牵引供电系统的遥信数据采集系统

存档资料 成绩： 华东交通大学理工学院课 程 设 计 报 告 书所属课程名称 远动技术课程设计 题 目 牵引供电系统的遥信数据采集系统 分 院 电 信 分 院 专业班级 09 级 电力1 班 学号 39 学生姓名 袁幸平 指导教师 赵 巍 2013 年 1 月 3 日 华东交通大学理工学院课 程 设 计（ 论 文 ）任 务 书专 业 电气工程及其自动化 班 级 电力1班 姓名 袁幸平 一、课程设计（论文）题目 牵引供电系统的遥信数据采集系统 二、课程设计（论文）工作：自 2012 年12 月 24 日起至 2013 年 1 月 3 日止。三、课程设计（论文）的内容要求： 远动系统的核心是SCADA系统，即数据采集与监视控制系统。在电力系统中，远动系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。针对开闭所主接线电路图，进行远动系统模块的设计，设计出牵引供电系统的遥信数据采集系统。要求：(1) 计算机绘制开闭所通用系统结构框图；(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；(3) 选用问答式传输规约，以16路开关量为例，编写上传调度中心的遥信数据报文的帧结构；(4) 计算机绘制相应的遥信数据采集程序流程图 学生签名： 2013 年 1月 3 日课程设计（论文）评阅意见序号项 目等级优秀良好中等及格不及格1课程设计态度评价2出勤情况评价3任务难度评价4工作量饱满评价5设计中创新性评价6论文书写规范化评价7综合应用能力评价综合评定等级评阅人 赵 巍 职称 讲 师 2013年1 月 3 日 目录第1章 课程设计内容及要求.5第2章 程序设计目的.6第3章 程序实现思路.12第4章 程序清单（或正文）.17第5章 课程设计心得.18第6章 参考文.19第1章 课程设计内容及要求远动系统的核心是SCADA系统，即数据采集与监视控制系统。在电力系统中，远动系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。针对开闭所主接线电路图，进行远动系统模块的设计，设计出牵引供电系统的遥信数据采集系统。要求：(1) 计算机绘制开闭所通用系统结构框图；(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； (3) 选用问答式传输规约，以16路开关量为例，编写上传调度中心的遥信数据报文的帧结构；(4) 计算机绘制相应的遥信数据采集程序流程图。第2章 程序设计目的在一个现代化的电力系统中，为了能正确和及时地掌握每时每刻都在变化着的电力系统运行情况，控制和协调电力系统的运行方式，处理影响整个电力系统正常运行的事故和异常情况，保证电力系统的安全和经济运行，必须具备一个完善的电力系统信息收集和执行系统，将分散在几十公里、几百公里以至上千公里以外的各发电厂和变电所的大量表征电力系统运行状态的信息，迅速、正确、可靠地送到调度控制中心，同时将控制中心的控制和调节命令传送到各发电厂和变电所，实现对电力系统的自动监视和控制。第3章 程序实现思路3.1 各开关原件及数据采集点编号3.1.1 各开关元件编号如图3.1 所示，对纽结型开闭所主接线电路中的开关元件进行编号，其中QS1QS10为隔离开关编号，QF1QF6为断路器编号。图3.1 各开关元件编号图3.1.2 数据采集点定义 根据图3.1中各开关元件的编号，对需要进行数据采集的开关元件进行十六制定义，数据定义如表3.1所示。表3.1 数据采集点定义编号00H01H02H03H04H05H06H07H开关QS1QS2QS3QS4QS5QS6QS7QS8编号08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH开关QS9QS10QF1QF2QF3QF4QF5QF63.2 被控站通用系统开闭所自动化终端装置由系统电源、功能插件、接口插件或接口端子板、蓄电池等组成。此外，还可以根据用户实际需要配置各种通信单元等扩展设备，开闭所自动化终端概要图见图3.2，功能插件包括主控插件、交流采样插件、遥信采集插件、遥控插件。接口插件包括交流采样接口插件、端子板、遥控输出接口插件、遥信采集接口插件。开闭所自动化终端装置各功能插件中，主控插件、系统电源模块属于基本插件，其余功能插件遥信采集插件、遥控输出插件、交流采样插件和通信插件为选配插件，可以根据用户需要灵活配置，接口插件应根据功能插件的配置进行相应选择。图3.2 开闭所自动化终端结构图3.2.1 数据采集通道如图3.3所示，数据采集通道设计成十六路模拟量的输入，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为无源接点，即空接点，这种节点无论是在“开”状态还是“合”状态下，接点两端均无电位差。