第三章RTU遠動終端

1、第三章 遠方終端rtu彭顯剛彭顯剛20122012年年9 9月月1010日星期一日星期一遠方終端（遠動終端），是電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)的基礎設備，也是整個自動化系統(tǒng)的“耳目”和“手腳”。引言rtu(remote terminal unit)1.1 rtu的任務rtu一般安裝于各發(fā)電廠、變電站內，具體任務包括：第一節(jié)第一節(jié) rtu的任務和結構的任務和結構1. 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集（1）模擬量：采集電網(wǎng)中的p、q、u、i等運行參數(shù)，一般 稱為遙測量。（2）開關量：如斷路器和隔離開關的開合、自動裝置或繼電 保護裝置的工作狀態(tài)，稱為遙信量。（3）脈沖量：脈沖電能表的輸出脈沖等，稱為遙脈量，有時 也歸入遙測量中

2、。1.1 rtu的任務第一節(jié)第一節(jié) rtu的任務和結構的任務和結構2. 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信按照預定通信規(guī)約的規(guī)定，自動循環(huán)（或相應調度要求）地向調度端發(fā)送所采集的本廠站數(shù)據(jù)，并接收調度端下達的各種命令。3. 執(zhí)行命令執(zhí)行命令根據(jù)接收到的調度命令，完成對指定對象的遙控遙控、遙調遙調操作。4. 其他輔助功能人機交互、自檢、告警、站內事件順序記錄功能。1.2 rtu的典型結構第一節(jié)第一節(jié) rtu的任務和結構的任務和結構1. rtu的硬件結構的硬件結構現(xiàn)代rtu都是以單板機/單片機為核心的微機系統(tǒng),如下圖單cpu系統(tǒng)結構框圖主要組成部分包括：（1）rom：只讀存儲器，用來存放rtu的工作程序和某些固定參

3、數(shù)，一經(jīng)燒制即無法改變，掉電也不會影響數(shù)據(jù)。（2）ram：隨機存儲器，用于各種數(shù)據(jù)的暫存。（3）模入模出：模擬量輸入通道和輸出通道，通過接口電路與總線相連。（4）開入開出：開關量的輸入、輸出通道。（5）modem：rtu數(shù)據(jù)按通信規(guī)約編碼通信規(guī)約編碼后，通過modem送上通信信道，與調度中心遠程通信。 對于小的廠、站，采用單cpu結構的rtu即可，對于較大廠站，則可采用下圖所示之多cpu結構。多多cpu結構的結構的rtu框圖框圖最主要區(qū)別：除了主cpu模塊外，其他主要模塊也配備自己的cpu（1）主cpu：統(tǒng)籌全局，一般通過并行或串行總線接口，與各模塊cpu進行數(shù)據(jù)通信，如通過地址總線選擇模塊、

4、讀取數(shù)據(jù)，設置cpu工作參數(shù)等。（2）模入模出、開入開出模塊：可根據(jù)需要采用普通芯片或單片機。（3）公共總線：cpu之間通信接口，由主cpu控制，通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線，利用地址總線確定通信對象，利用數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)。（4）通信方式：主、從cpu之間的通信方式有兩種，即定時掃描和中斷觸發(fā)。優(yōu)點：配置靈活可擴展，速度快，采集量大。缺點：昂貴、復雜。2. rtu的軟件結構的軟件結構（1）軟件組成結構）軟件組成結構n數(shù)據(jù)采集軟件：數(shù)據(jù)采集軟件：采集模擬量、開關量、數(shù)字量和脈沖量等數(shù)據(jù)。n數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)處理軟件：進行數(shù)字濾波、越限判斷、bcd碼轉換等。n控制軟件：控制軟件：執(zhí)行收到的遙控、遙調

