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1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 配電系統(tǒng)及其自動化配電系統(tǒng)及其自動化 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文） 題目：題目： 10kV10kV變電站變電站RTURTU設(shè)計設(shè)計 院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字） 起止時間：起止時間：2015.11.30-2015.12.112015.11.30-2015.12.11 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動 化 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計

2、 說 明 書 （論文） 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算 學 號 學生姓名專業(yè)班級 電氣（光伏）121 班 設(shè)計題目10kV變電站RTU設(shè)計 課程設(shè)計（論文）任務(wù) 該 RTU 主要實現(xiàn)配電變電所遙測、遙信、遙控、搖調(diào)等四遙功能，并將所遙測的電流電 壓信息及時上傳給主站，并能接受主站命令，實現(xiàn)遙控遙調(diào)功能。 設(shè)計背景：設(shè)計背景：配電變電所進線為 10kV，出線為 0.4kV，每條輸電線路最大輸出功率為 1500kVA 該 RTU 監(jiān)測 2 回 0.4kV 輸出線路的電流電壓以及線路上斷路器隔離開關(guān)的運行狀 態(tài)，并將電流電壓的有效值上傳給主站，同時能接受主站發(fā)出的遙控

3、遙調(diào)等開關(guān)量輸出命令。 設(shè)計內(nèi)容： 硬件電路設(shè)計： 1. 最小系統(tǒng)設(shè)計（包括 CPU 選擇，存儲器，晶振電路，復位電路） 2. 電流電壓檢測電路設(shè)計 3. 電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計 4. 電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計 5. RTU 與主站通信接口設(shè)計 6. 軟件設(shè)計（程序流程圖和程序編寫及電流電壓有效值以及故障識別算法確定） 進度計劃 第 1 天 查閱收集資料 第 2 天 總體設(shè)計方案的確定 第 3 天 最小系統(tǒng)設(shè)計 第 4 天 電流電壓檢測電路設(shè)計 第 5 天 變壓器油溫檢測電路設(shè)計 第 6 天瓦斯保護輸出接口以及報警控制電路設(shè)計 第 7 天 RTU 與主站通信接口設(shè)計 第 8 天 軟件

4、設(shè)計 第 9 天 設(shè)計說明書完成 第 10 天 答辯 指導教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 摘 要 RTU 是一種遠端測控單元裝置，負責對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。 RTU 具有通訊距離較長、用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場、模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計和便 于擴展等特點。與此同時 RTU 還擁有優(yōu)良的通訊能力和更多的計算功能，而且 也能適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境。也正是由于 RTU 完善的功能，使得 RTU 產(chǎn)品在 SCADA 系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。 本設(shè)計中的 RTU 主要實現(xiàn)與配電變電所配

5、合來實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙 調(diào)等四遙功能，并將所遙測的電流電壓信息及時上傳給主站、和接受主站命令， 實現(xiàn)遙控遙調(diào)功能。結(jié)合 RTU 與變電站的配合要求，對變電站中特征電參量的 采集計算方法、RTU 總體方案、硬件選擇與軟件進行了分析和設(shè)計。 關(guān)鍵詞：RTU；SCADA 系統(tǒng)；主站；自動化；四遙功能 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 目 錄 第第 1 1 章章 緒論緒論1 1 1.1 RTU 綜述 1 1.2 本文研究內(nèi)容 1 第第 2 2 章章 RTURTU 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 2 2 2.1 RTU 總體設(shè)計方案 2 2.2 RTU 控制核心模塊設(shè)計 3 2.2.

