境的電磁噪聲強度往往處在110mV之間，AD轉換

5、的最小分辨率低于5mV無甚意義。以輸入范圍為10V的AD來說，12位（最小分辨率為5mV）或14位（最小分辨率為1.25 mV）精度已經足夠了。 至于AD轉換的速度，取決于采樣通道數量，另外與軟件處理方式有一定關系，一般每秒采樣1050萬次已經足夠。 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68個數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。 2.2.數字量輸入回路

6、數字量輸入回路 提供返校通道能保證在錯誤的遙控命令已發出的情況下，通過返校回路還能及時發現錯誤命令并立即閉鎖遙控出口，避免事故發生。返校回路也能保證饋線終端單元能定期地對遙控回路監視，防患于未然。 3.3.數字量輸出回路數字量輸出回路 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據顯示及人機交互功能 4.4.通信接口及人機界面通信接口及人機界面 按照功能劃分，將不同的功能分配給不同的C

7、PU來處理由DSP完成數據濾波和處理由網絡協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.CPU5.CPU1. 1. 測控功能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、功率因數計算，各交流量的216次高次諧波分量及諧波總量計算；遙信量的采集及上送；遙控返校及執行等功能。四、饋線終端單元軟件四、饋線終端單元軟件2. 2. 故障檢測功能故障檢測功能（1 1）相間短路故障檢測）相間短路故障檢測故障檢測通過監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。相電流的整定值一般是選為大于線路的最大負荷電流值；零序電流的整定值要躲過系

8、統正常運行時的不平衡電流值。四、饋線終端單元軟件四、饋線終端單元軟件2. 2. 故障檢測功能故障檢測功能（1 1）相間短路故障檢測）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68倍，在配電網中勵磁涌流通常需要0.10.15s才衰減完畢。在空投變壓器時，通常會出現勵磁涌流現象，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，可以有效地區分線路合閘送電和饋線短路故障。 當并聯電容器投入時，也會出現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。 2. 2. 故障檢測功能故障檢測功能（2 2）單相接地故障檢測）單相接

9、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使得小電流接地系統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據。 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。 一般的饋線終端單元都是按監控一條線路設計的，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

10、元一主一從，只有主饋線終端單元直接和主站系統通信，從饋線終端單元通過主饋線終端單元間接和主站系統通信。五、環網柜和開閉所的饋線終端單元五、環網柜和開閉所的饋線終端單元環網柜饋線終端單元安裝在環網柜內。環網柜一般都為2路進線，多路出線，因此環網柜饋線終端單元至少需要監控四條線路，要求饋線終端單元有很大的數據容量。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總線方式實現互聯。 CP U單元CAN控制器SJA1000高 速光 耦6N137CAN網接口CAN接 口82C250CAN Bus2.2.環網柜的饋線終端單元環網柜的饋線終端單元 對開閉所饋線終端單元的實現，主要有兩種

11、方案：一種是每個饋線終端單元分別監視一條或幾條饋線，同時各饋線終端單元間通過通信網絡互聯實現數據轉發和共享。系統可以分散安裝，各饋線終端單元功能獨立，接線相對簡單，便于系統擴充和運行維護。另一種方案是在傳統的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，系統擴充也不方便，另外整個系統穩定性也相對較低。 3. 3. 開閉所的饋線終端單元開閉所的饋線終端單元 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

12、濾波器濾除其中的高頻分量； 經過模數轉換器把模擬量轉化成相對應的數字量； CPU利用得到的數字量并結合一定算法求得各電參數的值。 4.2 4.2 饋線監控終端數據采集原理饋線監控終端數據采集原理一、概述一、概述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、概述一、概述被調制的脈沖載波 調制信號 ( )( ) ( )sx tx t s t可以把采樣過程看作是脈沖

13、調幅過程 1. 1. 模擬量的采樣離散化模擬量的采樣離散化模擬信號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AD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) ( )()(1,2,3)ssx tx nTn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。 （1 1