5、命令。n通信軟件：通信軟件：根據(jù)約定的通信規(guī)約，與調度中心（可能有多個）相互通信。n人機交互軟件：人機交互軟件：處理鍵盤、屏顯以及打印等操作。n其他功能軟件：其他功能軟件：如事件順序記錄、事故追憶、自檢及調試等功能。2. rtu的軟件結構的軟件結構n初始化：初始化：加電開機，先使各外設接口和公用ram初始化。n開中斷：開中斷：對于實時性要求較高的任務，如發(fā)送、接收、開關動作等，都利用中斷方式使其運行最快。n中斷服務：中斷服務：執(zhí)如有中斷請求，則立刻掛起巡查的任務，并進入相應的中斷服務程序處理。例如：“接收滿”、“發(fā)送空”等中斷信息。注意：中斷本身有優(yōu)先級區(qū)別，高級別的任務可以中斷低級別任務。n

6、巡查任務：巡查任務：根據(jù)程序約定，一般是定時處理的一些非關鍵任務，如顯示、自檢等。第二節(jié)第二節(jié) 模擬量輸入輸出通道模擬量輸入輸出通道典型結構框圖典型結構框圖-模擬量輸入通道（直流采樣）1. 濾波及信號處理濾波及信號處理 電力系統(tǒng)運行參數(shù)u、i經(jīng)過pt、ct輸出后，經(jīng)變送器轉變?yōu)?5v或420ma的直流模擬信號，通過濾波環(huán)節(jié)接入后續(xù)環(huán)節(jié)n作用：作用：消除干擾，提高信噪比，有些情況下還進行電平轉換，同時還可起到浪涌電壓保護，防止浪涌電壓進入通道內部損壞各種芯片元件。n方法：方法：采用一級或二級硬件rc低通濾波器。n分類：分類：單極性：05v，010v，020v雙極性：-2.5v+2.5v， -5v

7、+5v， -10v+10v2. 多路開關（多路開關（mux） 也稱為采樣切換器，是一種受cpu控制的高速電子切換開關。 由于模/數(shù)轉換的速度很快（一般是s級），而測量的模擬量信號變化較慢（以電力系統(tǒng)v、i等參數(shù)為例，正常時監(jiān)控系統(tǒng)允許每3s提供一個采樣值。），因而完全可以利用一個a/d轉換器處理很多路模擬量數(shù)據(jù)。作用：作用：使得變送器送來的多個模擬信號，可以公用一個a/d轉換器，充分利用高速a/d轉換的性能。典型芯片：ad7506示意圖l模擬量引入：模擬量引入：從s1,s2,s16引入，當其中一路被選中，可從out輸出。l開關選擇：開關選擇：用en，a3，a2，a1，a0，由cpu控制，通過組

8、合出的值（地址、開關編號）來選擇輸入量：en：為片選控制。=1時，本芯片被選擇；=0時，本芯片被封鎖。a3a0：開關編碼號。如0000，則0開關選中，1001，則9開關選中，1011則11開關選中。l譯碼和驅動：譯碼和驅動：解析開關編碼，并置相應開關接通。l輸出：輸出：將選中開關號所對應的那一路模擬輸入量送出到out。l電壓跟隨器：電壓跟隨器：當ad7506導通時，內阻不為0，負載阻抗須遠大于此值，才能保證測量信號精度。因此，通常在out接入一個運放，以提高輸入阻抗。例：多片ad7506應用電路3. 采樣保持（采樣保持（s/h）作用：作用：保證a/d轉換期間輸入模擬量信號不變?；驹恚夯驹?/p>

9、理：利用高速電子采樣開關s和保持電容cn（1）s閉合，ain經(jīng)過a1放大，快速充電cn（2）s斷開，a2輸入阻抗很大，cn放電很慢，cn電壓不變。典型芯片：典型芯片：ls3984. 數(shù)數(shù)/模轉換（模轉換（d/a）作用：作用：n 將二進制數(shù)據(jù)轉換為相應的模擬量。n 為模數(shù)轉換提供衡量位置電壓的電壓砝碼。典型結構圖核心組成部分：核心組成部分：n 運算放大器n 權電阻網(wǎng)絡（1）運算放大器l放大系數(shù)k很大。l輸入信號電壓值很小輸入信號電壓值很?。?、兩端電壓很?。?，所以“”端電位與“”端電位很接近，因此在一端接地時，另一端可近似視為接地，即“虛地虛地”。此時： l輸入阻抗很大輸入阻抗很大，那么輸入到運放