断路器和隔离开关提供的就是这一类辅助接点。另一种辅助接点则是有源节点，有源节点在“开”状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。一些保护提供此类接点。各开关量对应的引脚如表3.2所示。图3.3 数据采集通道图表3.2 各开关量对应的引脚引脚P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7开关QS1QS2QS3QS4QS5QS6QS7QS8引脚P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7开关QS9QS10QF1QF2QF3QF4QF5QF63.2.2 控制输出通道 控制输出通道通常以继电器触点的方式提供，继电器一方面可以起到信号隔离作用，另一方面直接介入控制回路，控制回路中信号的通断。若提供的继电器触点容量不够时，还可以再介入一级中介继电器。如图3.4所示，控制输出为一对动合触点，遥控对象为“0”时，触点断开；遥控对象为“1”时，继电器动作，触点闭合。一般继电器可以提供一对动合触点和一对动断触点，实际系统中要接动合触点还是接动断触点，应视要求 而定。图3.4 控制输出通道图3.3 MCS51单片机最小系统3.3.1 原理框图采用多通道共享采样/保持器与A/D转换器。这种A/D转换输入方式适合于对同一信号不同量程的A/D转换，它也比较经济，占用CPU输入口少，因而可以更有效地利用CPU的输入口。尤其对于那些接口有限的微型机，这种方式更有效。CPU对各路通道的访问采用软件控制，由多路转换开关进行切换.。原理框图如图3.5所示。图3.5 单片机最小系统原理框图3.3.2 系统电路图该系统以MCS51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。本系统在实际应用中已调试通过，采集的数据精度高，速度快。铁路电力远动系统由远动控制主站、远动终端和通信通道三部分组成，是近年来在国内全面推广的铁路电力新技术，其技术含量高，是涉及铁路电力工程设计、各级电力调度管理模式、远动终端的数据采集和处理、各级远动控制主站与远动终端之间数据通信及计算机系统等多专业的系统工程。单片机8051芯片提供16位地址线，其寻址空间为64K字节。由于8051除提供读写控制信号外，还提供了程序指令读取控制信号。因此8051的程序空间和数据空间是分开的，最大寻址空间为64K字节。实际上，数据空间除可以分配给数据存储器，还可以分配给其他外围芯片。如图3.6所示为设计的系统原理框图。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。 图3.6 十六位最小系统数据采集原理第4章程序清单或正文4.1 规约及主站、子站地址4.1.1 传输规约报文：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，都称报文。每个报文含有一个完整的意义，但是不同的报文长度不一定相同。类别与类型：类型是指数据不同的分类。数据的类型分别为模拟量、状态量、状态变化量、时标量等。类别指数据或信息一举不同的扫描周期划分为12345670类。对各种数据要分别指定属于某一类别，任一类别扫描周期可由外面输入定义。模块：一台RTU由若干模块构成，每个模块有特定的地址说明，模块地址通常占一个人字节，但只用其中的低五位表示。这里的模块是逻辑概念而不是物理概念。一个物理概念的模块可以占一个模块地址，也可以占两个模块地址；与此同时，一个地址的模块也可以由好几块印制板构成。RTU与前置机之间采用异步通信方式，字符格式是：一位起始位，一位停止位，无奇偶校验位，每个字符八位数据位。4.1.2 主站和子站地址(1) 报文的格式本规约中的报文可分为三种报文格式：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。主站向子站询问的报文格式见图4.1(a)，我们称它为报文格式1。报文的第一个字节为子站地址i，可以取00HFFH。当RTU地址取FFH时，该报文为广播命令，他是面向全部子站设备的操作命令，所有子站都要接受收，第二个报文类型可以取05H和1AH。当报文类型代码为05H时，该报文为类别询问报文；为1AH时，该报文为重复询问报文。类别询问报文的数据区为一个字节，称询问类别，它的8位与8种类别对应，。当主站希望收集某几个类别的变化数据时，就将询问类别的某几位置“1”。如果询问第8类别的数据，就将询问类别字节置成全“0”。重复询问报文的数据区为两个字节，称重复询问类别标志和询问类别标志。