10kV变电站RTU设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 配电系统及其自动化配电系统及其自动化 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 10kV10kV变电站变电站RTURTU设计设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2015.11.30-2015.12.112015.11.30-2015.12.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动 化 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名专业班级 电气（光伏）121 班 设计题目10kV变电站RTU设计 课程设计（论文）任务 该 RTU 主要实现配电变电所遥测、遥信、遥控、摇调等四遥功能，并将所遥测的电流电 压信息及时上传给主站，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。 设计背景：设计背景：配电变电所进线为 10kV，出线为 0.4kV，每条输电线路最大输出功率为 1500kVA 该 RTU 监测 2 回 0.4kV 输出线路的电流电压以及线路上断路器隔离开关的运行状 态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主站发出的遥控遥调等开关量输出命令。 设计内容： 硬件电路设计： 1. 最小系统设计（包括 CPU 选择，存储器，晶振电路，复位电路） 2. 电流电压检测电路设计 3. 电气设备运行状态检测电路设计 4. 电气设备运行状态控制电路设计 5. RTU 与主站通信接口设计 6. 软件设计（程序流程图和程序编写及电流电压有效值以及故障识别算法确定） 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3 天 最小系统设计 第 4 天 电流电压检测电路设计 第 5 天 变压器油温检测电路设计 第 6 天瓦斯保护输出接口以及报警控制电路设计 第 7 天 RTU 与主站通信接口设计 第 8 天 软件设计 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 摘 要 RTU 是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。 RTU 具有通讯距离较长、用于各种环境恶劣的工业现场、模块结构化设计和便 于扩展等特点。与此同时 RTU 还拥有优良的通讯能力和更多的计算功能，而且 也能适用于更恶劣的温度和湿度环境。也正是由于 RTU 完善的功能，使得 RTU 产品在 SCADA 系统中得到了大量的应用。 本设计中的 RTU 主要实现与配电变电所配合来实现遥测、遥信、遥控、遥 调等四遥功能，并将所遥测的电流电压信息及时上传给主站、和接受主站命令， 实现遥控遥调功能。结合 RTU 与变电站的配合要求，对变电站中特征电参量的 采集计算方法、RTU 总体方案、硬件选择与软件进行了分析和设计。 关键词：RTU；SCADA 系统；主站；自动化；四遥功能 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.1 RTU 综述 1 1.2 本文研究内容 1 第第 2 2 章章 RTURTU 硬件设计硬件设计 2 2 2.1 RTU 总体设计方案 2 2.2 RTU 控制核心模块设计 3 2.2.1 CPU 的选择 3 2.2.2 复位电路设计4 2.2.3 时钟电路设计4 2.2.4 RTU 控制核心模块原理图 5 2.3 电流电压检测电路设计 6 2.4 电气设备运行状态检测电路设计 7 2.5 电气设备动作控制电路设计 7 2.6 报警电路设计设计 8 2.7 RTU 与主站通信接口电路设计 8 第第 3 3 章章 RTURTU 软件软件设计设计 1010 3.1 软件实现功能综述 .10 3.2 流程图设计 .10 3.2.1 主程序流程图设计.10 3.2.2 数据采集流程图设计.11 3.2.3 通信流程图设计.12 第第 4 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析1313 4.1 系统原理图 .13 4.2 系统原理综述 .14 第第 5 5 章章 课程设计总结课程设计总结1515 参考文献参考文献1616 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 RTU 综述 配电网自动化远方终端 RTU 是用于配电网馈线回路的各种馈线远方终端、 配电变压器远方终端以及中压监控单元（配电自动化及管理系统子站）等设备的 统称。采用通信通道完成数据采集和远方控制功能。 变电站远方终端 RTU 是 SCADA 系统的基本组成单元，是电网监视和控制系 统中安装在变电站的一种远动装置，它负责采集变电站电力运行状态的模拟量和 状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在变 电站的控制和调度命令，实现调度中心对电网的遥测、遥信、遥控、遥调“四遥” 功能。