6、1 CPU 的選擇 3 2.2.2 復位電路設(shè)計4 2.2.3 時鐘電路設(shè)計4 2.2.4 RTU 控制核心模塊原理圖 5 2.3 電流電壓檢測電路設(shè)計 6 2.4 電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計 7 2.5 電氣設(shè)備動作控制電路設(shè)計 7 2.6 報警電路設(shè)計設(shè)計 8 2.7 RTU 與主站通信接口電路設(shè)計 8 第第 3 3 章章 RTURTU 軟件軟件設(shè)計設(shè)計 1010 3.1 軟件實現(xiàn)功能綜述 .10 3.2 流程圖設(shè)計 .10 3.2.1 主程序流程圖設(shè)計.10 3.2.2 數(shù)據(jù)采集流程圖設(shè)計.11 3.2.3 通信流程圖設(shè)計.12 第第 4 4 章章 系統(tǒng)設(shè)計與分析系統(tǒng)設(shè)計與分析1313

7、 4.1 系統(tǒng)原理圖 .13 4.2 系統(tǒng)原理綜述 .14 第第 5 5 章章 課程設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計總結(jié)1515 參考文獻參考文獻1616 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 0 第 1 章 緒論 1.1 RTU 綜述 配電網(wǎng)自動化遠方終端 RTU 是用于配電網(wǎng)饋線回路的各種饋線遠方終端、 配電變壓器遠方終端以及中壓監(jiān)控單元（配電自動化及管理系統(tǒng)子站）等設(shè)備的 統(tǒng)稱。采用通信通道完成數(shù)據(jù)采集和遠方控制功能。 變電站遠方終端 RTU 是 SCADA 系統(tǒng)的基本組成單元，是電網(wǎng)監(jiān)視和控制系 統(tǒng)中安裝在變電站的一種遠動裝置，它負責采集變電站電力運行狀態(tài)的模擬量和 狀態(tài)量，監(jiān)

8、視并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在變 電站的控制和調(diào)度命令，實現(xiàn)調(diào)度中心對電網(wǎng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙” 功能。RTU 的發(fā)展歷程是與“三遙”工程技術(shù)相聯(lián)系地。所謂“三遙”工程技術(shù) 是指遙測、遙控、遙調(diào)技術(shù)，是研究遠處人們不易到達的地點，對物理變化過程、 生產(chǎn)過程進行檢測(遙測)、調(diào)節(jié)(遙調(diào))、控制(遙控)的一門學科。服務(wù)于變電站自 動化的 RTU 還具有了配電故障信息采集與處理、電能質(zhì)量測量、斷路器在線監(jiān) 測等功能，以達到調(diào)度自動化對用戶可靠優(yōu)質(zhì)供電的最終目標。 隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化程度也 日益提高。變電站在電能的生產(chǎn)、傳

9、輸、應(yīng)用過程中，占有非常重要的地位，因 此，變電站自動化系統(tǒng)在變電站的改造和新建中得到了普遍的應(yīng)用。 1.2 本文研究內(nèi)容 本次的設(shè)計要求配電變電所進線為 10kV，出線為 0.4kV，每條輸電線路最大 輸出功率為 1500kVA，該 RTU 監(jiān)測 2 回 0.4kV 輸出線路的電流電壓以及線路上 斷路器隔離開關(guān)的運行狀態(tài)，并將電流電壓的有效值上傳給主站，同時能接受主 站發(fā)出的遙控遙調(diào)等開關(guān)量輸出命令。 在硬件電路設(shè)計中要求包括最小系統(tǒng)設(shè)計、電流電壓檢測電路設(shè)計、電氣設(shè) 備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計、電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計、RTU 與主站通信接 口設(shè)計、軟件設(shè)計。 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課

10、程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 1 第 2 章 RTU 硬件設(shè)計 2.1 RTU 總體設(shè)計方案 作為一個基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計，需要從以下幾個方面來考慮： 1) 微處理器的選擇：在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計 RTU 的功能、可靠性、能耗等指 標選擇一個性價比合理的微處理器，應(yīng)該從微處理器的運行速度、片內(nèi)資源、 擴展能力、保密性和特殊功能等方面考慮，在市場上提供的微處理器中選擇 性價比高、貨源足的芯片。 2) 元器件選擇：在選擇好微處理器后，片內(nèi)資源仍不足時，要進行選擇系統(tǒng)擴 展和配置所需要的元器件，如：存儲器、顯示器、通訊接口和穩(wěn)壓電源等器 件，但是這些器件的選擇應(yīng)該符合我們所設(shè)計系統(tǒng)的要求。 3)

