变电站综合自动化论文

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1、山东科技大学学士学位毕业论文 摘要摘要为保证供电的质量和电力系统可靠与经济的运行，各级调度中心必须及时了解各厂站端的实时数据信息，并及时发出准确的调度命令。远动终端（RTU）就是安装在各厂站端的智能设备，负责采集所在变电站表征电力系统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节命令。本文完成了以微机交流采样技术为基础的分布式RTU装置的设计。首先简单介绍了电力系统自动化中数据采集和监控的意义以及RTU的发展状况，探讨了它的应用前景和研究意义；然后概述了分布式RTU的总体设计思想，并根据现场实际情况，对RTU进行了可靠性设计，提出了抗干

2、扰措施；接着讨论了RTU的采样算法以及通信技术问题；最后对应用80C196KB单片机研制的分布式RTU的硬件结构、关键电路进行了分析，并对软件设计思路及主要软件模块的流程图作了介绍。关键词：远动终端；变电站；RTU；遥测；遥信； 遥控 山东科技大学学士学位毕业论文 ABSTRACTABSTRACTIn order to ensure the quality of power supply and power system reliability and economy of operation, the dispatch center at all levels must keep abrea

3、st of the end points of the plant real-time data information. Remote terminal unit (RTU) is installed in the factory-side station, substation Acquisition Characterization of the host running the power system simulation and state capacity to monitor and control center to send the amount and status of

4、 these simulation volume, the Executive sent to the dispatch center where substation control and regulation of the order. This article was completed in order to exchange computer-based sampling technique for the design of distributed RTU devices. First, a brief introduction of the electric power sys

5、tem automation of data collection and monitoring as well as the RTU of the significance of the development situation, discusses the prospects for its application and significance； then distributed provides an overview of the design ideas, and in accordance with the actual situation at the scene of t

6、he RTU to reliability design, made anti-interference measures; then discussed the sampling algorithm;Finally, on the application of developed single-chip 80C196KB distributed RTU hardware structure, the key circuit analysis, and software design ideas and the flow chart of the major software modules

7、were introduced.Key words：Remote Terminal; Substation; RTU; Telemetering; Telesignalling; Telecontrol.山东科技大学学士学位毕业论文 目录目录1 绪论11.1 引言11.2 RTU的基本原理21.3 RTU的发展41.4 本论文研究的主要内容及意义52 RTU的总体设计72.1 RTU模块与RS-485网络的连接72.2 主要技术指标82.3 主要功能及实现方法92.4 可靠性设计103 电力参数计算原理及计算方法123.1 引言123.2 交流采样算法分析133.3 交流采样误差分析204 R

8、TU的硬件设计224.1 硬件电路的设计思路224.2 硬件的总体结构234.3 数据采集模块硬件电路254.4 频率检测电路304.5 看门狗电路设计314.6 实时时钟模块324.7 通信模块334.8 开关量输入电路(遥信部分)344.9 开关量输出电路(遥控部分)354.10键盘显示的硬件电路364.11硬件整体工作过程415 系统的软件设计425.1 应用软件设计原则425.2 系统软件的总体设计435.3 系统主程序设计445.4 数据采集及处理程序设计465.5 遥信变位记录程序设计475.6 键盘输入程序设计495.7 显示程序设计505.8 RTU通信软件设计516 总结及展

9、望556.1 总结556.2 展望55致谢56参考文献57附录158附录267附录379山东科技大学学士学位毕业论文 绪论1 绪论本章首先介绍电力系统自动化中数据采集和监控的意义，RTU的一些基本原理，以及RTU的发展状况，然后阐述了本课题研究内容及重要意义。1.1 引言电力系统是由发电厂、变电站及输电线路等组成，并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模越来越大，系统的运行方式也越来越复杂。为了更好的达到安全、经济和电能质量等各项指标，电力系统运行对自动化提出了越来越高的要求，从而促进了电力系统自动化技术的不断发展。为了保证供电质量和电力系统运行的可

10、靠性和经济性，系统的调度控制中心必须及时而准确的掌握全面的运行状况，随时进行分析，做出正确的判断和决策，必要时采取相应的措施，及时处理事故和异常情况，以保证电力系统安全、优质、经济、可靠的运行。调度控制中心需要采集和处理的实时运行参数和状态信息数量多，实时性要求高，特别是在事故情况下的实时信息。实现电网调度自动化，首先要采集实时数据，进行监视和控制。所以电网调度自动化的基本组成部分是数据采集和监控系统，即SCADA系统(Supervisory Control And Data Acquisition System)。在此基础上配以自动发电控制(AGC)、经济调度控制(EDC)以及其它如安全监视

11、、安全分析等功能构成现代能量管理系统(EMS)。由于远动系统为调度中心提供实时数据，实现对远方运行设备的监视和控制，因此它是电力系统调度自动化的基础，它己成为调度自动化系统的一个重要组成部分。远动系统把调度控制中心与发电厂、变电站联系了起来。一般，我们称调度控制中心为调度端，另一侧为厂站端。从远动角度看，调度端为控制站，厂站端为被控站。远动系统由控制站、被控站及信道等组成，被控站内按规约完成远动数据采集、处理、发送、接收以及输出执行等功能的设备，习惯上称远动终端(Remote Terminal Unit，即RTU)。1.2 RTU的基本原理51.1.1 RTU定义远动终端(RTU)是一种计算机