RTU 的发展历程是与“三遥”工程技术相联系地。所谓“三遥”工程技术 是指遥测、遥控、遥调技术，是研究远处人们不易到达的地点，对物理变化过程、 生产过程进行检测(遥测)、调节(遥调)、控制(遥控)的一门学科。服务于变电站自 动化的 RTU 还具有了配电故障信息采集与处理、电能质量测量、断路器在线监 测等功能，以达到调度自动化对用户可靠优质供电的最终目标。 随着计算机技术、通讯技术和电子技术的迅猛发展，电力系统自动化程度也 日益提高。变电站在电能的生产、传输、应用过程中，占有非常重要的地位，因 此，变电站自动化系统在变电站的改造和新建中得到了普遍的应用。 1.2 本文研究内容 本次的设计要求配电变电所进线为 10kV，出线为 0.4kV，每条输电线路最大 输出功率为 1500kVA，该 RTU 监测 2 回 0.4kV 输出线路的电流电压以及线路上 断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主 站发出的遥控遥调等开关量输出命令。 在硬件电路设计中要求包括最小系统设计、电流电压检测电路设计、电气设 备运行状态检测电路设计、电气设备运行状态控制电路设计、RTU 与主站通信接 口设计、软件设计。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 1 第 2 章 RTU 硬件设计 2.1 RTU 总体设计方案 作为一个基于单片机的系统设计，需要从以下几个方面来考虑： 1) 微处理器的选择：在设计中，应根据所设计 RTU 的功能、可靠性、能耗等指 标选择一个性价比合理的微处理器，应该从微处理器的运行速度、片内资源、 扩展能力、保密性和特殊功能等方面考虑，在市场上提供的微处理器中选择 性价比高、货源足的芯片。 2) 元器件选择：在选择好微处理器后，片内资源仍不足时，要进行选择系统扩 展和配置所需要的元器件，如：存储器、显示器、通讯接口和稳压电源等器 件，但是这些器件的选择应该符合我们所设计系统的要求。 3) 软/硬件功能分配：软件、硬件的功能是可以互换的，有些硬件的功能是可以 用软件来实现的。使用硬件来实现功能可以提高系统的工作速度，减少软件 的设计时间，但是会增加成本。如用软件代替硬件的功能，可以节省硬件的 使用和费用，但增加了软件的复杂性和设计时间。所以要对硬件和软件功能 做出很好的分配。 通过对总体设计的全面考虑，结合实际情况，本设计中主要有两方面技术要 求：一本文设计的 RTU 要求有很好的通用性，能够适用于多种工作场合，所以 要能够采集种类型的信号；二是结构要模块化，主板上有各种类型的数据采集接 口，设计有串行通信接口，别的通信方式通过串口来扩展。 图 2.1 89C51RTU 总体设计方案图 模拟量输入A/D C P U 开关量输出 通信接口 人机对话接 口 开关量输入 程序存储器 数据存储器 模拟量输入A/D 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2 本论文中硬件设计方案各模块功能如下：通信接口：主要负责与主机的通信 将检测到的一些数据及时送到主站；A/D 转换器：实现数据采集传输时的模数转 换；人机对话模块：主要是向系统输入一些命令或数据来控制 RTU 的设置模式 和设置状态信息等；复位电路：可完成系统上电复位；电源电路：向系统提供 +5V 电压；开关量输入模块和开关量输出模块：主要是检测线路上断路器、隔离 开关的状态，完成断路器、隔离开关的投切；程序存储器和数据存储器：当线路 发生故障时快速切断故障区段对非故障区段及早恢复供电提高供电的可靠性，由 于单片机存储不能满足实际的要求所以要外加个外部数据存储和数据存储器用以 储存数据采集模块传来的重要数据信息。 2.2 RTU 控制核心模块设计 2.2.1 CPU 的选择 根据设计要求本设计采用 89C51 单片机作为控制器，89C51 一种带 4K 字节 闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，该器件采 用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和 输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器。该器件价格低廉且易使用，技术方面已 经相当成熟，使用 89C51 完全可以达到设计要求。其管脚说明如图 2.2 所示 图 2.2 89C51 引脚结构图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 3 2.2.2 复位电路设计 复位对于一个系统来说很重要，各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的 位，而一旦处理器处于未知状态，比如程序“跑飞”或进入死循环，就需要强行 将统复位。正常情况下，一般有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动， 系统会正常复位，这时候会发生复位时间不够从而造成一些错误甚至死机，所以 复位监控电也是有必要的。