1、电力系统监控技术课程设计报告题目:分区所的遥测数据采集系统班级： 电气083班 姓名： 曹 晶 学号： 200809304 指导教师： 王 果 设计时间： 2012年3月10日 评语：成绩 自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 1 -1 设计原始资料1.1 具体题目说明远动系统是指对广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包括对必需的过程信息的采集、处理、传输和显示、执行等全部的设备与功能。牵引供电系统中使用的 SCADA 系统主要监控牵引供电系统沿线各变电所，分区所，开闭所的设备运行状态，完成遥控、遥测、遥信、遥调及调度管理，辅助完成事故分析及处理等功能。牵引供电系统 SCADA
2、 系统调度中心与牵引供电系统变电所、开闭所，分区所中的被控站联系起来，一侧称为调度端，另一侧称为执行端，对其站实现远程监控的站称为监控站或主站，而受主站监控的站称为被控站或子站。在被控站内完成远动数据采集、处理、发送、接收以及输出执行等功能的设备称为远动终端(RTU)。具体采集单元主要采集变电所各段母线电压，线路的电压、电流和功率值，馈线的电流、电压及功率值，频率，相位，变电所用电电压和功率等。对电流、电压和功率变量，通常利用电流或电压互感器和变送器把要测量的交流强电信号变成 05V 或 010mA 的直流信号后送入远动装置，也可以把实测的交流信号变换成幅值较小的交流信号后，由远动装置直接对其
3、进行交流采样。本课程设计就是要完成对纽结型开闭所的遥测数据采集系统的设计。1.2 要完成的内容(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。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 MCS51 单片机数据采集最小系统(模拟量输入数据，路数为16 路，A/D 转换为 12 位)，模拟量输入数据类型为经过变送器；用标准图纸，手工绘制(或专用软件 Proteus 等)，具体到芯片管脚的连线。(3) 选用问答式传输规约，结合题目实际，以
4、部分采集数据为例，编写上传调度中心的遥测数据报文的帧结构；主站地址(一般取00H) 和子站地址(一般取01H-0FEH)。(4) 计算机绘制相应的遥测数据采集程序流程图，编写遥测数据采集程序。2 硬件设计 2.1 各开关元件及数据采集点编号自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 2 -2.1.1 各开关元件编号在变电所调度自动化系统中，遥测的主要对象为电流互感器和电压互感器。为了确保开闭所可靠、安全、经济地运行，就需对系统中的开关量进行有选择性的控制。对各电压、电流互感器进行适当的编号，便可进行相应的控制，实现远程监控的目的。各开关元件编号如图 2.1 所示。T V 1T V 2T V
5、 3T V 4T A 1 T A 2Q S 1Q S 2Q F 1 Q F 2Q S 3Q S 4T A 3T A 4图 1 A T 分区所主接线图 2.1 AT 分区所主接线2.1.2 数据采集点定义TV1 到 TV4 分别为上下行线路中牵引侧的电压互感器，用来测上下行线路中牵引侧的电压值；TA1 到 TA4 为电流互感器，用来测量各部分电流值。线路中牵引侧的电压互感器，用来测上下行线路中牵引侧的电压值。具体数据采集点定义如表 2.1 所示。表 2.1 采集节点的编号TV1 TV2 T3 T4 TA1 TA2 TA3 TA400H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H2.2
6、 被控站通用系统结构2.2.1 数据采集通道自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 3 -遥测信息是表征系统运行状况的连续变化量，分为电量和非电量两种，不管是电量还是非电量最终都要转化为弱电直流模拟信号。这些弱电直流模拟信号受多路开关控制分时接入模/数转换电路，经 A/D 转换电路后转换成一组二进制代码。这组二进制代码与转换的模拟量之间构成线性一一对应关系，则遥测数据采集系统配置的基本模式如下图 2.2 所示。图 2.2 遥测数据采集系统配置的基本模式2.2.2 控制输出通道主机将运算结果通过并行输出端口输出二进制数据，再经 A/D 转换器转换成相应的模拟量信号，再经功率放大器后驱动执