12、智能化的产品，广泛应用于电网调度自动化的监控系统，它安装于各个厂站内，采用远程通信技术将厂站的开关位置信号及测量值等及时传送到调度中心，也可以由调度中心发出命令控制远方的开关操作或调整远方厂站自动装置的整定参数，负责各种远动信息的“上传下达”工作，它是调度自动化的基础设施，是电力系统实现远方数据采集与监控的重要设备，具有易扩展性和易维护性特点。1.1.2 RTU的基本功能RTU作为调度自动化系统的末端，与主站配合主要实现以下功能：遥测(YC)功能：将采集到的被监控变电站的主要参数及时编码成遥测信息，按通信规约传送给调度端。遥测量是指变电站的变压器、母线、馈电线路的电流、电压、有功功率、无功功率

13、、功率因数及变压器油温等模拟量。遥信(YX)功能：将采集到的被监控变电站的设备状态信号，按规约传送给调度中心。这些设备状态可能是断路器、隔离开关的位置状态，继电保护与自动装置的动作状态，漏电保护装置的运行状态，模拟操作中模拟开关器件位置等。这些位置状态、动作状态和运行状态都只取两种状态值。如开关位置只取“合”或“分”；设备状态只取“运行”或“停止”。因此，可用一位二进制数即码字中的一个码元就可以传递一个遥信对象的状态。遥控(YK)功能：由调度中心对变电站中的断路器等设备实行远方变位，其输出是一种开关量。由于遥控的后果对电力系统来说是非常重要的，所以在遥控过程中，采用“返送校核”的方法，实现遥控

14、命令的传送。在遥控过程中，调度中心发往变电站RTU的命令有三种，即遥控选择命令、遥控执行命令和遥控撤消命令。遥控选择命令包括两个部分：一是选择的对象，用对象码指定对哪一个对象进行操作；另一个是遥控操作的性质，用操作性质码指示是合闸还是分闸。遥控执行命令指示RTU按接收到的选择命令，执行指定的开关操作。遥控撤消命令指示RTU撤消已下达的选择命令。RTU端返校内容：校核遥控选择命令的正确性，即检查性质码是否正确，检查遥控对象号是否属于本站；检查RTU遥控输出对象继电器和性质继电器是否能正确动作。遥调(YT)功能：是调度中心直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整。1.1.3 对RTU的基本要求可

15、靠性 RTU放于厂站内，必须适用于恶劣的温度和湿度环境，并且RTU用于数据的采集和监控，必须连续不断的工作，特别是在无人值守的变电站中，更要求RTU有很高的可靠性。在国外RTU的平均无故障时间可达5年以上。实时性实时性RTU对各种信息的采集和处理要满足实时性的要求，对现场各种状态变化要能及时响应。灵活性结构模块化在一个系统内，各厂站规模不一，信息量相差很大，模块化可以构成不同的规格和功能，选用灵活方便。统一性信息传送格式规范化信息传送应符合统一的通信规约，各装置都采用同样的接口设备，有利于维护使用并能降低费用。1.3 RTU的发展我国电网调度自动化系统，70年代中期起步，到80年代初，电网调度

16、自动化还是以远动系统为主。远动装置以常规远动装置为主，只在少数投入了计算机监控系统。80年代随着计算机技术的发展，我国电网调度自动化系统取得了迅速发展，微机远动装置投入运行。到目前我国大部分网、省调度都已程度不同实现了电网安全监视系统功能，地调也已建成或正在建设规模大小不等，功能高低不同的调度自动化系统，且通过了部分实用化验收。据有关资料获知，我国变电站自动化发展状况如下：开始投运的变电站计算机监控系统与远动系统完全是彼此独立、互不相关的，数据各自分别采集，信息不能共享，硬件设备重复设置，重复投资。后来设计的站内监控系统已把站内监控与远动功能结合在一起，可向几个不同级别的调度中心发送各自所需的

17、远动信息，所有遥测、遥信信息集中采集。目前己出现有分散分布式变电站自动化系统，它将各测量、控制、监视分散分部在设备小室，对测控对象就地采集控制。对110KV及以下等级的变电站，各地区特别是新建的110KV变电站大多要求按无人值班运行方式设计，并将原有人值班变电站逐步改造为无人值班运行方式，无人值班的变电站按实现的自动化水平可分为两类：一种为远动RTU方式，该方式仅在原常规有人值班变电站的基础上在RTU中增加了遥控、遥调功能，站内仍保留传统的控制屏、指示仪表等设备。所有信息由RTU集中采集，遥控遥调指令通过RTU输出。在国内，较早己建成的推广实行无人值班的变电站，由于受当时情况的限制，往往采用这