10、中的電流可近似視為0，因此圖中個電流之間有如下關系：foutfruifriiiiii0567（2）權電阻網(wǎng)絡l每個權電阻都與相應電子開關串聯(lián)。l圖中權電阻網(wǎng)絡的總電流為： l若rf=r，則有l(wèi)推廣到n位：ld/a轉換的精度，取決于ue及電阻精度)222(128771100710dddruiiiruiiefoutfr)222(128771100ddduueout70722iiiedu10122niiineoutduu（3）t型電阻解碼網(wǎng)絡l高阻值的高精度電阻制造困難。l利用t型電阻解碼網(wǎng)絡，只需要r和2r。特點：ldi為雙投開關。=1，ue；=0，接地。lrf=2r時，1012231niiine

11、outduu（4）d/a轉換的實際電路及芯片l數(shù)據(jù)緩沖器：d/a轉換需要時間，而在轉換期間，數(shù)據(jù)總線上可能不斷向d/a送入數(shù)據(jù)，緩沖器的作用是在d/a轉換期間暫存總線上不斷送入的待轉換數(shù)據(jù)。l數(shù)據(jù)鎖存器：類似與采樣保持器，保證d/a轉換期間數(shù)據(jù)不發(fā)生變化，轉換完成再從緩沖器中獲取新數(shù)據(jù)。l電流開關：一系列電子開關（譯碼器），將數(shù)據(jù)信號（高、低電平）轉換為相應開關的通斷狀態(tài)，從而使電阻網(wǎng)路的輸出總電流與鎖存器中的二進制數(shù)碼相對應。l常見的d/a芯片：dac1210、ad588、ad7520等。5. 模模/數(shù)轉換（數(shù)轉換（a/d）基本原理：基本原理：逐次逼近法在電壓比較器中，將采樣得到的模擬電壓樣

12、本先用最高電壓砝碼與之比較，若不足，再一次添加下一位電壓砝碼直至最小砝碼。此時，添加的砝碼之和即為未知的電壓。關鍵邏輯模塊：關鍵邏輯模塊：n 采樣及樣本保持：uxn 電壓比較（運放）：ux與ucn 逐次逼近sar5. 模模/數(shù)轉換（數(shù)轉換（a/d）基本原理：基本原理：逐次逼近過程說明5. 模模/數(shù)轉換（數(shù)轉換（a/d）量化誤差：量化誤差：（1）a/d轉換的精度取決于轉換的位數(shù)，若為10位a/d，則其內部d/a必定為10位，即只有10個電壓砝碼。（2）在量程以內，當逼近過程中，用上最小一個電壓砝碼，仍略小于ux時，此時只能給出一個近似結果（測量值0.5umin），則實際值與轉換值之間的誤差為量化

13、誤差，該誤差不會超過最小砝碼的一半。l常見的a/d芯片：ad574a、ad1674等。思考問題：（1）對于范圍為010v的a/d轉換器，10位a/d轉換器的精度是多少？n例：一種實際的例：一種實際的yc量輸入電路量輸入電路3.1 開關量輸入輸出通道第三節(jié)第三節(jié) 開關量、數(shù)字量輸入輸出通道開關量、數(shù)字量輸入輸出通道1. 開關量構成（1）斷路器的合閘或跳閘信號（2）重要的隔離開關狀態(tài)（3）保護及自動裝置狀態(tài)（保護動作、切機、切負荷）2. 特點 二進制碼元表示：0/13. 重要性3.1 開關量輸入輸出通道4. 開入開出開入：開關量輸入通道開出：開關量輸出通道（遙控信號輸出）與模入模出通道：沒有a/d