7、行机构，以达到预定的控制要求。具体如图 2.3所示。遥测、遥信 CRT 显示打印送模拟屏送主计算机译码 解调同步返送校核 信道电流变送器电压变送器功率变送器传感器模拟多路开关模/数转换编码 调制脉冲计数数字多路开关传感器终端装置部分上行信息自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 4 -C P U并行输出端口D / A转换线性功率放大器执行机构二进制数控制电压驱动功率图 2.3 模拟量输出通道2.2.3 网络通信信道数字通信系统是指在通信系统中所传输的是二进制或多进制数字信号的一种通信方式。它的主要特点就是在调制之前要经过两次编码，相应地，在接收解调后也要经过两次译码。图 2.4 为数字
8、通信系统的模型框图。在该图中，信源发出的是模拟信号，信源编码的主要任务就是将模拟信号转换为数字信号，以适宜在数字系统中的传输。模拟信号转换为数字信号主要有两种方式：一是脉冲编码调制 PCM，另一种是增量调制(M) 。信道编码是对信源的二次编码，其目的是在于提高数字传输系统的可靠性。实现方法是将信源编码器输出的数字序列人为地按照某种规则加入一些多余码元作为差错控制用的监督码，使得收端能发现错误或自动纠正差错。信道译码器则主要进行检错与纠错。数字调制就是把数字基带信号进行调制形成适合在信道中传输的数字调制信号。基本的数字调制方式有幅移键控 ASK、频移键控 FSK、绝对相控键控 PSK、相对相移键
9、控 DPSK。与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰能力强、差错可控、易于保密、灵活性高、易于与各种终端设备接口等特点，已成为当代通信技术的主流。信息源信源编码信道编码调制信道干扰解调信道译码信源译码受信者图 2.4 数字通信系统模型2.3 MCS-51 单片机（数据采集或输出）最小系统2.3.1 原理框图自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 5 -遥测数据采集单片机系统原理图如图 2.5 所示。过程参数传感器检测信号调理信号调理信号调理多路转换开关放大器采样 / 保持模 / 数单片机控制图 2.5 单片机原理图2.3.2 系统电路图电路连接主要涉及两个问题，一是八路模拟信号通道选择，二
10、是 A/D 转换完成后转换数据的传送。(1) 八路模拟信号通道选择A、B、C 分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入 0808 中的地址锁存器，就实现了模拟通道的选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。图 2.6 中使用的是线选法，口地址由 P2.7 确定。同时以 作为选通信号。WR从图中可以看到，把 ALE 信号与 START 信号连接在一起，这样使得在信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。按图中连接方式， 和 P2.7 控制WR0808 的地址锁存和转换启动。由于 ALE 和 START 连在一起，因此 0808 在锁存通道地
11、址的同时，启动并进行 A/D 转换。在读取转换结果时，由 和 P2.7 经一级或非门D形成正脉冲作为 OE 信号，用以打开三态输出锁存器。(2) 转换数据的传送A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 定时传送方式对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知和固定的。例如ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定自动化与
12、电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 6 -已经完成了，接着就可进行数据传送。 查询方式A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确定转换是否完成，并接着进行数据传送。 中断方式把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送入出口地址并以 信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单RD片机接受。MCS-51 单片机最小系统接线图如图 2.6 所示。图 2.6 MCS-51 单片机最小系统接
13、线图3 程序设计3.1 数据报文帧结构自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 7 -3.1.1 传输规约当远动信息的传输采用循环传输模式时，信息传输的帧结构、信息字结构和传输规则等各种约定，应遵照部颁的循环式传输规约，也称为循环式远动规约。按 1991 年 11 月部颁的循环式传输规约 DL451-1991 要求，远动信息的帧结构见图3.1。每帧远动信息都以同步字开头，并有控制字，除少数帧外均应有信息字。信息字的数量依实际需要设定，因此帧的长度是可变的。但同步字、控制字和信息字都由 48位二进制数组成，字长不变。同步字控制字 信息字 1信息字 2 信息字 n图 3.1 循环式远动规约的