18、种方式。显然，在现阶段新建的无人值班变电站已不宜采用这种方式。另一种为全新的自动化方式。这种方式的最大特征是将站内当地监视功能、信息采集、远动功能以及保护信息结合为一个统一的整体，完全取消了传统的集中控制屏，二次回路极为简单，控制电线大量减少。这是当今各种电压等级变电站自动化技术的发展方向。由上述可知，RTU经历了三个发展阶段，第一阶段RTU采用常规电量变送器方式，各待测模拟量通过变送器模拟运算转换为直流信号，RTU采用直流采样技术，对来自变送器的直流信号采样并进行简单的标量/工程量转换。第二阶段RTU采用了微机交流采样技术，以微处理器为核心，对电网的电流、电压进行直接交流采样，经软件运算获得

19、各种电气量。其特点是采样中间环节少，精度高，稳定性好。目前在电网中投运的RTU基本上都采用了这种技术。第三阶段RTU是在现有的RTU的基础上正在研制的新一代的分布式RTU。其特点是融站内监控功能、信号采集、远动功能以及保护信息为一个统一整体的综合自动化系统，这是我国变电站自动化技术发展的方向。1.4 本论文研究的主要内容及意义1本文主要完成了以微机交流采样技术为基础的分布式RTU模块的研制工作，该模块以单元为主，对单路的所有信号进行统一控制。所有的测量、控制、保护等信号均在就地单元内处理成数据信号后经总线传输至前置机上，再由前置机将信息汇总后向调度中心发送，各就地单元相互独立，互不影响。分布式

20、RTU如图1-1所示：当地监控设备前置机远端调度RTU #1RTU #2RTU #3RTU #4图1-1 分布式RTU分布式的处理模式保证系统不会因局部故障而导致整体瘫痪，而且其可靠性高，抗干扰能力强，利于现场施工、安装调试和故障定位，节省了大量二次电缆和控制室的面积，与集中式相比，更适合新建变电站，采用分布式设计，自动化系统的整体运算能力可以得到非常大的提高，同时，分布式设计为局部的技术更新创造了条件，因此更加符合现代社会的分工协作生产模式。分布式设计更能加速我国变电站自动化系统的发展。79山东科技大学学士学位毕业论文 RTU的总体设计2 RTU的总体设计本RTU采用分布式处理概念，前置机和

21、远动终端依旧进行分层设计。RTU以线路为单元分布，各RTU模块都采用16位单片微处理机，以RS-485网络通信为基础构成主从式分层分布体系结构。本章从总体上对分布式RTU进行设计。2.1 RTU模块与RS-485网络的连接6 1、RTU模块是采集控制模块，它负责线路的遥测、遥信量的数据采集，通过RS-485网络将采集信息传送给前置机，并接收前置机的下行控制命令，执行当地控制功能。2、前置机具有数据通信、数据处理及系统管理功能。即接收现场RTU的采集数据，经处理与远方的调度中心主站进行数据交换，接收调度中心主站送来的控制命令，并下达给对应的RTU模块。3、RS-485网络RS-485是工业上被广

22、泛应用的双向、平衡线通信标准。具有结构简单、抗干扰能力强、成本低等特点，在工业控制领域因其简单成熟而仍然被广泛采用。其协议规定如下：最大传输距离为1200M最高传输速率为50MbpS具有高抗干扰能力的差分传输(平衡线)每段允许创建多达32个节点的网络在一组双对电线上的双向主一从通信平行的连接接点，真正的多口 前置机RS485 RTU 1 RTRS485 RTU nRS485 RTU 2RS485 485总线图2-1 RTU模块与RS-485网络的的连接框图本文所开发的RTU模块可以作为一个单独的远动装置通过RS-485接口连到RS-485总线上，与前置机(前端处理机)进行通信，前置机把各路的R

23、TU信息汇总后再按照规约发往调度中心。在RS-485网络中各RTU都有自己唯一的地址，且各RTU之间不能通讯，一切通讯受前置机控制。开始时，所有RTU都处于监听状态，等待前置机发出指令。当前置机发出指令时，所有RTU都接收并且将其中的地址与自己的地址比较，如果相同则继续接收后面的指令或数据，如果不同则不予理睬。2.2 主要技术指标本RTU模块主要面向变电站上一条线路上的远程监控与数据采集，其主要指标设计如下：最多容纳6组交流模拟量输入(信号变换范围士5V)8路开关量输入2路开关量输出.RS-485通讯接口与前置机之间进行间答式通信2.3 主要功能及实现方法7在RS-485总线网络中，每个RTU

24、都通过RS-485接口连在总线上,前置机与RTU构成1：N的问答式通信模式。主要功能为：1、遥测数据功能可采集4x4通道模拟量(例如：主变有功、主变无功、母线电压、母线电流等)的总体设计由电压互感器(PT)、电流互感器(CT)将高电压、大电流转换为低电压和小电流信号，再经变换装置将它们变换为5V的交流信号，然后经A/D转换器转换为二进制数字信号输入单片机。电压、电流得到后，有功功率、无功功率可由电压、电流计算得出。同样，其他电参数也可以得到。其中，频率则有转换电路直接转换为脉冲信号送入单片机,有单片机测量脉冲并技术从未计算出其频率。2、遥信功能可采集6路开关量，有开关状态、刀闸状态等。系统上电