11、 軟/硬件功能分配：軟件、硬件的功能是可以互換的，有些硬件的功能是可以 用軟件來實現(xiàn)的。使用硬件來實現(xiàn)功能可以提高系統(tǒng)的工作速度，減少軟件 的設(shè)計時間，但是會增加成本。如用軟件代替硬件的功能，可以節(jié)省硬件的 使用和費用，但增加了軟件的復雜性和設(shè)計時間。所以要對硬件和軟件功能 做出很好的分配。 通過對總體設(shè)計的全面考慮，結(jié)合實際情況，本設(shè)計中主要有兩方面技術(shù)要 求：一本文設(shè)計的 RTU 要求有很好的通用性，能夠適用于多種工作場合，所以 要能夠采集種類型的信號；二是結(jié)構(gòu)要模塊化，主板上有各種類型的數(shù)據(jù)采集接 口，設(shè)計有串行通信接口，別的通信方式通過串口來擴展。 圖 2.1 89C51RTU 總體設(shè)

12、計方案圖 模擬量輸入A/D C P U 開關(guān)量輸出 通信接口 人機對話接 口 開關(guān)量輸入 程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 模擬量輸入A/D 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 2 本論文中硬件設(shè)計方案各模塊功能如下：通信接口：主要負責與主機的通信 將檢測到的一些數(shù)據(jù)及時送到主站；A/D 轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸時的模數(shù)轉(zhuǎn) 換；人機對話模塊：主要是向系統(tǒng)輸入一些命令或數(shù)據(jù)來控制 RTU 的設(shè)置模式 和設(shè)置狀態(tài)信息等；復位電路：可完成系統(tǒng)上電復位；電源電路：向系統(tǒng)提供 +5V 電壓；開關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出模塊：主要是檢測線路上斷路器、隔離 開關(guān)的狀態(tài)，完成斷路器、隔離開關(guān)的投

13、切；程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器：當線路 發(fā)生故障時快速切斷故障區(qū)段對非故障區(qū)段及早恢復供電提高供電的可靠性，由 于單片機存儲不能滿足實際的要求所以要外加個外部數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)存儲器用以 儲存數(shù)據(jù)采集模塊傳來的重要數(shù)據(jù)信息。 2.2 RTU 控制核心模塊設(shè)計 2.2.1 CPU 的選擇 根據(jù)設(shè)計要求本設(shè)計采用 89C51 單片機作為控制器，89C51 一種帶 4K 字節(jié) 閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能 CMOS8 位微處理器，該器件采 用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和 輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯

14、片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器。該器件價格低廉且易使用，技術(shù)方面已 經(jīng)相當成熟，使用 89C51 完全可以達到設(shè)計要求。其管腳說明如圖 2.2 所示 圖 2.2 89C51 引腳結(jié)構(gòu)圖 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7

15、8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 3 2.2.2 復位電路設(shè)計 復位對于一個系統(tǒng)來說很重要，各個單元要進入正常工作狀態(tài)，需要可靠的 位，而一旦處理器處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛”或進入死

16、循環(huán)，就需要強行 將統(tǒng)復位。正常情況下，一般有上電復位和手動復位。如果電源電壓出現(xiàn)波動， 系統(tǒng)會正常復位，這時候會發(fā)生復位時間不夠從而造成一些錯誤甚至死機，所以 復位監(jiān)控電也是有必要的。它具備如下功能： 1) 上電復位保障上電時能正確地啟動系統(tǒng)。 2) 掉電復位當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時復位系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的復位電路如圖 2.3 所示。電容的值 C1 為 10F，電阻 R1=8.2k。可 保障系統(tǒng)在不同的異常條件下可靠地復位，防止系統(tǒng)失控。 圖 2.3 復位電路圖 2.2.3 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，而單片機必須在時 鐘的驅(qū)動下才能工作，在單片機

17、內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩 源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度， 時鐘電路用于生產(chǎn)單片機工作所需的時鐘信號，如果沒有時鐘信號單片機就不能 正常工作，由此可見，一個系統(tǒng)中，單片機的時鐘電路也是不可或缺的一個重要 組成部分，時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質(zhì)上是一個二分頻的觸發(fā)器， 其輸出是單片機所需的時鐘信號。89C51 內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構(gòu) 成片內(nèi)振蕩器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體

