電力系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)報告

1、電力系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)報告題目：牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時間：2012年3月10日 評語：成績1 設(shè)計(jì)原始資料1.1 具體題目說明牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1.1所示。圖1.1 at分區(qū)所電氣主接線1.2 要完成的內(nèi)容(1) 計(jì)算機(jī)繪制被控站(rtu端：變電所或開閉所或分區(qū)亭)通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(a4)。(2) 設(shè)計(jì)一個具體的mcs51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)(開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)，路數(shù)為16路)，開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)類型為各斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)信息(經(jīng)過采集電路后的信息)；(3) 選用問答式(或者cdt)傳輸規(guī)約，以16路開關(guān)量為例(以表格形式給出

2、各個遙信狀態(tài)(開/合) )，編寫上傳調(diào)度中心的遙信數(shù)據(jù)報文的幀結(jié)構(gòu)；(4) 計(jì)算機(jī)繪制(a4紙)相應(yīng)的遙信數(shù)據(jù)采集程序流程圖，編寫遙信數(shù)據(jù)采集程序。2 硬件設(shè)計(jì)2.1 各開關(guān)元件及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)編號 對圖1.1的斷路器和隔離開關(guān)進(jìn)行編號如表2.1所示，編號結(jié)果如圖2.1所示。表2.1 開關(guān)編號表開關(guān)代號編號開關(guān)代號編號00h08h01h09h02h0ah03h0bh04h0ch05h0dh06h0eh07h0fh 圖2.1 編號結(jié)果2.2 被控站通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)scada系統(tǒng)由監(jiān)控站，被控站及信道三大部分組成，在此只畫出被控站（rtu）端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.2所示。牽引供電scada系統(tǒng)調(diào)度控制中心與

3、牽引供電系統(tǒng)變電所、開閉所、分區(qū)所中的被控站聯(lián)系起來。按我國的習(xí)慣，一側(cè)稱為調(diào)度端，另一側(cè)稱為執(zhí)行端。從監(jiān)控的角度看，一側(cè)是監(jiān)控端，而另一測是被監(jiān)控端。在被控站內(nèi)完成遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送、接收以及輸出執(zhí)行等功能的設(shè)備稱為遠(yuǎn)東終端（rtu）。圖2.2 scada系統(tǒng)被控站結(jié)構(gòu)圖2.2.1 數(shù)據(jù)采集通道（示意圖）遙信信息通常由電力設(shè)備的輔助接點(diǎn)提供，輔助接點(diǎn)的開合直接反應(yīng)出該設(shè)備的工作狀態(tài)。提供給遠(yuǎn)動裝置的輔助接點(diǎn)大多數(shù)為無源節(jié)點(diǎn)，即空接點(diǎn)，這種接點(diǎn)無論是在“開”狀態(tài)還是在“合”狀態(tài)下，接點(diǎn)兩端均無電壓差。斷路器和隔離開關(guān)提供的就是這一類輔助觸點(diǎn)。另一類輔助接點(diǎn)則是有源接點(diǎn)，有源接點(diǎn)在“開”狀

4、態(tài)時兩端有一個直流電壓，是由系統(tǒng)蓄電池提供的110v或220v直流電壓。一些保護(hù)信號提供此類接點(diǎn)。圖2.3是斷路器動作機(jī)構(gòu)原理圖。圖2.4是斷路器跳閘音響回路的一部分。斷路器在合閘位置時，控制開關(guān)sa投入合閘后位置，則sa的132321兩對觸點(diǎn)閉合，而串接在該回路中的斷路器輔助接點(diǎn)qf在斷開位置。圖2.3 遙信對象無源觸點(diǎn) 圖2.4 遙信對象有源觸點(diǎn)接收遙信量的輸入電路可以采用三態(tài)門芯片、并行接口芯片和數(shù)字多路開關(guān)芯片三類接口芯片實(shí)現(xiàn)。在此，選擇并行接口芯片intel8255實(shí)現(xiàn)遙信量的采集,如圖2.5所示。該芯片有三個口，在此，只取用pa、pb兩個口，實(shí)現(xiàn)16路遙信量采集。圖2.5 用int