25、后，CPU不断查询遥信开关量，记录开关状态。3、遥控功能可控制2路开关量输出，遥控开关的开、合。RTU接收前置机发来的遥控命令，采用“返送校核”的方法，实现遥控、遥调命令的传送。4、事件顺序记录功能发生遥信变位，记录变位开关号和变位时间。5、广播对时功能接收并执行前置机发来的广播对时命令，保持与前置机时钟同步。6、自动复位功能当RTU受强干扰程序非正常工作时，系统能够自动复位，使系统恢复正常工作。2.4 可靠性设计由于电力系统与强电联系很多，工作环境恶劣，会受到来自各个方面的干扰，包括自然环境或人为因素所产生的影响，也有来自单片机系统内部所产生的干扰，这些干扰信号会通过一定的途径进入系统，影响

26、系统的正常运行。轻则使测量和控制产生偏差，重则使系统遭到致命的破坏，如尖峰电压的冲击等，为了尽量避免干扰，在本RTU的设计中使用了以下抗干扰措施：2.4.1硬件抗干扰措施1、由于开关量输入和开关量输出所要检测和控制的设备对象都工作在强电环境下，因此，在设计中我们采用了光电隔离技术，从电路上把干扰源和易干扰部分分开，达到隔离外界干扰的目的。2、在A/D转换器芯片连接上，使模拟地和数字地分开。3、在印刷电路板设计中，电源线、地线加宽。4、线间对地增加小电容滤波消除高频干扰。5、设计了硬件复位电路，防止程序跑飞。2.4.2软件抗干扰措施1、使用了软件看门狗，每隔不到64K时态时间使用软件将监视定时器

27、清零一次，使定时器在程序执行正常时永远达不到溢出的条件。一旦软件执行紊乱，就不能按时的将定时器清零，定时器就会溢出，从而经过CPU的复位引脚使芯片产生硬件复位。由以下语句实现：LDB WATCHDOG，#1EHLDB WATCHDOG，#0E1H2、采用软件冗余技术，由于开关量存在抖动问题，这可能造成系统的误判断和误操作，因此在程序中，采用软件去抖动方法，即对同一状态多次采样，然后判断每次采样值是否相同，如相同则采样正确。通过上述的软硬件抗干扰措施，可以有效的降低外界和系统本身所产生的干扰，从而保证系统的可靠运行。 山东科技大学学士学位毕业论文 电力参数计算原理及计算方法3 电力参数计算原理及

28、计算方法本章首先比较均方根法和傅立叶变换法，根据本模块的特点确定选用均方根法，并且从理论上介绍了电流、电压、有功功率、无功功率等电力参数的计算方法，同时也给出了程序中各电力参数的计算公式，最后进行误差分析。 3.1 引言4 电力系统自动化有三个基本的功能要求，即对电网运行状态进行监视、控制和保护。对电网的运行状态监视功能是指对电网上的状态量(如开关状态、保护动作情况等)和电力参数(如电压、电流、功率和电度等)的运行状况进行监视。对电网的控制功能是指在需要的时候，远方控制开关的合闸或跳闸以及有载调压设备升压或降压，以达到所期望的目的(如满足电压质量的要求、无功补偿和负荷平衡等)。对电网的保护功能

29、是指检测和判断故障区段，并隔离故障区域，恢复正常区域的供电。在这三者之中，对电网的运行状态监视是电力自动化系统中最基本的要求，也是其他两方面的基础。例如：电流、电压、有功功率、无功功率等，反映电网的运行质量，是电网中最重要的监视对象。交流采样是按一定的规律对被测物理量的瞬时值直接进行采样，用一定的算法计算出被测物理量的有效值。交流采样方法实际上就是用微抓取代传统的变送器，充分发挥微机功能强、灵活可靠、使用方使等优点，以克服因使用传统变送器而导致的一系列不良反应。交流采样的采样速率高，采样值中所含信息量大，实时性好，成为目前主要使用的采样方式。目前，国内外已经提出许多交流采样的算法，由于采用的原

30、理不同，在硬件及软件的配置上也不一样，以致系统的精度和造价也不一样。对50HZ的正弦交流电流、电压来说，理论上只要每个周波采样两点(最高点与最低点)就可以表示其波形的特点了。但是由于干扰及谐波的影响，两点采样法往往误差很大。所以为了保证电流、电压检侧的准确度，采取在每个周波均匀采样多点的方法，例如取每个周波采样12点、16点、20点或者24点等，并利用合适的算法使误差减小到满意的程度。在本开发模块中，取每周波采样20次。 电流采样值记为： ；电压采样值记为： ；3.2 交流采样算法分析2 3交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不向，其算法也有很多种，按照其模型函数，大致可分为正弦模型算法，

