10kV柱上ftu设计

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1、 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学配电系统及其自动化 课程设计（论文）题目： 10kV柱上FTU设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 24课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 学 号学生姓名专业班级设计题目10kV柱上FTU设计课程设计（论文）任务该FTU实时监测一条10kV输电线路的电流电压以及有功等信息，并自动识别运行状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并能接受主站遥控命令将故障区段隔离。设计背景：输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的柱上开关有2个断路器、1个隔

2、离开关和1个遥控的负荷开关，FTU实时采集输电线路电流电压以及电气设备运行状态并分析线路状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并发出遥控负荷开关的命令。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. FTU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 电气设备运行状态检测电路设计第6天电气设备运行状态控

3、制电路设计第7天 FTU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 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要馈线终端设备(简称FTU)， 具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。本设计中的FTU要实现实时监测一条10kV

4、输电线路的电流电压以及有功等信息，并自动识别运行状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并能接受主站遥控命令将故障区段隔离。本课设对FTU的总体方案、硬件电路设计和软件设计进行了详细的探讨研究。关键词：FTU；柱上；遥控；遥信 目 录第1章 绪论11.1 FTU综述11.2 本文研究内容1第2章 FTU硬件设计22.1 FTU总体设计方案22.2 FTU控制核心模块设计22.2.1 CPU的选择22.2.2 复位电路设计32.2.3 时钟电路设计42.2.4 FTU控制核心模块原理图42.3 电流电压检测电路设计52.4 电气设备运行状态检测电路设计62.5 电气设备动作控制电路设计72.6 报

5、警电路设计82.7 FTU与主站通信接口电路设计9第3章 FTU软件设计103.1 软件实现功能综述103.2 流程图设计103.2.1 主程序流程图设计113.2.2 数据采集流程图设计113.2.3 通信流程图设计113.3 程序设计12第4章 系统设计与分析174.1 系统原理图174.2 系统原理综述17第5章 课程设计总结19参考文献20第1章 绪论1.1 FTU综述FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。FTU可采用高性能单片机制造，为了适应恶劣的环境，应选择

6、能工作在75的工业级芯片，并通过适当的结构设计使之防雷、防雨、防潮。FTU是用先进的DSP数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术、隔离技术嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以及通信等自动化功能。配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。1.2 本文研究内容本设计中，输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的柱上开关有2个断路

7、器、1个隔离开关和1个遥控的负荷开关，FTU实时采集输电线路电流电压以及电气设备运行状态并分析线路状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并发出遥控负荷开关的命令。因此，本设计中FTU要实时监测一条10kV输电线路的电流电压以及有功等信息，并自动识别运行状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并能接受主站遥控命令将故障区段隔离。第2章 FTU硬件设计2.1 FTU总体设计方案RTU的总体设计方案如图2.1所示。图2.1 89C51FTU总体设计方案框图本FTU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，它的功能主要将线路中的电压电流信号的采集来转换成单片机可以识别的数字信号。通信

8、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。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。人机对话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控制FTU的设置模式和设置状态信息等。2.2 FTU控制核心模块设计2.2.1 CPU的选择本次FTU设计采用89C51单片机作为系统的CPU。89C51是面向八位的CPU。它的价格低廉，工作可靠，另外扩展功能也很强，

9、89C51采用电擦除和电写入，擦写方便，保密性能好，因此作为此次设计的首选CPU。89C51有40个引脚，其中是接地端，是电源端接+5V电源，外界晶体引脚XTAL1和XTAL2接时钟电路，RST是复位信号输入端，在此引脚上出现两个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位。P0口接地址锁存器，是片内片外ROM选择端，是外部ROM的读选通信号，是读允许信号，是写允许信号，引脚结构图如图2.2所示。图2.2 89C51 引脚结构图2.2.2 复位电路设计AT89C51单片机的复位是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡周期以上的高电平，单片机就能实

10、现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。由于FTU在恶劣的温度和湿度环境工作，为了保证它能安全可靠的工作所以得设计个复位电路以便在CPU处于死机的状态下能及早复位，本次设计采用看门狗复位电路，利用电容的充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。充电的时间决定了复位的时间。此外，还可以通过按键实现复位，按下键后，通过和构成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间。具体复位