14、帧结构同步字标明一帧的开始，它取固定的 48 位二进制数。为了保证同步字在通道中的传送顺序为三组 EB90H(1110101110010000)，写入串行口的同步字为三组D709H(1101011100001001)。控制字由 6 个字节组成，它们是控制字节、帧类别、信息字数 n、源站址、目的站址和校验码字节，见图 3.2。控制字节帧类别 信息字数 n 源站址 目的站址校验码图 3.2 控制字的组成控制字节定义了信息帧的组成方式、形式和结构，其组成如图 3.3 所示。E L S D0 0 01图 3.3 控制字节的组成E：扩展位当 E0 时使用表 31 定义的帧类别；当 E1 时帧类别可另行定
15、义，以便扩展功能。L：帧长定义位当 L0 时表示本帧信息字数 n 为 0，即本帧没有信息字；当 L1 时表示本帧有信息字。自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 8 -S：源站址定义位。D：目的站址定义位。S 与 D 在上行及下行信息中的定义说明：在上行信息中，S 1 表示控制字中源站址有内容，源站址字节表示信息始发站的站号，即子站站号；D1 表示目的站址字节有内容，目的站址字节代表主站站号。在下行信息中，S 1 表示控制字中源站址有内容，源站址字节表示信息始发站的站号，即主站站号；D1 表示目的站址字节有内容，目的站址字节代表子站站号；D0 表示目的站址字节内容为 FFH，即代表广播
16、命令，所有站同时接收并执行此命令。控制字节低四位为保留部分，一般设为 0001b，ISA 保护帧控制字节低四位为0010b，系统帧控制字节低四位为 0011b。每个信息字有由 6 个字节组成，见图 3.4。其中第一个字节是功能码字节，第 25字节是信息数据字节，第 6 字节是校验码字节。功能码信息数据校验码图 3.4 信息字结构3.1.2 主站和子站地址在本设计中，主站地址取00H，子站地址取01H。3.1.3 CDT 帧结构编码在远动装置中，用一个 A/D 转换器对多路输入的直流模拟电压，分时地进行迷模拟量到数字量的转换。由于采用一个 A/D 转换器，因此各个输入量必须经过一系列的转换，变成
17、统一量程 的直流模拟电压， A/D 转换结果的数字量只代表其输入模拟量的电压的大小，而不能代表要测量的实际值，要想求得实际值就必须进行标度变换。设 TV1 到 TV4 采集的电压为 27.5kV，则对其编码过程如下：本设计采用的是 12 位 A/D1674 转换器。单极性 0-10V，TV1 到 TV4 额定电压为27.5kV,设最高电压为 29kV，根据标度变换 27.5kV 所对应的输入量 A 如下：A5.27109求得 A=9.5V DF5.9求得 D=F32H，和仿真结果一致。自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 9 -依图 3.4 得信息字为 7F0F320F32，采用软件
18、表（见附录）对信息字进行编码，将 m 分成信息段 =7FH， =0FH， =32H， =0FH， =32H。1M23M45M在软件表中，查出 对应的中间余数 =CBH;1r求 =B4H，查表得 =F6H；12 r2求 =C4H，查表得 =E3H；3 3r求 =ECH，查表得 =64H；4 rM4求 =56H，查表得 =3CH。55r对 取反得信息字的校验码为 C3H。5r则编出的码字是 7F0F320F32C3H。CDT 帧结构的同步字为 D709D709D709H，控制字为 71610107008CH，循环式传输规约的帧结构为：D709 D709 D7097161 0107 008C7F0F
19、 320F 32C33.2 主要程序设计3.2.1 程序流程图遥测数据采集程序流程图如图3.5所示。自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 10 -图 3.5 遥测数据采集程序流程图初始化i=0选通通道 iS/H 跟随延时S/H 保持启动 A/D 转换上电 /复位AD 转换结束?取 A/D 结果存 A/D 结果i=i+1数字滤波i=N?NYYN自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计- 11 -参 考 文 献1 柳永智,刘晓川编.电力系统远动M. 北京: 中国电力出版社,2006.2 钱清泉主编.电气化铁道微机监控技术M. 北京: 中国铁道出版社,2000.3 TB11017-98,铁路电力牵引供电远动系统技术规范S. 铁道出版社,2000.4 李华,王思明,张金敏编.单片机原理及应用M. 兰州: 兰州大学出版社,2001.