31、非正弦周期模型算法。其中正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等，非正弦模型算法有均方根法、傅立叶变换法等，各种算法都有其优缺点，在电力系统中的应用也不相同。通常情况下，电力系统波形并不是纯正弦波形，而是叠加了高次谐波等成分，同时，当系统发生故障时，又会叠加一些衰减的非周期成分，在这里我们只讨论均方根法和傅立叶变换法，并得出合适的算法理论基础进行数据处理。3.2.1两种交流采样算法3.2.2.1均方根法均方根法是根据连续局期交流信号的有效值及平均功率的定义，将连续信号离散化，用数值积分代替连续积分，从而导出有效值或平均值与采样值之间的关系式的方法。(l)电压、电流的计算

32、根据电工原理，连续周期的交流电压、电流有效值的计算公式： (3 -1) (3 -2)式中： u(t)、i(t)交流电压、电流的瞬时值T交流电压、电流的周期利用微机进行交流采样时，首先对交流电压、电流进行均匀采样，即将一个周期N等分，则采样周期(间隔)t=T/N。采用梯形公式计算数值积分，例如从电压的有效值定义可以得到： = = = 所以有电压有效值的近似计算公式为：U= (3 -3)同理： I= (3 -4)式中： 记u()=u(n) N为一个周期均匀采样点数 u(n)和i(n)分别为电压、电流第n点的采样值(2)功率的计算平均功率的计算公式为： (3 -5)可得离散表达式为： (3 -6)以

33、上是电压、电流及功率的基本定义，下面我们看一下有功功率和无功功率的计算。在三相线路中，三相负载一个周期T内消耗的平均功率(即有功功率)可用下式表示(高压变电站为三相三线供电，功率采用两功率表法计算)。 (3 -7)根据交流采样原理有： (3 -8)另外，我们采用电力系统无功测量应用最广泛的90”跨相方法计算三相线路的无功功率Q： (3 -9)同样,将其离散化： = (3 -10)3.2.2.2傅立叶变换法傅立叶变换法是将离散的采样值经过离散傅立叶变换(DFT)转换到频域，求出基波和谐波分量，再求有效值及功率的方法。(1)电压、电流的计算对于电力系统来讲，对于输入量为周期函数的电压u(t)、电流

34、i(t)，可以分解为含有直流分量、及各谐波的傅立叶级数： (3 -11) (3 -12)式中：j为j次谐波(j=1、2、3)； ，, , 分别为j次谐波的余弦分量、正弦分量的电压、电流值幅值。根据傅立叶级数，从任何一时刻积分一周期T，利用正交函数的特性，可得： (3 -13) (3 -14)假设每个周期采样N次，对式(3-13) (3-14)用梯形数值积分法来代替，可求得： (3 -15) (3 -16)其中,是采样的离散量，也就是电压、电流的瞬时值。这样可求出第j次谐波电压、电流的幅值、相角、有效值：幅值： (3 -17) (3 -18)相角： (3 -19) (3 -20)有效值： (3

35、-21)由于非正弦周期函数的有效值等于信号中恒定分量的平方与它的各次谐波的有效值平方之和的平方根，与各次谐波的初相角无关。因此电压、电流的有效值分别为： (3 -22) (3 -23)(2)功率的计算 假设已经求出A相电路的电压、电流值：、。对于交流电路有： (这里以基波信号为例进行讨论)而A相的视在功率为： (3 -24) =其中： 所以有： (3 -25)同理可以求出 、 、 、。所以三相电路的功率计算公式为： (3 -26)若采用三相三线接法，设三相电流是对称的，故有。 代入（3-26）式，可以求得： (3 -27)3.2.2两种交流方法的比较由以上可知均方根法和傅里叶变换法可以看出：均

36、方根法精度高、速度快，实时性强，算法简单。有效值和平均功率通过测量值可以直接计算出来，其中包含了基波和各次谐波的综合参数，真实的反应了被测信号的实际情况，但是它无法将基波和其它谐波分离开来，在不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选用此算法。傅立叶变换法不需增加硬件滤波装置，就具有很强的滤波能力，并且可以分别计算出不同谐波的各种参数值，适合于进行电力线路的继电保护、谐波分析。但是当波形畸变严重时，采用傅立叶变换法会产生较大误差。并且，由于需要对各次谐波分别计算，运算量大，响应速度慢，虽然可以采用FFT算法提高运算速度，所需时间仍高于均方根法，比较适于电量计算时的数据采集，或者是其他实时性

37、差但精度高的场合。综合考虑编程的简便性和实时性要求，本文采用基于均方根法的多点采样算法。3.3 交流采样误差分析在交流采样技术中，直接对电压、电流进行离散采样，然后利用采样/保持及A/D转换技术将离散值转换为数字值，这种方法不仅适用于正弦电量的测量，还可以测量波形畸变的电量。但是，使用交流采样技术，无论利用何种测量方法，必然存在一定的测量误差，下面我们给出几中主要误差及其改进方法：1、由A/D转换引起的误差在A/D转换器将一模拟信号转化为数字量时，转化过程中的量化误差是每一次都存在的，A./D转换器位数越高，转换数据越精确，计算量和成本也会越大，实际应用中需结合精度指标和成本进行选择。2、高次

