电力系统监控设计.doc

自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计

电力系统监控技术课程设计报告

题目： AT分区所遥控数据输出系统
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1 设计原始资料
1.1具体题目说明
远动的遥测、遥信、遥控和遥调功能，通过传送远动信息实现。远动信息包括遥测信息、遥信信息、遥控信息和遥调信息。
遥控，又称远程命令（telecommand），是应用远程通信技术，完成改变运行设备状态的命令，如对断路器的控制。
设计AT分区所（如图1.1）的遥控数据输出系统。

图1.1 AT分区所主接线

1.2要完成的内容
设计内容：
（1）计算机绘制被控站（RTU端：变电所或开闭所或分区亭）通用系统结构框图（A4）。要求：绘出各种数据点的采集通道（如：模拟量输入、开关量输入、脉冲累计量输入），控制输出通道（模拟量输出、开关量输出、脉宽调制输出），网络通信通道的示意图。
（2）设计一个具体的MCS－51单片机数据输出最小系统（开关量输出数据，路数为16路，控制断路器的分、合闸继电器），绘制出开关量输出接口电路；要求用标准图纸，手工绘制（或专用软件protel等），具体到芯片管脚的连线。
（3）选用问答式传输规约，以调度中心遥控该所某一断路器合闸（或分闸）为例，编写调度中心和该所的遥控过程报文帧结构；
注：主站地址（一般取00H）和子站地址（一般取01H-0FEH）可在符合规约要求的前提下，自行设置。
（4）计算机绘制（A4纸）相应的遥控数据输出流程图，编写遥控数据输出采集程序。
2 硬件设计
2.1 各开关元件及数据采集点编号
2.1.1 各开关元件编号
对AT分区所各采集点进行编号如图2.1所示，对各开关的采集点进行编号见表2.1。

图2.1 AT分区所各采集点编号示意图

表2.1 采集点代号及编号
编号
QS1
QS2
QS3
QS4
QS5
QS6
QS7
QS8
代号
00
01　
02
03　
04
05
06
07
编号
QS9
QS10
QF1
QF2
QS11
QS12
QS13
QS14
代号
08
09　
0A
0B
0C
0D
0E
0F
编号
QS15
QS16
QS17
QS18
QS19
QS20
QS21
QS22
代号
10
11
12
13
14
15
16
17

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2.1.2 断路器遥控实现
在电力系统中，遥控的主要对象为断路器，对断路器运行状态的合闸操作和分闸操作，分别由合闸回路和分闸回路控制。因此，对断路器的操作需要两路遥控输出实现，一路负责控制，另一路负责跳闸控制。
图2.2给出断路器遥控回路简图，图中略去断路器手动控制回路部分。+KM，-KM为控制回路电源小母线，+HM，-HM为合闸小母线，1~4FU为熔断器，QF为熔断器辅助触点，KM为合闸接触器，YC为合闸线圈，KCB为跳跃闭锁继电器，YKH为遥控合闸，YKT为遥控跳闸。

图2.2 断路器遥控回路简图

2.2 被控站通用系统结构
2.2.1 控制输出通道
安装在主站的装置称为前置机。前置机是缓冲和处理输入或输出数据的处理机，它接收远动终端装置(RTU)送来的实时远动信息，经过译码后还原出被测量的实际大小值，和被监视对象的实际状态，显示在调度室的CRT上和调度模拟屏上，也可以按要求打印输出。这些信息还要向主计算机传送。另外调度员通过键盘或鼠标操作，可以向前置机输入遥控命令和遥调命令，前置机按规约组装出遥控信息字和遥调信息字向RTU传送。
安装在子站的装置称为远动终端装置(RTU)。RTU对各种电量变送器送来的0~5V直流电压分时完成A/D转换，得到与被测量对应的二进制数值；并由脉冲采集电路对脉冲输入进行计数，得到与脉冲量对应的计数值；还把状态量的输入状态转换成逻辑电平“0”或“1”。再将上述各种数字信息按规约编码成遥测信息字和遥信信息字，向前置机传送。RTU还可以接收前置机送来的遥控信息字和遥调信息字，经译码后还原出遥控对象号和控制状态，遥调对象号和设定值，经返送校核正确后输出执行。
前置机和RTU在接收对方信息时，必须保证与对方同步工作，因此收发信息双方都有同步措施。
由题目的原始资料可得，本课题远动系统的遥控对象是断路器和隔离开关。遥控数据输出通道如图2.2所示。