5、el8255采集遙信量遙信信息不同于遙測信息，它不是隨時隨刻都在變化。通常情況下狀態(tài)是不變化的，而狀態(tài)的改變往往又是瞬間完成的。因此對遙信量采集時，必須不斷的掃描，以捕捉遙信變位。圖2.6給出了一個16路遙信量采集的電路圖。將intel的pa口和pb口設(shè)置為輸入方式，讀a、b口的狀態(tài)即可得到16路遙信量的狀態(tài)。圖2.6 16路遙信量的采集電路2.3 mcs-51單片機(jī)（數(shù)據(jù)采集或輸出）最小系統(tǒng)2.3.1 原理框圖該系統(tǒng)以at89c51單片機(jī)為核心，可以對16路模擬量、16路數(shù)字開關(guān)量和兩路脈沖量進(jìn)行采集，模擬量采集精度達(dá)到12位，在實(shí)際應(yīng)用中，可以對電壓信號進(jìn)行直接采集，如果要對傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電

6、流量進(jìn)行采集時，還需加入采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行采集。對采集的脈沖量的頻率取決于單片機(jī)的時鐘頻率，一般不能高于單片機(jī)的運(yùn)行時鐘，如單片機(jī)用12mhz的晶振，則采集的脈沖頻率只能低于12mhz。系統(tǒng)選擇一個串行的a/d轉(zhuǎn)換芯片，用模擬開關(guān)作擴(kuò)展，兩個模擬開關(guān)即可擴(kuò)展成16路的模擬量輸入。開關(guān)量的采集可以直接用單片機(jī)的i/o，用兩個并口即可完成16路的開關(guān)量采集。at89c51單片機(jī)還有兩個外部中斷接口，即可用來測量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。單片機(jī)可以通過串口與上位pc機(jī)進(jìn)行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上。如圖2.7所示為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖。圖2.7 16位最小系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖2

7、.3.2 系統(tǒng)電路圖(1) 模擬量的采集模擬量的采集要用到a/d轉(zhuǎn)換芯片，而且精度為12位，這里選擇max1241a/d轉(zhuǎn)換器。max1241是一種低功耗、低電壓的12位逐次逼近型adc，最大非線性誤差小于1lsb，轉(zhuǎn)換時間9s，內(nèi)置快速采樣/保持電路。max1241采用三線式串行接口，與單片機(jī)的接線簡單，如圖2.8所示。圖2.8 max1241與單片機(jī)的接線圖系統(tǒng)要求對16路的模擬量進(jìn)行采集，因此，只有一個a/d轉(zhuǎn)換器就不夠的，但如果用多個a/d轉(zhuǎn)換器一方面會造成資源浪費(fèi)，成本加大。如圖7的原理圖所示，系統(tǒng)選用兩個cd4051模擬開關(guān)，并用單片機(jī)的四個i/o口控制兩個模擬開關(guān)的通道選擇端，在

8、采集過程中，選擇不同的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(2) 開關(guān)量采集電路對開關(guān)量的采集電路相對比較簡單，因?yàn)殚_關(guān)量的狀態(tài)只有0和兩種，所以只要用兩個單片機(jī)的并口就可以了，這里用的是p0口和p2口。3 程序設(shè)計(jì)3.1 規(guī)約及主站、子站地址3.1.1 傳輸規(guī)約dl/t6341997：我國電力部參照iec870-5-101制定的遠(yuǎn)動系統(tǒng)傳輸規(guī)約dl/t634，規(guī)定了scada系統(tǒng)中主站和子站（遠(yuǎn)東終端）之間以問答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?、鏈路層的傳輸?guī)約、服務(wù)原語、應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼、應(yīng)用功能和報文格式。標(biāo)準(zhǔn)中的幀格式有兩種：可變幀長幀格式和固定幀長幀格式。(1) 可變幀長幀格式。如圖3.1所示，幀格

9、式中的前四個字節(jié)是報文頭。報文頭固定取四個子節(jié)，它包含兩個字節(jié)的啟動字符68h和兩個取值均為l的8位組。l的值等于幀格式中控制域(c)、地址域(a)和鏈路用戶數(shù)據(jù)區(qū)共同占有的字節(jié)數(shù)。啟動字符ll重復(fù)啟動字符(68h)控制域(c)鏈路地址域(a)鏈路用戶數(shù)據(jù)區(qū)幀校驗(yàn)和(cs)結(jié)束字符(16h)圖3.1 可變幀長格式主站和子站之間的傳輸服務(wù)可以由主站觸發(fā)，也可以由子站觸發(fā)。下面介紹的是由主站觸發(fā)的傳輸服務(wù)中控制域和地址域的定義?？刂朴虻亩x見圖3.2。在主站向子站的傳輸報文中，控制域各位的定義是：傳輸方向位dir取“0”；啟動報文位prm取“1”；幀計(jì)數(shù)位fcb在主站向同一個子站開始新一輪傳輸時改