38、谐波引起的误差如果采样次数N过小，测量精度就很差，高次谐波对测量精度的影响很大。N增大，测量精度提高，但计算量增大。电力系统的主要的高次谐波一般在10次以下，采样次数N取20就能满足一般精度要求。3、频率f的波动引起的误差由于电信号有一定的波动范围，如果测量时均按工频50HZ处理，将会带来误差。在模块设计中，采用数字方法实时测量周期T，一然后进行N等分，使这一环节的误差减到最小。4、小CT和小PT相位差引起的误差这些误差的减小方法主要靠工艺和选材，要求CT、PT线性好，非线性补偿性好，以减小误差。山东科技大学学士学位毕业论文 RTU的硬件设计4 RTU的硬件设计本章介绍了系统硬件的各部分组成，

39、并对各部分工作原理进行简要说明，最后概括总结了硬件的整体工作过程。4.1 硬件电路的设计思路硬件电路设计包括两部分内容：一是系统扩展，即CPU自身的功能单元如RAM、ROM、外围模块等不能满足应用系统的需要时，需在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应电路；二是系统配置，即按照系统的要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D转换器等，并设计合适的接口电路。系统扩展和配置的设计应遵循如下原则：尽可能选择典型电路，并符合CPU的常规用法，为硬件系统的标准化、模块化打下良好基础。硬件结构与应用软件应结合考虑，因为它们会互相影响。通常，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构；但应注意在增加CP

40、U工作量的同时会占用CPU开销。整个系统的各个相关器件尽可能性能匹配。如芯片速度较快时应选取存取速度较高的存储器芯片等。可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波、印制板布线、通道隔离等。CPU外接电路较多时，需考虑其驱动能力。驱动能力不足，系统工作将不可靠，此时应增设驱动器或减少芯片功能，降低总线负载。4.2 硬件的总体结构8 本文研究的硬件框图如图4-1所示。2路遥控输出模块数据采集/A/D转换 通信模块复位电路 8路遥信输入模块外扩存储掉电保护80C196KB单片机 看门狗复位电路复位电路 人机交互图4-1 RTU硬件框图本RTU模块以80C196单

41、片机为核心，外加数据采集处理及12位A/D转换模块、遥信输入模块、遥控输出模块、通信模块、同步电路、复位电路等辅助部分。80C196KB是美国Intel公司推出的16位单片机，具有丰富的软硬件支持。可进行高速数字运算和频繁的输入/输出处理。与八位单片机相比，十六位单片机的优点非常突出。首先，16位单片机克服了八位单片机的累加器的瓶颈问题，它在内存中开辟出232个字节空间作为通用寄存器使用，这便增加了数据存取的自由度，不必像八位单片机那样存取、计算都要通过累加器A，大大提高了工作效率。而且这些通用寄存器可以按字节、字、双字存取，给计算带来很大方便。80C196KB单片机适用于要求很高的实时性检测

42、与控制场合。图4-2中的80C196KB和存贮器模块组成单片机最小系统。80Cl96KB与外部存储器的接线原理图。整个模块采用总线结构，利用80C196KB的P4口作为高八位地址和数据线，P3口同时用为低八位地址和数据总线，采用八位锁存器74LS373实现数据、地址总线分离。80C196KB外接一片32K的EPR0M27256作为程序存贮器(地址为0000H7FFFH)，一片32K的DS1230Y/AB作为数据存储器(地址为8000HFFEFH)。27256和DS1230Y/AB的片选信号分别由地址译码器74LS138来提供，通过地址译码后，存储器的每一个单元便有了确定的地址。操作过程中DS1

43、230Y/AB用来存放处理的一些中间结果和最终结果，并且具有掉电保护功能可以解决突然断电而引起的数据丢失问题,而27256用来固化编写的目标程序。图4-2 80C196KB和存贮器模块组成单片机最小系统以上介绍了单片机的最小系统，下边我们分别介绍系统电路的其他各个模块。4.3 数据采集模块硬件电路数据模块主要由数据采集电路和A/D转换芯片MAX115构成，完成对3相电压、电流信号的采样和模数转换。数据采集部分电路将配电变压器低压侧的三相电压、三相电流转换为A/D转换所需的数据。信号转换电路是由互感器组成，互感器将一次侧的高电压和大电流转换为双极性的小电压;再经低通滤波电路调理到A/D芯片能够采

44、用的电压信号范围。互感器按功能可分为电压互感器(PT)和电流互感器(CT)，按量程可分为一次互感器和二次互感器。一次PT将高压的110kV，35kV，10kV统一变为100V电压，一次CT将大电流变换成统一的5A电流信号。二次互感器将输入信号电平转换成与测量设备的模拟输入通道相匹配的允许电平，并将测量设备的内部与外部互感器回路完全隔离，提高测量设备的的抗干扰能力和绝缘能力。图4-3数据采集与A/D转换示意图对模拟量采集前的抗混叠滤波采用两级RC滤波电路，如图4-4所示。R=3k，C=0.47uF。滤波电路的幅频特性如图4-4。图4-4抗混叠滤波电路A/D转换器种类很多，单从原理上通常可分为以下