11、电路如图2.3所示。图2.3 看门狗复位电路2.2.3 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：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作用，值选择30pF。电路如图2.4所示。图2.4时钟电路图2.2.4 FTU控

12、制核心模块原理图由于FTU 主要在潮湿高温等恶劣环境下工作，因此，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。CPU正常工作需要定时恒频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路 。FTU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FTU控制核心模块。具体的连接方式如图2.5所示。图2.5控制核心模块原理图2.3 电流电压检测电路设计本设计中，输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的

13、柱上开关有2个断路器、1个隔离开关和1个遥控的负荷开关，如上所述，可以确定模拟量检测的路数为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。根据本设计的要求可知，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

14、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。交 流 电 压PTA /D信 号 调 理 电 路交 流 电 流CTDSP图2.6 模拟量检测框图2.4 电气设备运行状态检测电路设计本次设计的变电站电气主接线图如图2.7所示。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

15、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。具体的电气设备运行状态检测电路如图2.8所示。图2.7 电气主接线图图2.8 电气设备运行状态检测电路图2.5 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。因此，当PA3口为高电平时

16、经缓冲器反向输出为低电平使继电器导通，继电开关动作，ZJ带电使其触电闭合输出遥控信号。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 报警电路设计本设计采用ACM配电线路监控装置，原理图如图2.10所示。图2.10 ACM配电线路监控装置报警图ACM监控装置和塑壳断路器配合使用，塑壳断路器有单磁和热磁两种，单磁断路器只具有短路保护功能，无热过载保护，在这种情况下，线路中如有过载现象，断路器不会动作，ACM监控装置会根据不同过载程

17、度分别发出报警信号，提醒现场维护人员，也可远传至控制中心。热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有热过载保护，此时，ACM监控装置仅可作为报警功能作用，当检测到电流达到设定阈值后，内部继电器动作。监控装置配套电流互感器使用AKH-0.4型号电流互感器，配电线路的额定电流为3750A，互感器选用AKH-0.4-10/0.4，该型号互感器监控装置最大可持续测量电流达到1000A,因此装置最大可监测4倍的过载电流，对于需要监测剩余电流回路的场合还需加装AKH-0.4L系列剩余电流互感器。如图2.10所示，当配电线路电流超过1段报警阈值时，继电器闭合，1段报警输出，KA1线圈得电，PGR灯光报警；当负载程度

18、增大，达到2段报警阈值时，继电器闭合，2段报警输出，KA2线圈得电，PG声报警。当按下声光报警解除按钮或负载电流降低后，报警状态解除。2.7 FTU与主站通信接口电路设计FTU能将监测到的电流电压信号及时上传到主站，同时利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FTU单元将多种测量结果数据转换为协议所规定的格式, 并及时送往主站控制中心。本设计采用RS485接口电路来实现FTU与主站间的通信，RS485接口电路图如图2.11所示。图2.11 RS485接口电路图第3章 FTU软件设计3.1 软件实现功能综述软件系统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

19、程，在完成系统功能要求的前提下, 力求程序结构简炼、扩充容易、修改方便。FTU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。3.2 流程图设计FTU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。开始单片机初始化外部中断触发？读取上位机命令Y数据是否上传？上传数据处理器暂停结束NYN图3.1 主程序流程图3.2.1 主程序流程图设计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

20、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。3.2.2 数据采集流程图设计变电站交流测控系统RTU信号数据采集模块主要是对变电站各现场信号进行实时动态采集，并将各类信号转换成系统相应的特性电参量数据进行显示。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。开始进入初

21、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YN图3.2 数据采集流程图3.2.3 通信流程图设计变电站交流测控系统RTU系统通信主控模块电路是配电网系统的通讯中转站，主要与总线、PC机、疾控中心以及其他现场智能仪器仪表进行数据通讯。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。通信流程图如图3.3所示。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处理影响通讯任务结束YN执行通讯任务？通讯任务执行完毕？YYNN图3.3 通信流程图3.3 程序设计根据各个程序流程图，利用89C51单片机编程语言进行编

22、程，程序清单如下：ORG 2000HTAN: MOV TMOD,#10H MOV TL1, #0FDH MOV TH1,#0FDH SETB EA SETB ET1 CLR ES SETB PT1 CLR PS SETB TR1 CLR TI MOV SCON,#40H MOV SBUF,78H JNB TI, $ CLR TI MOV SUBF,77H JNB TI, $ CLR TI MOV SUBF,76H JNB TI, $CLR TI MOV SUBF,75H SETB ESSJMP $定时器1中断服务程序如下：TIN: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0D

