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1、电力系统监控技术课程设计报告题目：牵引供电系统的遥信数据采集系统班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：2012年3月10日 评语：成绩1 设计原始资料1.1 具体题目说明牵引供电系统的遥信数据采集系统，如图1.1所示。图1.1 AT分区所电气主接线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(A4)。(2) 设计一个具体的MCS51单片机数据采集最小系统(开关量输入数据，路数为16路)，开关量输入数据类型为各断路器、隔离开关的状态信息(经过采集电路后的信息)；(3) 选用问答式(或者CDT)传输规约，以16路开关量为例(以表格形式给出
2、各个遥信状态(开/合) )，编写上传调度中心的遥信数据报文的帧结构；(4) 计算机绘制(A4纸)相应的遥信数据采集程序流程图，编写遥信数据采集程序。2 硬件设计2.1 各开关元件及数据采集点编号 对图1.1的断路器和隔离开关进行编号如表2.1所示，编号结果如图2.1所示。表2.1 开关编号表开关代号编号开关代号编号00H08H01H09H02H0AH03H0BH04H0CH05H0DH06H0EH07H0FH 图2.1 编号结果2.2 被控站通用系统结构SCADA系统由监控站，被控站及信道三大部分组成，在此只画出被控站（RTU）端系统结构图，如图2.2所示。牵引供电SCADA系统调度控制中心与
3、牵引供电系统变电所、开闭所、分区所中的被控站联系起来。按我国的习惯，一侧称为调度端，另一侧称为执行端。从监控的角度看，一侧是监控端，而另一测是被监控端。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东终端（RTU）。图2.2 SCADA系统被控站结构图2.2.1 数据采集通道（示意图）遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反应出该设备的工作状态。提供给远动装置的辅助接点大多数为无源节点，即空接点，这种接点无论是在“开”状态还是在“合”状态下，接点两端均无电压差。断路器和隔离开关提供的就是这一类辅助触点。另一类辅助接点则是有源接点，有源接点在“开”状
4、态时两端有一个直流电压，是由系统蓄电池提供的110V或220V直流电压。一些保护信号提供此类接点。图2.3是断路器动作机构原理图。图2.4是断路器跳闸音响回路的一部分。断路器在合闸位置时，控制开关SA投入合闸后位置，则SA的132321两对触点闭合，而串接在该回路中的断路器辅助接点QF在断开位置。图2.3 遥信对象无源触点 图2.4 遥信对象有源触点接收遥信量的输入电路可以采用三态门芯片、并行接口芯片和数字多路开关芯片三类接口芯片实现。在此，选择并行接口芯片Intel8255实现遥信量的采集,如图2.5所示。该芯片有三个口，在此，只取用PA、PB两个口，实现16路遥信量采集。图2.5 用Int
5、el8255采集遥信量遥信信息不同于遥测信息，它不是随时随刻都在变化。通常情况下状态是不变化的，而状态的改变往往又是瞬间完成的。因此对遥信量采集时，必须不断的扫描，以捕捉遥信变位。图2.6给出了一个16路遥信量采集的电路图。将Intel的PA口和PB口设置为输入方式，读A、B口的状态即可得到16路遥信量的状态。图2.6 16路遥信量的采集电路2.3 MCS-51单片机（数据采集或输出）最小系统2.3.1 原理框图该系统以AT89C51单片机为核心，可以对16路模拟量、16路数字开关量和两路脉冲量进行采集，模拟量采集精度达到12位，在实际应用中，可以对电压信号进行直接采集，如果要对传感器的标准电
6、流量进行采集时，还需加入采样电阻，把电流转换成电压后进行采集。对采集的脉冲量的频率取决于单片机的时钟频率，一般不能高于单片机的运行时钟，如单片机用12MHz的晶振，则采集的脉冲频率只能低于12MHz。系统选择一个串行的A/D转换芯片，用模拟开关作扩展，两个模拟开关即可扩展成16路的模拟量输入。开关量的采集可以直接用单片机的I/O，用两个并口即可完成16路的开关量采集。AT89C51单片机还有两个外部中断接口，即可用来测量脉冲量的输入，采集其输入频率。单片机可以通过串口与上位PC机进行通讯，把采集到的数据发送到上位机上。如图2.7所示为设计的系统原理框图。图2.7 16位最小系统数据采集原理图2
7、.3.2 系统电路图(1) 模拟量的采集模拟量的采集要用到A/D转换芯片，而且精度为12位，这里选择MAX1241A/D转换器。MAX1241是一种低功耗、低电压的12位逐次逼近型ADC，最大非线性误差小于1LSB，转换时间9s，内置快速采样/保持电路。MAX1241采用三线式串行接口，与单片机的接线简单，如图2.8所示。图2.8 MAX1241与单片机的接线图系统要求对16路的模拟量进行采集，因此，只有一个A/D转换器就不够的，但如果用多个A/D转换器一方面会造成资源浪费，成本加大。如图7的原理图所示，系统选用两个CD4051模拟开关，并用单片机的四个I/O口控制两个模拟开关的通道选择端，在