图2.2 遥控数据输出通道

2.2.2 数据采集通道
在远动技术中涉及了大量来自系统的信息—遥信、遥测、电能，也涉及了大量返回系统的命令—遥控、遥调。对远动系统，远动信息以数字信号进行传输，所以远动信息的传输系统是数字通信系统。遥信数据采集通道如图2.3。

图2.3 遥信数据采集通道
2.2.3 控制输出通道
遥控输出通常以继电器触点方式提供。继电器一方面可以起到信号隔离作用；另一方面可以直接接入控制回路，控制回路中信号的通断。若提供的继电器触点容量不够时，还可再接入一级中间继电器。图2.4为16路遥控输出接口电路。
为使继电器能可靠的动作，在锁存器与继电器之间加入驱动电路。驱动电路在输出低电平时，应有较大的吸收电流。电阻R的选取，应能保证继电器动作时线圈中有较大的电流。当然电阻R越小，提供的动作电流越大，继电器动作越可靠。图中，遥控输出为一对动合触点。遥控状态为“0”时，继电器不动作，触点断开；遥控状态为“1”时，继电器动作，触点闭合。
图2.4 16路遥控输出接口电路

2.3 MCS-51单片机数据输出最小系统
2.3.1 原理框图
单片机的芯片内集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能，例如MCS-51系列单片机，一块芯片就是一个完整的最小微机系统。但单片机的内部资源是有限的，特别是8031或80C31等芯片，必须扩展EPROM才能使用；片内RAM也需要扩展；虽然芯片内部有四个八位I/O端口，但可供外部输入∕输出设备使用的只有P1口和P3口的部分口线，这对于众多的外部设备（如键盘、显示器、开关、A/D\D/A以及执行机构等）是远不够用的，同样也需要扩展口。为此经常需要对单片进行资源扩展，从而构成一个功能更强的单片机系统。
在本系统中，采用MCS-51单片机，我们对此芯片依次进行EPROM的扩展、RAM的扩展以及I/O端口的扩展。
远动规约中的遥控命令和升降命令，遥控的硬件输出电路还可以采用更贴近实际的方法实现，其原理框图如图2.5。

图2.5 MCS-51单片机最小系统原理框图

2.3.2 系统电路图
如图2.6所示，为遥控硬件输出电路的系统电路图。图中，通过硬件将遥控数据经译码电路分成三类信号：对象信号、性质信号和执行信号。采用译码器形成控制信号可以确保信号的可靠性和唯一性。
图2.6 MCS-51单片机最小系统电路图
3 软件设计
3.1 规约及主、子站地址
3.1.1 传输规约
在远动系统中，为了正确传送和接收信息，必须有一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，称为远动规约或远动协议。
远动信息的传输以问答传输模式进行，也称polling规约以我国的《问答式远动规约(试行)》（1986），电力行业标准DL/T634－1997为例两种帧格式,可变帧长：传输数据（主→子/子→主）；固定帧长: 传输确认报文与询问报文。
3.1.2 主站和子站地址
按习惯称呼的调度中心和厂站，在远动术语中称为主站（master station）和子站（slave station）。主站和子站的功能如下:
主站也称控制站（controlling station），它是对子站实现远程监控的站；
子站也称受控站（controlled station），它是受主站监视的或受主站监视且控制的站；
计算机技术进入远动技术后，安装在主站和子站的远动装置分别被称为前置机（front—end processor）和远动终端装置（Remote Terminal Unit）。
子站与主站的配置有如下几种:
(1)点对点配置：主站与子站之间通过专用的传输链路相连接的一种配置；
(2)多点星型配置：控制中心或主站与多个子站之间相连接的一种配置；
(3)多点共线配置：控制中心或主站通过一公共链路与多个子站相连接的一种配置；
(4)多点环形配置：所有站之间的通信链路形成环路，控制中心或主站可以通过两条不同的路径与每一个子站通信。
表3.1给出了主站和子站的地址。