18、或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其 發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘發(fā)生器。、可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào) 1 C 2 C 作用，值選擇 30pF。電路如圖 2.4 所示。 接單片機 +5V C1 10uF R1 8.2k 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 4 圖 2.4 時鐘電路圖 2.2.4 RTU 控制核心模塊原理圖 RTU 中計算機需要能夠穩(wěn)定迅速的運行，這就要求其工作節(jié)奏必須穩(wěn)定且能 靈活改變，而時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，所以需在 核心模塊中添加一個時鐘電路讓計算機能正常持續(xù)的運行。在 CPU 正常工作時 需要定時恒頻率的脈沖，所

19、以需要外加個晶振電路 。由于 RTU 需要經(jīng)常處于惡 劣的環(huán)境中長時間工作，因此，為防止處理器處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛” 或進入死循環(huán)的狀態(tài)，需在核心模塊中加一個復位電路以便在 CPU 發(fā)生死機的 情況下能迅速復位。RTU 具有電流電壓采集記錄等功能，而且 89C51 內(nèi)部的數(shù) 據(jù)存儲器的存儲空間比較小不能儲存大量的電流電壓信息，所以要外擴一個數(shù)據(jù) 存儲器。根據(jù)上文所述，將所選擇的 CPU、數(shù)據(jù)存儲器擴展電路、時鐘電路和復 位電路等連接在一起從而構(gòu)成完整的 RTU 控制核心模塊，核心模塊如圖 2.5 所示。 EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 1

20、6 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 89C 51 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2

21、 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB 0 18 PB 1 19 PB 2 20 PB 3 21 PB 4 22 PB 5 23 PB 6 24 PB 7 25 PC 0 14 PC 1 15 PC 2 16 PC 3 17 PC 4 13 PC 5 12 PC 6 11 PC 7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SET 35 CS 6 8255 D7Q7 D6Q6 D5Q5 D4Q4 D3Q3 D2Q2 D1Q1 D0Q0 74L S373 DI0 1 DO 0 19 DI1 2 DO 1 18 DI2 3 DO 2 1

22、7 DI3 4 DO 3 16 DI4 5 DO 4 15 DI5 6 DO 5 14 DI6 7 DO 6 13 DI7 8 DO 7 12 OE 9 STB 11 8282 I/O 1 I/O 2 I/O 0 I/O 7 I/O 6 I/O 5 I/O 4 I/O 3 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A10 A9 A8 6116 RE SET R2 1K R1 200 C 22 F VC C C1 22 F C2 22 F Y 12 F 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 5 圖 2.5 RTU 控制核心模塊原理圖 2.3 電流電壓檢測電路設(shè)計 本

23、次設(shè)計的設(shè)計背景為：配電變電所進線為 10kV，出線為 0.4kV，每條輸電 線路最大輸出功率為 1500kVA 該 RTU 監(jiān)測 2 回 0.4kV 輸出線路的電流電壓以及 線路上斷路器隔離開關(guān)的運行狀態(tài)，并將電流電壓的有效值上傳給主站，同時能 接受主站發(fā)出的遙控遙調(diào)等開關(guān)量輸出命令。由此可進而確定出模擬量的檢測路 數(shù)為 12 路，分別為 6 路電壓信號和 6 路電流信號。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D 轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。 MAX197 是具有 12 位測量精度的高速 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，只需單一電源供電，且轉(zhuǎn) 換時間很短，約為 6us，具有 8 路模擬轉(zhuǎn)換通道和 12

24、 位的 A/D 轉(zhuǎn)換其轉(zhuǎn)換精度， 還提供了標準的并行接口，為 8 位三態(tài)數(shù)據(jù) I/O 口，可以和大部分單片機直接接 口，使用十分方便所以選用兩片 A/D MAX197 轉(zhuǎn)換器即可滿足本次設(shè)計的需要。 由于計算機在任一時刻只能接收一路模擬量信號的采集輸入，當有多路模擬 量信號時需通過模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，按一定順序選取其中一路進行采集。當需要對多 個模擬量進行模數(shù)變換時，由于 A/D 轉(zhuǎn)換器的價格較貴，通常不是每個模擬量輸 入通道設(shè)置一個 A/D，而是多路輸入模擬量共用一個 A/D，中間經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開 關(guān)切換。在本設(shè)計中，選用型號為的 LW18 系列的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。 綜上所述，完整的模擬量檢測電路如圖