当主站发出的类别询问报文没有收到子站的正确回答时，主站向子站发送重复询问报文。重复询问报文中的重复询问类别标志是原先发送的类别报文中询问类别字节的重复。该报文中的询问类别标志字节某位为“1”，表示原先发送的类别询问报文中没有询问的类别，这一次需要访问。报文的校验码为一个字节。 (a) 格式1 （b） 格式2图4.1 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见图4.1(b)，我们称它为报文格式2，。这两种报文都是三个字节，第一个字节为子站地址，取00HFEH。第二字节报文类型取06H时，确认报文，它表示子站正确收到主站命令；取15H时，为否定确认报文。第三字节类别标志字节的07位，与数据类别的07位相对应。如果RTU中某一类别的数据有变化，在子站向主站的回答报文中，将报文标志字节中的对应位置成“1”，数据无变化的类别，对应位取“0”。这种报文不带校验字节。传送数据的报文格式见图4.2，我们称它为报文格式3。报文的第一个字节为子站地址，第二字节的8位中只用低6位作为报文类型的代码。在子站向主站的报文中，最高位为“1”表示子站的事件顺序记录向主站报告，次高位为“1”表示子站的随机存储器出错。第三个字节的取值范围时00HFBH。在子站向主站的报文中，数据至少包含一个类别标志，它是数据区的第一个字节，类别标志字的某一位为“1”时，表示子站某一类别的数据有变化，需要向主站报告，因此数据区长度N的取值可为01HFBH。图4.2 主站向子站传送数据的报文格式(2) 主站和子站的地址子站向主站的回答报文共有10条，按功能可分为确认报文、诊断报文和传送报文，详细见表4.1。主站向子站发送的命令共有24条，按功能可分为：查询命令，送参数命令，控制命令和专用命令四大类。表4.2列出了24种命令的分类、各种命令的名称、报文类型码和报文字节数。表4.1 子站向主站回答报文表报文分类报文名称报文类型报文字节数确认报文确认06H3否定确认15H3送数报文电源合闸16H6向主站报告时标数据出现17H7模块状态变化18H可变用数据回答主站的类别询问1BH可变用数据回答主站的数据召唤报文1CH可变带缺损指示的数据回答1DH可变报告参数组号2FH7表4.2 主站子站的命令报文表命令分类命令名称报文类型报文字节数查询命令召唤故障模块02H5类别询问05H4请求数据报文0DH可变召唤事件记录数据0FH7重复询问1AH5查询参数组号2EH5送参数命令设置RTU工作方式03H可变发送压缩因子04H13设置时钟0CH11设置回答数据区最大长度10H6发送扫描频率11H13发送滤波系数13H13指定参数组号2DH6控制命令复位RTU01H5停止RTU扫描07H5允许RTU扫描08H5停止I/O模块扫描09H可变允许I/O模块扫描0AH可变电源合闸确认12H5专用命令诊断报文0EH可变同步命令14H5预同步命令19H9带反送校核的遥控命令1EH9图4.3 数据采集传递流程图第5章课程设计心得经过这次对区间遥信采集系统的设计，使我进一步了解了遥信在铁路系统中的重要性，铁路的电力供应与铁路的行车和安全密切相关，是铁路运输基层设施的重要组成部分。列车速度的提高，各种车辆安全监测设备的投入，对供电系统的可靠性要求越来越高。提高供电质量，缩小故障影响范围，减少停电时间，是铁路部门对供电段提出的基本要求。根据远动终端的功能要求，建立了完成各种功能的特殊模块，各功能模块的功能软件各不相同。随着铁路贯通线，变配电所综合自动化的不断建设和配电自动化系统功能的日臻完善，电力远动系统已成为铁路供电段向铁路沿线各种行车安全监控设备不断提供优质供电不可缺少的工具。通过本次课程设计，可以得出以下结论：(1) 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映出该设备的工作状态；(2) 不论是有源还是无源触点，必须加入信号隔离措施，以免强电系统损坏远动设备；(3) 在遥信状态的采集方面采用双触点遥信的处理方法，提高遥信信源的可靠性和准确性。 变电站自动化的任务是：完成对变电所电气量及非电气量的采集和电气设备的状态监视、控制和调节，以便实现对变电所正常运行时的监视和操作，从而保证变电所正常运行和安全。第6章参考文献（资料）1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天出版社,1999.2 李广弟.单片机基础M.北京:北京航空航天出版社,1994.3 陈光东.单片微型计算机原理与接口技术M.武汉:华中理工大学出版社,1999.4 黄遵熹.单片机原理接口与应用M.西安:西北工业大学出版社,1997.5 柳永智,刘晓川.电力系统远动M.北京:中国电力出版社,1998.