表3.1 主站和子站的地址
站名 主站 子站
代号 交直流 馈线 并补 适用测控
地址 00H 01H 02H 03H 04H

3.1.3 报文帧结构
遥控命令帧均由五个码字构成，其帧结构如图3.1所示。同步字为三组D709H。控制字的格式如图3.2所示。控制字的第一个字节B0为控制字节，置为71H；B1字节为帧类别，可区别下行遥控命令的含义，61H为遥控选择，C2H为遥控执行，B3H为遥控撤销；B2字节为信息字数，03H表示遥控命令帧包含3个信息字；B3、B4字节分别为源站址（调度端地址）和目的站址（RTU地址）；B5字节放置控制字的校验码。三个信息字的内容完全相同，以保证遥控信息的正确性。

（a）控制过程

（b）帧结构
图3.1 遥控过程及帧结构

图3.2 遥控命令的控制字格式

图3.3 遥控过程的信息字格式

遥控过程的信息字格式如图3.3所示。图（a）（b）（c）（d）分别为遥控选择、遥控返校、遥控执行、遥控撤销信息字格式，可从其功能码的不同值（E0H、E1H、E2H、E3H）加以区别。在遥控选择信息字中，B1字节为CCH，表示合闸操作，33H表示分闸操作。在遥控执行和遥控撤销中，B1字节为AAH表示执行遥控命令，55H表示撤销遥控命令。在这些信息字中，B2字节为开关序号，用二进制码表示。B3字节、B4字节与B1字节内容、B2字节内容相同，能提高信息的可靠性。
3.2程序流程图设计
系统对遥控的可靠性要求极高，不允许误动和拒动。因此，在实现遥控功能的硬件和软件结构上必须考虑各种保护、闭锁措施。
其程序流程图如图3.4所示。

图3.4 程序流程图

结 论
本设计主要是对AT分区所的遥控数据输出系统进行分析研究。通过了解遥控输出所反映的内容和关于牵引变电所中的分区所远动系统的遥控数据输出过程，对具体的AT分区所遥控数据输出系统进行了设计。
遥控，又称远程命令（telecommand），是应用远程通信技术，完成改变运行设备状态的命令。遥控作为对系统的控制措施，将改变系统的运行方式，它对确保系统安全、稳定、经济地运行会产生直接的影响。因此，对遥控的可靠性要求是极高的，不允许有误操作。
本设计首先通过分析题目进行硬件的设计，对开关元件及数据采集点用16进制进行编号，具体是对断路器、隔离开关进行编号；然后绘制被控站通用系统结构图（题中AT分区所子站包括馈线、交直流、并补、适用测控）；绘制遥控数据输出通道、遥信数据采集通道。绘制MCS—51单片机最小系统时，绘制出基本框图，仔细分析研究各引脚功能，然后完成系统结构电路图的绘制；最后给出主站和子站地址，并对传输规约进行解释，设计出程序流程图。

参 考 文 献
[1] 柳永智,刘晓川. 电力系统远动[M]. 北京：中国电力出版社,2006.
[2] 钱清泉. 电气化铁道微机监控技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2000.
[3] 李华,王思明,张金敏. 单片机原理及应用[M]. 兰州：兰州大学出版社. 2001.
[4] 铁道部.《铁路电力远动系统工程设计规范（TB10064-2000）》 [S].北京：中国铁道出版社，2000.
[5] 铁道部.《铁路电力牵引供电远动系统技术规范（TB11017-98）》[S].北京：中国铁道出版社，2000.

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