45、四种：计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、遂次逼进式A/D转换器和并行A/D转换器。计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为接口电路，它的结构不太复杂，转换速度也高。并行A/D转换器的转换速度最快，但因为结构复杂而造价较高，故只用于那些转换精度极高的场合。A/D转换器(Analog-Digital-Conberter)的性能指标： ADC的性能指标是正确选用ADC芯片的基本依据，也是衡量ADC质量的关键问题。在模拟量遥测信息采集电路中

46、选择A/D转换器芯片主要考虑分辨率、转换速度和转换精度三项技术指标。1、分辨率分辨率是指A/D转换器对输入信号的分辨能力，用输出二进制(或十进制)数的位数表示。当最大输入电压一定时，输出位数越多，则分辨率越高。2、转换速度转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。ADC型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次逼近式ADC的转换实际为100us左右。选用ADC型号应视现场需要而定。在控制时间允许的情况下，应尽量选用便宜的逐次逼近式A/D转换器。3、转换精度 ADC的转换精度有模拟误差和数字误差组成。模拟误差是比较器、解码网络中电阻值以及基准电压波动等引起的误差。数字误差

47、主要包括丢失码误差和量化误差，前者属于非固定误差，由器件质量决定，后者和ADC输出数字量位数有关位数越多，误差越小。4、三种A/D转换方案比较比较以上各种A/D转换器的优缺点、选用标准以及结合本系统的实际应用，在本系统开发中，采用了美国MAXIM公司生产的12位逐次逼近型A/D转换器MAX1154.3.1 MAX115的主要特点表4-1 三种A/D转换方案比较速度精度 成本并行比较型 最高较低最高逐次逼近型中等中等中等 双积分型最低最高最低 MAX115是内部带有同步采样保持器的2只4通道12位A/D转换器，可实现两组14通道的A/D转换，每通道转换时间为2us，转换结果以补码的形式顺序输出。

48、MAX115需双极性供电，输入电压的范围是-5V+5V，误输入保护为-17V+17V。内部参考电压为+2.5V或用外部参考电压，含有带缓冲的参考输入和四个同时采样跟踪/保持放大器。内部提供可编程时序发生器，具有高速并行DSP接口，内部时钟为10MHZ。4.3.2 MAX115的工作原理4.3.2.1 通道选择 MAX115的输入数据线A0A3的高两位与输出数据线D0D11的低两位通过三态门复用，向A0A3写入数据可控制8个通道的选通。MAX115共有8种转换模式及一个节电模式。系统上电后，默认CH1A为转换通道，也可以通过向A0A3写控制字来选通转换通道。对应关系见表4-2。如要对MAX115

49、输入转换指令，应将拉低，对A0-A3数据线编程。然后，给一个低脉冲，编程指令在或的上升沿被锁存。这时模数转换器作好了转换的准备。一旦转换程序执行，模数转换器就在指定方式下连续执行转换，直到重新编程或断电为止。表 4-2 MAX115通道选择A3A2A1A0转换时间工作方式00002CH1A通道工作00014CH1A CH2A双通道工作00106CH1A CH2A CH3A三通道工作00118CH1A CH2A CH3A CH4A四通道工作01002CH1B通道工作01014CH1B CH2B通道工作01106CH1B CH2B CH3B通道工作01118CH1B CH2B CH3B CH4B四

50、通道工作1任意任意任意-掉电状态4.3.2.2 模数转换选择了转换通道后，再给一个低电压，芯片就启动A/D转换过程。在上升沿模拟输入被采样，采样/保持放大器置成保持模式，附加的脉冲被忽略直到最后的转换完成，不能进行新的转换。若是单通道转换，A/D转换结束后，中断信号就变低，指示转换己完成。若是多通道转换，则最后一个通道A/D转换结束后，才变低。测试系统可以通过监视信号来检测转换是否结束。4.3.2.3 读数据 在读取数据时，也是顺序读取的。单通道工作时，只需执行一次读操作即可，多通道时，在脚上连续加脉冲就能顺序取得CH1-CH4的转换结果。在连续读时，要保持低电平。无论芯片工作在何种方式，进行

51、四次读操作后，内部地址指针都会重新指向CH1。被置低时，内部地址指针也会重新指向CH1。4.3.2.4 时钟 MAX115内部含有频率为10MHZ的时钟电路，把CLK管脚接到DVdd上时，内部时钟便被激活(内部时钟建立时间一般为165us)。也可以在CLK上建立一个占空比位30%一70%的外部时钟信号。在本系统中采用了MAX115的内部时钟。以上就是MAX115的基本功能和工作设置。因为它同时具有采样/保持和A/D转换的功能，所以只需将被测信号标准化后引入到MAX115的四个通道引脚上，再通过软件设置，就可实现采样/保持功能。在采样/保持信号后，通过软件对MAX115的转换管脚控制实现转换功能

52、。MAX115和80C196KB的接口电路如图4-5所示，设计中注意到：(1)MAX115需正、负电源供电；(2)MAX115的A/D输出是12位的，此时80C196的总线工作方式应是16位的，当MAX115片选有效时(CS低有效)，总线宽度控制信号BUSWIDTH=1(总线宽度是16位)，否则读取的数据不正确；(3)MAX115的通道选择是由A0A3决定的，可在采样初始化时确定；A1/A0=1/0 使其CH1、CH2、CH3工作缩短时间 (4)启动转换是通过向一地址内写入数据实现的。图 4-5 MAX115和80C196KB的接口电路4.4 频率检测电路由于本装置采用等间隔采样，因此必须对频