25、2.6 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:4-Jan-20 11 Sheet o f File:D:PR OGRA M F ILESPR OTEL 99SE一一一EX AMPLESMyDesig n5.ddbDrawn B y: EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38

26、 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 89C 51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS INT RD WR CL K RE T CH 0 CH 1 CH 2 CH 3 CH 4 CH 5 CH 6 CH 7 MA X197 10k 1K 15K TA 8 + - +12 V 10k 1K 15K TV 8 + - +12 V 遼 寧 工 業(yè) 大 學

27、課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 6 圖 2.6 模擬量檢測電路圖 2.4 電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計 電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路如下圖 2.8 所示。 圖 2.7 電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路圖 由變電站的電氣主接線圖可知，本次設(shè)計主要研究的是 RTU 監(jiān)測 2 回 0.4kV 輸出線路的電流、電壓以及線路上斷路器隔離開關(guān)的運行狀態(tài)，所以檢測電氣設(shè) 備的臺數(shù)為 4 臺，開關(guān)量輸入 4 路。因此，選擇 89C51 單片機的 P1 口作為四路 開關(guān)量的輸入接口，采用光電耦隔離措施來排除輸入開關(guān)量采樣過程中干擾信號 的影響。當有遙信信號時光耦二極管發(fā)光，并且光耦合器導通使單片機的輸入端 變成低電平

28、，單片機接受遙信信號。 2.5 電氣設(shè)備動作控制電路設(shè)計 具體電路如圖 2.8 所示。 RC PA 3 PA 4 PA 5 PA 6 PA 7 U? NO T +5 V J ZJ +V 一一一一 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:5-J an-20 11 Sheet o f File:D:PR OGRA M F ILESPR OTEL 99SE一一一EX AM PLESM yDesig n5.ddbDrawn B y: +24 V VC C R3 R2 R1 C1 JQ D1 QF CPU P1.0

29、一CPUYX 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 7 圖 2.8 電氣設(shè)備動作控制電路設(shè)計 根據(jù)電氣主接線圖和監(jiān)測回路中的斷路器和隔離開關(guān)的個數(shù)可以確定，所搖 控電氣設(shè)備的臺數(shù)為 4 臺，開關(guān)量控制輸出為 6 路。選擇 89C51 的 PA3 口作為 六路開關(guān)量的輸出口。 由于單片機 I/O 口提供的電流太小，不能直接驅(qū)動繼電器。所以由單片機的 I/O 口輸出到驅(qū)動芯片以驅(qū)動繼電器，為了防止繼電器誤動，需要對驅(qū)動信號加 以互鎖，因此，在電氣設(shè)備動作控制電路中應(yīng)采用繼電器隔離來隔離強弱電。 2.6 報警電路設(shè)計設(shè)計 指示燈的顯示直觀、易引起注意等優(yōu)點是其他顯示器不可代替

30、的，但指示燈 也不宜過多，主要用于顯示一些重要信息。本控制器設(shè)有 5 個指示燈，分別為電 源指示、裝置故障指示、裝置閉鎖指示、開關(guān)現(xiàn)地控制指示、開關(guān)自動控制指示。 當控制器故障或閉鎖時，指示燈配合蜂鳴器的聲音可提醒運行人員注意，而開關(guān) 現(xiàn)地控制、開關(guān)自動控制指示燈顯示當前裝置的控制狀態(tài)，其中報警電路如圖 2.9 所示。 圖 2.9 報警電路 2.7 RTU 與主站通信接口電路設(shè)計 RS-232 是 PC 機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，許多設(shè)備都提供 串行接口。在本設(shè)計中，串口一方面作為調(diào)試程序時的標準輸入輸出設(shè)備，另一 方面，可以通過串口來與 PC 機進行通信。RS-232 被定義為