它具备如下功能： 1) 上电复位保障上电时能正确地启动系统。 2) 掉电复位当电源失效或电压降到某一电压值以下时复位系统。 本系统的复位电路如图 2.3 所示。电容的值 C1 为 10F，电阻 R1=8.2k。可 保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控。 图 2.3 复位电路图 2.2.3 时钟电路设计 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，而单片机必须在时 钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡 源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度， 时钟电路用于生产单片机工作所需的时钟信号，如果没有时钟信号单片机就不能 正常工作，由此可见，一个系统中，单片机的时钟电路也是不可或缺的一个重要 组成部分，时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器， 其输出是单片机所需的时钟信号。89C51 内部有一个高增益反向放大器，用于构 成片内振荡器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其 发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。、可稳定频率并对振荡频率有微调 1 C 2 C 作用，值选择 30pF。电路如图 2.4 所示。 接单片机 +5V C1 10uF R1 8.2k 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 4 图 2.4 时钟电路图 2.2.4 RTU 控制核心模块原理图 RTU 中计算机需要能够稳定迅速的运行，这就要求其工作节奏必须稳定且能 灵活改变，而时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，所以需在 核心模块中添加一个时钟电路让计算机能正常持续的运行。在 CPU 正常工作时 需要定时恒频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路 。由于 RTU 需要经常处于恶 劣的环境中长时间工作，因此，为防止处理器处于未知状态，比如程序“跑飞” 或进入死循环的状态，需在核心模块中加一个复位电路以便在 CPU 发生死机的 情况下能迅速复位。RTU 具有电流电压采集记录等功能，而且 89C51 内部的数 据存储器的存储空间比较小不能储存大量的电流电压信息，所以要外扩一个数据 存储器。根据上文所述，将所选择的 CPU、数据存储器扩展电路、时钟电路和复 位电路等连接在一起从而构成完整的 RTU 控制核心模块，核心模块如图 2.5 所示。 EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 89C 51 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB 0 18 PB 1 19 PB 2 20 PB 3 21 PB 4 22 PB 5 23 PB 6 24 PB 7 25 PC 0 14 PC 1 15 PC 2 16 PC 3 17 PC 4 13 PC 5 12 PC 6 11 PC 7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SET 35 CS 6 8255 D7Q7 D6Q6 D5Q5 D4Q4 D3Q3 D2Q2 D1Q1 D0Q0 74L S373 DI0 1 DO 0 19 DI1 2 DO 1 18 DI2 3 DO 2 17 DI3 4 DO 3 16 DI4 5 DO 4 15 DI5 6 DO 5 14 DI6 7 DO 6 13 DI7 8 DO 7 12 OE 9 STB 11 8282 I/O 1 I/O 2 I/O 0 I/O 7 I/O 6 I/O 5 I/O 4 I/O 3 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A10 A9 A8 6116 RE SET R2 1K R1 200 C 22 F VC C C1 22 F C2 22 F Y 12 F 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 5 图 2.5 RTU 控制核心模块原理图 2.3 电流电压检测电路设计 本次设计的设计背景为：配电变电所进线为 10kV，出线为 0.4kV，每条输电 线路最大输出功率为 1500kVA 该 RTU 监测 2 回 0.4kV 输出线路的电流电压以及 线路上断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能 接受主站发出的遥控遥调等开关量输出命令。由此可进而确定出模拟量的检测路 数为 12 路，分别为 6 路电压信号和 6 路电流信号。 在数据采集系统中，A/D 转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。 