23、FH SEYB TR1 RETI 串行口中断服务程序如下：ESS: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV DPH,78H MOV DPL,77H MOVX A,DPTR CLR TI MOV SBUF,A MOV A,DPH CJNE A,76H,ENI MOV A,DPL CJNE A,75H,EN1 CLR ES CLR ET1 CLR TRIESC: POP ACC POP DPH POP DPL RETI EN1: INC 77H MOV A,77H JNZ EN2 INC 78H EN2: SJMP ESC 乙机接收程序如下： ORG 2000HREV: MO

24、V TMOD,#10H MOV TL1, #0FDH MOV TH1,#0FDH SETB EA SETB ET1 SETB ES SETB PT1 CLR PS SETB TR1 MOV SCON,#50H CLR B.0 MOV 70H,#78HSJMP $定时器1中断服务程序如下： REV1: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中断服务程序如下：ESS: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV A,R0 PUSH ACCJB B.0,DA0 MOV R0,70HMOV A,SBUF MOV R0,A

25、 DEC 70H CLR RI MOV A,#74HCJNE A,70H,DA2 SETB B.0 DA2: POP ACC MOV R0,APOP ACCPOP DPHPOP DPLRETIDA0: MOV DPH,78H MOV DPL,77HMOV A,SBUF MOVX DPTR,ACLR RIINC 77H MOV A,77H JNZ DA3 INC 78H DA3: MOV A,76HCJNE A78H,DA2 MOV A,75HCJNE A,77H,DA2CLR ES CLR ET1 CLR TR1 SETB PSW.5 AJMP DA2END第4章 系统设计与分析4.1 系统原

26、理图本设计中的基于89C51单片机的配电网自动化远方终端FTU的系统原理电路图如图4.1所示。图4.1 RTU系统原理电路图4.2 系统原理综述本次设计主要是以FTU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FTU发出遥控命令，利用断路

27、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。第5章 课程设计总结远方终端设备FTU是变电站系统的基本组成单元，负责采集变电站中各电力设备和系统运行工况的模拟量和状态量，通过监测信号模块将这些数据的实时动态传输给集控中心，并将集控中心的控制和调度命令反送给变电站。本次设计中FTU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

28、, 采用模块化结构, 利用89C51单片机语言编程，FTU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。本设计主要结合FTU在变电站中的应用功能，对变电站中特征电参量的采集计算方法进行认真分析，并分别对交流测控FTU的总体方案、硬件电路、软件电路的设计进行了详细的研究。基于89C51单片机的变电站远方终端FTU系统在实际运行中具有抗干扰能力强、采集数据精确性可靠、工作稳定经济等特点，在变电站中具有较好的应用前景。参考文献1 陈堂等 编著 配电系统及其自动化技术 中国电力出

29、版社2004.8 2 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000.3 3 何仰赞等 编著 电力系统分析 武汉：华中理科技学出版社，2002.34 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.45 王士政主编 电网调度自动化与配网自动化技术 中国水利水电出版社2007.36 梅丽凤等 编著单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.7 7 许建安 编著 电力系统微机继电保护 中国水利水电出版社2003.68 黄益庄 编著 变电站综合自动化技术 北京：中国电力出版社2000.69 马建明 编著 数据采集与处理技术 西安交通大学出版社2005.310 何立民 编著

30、 MCS-51单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社1990.111 陈汝全 编著 微机与单片机接口技术及应用 电子科技大学出版社 1991.112 李志忠等 编著 数据采集和监控中的微机应用 北京：清华大学出版社1998.613 王福瑞 编著 单片微机测控系统设计大全 北京：航空航天大学出版社1999.314 刘健等 编著 配电自动化系统 北京：中国水利水电出版社1999.6系 统 初 始 化开 始开 中 断A /D 数 据 采 集Y故 障 类 型 和 故 障 位 置 判 断开 中 断A /D 数 据 采 集Y故 障 类 型 和 故 障 位 置 判 断写 双 口 R AM故 障 处 理状 态 恢 复通 信 程 序N返 回1