14、，d/a轉換環(huán)節(jié)。3.1 開關量輸入輸出通道5. 開關量的采集電路示意圖 斷路器狀態(tài)輔助觸點狀態(tài)光耦狀態(tài)遙信碼合閘斷開截止1分閘閉合導通03.1 開關量輸入輸出通道6. 通用開關量輸入回路（1）信號取自開關的常閉輔助觸點常閉輔助觸點。（2）回路電壓較高（24、48v）（3）輔助觸點位于高壓配電裝置現(xiàn)場，連接導線很長，干擾很強。（4）回路有rc濾波環(huán)節(jié)，并有光電隔離措施。（1）組成nv1為反極性保護二極管nr1，r2起保護作用的電阻nv2為門檻開關二極管n光耦合集成電路n消顫網(wǎng)絡3.1 開關量輸入輸出通道6. 通用開關量輸入回路（2）動作過程n 開關閉合s1斷，v1，v2不導通光耦器件不導通集電

15、極a點為高電平取反，b電為低電平經(jīng)過消顫網(wǎng)絡之后，d點輸出高電平n開關跳閘s1閉合，v1，v2導通光耦器件導通集電極a點為低電平取反，b電為高電平經(jīng)過消顫網(wǎng)絡后，d點輸出低電平3.1 開關量輸入輸出通道（3）消顫原理n斷路器開斷時，由于電弧效應，會有一端時間會出現(xiàn)電流的抖動，輔助觸點在0/1之間顫動。n若電路過于靈敏，則會造成頻繁發(fā)出變位信號。n施密特觸發(fā)器工作特性：電位上升時，uut， 01；電位下降時，u0；n加入消顫環(huán)節(jié)后，波形如圖6. 通用開關量輸入回路3.1 開關量輸入輸出通道7.開關量成組輸入輸出接口電路及rtu采集方式ns1s4，4臺斷路器的輔助開關觸點。npb7pb4，開關量輸

16、入接口。npb0pb3，開關量輸出接口。nk1k4，斷路器控制開關。8. rtu采集方式n定時掃查：一般5ms對所有開關掃查一次。n采集的信號一次放入內存的遙信數(shù)據(jù)區(qū)。n將本次掃查的信號與上一次進行判斷，若發(fā)現(xiàn)開關狀態(tài)改變，則進入中斷服務程序，向上報告。3.1 開關量輸入輸出通道9. 例：一種實際的開關量（yx）輸入電路并行接口電路8255a 多路選擇開關遙信信息采集電路3.2 數(shù)字量輸入 對于直接按數(shù)字量輸出的數(shù)字表計，如：數(shù)字水位計，數(shù)字頻率計等，只需進行電平匹配和隔離即可直接輸入數(shù)據(jù)總線，而不必進行a/d轉換了。3.3 脈沖量輸入作用：用于電能表數(shù)據(jù)的輸入。方法：一般以脈沖數(shù)進行累計，累

17、計值與電量值成正比。注意：（1）隔離和抗干擾。 （2）脈沖寬度檢查。脈沖檢查的原理如圖。n高電平次數(shù)大于2，脈沖寬度正常，屬于正常數(shù)據(jù)。n高電平次數(shù)僅為1，脈沖寬度過窄，屬于干擾脈沖。（3）同時性 調度端在電網(wǎng)“關口”電量時，必須將同一時刻的電量值總加。具體方法為：采用兩套脈沖計數(shù)計。n未采樣時，主、副同時計數(shù)，數(shù)值一樣。n調度端發(fā)送廣播信號：電量凍結。n副表停止更新，主表繼續(xù)。n副表讀數(shù)上送。n取消凍結指令，副表與主表同步，重新計數(shù)。4.1 單極性數(shù)據(jù)和雙極性數(shù)據(jù)處理第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理1. 概述（1）單極性數(shù)據(jù)：始終0，05/10v，電流、電壓變送器。（2）雙極性數(shù)據(jù)：-5+5v