10、變?nèi)≈禒顟B(tài)( “1”變成“0”或者“0”變成“1” )，主站超時未收到子站回答或接收出現(xiàn)錯誤時，主站不改變幀計(jì)數(shù)位的狀態(tài)重復(fù)傳送原報文，重復(fù)次數(shù)最多三次；幀計(jì)數(shù)有效位fcv取“1”時，表示幀計(jì)數(shù)位的變化有效，取“0”時表示幀計(jì)數(shù)位的變化無效。在子站向主站的傳輸報文中，控制域各位的定義是：傳輸方向位dir取“1”；啟動報文位prm取“0”；要求訪問位acd取“1”，表示子站希望向主站傳輸1級數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)流控制位dfc取“0”，表示子站可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，取“1”時表示子站數(shù)據(jù)區(qū)已滿，無法接收新數(shù)據(jù)。圖3.2控制域定義(2) 固定幀長幀格式。由于幀長固定為5個8位組，故報文中不用傳送l，且啟動字符取1

11、0h?？刂朴?，鏈路地址域的含義同可變幀長格式。幀校驗(yàn)和是控制域、地址域的算術(shù)和（不考慮溢出位，即256模和）。結(jié)束字符為16h。固定幀長幀格式用于子站回答主站的確認(rèn)報文，或主站向子站的詢問報文。3.1.2 主站和子站地址報文：polling方式中，無論是主站向子站發(fā)送的命令，還是子站向主站回送的數(shù)據(jù)，都成為報文。問答式傳輸規(guī)約中的報文，可分為三種格式：主站向子站詢問的報文格式；子站向主站回答確認(rèn)或否定確認(rèn)的報文格式；主站向子站或子站向主站傳送數(shù)據(jù)的報文格式。3.2 程序流程圖設(shè)計(jì)通常系統(tǒng)對遙信采集有一分辨率的指標(biāo)，即對同一遙信量的前后兩次掃描的時間間隔。根據(jù)分辨率可以設(shè)定遙信掃查的時間間隔，一

12、般將遙信掃查置于實(shí)時時鐘中斷服務(wù)程序中，每一個等時間間隔，如110ms，都要對全部的遙信量進(jìn)行一次掃查，這樣構(gòu)成的掃查模式為定時掃查模式。如圖3.3為通過不斷掃查采集到遙信量的程序框圖。子程序入口連續(xù)n次讀8255a口、b口的數(shù)據(jù)n次數(shù)據(jù)是否相同？與上次遙信狀態(tài)是否相同？計(jì)數(shù)值加一不等的次數(shù)等于m？置遙信變位標(biāo)志讀變位時間遙信出錯處理返回ynnyny圖3.3 遙信采集程序框圖結(jié) 論 數(shù)據(jù)采集是調(diào)度自動化的基本功能，包括模擬量、開關(guān)量等所有的現(xiàn)場信息，反映電網(wǎng)運(yùn)行方式及變電站相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中最根本、最重要的功能之一，特別要求準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時，但實(shí)際中往往存在遙信誤發(fā)問題

13、。遙信誤發(fā)即遠(yuǎn)程信號的錯誤發(fā)送。遙信誤發(fā)是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中普遍存在的問題。遙信信息是二元狀態(tài)量，即是說對于每一個遙信對象而言它有兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)為“非”的關(guān)系。因此一個遙信對象正好可以對應(yīng)于計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制碼的一位，“0”狀態(tài)與“1”狀態(tài)。在電力系統(tǒng)中，遙信信息可以表示設(shè)備的啟停、斷路器的投切、隔離開關(guān)的開合、告警信號的有無、保護(hù)動作與否等。電網(wǎng)調(diào)度自動化對遠(yuǎn)動系統(tǒng)中遙信采集的可靠性和準(zhǔn)確性的要求極高，要求在硬件和軟件兩個環(huán)節(jié)加以充分的保證。在硬件方面首先要保證強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)的信號隔離，通常采用繼電器隔離和光電耦合器隔離。在軟件方面不能以一次讀取的遙信狀態(tài)為準(zhǔn)，因?yàn)橐淮巫x取的數(shù)據(jù)可能正是受到干擾的，或是在遙信狀態(tài)變化過程中獲取的，帶有隨機(jī)性，另外輔助接點(diǎn)在閉合和斷開時都不同程度產(chǎn)生抖動，因此不能以一次瞬間的狀態(tài)來表示遙信狀態(tài)，必須連續(xù)多次讀取狀態(tài)，以其每次讀取均相同的狀態(tài)作為遙信狀態(tài)，這樣才能