31、一種在低速率串行通 訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地。典型的 RS-232 信號在正負電平之間擺動， 在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V，負電平在-5-15V 電平。 當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 VCC 5V R 10K P1.0 報警器 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 8 RS-232 電平再返回 TTL 電平由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V 左右， 所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其

32、傳送距離最大為約 15 米，最高速率為 20kb/s。RS-232 是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè) 計的，滿足簡單通信的需求。 要完成基本的通信功能，實際上只需 RXD，TXD，GND 即可。RS232 標準 接口有 9 芯或 25 芯的 D 型插頭，本設(shè)計采用的是 9 芯的 D 型插頭。本文 MAX232 的串口驅(qū)動芯片設(shè)計了 3 路三線制的 UART 串行口，波特率可高達 1200bps57600bps，有 RS232 電平轉(zhuǎn)換功能。其中 UART0 和 UART2 可以和上 位機連接，也可以接傳感器。RS232 接口電路如圖 2.9.1 所示。 圖 2.9.1 RS232 接

33、口電路 RXD TXD T1IN 11 R1OUT 12 T2IN 10 R2OUT 9 T1OUT 14 R1IN 13 T2OUT 7 R2IN 8 C2+ 4 C2- 5 C1+ 1 C1- 3 VS+ 2 VS- 6 U11 MAX232 ERROR TXD 3 RXD 2 CTS 8 RTS 7 DSR 6 DTR 4 DCD 1 RI 9 P1 RS232 C13 100nF C12 100nF C15 100nF +5V C16 100nF D9D10 R15 100k 12 D11 C14 1nF 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 9 第 3 章 R

34、TU 軟件設(shè)計 3.1 軟件實現(xiàn)功能綜述 RTU 復雜的算法是靠軟件來實現(xiàn)的。同樣的硬件加上不同的算法，就組成了 不同功能的系統(tǒng)，這給系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的靈活性并縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。因 此，軟件設(shè)計在 AT89C51 系統(tǒng)的設(shè)計中是非常關(guān)鍵的。RTU 軟件系統(tǒng)以實時多 任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)為核心，對內(nèi)部任務(wù)和外部任務(wù)調(diào)度和管理。系統(tǒng)上電啟動后，上 電復位對整個硬件電路進行復位，先進行初始化和系統(tǒng)自檢，然后就啟動定時器 定時，之后就進入任務(wù)調(diào)度程序，檢查有沒有任務(wù)被置位。本次設(shè)計根據(jù)電力系 統(tǒng)實際的需求，所以仍采用傳統(tǒng)的程序設(shè)計，即采用順序結(jié)構(gòu)，程序運行中對中 斷進行響應(yīng)。順序結(jié)構(gòu)軟件由一個無限循環(huán)的主

35、程序和若干個中斷程序構(gòu)成。為 了提高實時性，要求中斷得理程序盡量短，并采用設(shè)置標志位的方法。中斷程序 基本上只完成基本的工作，大部分工作由主程序完成。主程序循環(huán)查詢各個標志 位以確定是否發(fā)生過中斷，是否需要做相應(yīng)處理。 3.2 流程圖設(shè)計 本次設(shè)計中 RTU 軟件系統(tǒng)的流程圖的設(shè)計包括主程序流程圖、數(shù)據(jù)采集流 程圖以及通信流程圖的設(shè)計。 3.2.1 主程序流程圖設(shè)計 主程序循環(huán)查詢各個標志位以確定是否發(fā)生過中斷，是否需要做相應(yīng)處理。 本設(shè)計中用單片機實現(xiàn)與監(jiān)控控制中心計算機的雙向數(shù)據(jù)通信，使得 RTU 單元將多種測量結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成協(xié)議所規(guī)定的格式，并及時送往控制中心。當單 片機接收到外部中斷觸