14、）基本采樣方式）基本采樣方式1 1）異步采樣）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。采樣頻率通常取為工頻的整倍數。2 2）同步采樣）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，然后動態調整采樣周期來實現。 1/sffN（2 2）多通道采樣方式）多通道采樣方式1 1）同時采樣）同時采樣a） b）圖4-6 同時采樣a）同時采樣，同時AD轉換 b）同時采樣，順序AD采樣2. 2. 采樣方式采樣方式（2 2）多通道采樣方式）多通道采樣方式2 2）順序采樣）順序采樣圖3-13 順序采樣，順序AD轉換 2. 2. 采樣方式采樣方式假設先對三相電流及零序電流采樣后，

15、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為： 于是同相電壓與電流通道采樣值間隔的電氣角度為653360(5 1) (1030) 102.8820 105n 120Tms10sTs/30A DTs 1/1/136021TTTnradfTTnDAsDAsn（1）分辨率12位、16位模數轉換器的分辨率分別是12和16 ，若12位模數轉換器的滿量程為5V。其滿量程的 為 ，如果輸入電壓的變化量比0.0024V還小，則模數轉換器將無法分辨。（2）輸入模擬量的極性指模數轉換器要求輸入信號是單極性或雙極性電壓。 1210 20.0024V2n3. 3. 模數轉換器的主要技術指標模數轉換器的主

16、要技術指標（3）量程。指模數轉換器輸入模擬電壓的范圍，如：0 V+5V，0 V+10V，-5 V+5V等。 （4）精度。模數轉換器的轉換精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。通常用數字量的位數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。指模數轉換器完成一次將模擬量轉換為數字量的過程所需要的時間。3. 3. 模數轉換器的主要技術指標模數轉換器的主要技術指標（1）算法的基本概念連續型的電壓、電流等模擬信號經過離散采樣和模數變換成為數字量后，CPU將對這些數字量進行分析、計算，得到所需的 電參數。而完成上述分析計算的方法，

17、就稱為交流采樣算法。 三、交流采樣算法三、交流采樣算法1. 1. 概述概述（2）衡量算法優劣的標準兩種消除噪聲分量的影響提高參數計算精度的途徑： 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，然后根據濾波后得到的有效信號進行參數計算。 其二是將濾波與參數計算算法相融合，通過合理設計，使參數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： 一是指算法的數據窗長度，即需要采用多少個采樣數據才能計算出所需的參數值； 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。 （3）保護和監控對算法的不同要求監控需要CPU得到的是反映正常運行狀態的電參

18、數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。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、導數法、半周積分法及傅里葉級數算法等。 2. 2. 電氣量交流采樣算法電氣量交流采樣算法假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為 11100110sinsincoscossincossinnnnnnnnnn

19、nnx tXntXntXntbntant1102( )sin()Tax tt dtT1102( )cos()Tbx tt dtTx(t)中的基波分量為 11111( )sincosx tatbt1111( )2sin()x tXt 合并正弦、余弦項，可寫為1112cosaX1112sinbX 用和角公式展開得到傅里葉級數算法傅里葉級數算法用復數表示為1111()2Xajb 有效值和相角為 2221112Xab111btgaa 積分可以用梯形法則求得 111122sinNkkaxkNN1101122cosNkNkbxxkxNN傅里葉級數算法傅里葉級數算法N=12N=12時時 1123457891

20、0111571124810391133113312122222222213212axxxxxxxxxxxxxxxxxxxx101245678101112024810121571161311331132122222222213212bxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx傅里葉級數算法傅里葉級數算法已求得基波的實部和虛部參數，因此，可以方便地實現任意角度的移相11111111()(cossin )21cossinsincos2FXajbjabj ab傅里葉級數算法傅里葉級數算法求得A、B、C三相基波的實部和虛部參數后，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

21、序的對稱分量 21111221110111131313AABCAABCAABCFXaXa XFXa XaXFXXX1 120 傅里葉級數算法傅里葉級數算法例3-1 饋線終端單元的CPU對一交流電壓信號進行等間隔的AD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）。01204.240 xVxVxV，344.240 xVxV ，傅里葉級數算法傅里葉級數算法111123122sin132(sinsinsin)42212(4.2404.24)44.24NkkaxkNNxxx110101234122cos132(coscoscos)422102(000)0