53、率进行测量，以保证一个周波内等间隔采样。频率的测量有硬件测频法和数字测频法两种。本装置设计了硬件测频法，如图4-6所示为频率检测电路，该电路以A相电压为基准，输入信号经变换器和作为电压跟随输出的运放后，再送入OP07运放放大，OP07运放处于饱和状态，输出为高电平为+1ZV、低电平为一12V的方波，该方波信号经电阻、二极管、稳压管等电路后，输出的CAPI信号是一个高电平为3.3V、低电平可视为-3.3V的方波，CAPI信号送入80C196KB的捕捉单元来捕获方波的上升沿，从而计算出信号的频率。图 4-6 频率检测电路4.5 看门狗电路设计由于电路所工作的环境比较恶劣，由于环境的影响程序可能会跑

54、飞，为了系统能够稳定的运行，复位电路是系统中不可缺少的部分，系统用的是MAXIM公司的复位电路专用芯片MAX706，电路中使用MAX706使电路的器件减少，可减少干扰，提高电路的可靠性。同时MAX706器件本身是一种性能优良的低功耗CMOS电路芯片。具有如下四种功能：1.上电、掉电以及降压情况下的复位输出。2.独立的“看门狗”输出。如果在1.6s内“看门狗”输入端未被触发，“看门狗”输出端将被变为低电平。3.一个1.25V门限检测器，用于电源故障报警，低电压检测或+5V以外的电源的监控。4.低电平有效的人工复位输入。用MAX706作为系统的“看门狗”电路既简单又可使系统可靠工作。由MAX706

55、构成系统的“看门狗”电路如图4-7所示。从电路可知，只要在1.6s时间内WDI检测到高低电平跳变信号，则“看门狗”计时器清零并重新开始计时；若1.6s后，WDI端仍无高低电平变化信号，则端输出低电平，进而触发手动复位输入端，MAX706复位，进而使80C196KB复位，从而使系统重新运行工作 图 4-7 看门狗电路4.6 实时时钟模块 根据电力部门的规约规定要对RTU模块的遥信和遥控等其他动作进行实时的时间记录，还必须实时记录系统安全运行的时间。所以实时时钟模块是必不可少的。这里我们使用专用时钟芯片来完成时钟功能。时钟芯片DS1302及时钟电路DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能

56、、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。内部有一个31*8的RAM寄存器，有主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。DS1302为系统提供时间信息，它同单片机的连接方式为：DS1302于8255A的连接仅需三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。其电路如图4-8所示。 图 4-8 实时时钟电路4.7 通信模块10以往的RTU设备往往是采用集中式管理。也就是说把所有要检测的

57、量都连接到一起来进行检测，这样给变电站将来的扩容带来不便。分布式RTU是把检测的量分开来检测，然后通过底层的总线进行数据的交换。这里用RS-485现场总线来完成底层通信。为了实现RS-485串行通信，本系统采用MAXIM公司MAX485芯片。该芯片采用单电源+5V供电，额定电流300A，半双工通信方式，完成将TTL电平转换成RS-485电平。硬件电路设计参考图4-9所示。图中由DE端子控制MAX485芯片的发送/接收使能。DE端子与单片机的P1.2口连接。当DE为高电平时，单片机向RS-485总线发送数据；DE为低电平时单片机从RS-485总线接收数据。与单片机中间可连接光耦电阻来增强其抗干扰

58、性，且避免因干扰信号（如：雷击等）造成的单片机损坏。连接至A脚的下拉电阻R23、连接至B脚的上拉电阻R21用于提高该RS-485网络节点的工作可靠性。钳位于6.8V的稳压管D3、D4、D5用来保护RS-485总线，避免在受到外界雷击、浪涌等干扰时产生高压损坏RS-485收发器。C25、C26用于提高电路的EMI性能。图 4-9 RS-485通信模块4.8 开关量输入电路(遥信部分)遥信部分采集8路开关量输入。由于开关量采样可能会有干扰，开关量的输入都经过TLP521型光电隔离器进行隔离，由于使用了光耦，大大排除了干扰信号的影响，从而提高了系统的可靠性、稳定性。同时由LED灯指示开关状态，为系统维护提供了方便。如图4-10所示，当有遥信信号时外边的LED指示灯变亮，同时光电耦合内部导通，使单片机输入端变为低电平，单片机反应接收到遥信信号。图 4-10 开关量输入电路4.9 开关量输出电路(遥控部分)遥控部分对2路出线进行遥控。硬件上采用了光电隔离，提高了遥控的可靠性。当单片机有遥控信号时，输出端变为低电平，光电耦合导通，光电耦合输出端接地，从而有高电平变为低电平，通过75451驱动继电器，增加其驱动能力。电路如图4-11所示： 图 4-11 开关量输出电路4.10键盘显示