8、采集过程中，选择不同的通道进行数据采集。(2) 开关量采集电路对开关量的采集电路相对比较简单，因为开关量的状态只有0和两种，所以只要用两个单片机的并口就可以了，这里用的是P0口和P2口。3 程序设计3.1 规约及主站、子站地址3.1.1 传输规约DL/T6341997：我国电力部参照IEC870-5-101制定的远动系统传输规约DL/T634，规定了SCADA系统中主站和子站（远东终端）之间以问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规约、服务原语、应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。标准中的帧格式有两种：可变帧长帧格式和固定帧长帧格式。(1) 可变帧长帧格式。如图3.1所示，帧格
9、式中的前四个字节是报文头。报文头固定取四个子节，它包含两个字节的启动字符68H和两个取值均为L的8位组。L的值等于帧格式中控制域(C)、地址域(A)和链路用户数据区共同占有的字节数。启动字符LL重复启动字符(68H)控制域(C)链路地址域(A)链路用户数据区帧校验和(CS)结束字符(16H)图3.1 可变帧长格式主站和子站之间的传输服务可以由主站触发，也可以由子站触发。下面介绍的是由主站触发的传输服务中控制域和地址域的定义。控制域的定义见图3.2。在主站向子站的传输报文中，控制域各位的定义是：传输方向位DIR取“0”；启动报文位PRM取“1”；帧计数位FCB在主站向同一个子站开始新一轮传输时改
10、变取值状态( “1”变成“0”或者“0”变成“1” )，主站超时未收到子站回答或接收出现错误时，主站不改变帧计数位的状态重复传送原报文，重复次数最多三次；帧计数有效位FCV取“1”时，表示帧计数位的变化有效，取“0”时表示帧计数位的变化无效。在子站向主站的传输报文中，控制域各位的定义是：传输方向位DIR取“1”；启动报文位PRM取“0”；要求访问位ACD取“1”，表示子站希望向主站传输1级数据；数据流控制位DFC取“0”，表示子站可以继续接收数据，取“1”时表示子站数据区已满，无法接收新数据。图3.2控制域定义(2) 固定帧长帧格式。由于帧长固定为5个8位组，故报文中不用传送L，且启动字符取1
11、0H。控制域，链路地址域的含义同可变帧长格式。帧校验和是控制域、地址域的算术和（不考虑溢出位，即256模和）。结束字符为16H。固定帧长帧格式用于子站回答主站的确认报文，或主站向子站的询问报文。3.1.2 主站和子站地址报文：polling方式中，无论是主站向子站发送的命令，还是子站向主站回送的数据，都成为报文。问答式传输规约中的报文，可分为三种格式：主站向子站询问的报文格式；子站向主站回答确认或否定确认的报文格式；主站向子站或子站向主站传送数据的报文格式。3.2 程序流程图设计通常系统对遥信采集有一分辨率的指标，即对同一遥信量的前后两次扫描的时间间隔。根据分辨率可以设定遥信扫查的时间间隔，一
12、般将遥信扫查置于实时时钟中断服务程序中，每一个等时间间隔，如110ms，都要对全部的遥信量进行一次扫查，这样构成的扫查模式为定时扫查模式。如图3.3为通过不断扫查采集到遥信量的程序框图。子程序入口连续N次读8255A口、B口的数据N次数据是否相同？与上次遥信状态是否相同？计数值加一不等的次数等于M？置遥信变位标志读变位时间遥信出错处理返回YNNYNY图3.3 遥信采集程序框图结 论 数据采集是调度自动化的基本功能，包括模拟量、开关量等所有的现场信息，反映电网运行方式及变电站相关设备的运行状态，是电网调度自动化系统中最根本、最重要的功能之一，特别要求准确、可靠、实时，但实际中往往存在遥信误发问题
13、。遥信误发即远程信号的错误发送。遥信误发是电网调度自动化系统中普遍存在的问题。遥信信息是二元状态量，即是说对于每一个遥信对象而言它有两种状态，两种状态为“非”的关系。因此一个遥信对象正好可以对应于计算机中二进制码的一位，“0”状态与“1”状态。在电力系统中，遥信信息可以表示设备的启停、断路器的投切、隔离开关的开合、告警信号的有无、保护动作与否等。电网调度自动化对远动系统中遥信采集的可靠性和准确性的要求极高，要求在硬件和软件两个环节加以充分的保证。在硬件方面首先要保证强电系统和弱电系统的信号隔离，通常采用继电器隔离和光电耦合器隔离。在软件方面不能以一次读取的遥信状态为准，因为一次读取的数据可能正
14、是受到干扰的，或是在遥信状态变化过程中获取的，带有随机性，另外辅助接点在闭合和断开时都不同程度产生抖动，因此不能以一次瞬间的状态来表示遥信状态，必须连续多次读取状态，以其每次读取均相同的状态作为遥信状态，这样才能保证遥信信息的正确性和可靠性。因此，遥信设备是牵引变电所必备的设备。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年7月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年11月3 铁路电力牵引供电远动系统技术规范（TB11017-98），铁道部，铁道出版社，2000年12月4 铁路电力远动系统工程设计规范（TB10064-2000），铁道部，铁道出版社，2000年12月