22、)40NkNkbxxkxNNxxxxx2222114.2403(V)22abX傅里葉級數算法傅里葉級數算法濾波器是一個裝置或系統，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 數字式濾波基本流程 四、饋線監控終端數據濾波原理四、饋線監控終端數據濾波原理1.1.基本概念基本概念（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 數字濾波器通常是指一種程序或算法，數字濾波器的運算過程可用下述線性差分方程來描述，即 00( )()()mmiiijy na x n

23、ib y nj( )x n( )y niaib式中，、為濾波器的輸入值和輸出值序列；為濾波器系數。圖4-22 開關量輸入電路示意圖五、開關量輸入五、開關量輸入/ /輸出輸出1.1.開關量輸入開關量輸入（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 1.1.開關量輸入開關量輸入（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1.1.開關量輸入開關量輸入（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）現場開關輔助觸點

24、輸入電路 b）繼電器觸點輸出1.1.開關量輸入開關量輸入（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 1.1.開關量輸入開關量輸入開關量輸出電路圖4-27 配電終端開關量輸出電路 2.2.開關量輸出開關量輸出FD-F2010型饋線監控終端： 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 4.3 饋線監控終端實例饋線監控終端實例F2010B型饋線終端單元可設置為主單元或子單元。其中主單元具有現地網絡管理功能

25、、與主站的通信管理功能、測控及線路故障監測功能，子單元僅具有測控及線路故障監測功能。柱上開關監控終端、環網柜監控終端采用一臺F2010B型饋線終端主單元；開閉所監控終端采用一臺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網絡聯接。4.3 4.3 饋線監控終端實例饋線監控終端實例F2010B型饋線終端單元由控制板、電源板、底板組成。控制板包括微控制器系統、數字信號處理器系統、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。 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運行外，

26、還增加了一個數字信號處理芯片DSP，來完成模擬輸入量的處理計算， 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AD轉換器轉換為數字量，以串行數據流的形式送入DSP進行處理。 實現對狀態量的取反處理和去顫處理，去顫時間可設 數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是否正確，實現了繼電器的狀態返校。圖4-30 F2010B饋線終端單元接線端子功能圖1基本測量模塊每個周波采樣64個點，每個點AD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

27、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、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等 2. F2010B型饋線終端單元的通信規約 DL/T634 104-2002 由饋線終端單元維護軟件實現與主站通信的發送信息表靈活配置。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。 F2010BF2010B型饋線終端單元軟件型饋線終端單元軟件 （2）相間短路故障檢測 相間短路故障處理模塊可以檢

28、測和區分負荷過流故障、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據表供主站召喚。 F2010BF2010B型饋線終端單元軟件型饋線終端單元軟件 判斷12種狀態，包括： 無壓無流狀態， 確認無壓無流狀態， 空閑狀態， 電壓正常狀態， 過流狀態，確認過流狀態， 確認復歸狀態， 斷路器動作狀態，確認斷路器動作，斷路器閉鎖狀態，確認斷路器復歸狀態， 勵磁涌流抑制狀態。 （2）相間短路故障檢測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

29、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最大接地電流穩態值的1/2倍，最大接地電流穩態值即系統接地故障時的3倍最大零序電容電流穩態值；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據表供主站召喚。 （3）小電流系統單相接地故障檢測配網不同于輸電網，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，配電系統大多還不能對配電線路進行全面的監測和控制，即使在主干線上有開關分段，也只能隔離有限的幾段，故障后尋找故障點往往要耗費大量物力和人力。 4.4 4.4 饋線故障指示器饋線故障指示器（1）利用繼電保護及配合，確定故障出線；（2）在線路上裝上重合器、分段開關等，故障后自動隔離故障區段；（3）在分支上裝設熔斷器或分段開關等；（4）在線路分段開關處裝設饋線監控終端；（5）安裝故障指示器。故障指示器是一種安裝在架空線、電纜及母排上指示故障電流通路的裝置。通過在分支點和用戶進線等處安裝故障指示器，可以在故障后借助于指示器的指示，迅速確定故障分支和具體區段，大幅度減少尋找故障