18、，很多功率變送器。2. a/d轉換的極性處理 12位a/d轉換：q單極性：則12位均為測量值q雙極性：則一般第一位為符號位，為0，表示正值，為1表示負值。4.2 數(shù)據(jù)合理性檢查第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理目的： （1）剔除明顯不合理的數(shù)據(jù)。（2）提高狀態(tài)估計的精度。4.3 數(shù)字濾波目的：進一步提高抗干擾的能力，減少誤差。形式：本身是一種計算機程序，也被稱為數(shù)據(jù)平滑。分類：非遞歸濾波和遞歸濾波。第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理4.3 數(shù)字濾波（1）非遞歸數(shù)字濾波 如果數(shù)字濾波的輸出結果僅與當前的和過去的輸入值有關，而和過去的輸出值無關，就稱為非遞歸數(shù)字濾波。以書上的例子：設有模擬信號x(f)=u

19、(t)+z(t) 有用信號，f1=2hz 干擾信號，f2=100hz采樣頻率：fs500hz，采樣間隔ts=1/500=2ms，得到樣本： x(0), x(1), x(2), x(n-1), x(n)2( )*2z tusinf t1( )*2u tusinf t濾波算法：)()(51)(51)(4040inzinuinxnyii通用表達式：n0)()(iiinxny其中：i為加權因子，n為濾波因子長度。濾波原理：干擾一般是高頻周期信號，通過n個采樣值的算術平均，將擾動信號消除。一般，n*ts應該是擾動信號周期的倍數(shù)。圖1：n未濾波輸出波形。(紅)n有用信號波形。(藍)圖2:有用信號波形。（藍

20、）濾波輸出波形。（紅）（2）遞歸數(shù)字濾波 如果數(shù)字濾波的輸出結果不僅與當前的和過去的輸入值有關，而且過去的輸出值有關，就稱為遞歸數(shù)字濾波。常用的一階表達式：) 1()1 ()()(nynxny通用表達式：11)()()(niinninynxny圖1：n未濾波輸出波形。(紅)n有用信號波形。(藍)圖2:有用信號波形。（藍）濾波輸出波形。（紅）第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理4.4 標度變換“a/d輸出的數(shù)字量”與“實際物理量”之間的關系變換。4.5 bcd碼轉換bcd碼：用二進制表示的十進制碼，又稱二十進制代碼。方法：09，十進制數(shù)的每一位，都用4位二進制數(shù)來編碼表示，也稱8421碼。用處：主要用于數(shù)據(jù)處理，特

21、別是顯示數(shù)據(jù)，比普通16進制數(shù)據(jù)更為簡單，處理速度更快。第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理4.6 越限判別及越限呆滯區(qū)1. 越限判別遙測量的越限報警是rtu極為重要的功能之一。在調度自動化系統(tǒng)中，各種運行參數(shù)都處于實時監(jiān)控之下，若有越限應馬上告警，提示調度人員處理。（1）限制值：放在rtu遙測量常數(shù)區(qū)，通常是雙字節(jié)。（2）限值比較：按字節(jié)高低順序進行比較。（3）記錄：發(fā)現(xiàn)有越限則需記錄越限對象，越限時間，遙測值的大小等信息。而在越限值復位后，也應記錄復位時間和數(shù)值。（4）數(shù)據(jù)上送：越限發(fā)生即啟動中斷服務，上送數(shù)據(jù)。第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理4.6 越限判別及越限呆滯區(qū)2. 越限呆滯區(qū)如果運行參數(shù)在限值附近波動，就會不斷出

22、現(xiàn)越限和復位，頻繁告警。為此，設置“越限呆滯區(qū)”，減少告警次數(shù)。參考圖3-31。（1）上限：n 越上限，uuan 復限，uub（2）下限：n 越下限，uud第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理4.7 事故追憶為分析事故，對于一些影響較大的動作和事件后，需要將事件前一端事件的有關遙測量記錄下來，這稱為事故追憶。核心技術：堆棧概念：n 特點：先入先出的內存隊列。n 堆棧容量計算：q事故前2個遙測量q事故后3個遙測量q記錄遙測量數(shù)目nq總數(shù)：2n(2+3)第四節(jié) 數(shù)據(jù)處理4.7 事故追憶為分析事故，對于一些影響較大的動作和事件后，需要將事件前一段的有關遙測量記錄下來，這稱為事故追憶。n 記錄的基本原理：數(shù)據(jù)同時存入遙測數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