MAX197 是具有 12 位测量精度的高速 A/D 转换芯片，只需单一电源供电，且转 换时间很短，约为 6us，具有 8 路模拟转换通道和 12 位的 A/D 转换其转换精度， 还提供了标准的并行接口，为 8 位三态数据 I/O 口，可以和大部分单片机直接接 口，使用十分方便所以选用两片 A/D MAX197 转换器即可满足本次设计的需要。 由于计算机在任一时刻只能接收一路模拟量信号的采集输入，当有多路模拟 量信号时需通过模拟转换开关，按一定顺序选取其中一路进行采集。当需要对多 个模拟量进行模数变换时，由于 A/D 转换器的价格较贵，通常不是每个模拟量输 入通道设置一个 A/D，而是多路输入模拟量共用一个 A/D，中间经过多路转换开 关切换。在本设计中，选用型号为的 LW18 系列的多路转换开关。 综上所述，完整的模拟量检测电路如图 2.6 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:4-Jan-20 11 Sheet o f File:D:PR OGRA M F ILESPR OTEL 99SE一一一EX AMPLESMyDesig n5.ddbDrawn B y: EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 89C 51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS INT RD WR CL K RE T CH 0 CH 1 CH 2 CH 3 CH 4 CH 5 CH 6 CH 7 MA X197 10k 1K 15K TA 8 + - +12 V 10k 1K 15K TV 8 + - +12 V 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 6 图 2.6 模拟量检测电路图 2.4 电气设备运行状态检测电路设计 电气设备运行状态检测电路如下图 2.8 所示。 图 2.7 电气设备运行状态检测电路图 由变电站的电气主接线图可知，本次设计主要研究的是 RTU 监测 2 回 0.4kV 输出线路的电流、电压以及线路上断路器隔离开关的运行状态，所以检测电气设 备的台数为 4 台，开关量输入 4 路。因此，选择 89C51 单片机的 P1 口作为四路 开关量的输入接口，采用光电耦隔离措施来排除输入开关量采样过程中干扰信号 的影响。当有遥信信号时光耦二极管发光，并且光耦合器导通使单片机的输入端 变成低电平，单片机接受遥信信号。 2.5 电气设备动作控制电路设计 具体电路如图 2.8 所示。 RC PA 3 PA 4 PA 5 PA 6 PA 7 U? NO T +5 V J ZJ +V 一一一一 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:5-J an-20 11 Sheet o f File:D:PR OGRA M F ILESPR OTEL 99SE一一一EX AM PLESM yDesig n5.ddbDrawn B y: +24 V VC C R3 R2 R1 C1 JQ D1 QF CPU P1.0 一CPUYX 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 7 图 2.8 电气设备动作控制电路设计 根据电气主接线图和监测回路中的断路器和隔离开关的个数可以确定，所摇 控电气设备的台数为 4 台，开关量控制输出为 6 路。选择 89C51 的 PA3 口作为 六路开关量的输出口。 由于单片机 I/O 口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。所以由单片机的 I/O 口输出到驱动芯片以驱动继电器，为了防止继电器误动，需要对驱动信号加 以互锁，因此，在电气设备动作控制电路中应采用继电器隔离来隔离强弱电。 2.6 报警电路设计设计 指示灯的显示直观、易引起注意等优点是其他显示器不可代替的，但指示灯 也不宜过多，主要用于显示一些重要信息。本控制器设有 5 个指示灯，分别为电 源指示、装置故障指示、装置闭锁指示、开关现地控制指示、开关自动控制指示。 当控制器故障或闭锁时，指示灯配合蜂鸣器的声音可提醒运行人员注意，而开关 现地控制、开关自动控制指示灯显示当前装置的控制状态，其中报警电路如图 2.9 所示。 图 2.9 报警电路 2.7 RTU 与主站通信接口电路设计 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，许多设备都提供 串行接口。在本设计中，串口一方面作为调试程序时的标准输入输出设备，另一 方面，可以通过串口来与 PC 机进行通信。RS-232 被定义为一种在低速率串行通 讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。 收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动， 在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V 电平。 