36、發(fā)信號之后，進行數(shù)據(jù)存儲，該中斷信號通過低電平觸發(fā) INT1 引腳。 主程序在數(shù)據(jù)傳輸過程中，利用程序采用串口將數(shù)據(jù)傳送至上位機。單片機 以校驗的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，以 16B 數(shù)據(jù)為一幀，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都要等待上位機的 反饋信號，以判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正確。主程序流程圖如圖 3.1 所示。 開始單片機初始化 處理器暫 停 結(jié)束 讀取上位機命令 上傳數(shù)據(jù) 外部中斷 觸發(fā) 數(shù)據(jù)是否 上傳 是 否 是 否 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 10 圖3.1 RTU流程框圖 3.2.2 數(shù)據(jù)采集流程圖設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊軟件功能主要是通過編程實現(xiàn)現(xiàn)場交流信號和運行狀態(tài)等電參 量數(shù)據(jù)的實

37、時采集和處理。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖 3.2 所示。 圖 3.2 數(shù)據(jù)采集流程圖 開始 進入初始化界面 參數(shù)設(shè) 定？ 參數(shù)設(shè)定 電參量計算 電參量顯示與控制模塊 結(jié)束 否 是 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 11 3.2.3 通信流程圖設(shè)計 本次設(shè)計的通信流程框圖如下圖 3.3 所示。 圖3.3 通信流程圖 通信主控模塊軟件功能主要是通過編程構(gòu)筑連接當?shù)?PC 機以及變電站遠程 集控中心與各類現(xiàn)場單元信號測量模塊間數(shù)據(jù)通信的紐帶。 是 否 是 否 否 是 處理影響通訊任務(wù) 結(jié)束 執(zhí)行通訊 任務(wù)？ 通訊任務(wù)執(zhí) 行完畢？ 開始 初始化進入界面 參數(shù)設(shè) 定？ 參數(shù)設(shè)定 通訊

38、狀態(tài)監(jiān)控模塊 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 12 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計與分析 4.1 系統(tǒng)原理圖 本次設(shè)計中 RTU 總體設(shè)計方案以 CPU 為核心，外加模擬量輸入模塊及 A/D 轉(zhuǎn)換器。通信接口主要負責與主機的通信將檢測到的一些數(shù)據(jù)及時送到主站。開 關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出模塊主要是檢測線路上斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)，完 成斷路器、隔離開關(guān)的投切。軟件系統(tǒng)要求在硬件資源的基礎(chǔ)上, 采用模塊化結(jié) 構(gòu), 利用 89C51 單片機語言編程，RTU 的軟件功能包括交流電壓、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，各交流量的高次諧波分 量及諧波總量

39、計算，遙信量的采集及上送，遙控返校及執(zhí)行等諸多功能。 本設(shè)計中的基于 89C51 單片機的配電網(wǎng)自動化遠方終端 RTU 的系統(tǒng)原理電 路圖如圖 4.1 所示。 圖 4.1 系統(tǒng)原理圖 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 13 4.2 系統(tǒng)原理綜述 在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，遠方終端 RTU 的功能是指終端對電網(wǎng)的監(jiān)視和控制能 力，也包括終端的自檢自調(diào)和自恢復的能力。由于電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)面對一個龐大而 錯綜復雜的對象，遠方終端的任務(wù)不僅數(shù)量多，而且復雜。通常的遠方終端功能 可劃分為遠方功能和當?shù)毓δ?本次設(shè)計主要是以 RTU 為研究對象，通過模擬量檢測電路實現(xiàn)對回路中的 電流、電壓

40、信號等信號進行實時檢測，然后將這些電參量通過 RS485 接口電路將 檢測到的信號通及時上傳給主站，從而達到實時監(jiān)控的功能。 當線路發(fā)生故障時，RTU 系統(tǒng)通過故障檢測記錄相關(guān)的故障測量信息和故障 特征信息，并將這一信息及時地傳遞給主站，同時開關(guān)檢測電路將回路中的開關(guān) 狀態(tài)再次通過通信通道上傳給主站。基于 89C51 單片機的控制，通過軟件運算故 障區(qū)段故障信息之后，向 RTU 發(fā)出遙控命令，利用斷路器、隔離開關(guān)的分斷與 重合功能將故障區(qū)段切除，對故障區(qū)段正常供電，完成 RTU 的四遙功能，即遙 測、遙信、遙控和遙調(diào)功能。 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 14 第