当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 VCC 5V R 10K P1.0 报警器 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 8 RS-232 电平再返回 TTL 电平由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右， 所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20kb/s。RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设 计的，满足简单通信的需求。 要完成基本的通信功能，实际上只需 RXD，TXD，GND 即可。RS232 标准 接口有 9 芯或 25 芯的 D 型插头，本设计采用的是 9 芯的 D 型插头。本文 MAX232 的串口驱动芯片设计了 3 路三线制的 UART 串行口，波特率可高达 1200bps57600bps，有 RS232 电平转换功能。其中 UART0 和 UART2 可以和上 位机连接，也可以接传感器。RS232 接口电路如图 2.9.1 所示。 图 2.9.1 RS232 接口电路 RXD TXD T1IN 11 R1OUT 12 T2IN 10 R2OUT 9 T1OUT 14 R1IN 13 T2OUT 7 R2IN 8 C2+ 4 C2- 5 C1+ 1 C1- 3 VS+ 2 VS- 6 U11 MAX232 ERROR TXD 3 RXD 2 CTS 8 RTS 7 DSR 6 DTR 4 DCD 1 RI 9 P1 RS232 C13 100nF C12 100nF C15 100nF +5V C16 100nF D9D10 R15 100k 12 D11 C14 1nF 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 9 第 3 章 RTU 软件设计 3.1 软件实现功能综述 RTU 复杂的算法是靠软件来实现的。同样的硬件加上不同的算法，就组成了 不同功能的系统，这给系统设计带来了很大的灵活性并缩短了系统开发周期。因 此，软件设计在 AT89C51 系统的设计中是非常关键的。RTU 软件系统以实时多 任务调度系统为核心，对内部任务和外部任务调度和管理。系统上电启动后，上 电复位对整个硬件电路进行复位，先进行初始化和系统自检，然后就启动定时器 定时，之后就进入任务调度程序，检查有没有任务被置位。本次设计根据电力系 统实际的需求，所以仍采用传统的程序设计，即采用顺序结构，程序运行中对中 断进行响应。顺序结构软件由一个无限循环的主程序和若干个中断程序构成。为 了提高实时性，要求中断得理程序尽量短，并采用设置标志位的方法。中断程序 基本上只完成基本的工作，大部分工作由主程序完成。主程序循环查询各个标志 位以确定是否发生过中断，是否需要做相应处理。 3.2 流程图设计 本次设计中 RTU 软件系统的流程图的设计包括主程序流程图、数据采集流 程图以及通信流程图的设计。 3.2.1 主程序流程图设计 主程序循环查询各个标志位以确定是否发生过中断，是否需要做相应处理。 本设计中用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信，使得 RTU 单元将多种测量结果数据转换成协议所规定的格式，并及时送往控制中心。当单 片机接收到外部中断触发信号之后，进行数据存储，该中断信号通过低电平触发 INT1 引脚。 主程序在数据传输过程中，利用程序采用串口将数据传送至上位机。单片机 以校验的方式发送数据，以 16B 数据为一帧，每发送一帧数据都要等待上位机的 反馈信号，以判断数据传输是否正确。主程序流程图如图 3.1 所示。 开始单片机初始化 处理器暂 停 结束 读取上位机命令 上传数据 外部中断 触发 数据是否 上传 是 否 是 否 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 10 图3.1 RTU流程框图 3.2.2 数据采集流程图设计 数据采集模块软件功能主要是通过编程实现现场交流信号和运行状态等电参 量数据的实时采集和处理。数据采集流程图如图 3.2 所示。 图 3.2 数据采集流程图 开始 进入初始化界面 参数设 定？ 参数设定 电参量计算 电参量显示与控制模块 结束 否 是 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 11 3.2.3 通信流程图设计 本次设计的通信流程框图如下图 3.3 所示。 图3.3 通信流程图 通信主控模块软件功能主要是通过编程构筑连接当地 PC 机以及变电站远程 集控中心与各类现场单元信号测量模块间数据通信的纽带。 是 否 是 否 否 是 处理影响通讯任务 结束 执行通讯 任务？ 通讯任务执 行完毕？ 开始 初始化进入界面 参数设 定？ 参数设定 通讯状态监控模块 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 12 第 4 章 系统设计与分析 4.1 系统原理图 本次设计中 RTU 总体设计方案以 CPU 为核心，外加模拟量输入模块及 A/D 转换器。