41、 5 章 課程設(shè)計總結(jié) 變電站遠方終端 RTU 是 SCADA 系統(tǒng)的基本組成單元，是電網(wǎng)監(jiān)視和控制系 統(tǒng)中安裝在變電站的一種遠動裝置，它負責采集變電站電力運行狀態(tài)的模擬量和 狀態(tài)量，監(jiān)視并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在變 電站的控制和調(diào)度命令，實現(xiàn)調(diào)度中心對電網(wǎng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙” 功能。 本次的設(shè)計要求配電變電所進線為 10kV，出線為 0.4kV，每條輸電線路最大 輸出功率為 1500kVA，該 RTU 監(jiān)測 2 回 0.4kV 輸出線路的電流電壓以及線路上 斷路器隔離開關(guān)的運行狀態(tài)，并將電流電壓的有效值上傳給主站，同時能接受主 站發(fā)出的遙控遙調(diào)等開關(guān)

42、量輸出命令。 本次設(shè)計按照設(shè)計要求較好的完成了設(shè)計內(nèi)容，取得的成果主要體現(xiàn)在 RTU 的設(shè)計上嚴格遵循國家標準和相關(guān)行業(yè)標準功、RTU 系統(tǒng)采用 AT89C51 作為 CPU，具有低功耗、高穩(wěn)定性和實時性，滿足當前電力系統(tǒng)的要求和本次設(shè)計的 RTU 按照設(shè)計實現(xiàn)的功能分單片機最小系統(tǒng)模塊、電壓，電流測量模塊、開關(guān)量 輸入輸出模塊、通信模塊四個功能模塊進行了芯片選型、原理圖設(shè)計;RTU 系統(tǒng) 軟件設(shè)計上使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，將整個程序模塊化。最后對系統(tǒng)的軟硬件進行 了調(diào)試這三個方面。 本論文的研究及設(shè)計初步完成了利用單片機設(shè)計的變電站自動化遠方終端基 本實現(xiàn)了變電站自動化遠方終端主控制器 RTU

43、的主要功能，由于時間關(guān)系，本 次設(shè)計的 RTU 還有不完善的方面，主要體現(xiàn)在：接口部分為了操作方便，可 以進行深入研究，如加入觸摸屏等方式；硬件電路部分雖然進行了大量的研究 與設(shè)計，但仍需要對一些電路進行更好更合理的設(shè)計；設(shè)計中在軟件設(shè)計方面 還有很多欠缺與不足，有待進一步深入研究，以便使 RTU 的性能更好，整個系 統(tǒng)更合理。 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 15 參考文獻 1黃益莊編著 變電站綜合自動化技術(shù) 中國電力出版社 2004. 2劉佩娟,陸天鍵編著 遠方終端裝置的現(xiàn)狀和設(shè)計新產(chǎn)品的要求 電網(wǎng) 技術(shù) 1998,5. 3楊蘭,張艷平編著 電力系統(tǒng)自動化遠方

44、終端的研制 長沙理工大學學 報 2006.2. 4柳永智,劉曉川編著 電力系統(tǒng)遠動 中國電力出版社 2002. 5畢勝春編著 電力系統(tǒng)遠動及調(diào)度自動化 中國電力出版社 2000. 6張永健編著 電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動化（第二版） 中國電力出版社 2007.2. 7陳堂等編著 配電系統(tǒng)及其自動化技術(shù) 中國電力出版社 2004.8. 8王田苗編著 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) 北京:清華大學出版社 2003. 9周立功編著 ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 北京:北京航空航天大學出版 社 2005. 11劉湘濤,江世明編著 單片機原理與應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2006.7. 12李朝青編著 單片機原理及接口技術(shù)（第三版） 北京航天大學出版 社 2005. 13謝筑森編著 單片機開發(fā)與典型應(yīng)用設(shè)計 北京:電子工業(yè)出版社 1997. 14范立南,李雪飛編著 單片微型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計人民郵電出版社 2004.3.