通信接口主要负责与主机的通信将检测到的一些数据及时送到主站。开 关量输入模块和开关量输出模块主要是检测线路上断路器、隔离开关的状态，完 成断路器、隔离开关的投切。软件系统要求在硬件资源的基础上, 采用模块化结 构, 利用 89C51 单片机语言编程，RTU 的软件功能包括交流电压、电流信号的高 速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算，各交流量的高次谐波分 量及谐波总量计算，遥信量的采集及上送，遥控返校及执行等诸多功能。 本设计中的基于 89C51 单片机的配电网自动化远方终端 RTU 的系统原理电 路图如图 4.1 所示。 图 4.1 系统原理图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 13 4.2 系统原理综述 在电网监控系统中，远方终端 RTU 的功能是指终端对电网的监视和控制能 力，也包括终端的自检自调和自恢复的能力。由于电网监控系统面对一个庞大而 错综复杂的对象，远方终端的任务不仅数量多，而且复杂。通常的远方终端功能 可划分为远方功能和当地功能 本次设计主要是以 RTU 为研究对象，通过模拟量检测电路实现对回路中的 电流、电压信号等信号进行实时检测，然后将这些电参量通过 RS485 接口电路将 检测到的信号通及时上传给主站，从而达到实时监控的功能。 当线路发生故障时，RTU 系统通过故障检测记录相关的故障测量信息和故障 特征信息，并将这一信息及时地传递给主站，同时开关检测电路将回路中的开关 状态再次通过通信通道上传给主站。基于 89C51 单片机的控制，通过软件运算故 障区段故障信息之后，向 RTU 发出遥控命令，利用断路器、隔离开关的分断与 重合功能将故障区段切除，对故障区段正常供电，完成 RTU 的四遥功能，即遥 测、遥信、遥控和遥调功能。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 14 第 5 章 课程设计总结 变电站远方终端 RTU 是 SCADA 系统的基本组成单元，是电网监视和控制系 统中安装在变电站的一种远动装置，它负责采集变电站电力运行状态的模拟量和 状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在变 电站的控制和调度命令，实现调度中心对电网的遥测、遥信、遥控、遥调“四遥” 功能。 本次的设计要求配电变电所进线为 10kV，出线为 0.4kV，每条输电线路最大 输出功率为 1500kVA，该 RTU 监测 2 回 0.4kV 输出线路的电流电压以及线路上 断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主 站发出的遥控遥调等开关量输出命令。 本次设计按照设计要求较好的完成了设计内容，取得的成果主要体现在 RTU 的设计上严格遵循国家标准和相关行业标准功、RTU 系统采用 AT89C51 作为 CPU，具有低功耗、高稳定性和实时性，满足当前电力系统的要求和本次设计的 RTU 按照设计实现的功能分单片机最小系统模块、电压，电流测量模块、开关量 输入输出模块、通信模块四个功能模块进行了芯片选型、原理图设计;RTU 系统 软件设计上使用结构化程序设计，将整个程序模块化。最后对系统的软硬件进行 了调试这三个方面。 本论文的研究及设计初步完成了利用单片机设计的变电站自动化远方终端基 本实现了变电站自动化远方终端主控制器 RTU 的主要功能，由于时间关系，本 次设计的 RTU 还有不完善的方面，主要体现在：接口部分为了操作方便，可 以进行深入研究，如加入触摸屏等方式；硬件电路部分虽然进行了大量的研究 与设计，但仍需要对一些电路进行更好更合理的设计；设计中在软件设计方面 还有很多欠缺与不足，有待进一步深入研究，以便使 RTU 的性能更好，整个系 统更合理。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 15 参考文献 1黄益庄编著 变电站综合自动化技术 中国电力出版社 2004. 2刘佩娟,陆天键编著 远方终端装置的现状和设计新产品的要求 电网 技术 1998,5. 3杨兰,张艳平编著 电力系统自动化远方终端的研制 长沙理工大学学 报 2006.2. 4柳永智,刘晓川编著 电力系统远动 中国电力出版社 2002. 5毕胜春编著 电力系统远动及调度自动化 中国电力出版社 2000. 6张永健编著 电网监控与调度自动化（第二版） 中国电力出版社 2007.2. 7陈堂等编著 配电系统及其自动化技术 中国电力出版社 2004.8. 8王田苗编著 嵌入式系统设计与实例开发 北京:清华大学出版社 2003. 9周立功编著 ARM 嵌入式系统基础教程 北京:北京航空航天大学出版 社 2005. 11刘湘涛,江世明编著 单片机原理与应用 电子工业出版社 2006.7. 12李朝青编著 单片机原理及接口技术（第三版） 北京航天大学出版 社 2005. 13谢筑森编著 单片机开发与典型应用设计 北京:电子工业出版社 1997. 14范立南,李雪飞编著 单片微型计算机控制系统设计人民邮电出版社 2004.3.