远动终端装置rtu地设计

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1、word摘要电力远动终端RTU系统是电力调度自动化系统的核心局部，是计算机、数据信息通信、状态自动检测等技术相互协调配合形成的能够对电力供配电各环节进展实时监视和控制的综合智能操作系统。在分析电力特性参数测量和计算方法的根底上，对电力远动终端RTU系统的拓扑结构进展详细的分析总结。电力远动终端RTU大大提高电力系统自动化调度与管理水平，保障供配电系统高效稳定的运行。本文首先对时下RTU的应用和现状展开了论述，使用TI公式的TMS320LF3407A芯片结合CAN总线设计出了符合要求的系统结构，使系统的响应速度更快，测量精度更准。具有运算能力强，处理速度快以与工作可靠的特点。最后文章采用C语言编

2、程调试，结果进一步验证了高速、高精度、可靠的特点。关键词：电网监控、远动终端RTU、DSPAbstractPower far move terminal RTU system is the core of the electric power dispatching automation system of, is a puter, data information munication, the state to be automatic detection technology to coordinate well with each other to form of power supp

3、ly and distribution the links to real-time monitoring and control of prehensive intelligence operation system. On the analysis of the characteristic parameters of electric power measure and calculation methods of the foundation, on the far end RTU system power move the topological structure of a det

4、ailed analysis of the summary. Power far move terminal RTU greatly improve the automation of electric power systems scheduling and management level, ensure the supply system for the operation of the high efficiency and stability.This paper first on the current application and current situation of RT

5、U on this paper, and use of the formula TMS320LF3407A with TI chips CAN bus designed to meet therequirements of system structure, make the system response speed faster and more accurate measurement accuracy. Has the operation ability, processing speed and reliable characteristic. At last this paper

6、adopts the C programming language testing, the results further verified high speed and high precision and reliable.Keywords: grid monitoring, far move terminal RTU, DSP- 38 - / 40目 录第一章 绪论.31.1国外RTU开展现状31.1.1 国外RTU的开展现状31.1.2 国RTU的开展现状31.2 论文主要容.5第二章 RTU系统方案的构建 62.1电力参数的测量62. 62.72.FFT的电量测量原理82.1.4频

7、率的测量92.1.5电流、电压的测量92.1.6电功率、功率因数的测量10RTU的根本功能11122.3.1数字信号处理器的主要特点122.3.2 DSP芯片的选取132.3.3锁相环同步与频率采样电路13142.5系统的总体方案 15第三章 RTU系统的硬件电路设计173.1 信号测量模块的电路设计 173电压和电流采集电路183.1.2锁相环同步与频率采样电路203.1.3开关量与脉冲量的采集213.2 通信主控模块的电路设计 223.2.1 CAN接口电路233串行通信接口电路243显示和键盘接口电路253.2.4 LF2407A的EEPROM扩展与SRAM电路的设计 26第四章 RTU

8、系统的软件设计284.1系统软件的总体设计思想284.2信号测量模块的软件设计284 A/D转换子程序的设计304频率测量程序的设计304.3通信主控模块的软件设计314接口子程序的设计324人机接口子程序的设计344.4数据测试结果与分析35第五章 结论37致38参考文献39第1章绪论国外RTU的开展与现状国外RTU的开展现状对于变电站自动化监控系统，很多国家都做了大量的研究工作，目前各在电网计机监控系统方面多采用分层分布开放式系统结构，该系统是把电厂的各项功能，按分层分布处理的原如此由功能模块和接口模块组成计算机分布系统，整个系统统一协调，合理分工，最优运行管理。因此，这种分布开放式系统完

9、全满足高效率、高利用率、最大灵活性、良好的兼容性以与安全可靠和抗干扰能力强的要求。西门子公司于1985年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系LSA678，至1993年已有300多套同类型的系统在德国本土与欧洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行，至1995年，该公司在中国也陆续得到十几个工程项目，根本上是110kV城市变电站。LSA678系统的结构有全分散式和集中与分散相结合两种类型。ABB公司的变电站自动化综合系统SCS100,在芬兰生产，用于中、低压变电站。SC200在瑞典生产，用于高压变电站。还有GE Harris的D10D20m25D200;费希尔-罗斯蒙特(F-RSOEMOUN

10、T)的ROC产品系列包括R0c-300系列通用RTU有ROC306，ROC312；另外MOTOROLA公司也开发自己的RTU产品，但他们的产品主要为自己公司的SCADA系统提供服务。1.1.2国RTU的开展现状国变电站综合自动化的研究工作开始于80年代中期。自20世纪90年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一目前全国已投入运行的35-500kV变电站约20000座，而且每年新增变电站的数量约为3%5%.据有关资料获知，我国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。后来设计的站监控系统已把站

11、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远动信息，所有遥测、遥信信息集中采集。其主要开展阶段为:年代与以前，是以RTU为根底的远动装置与当地监控为代表。该类系统实际上是在常规的继电保护与二次接线的根底上增设RTU装置。此类系统称为集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用。在这个阶段的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，采用直流采样技术，对来自变送器的直流信号采样并进展简单的标量/工程量转换。年代初期，单元式微机保护与按功能设计的分散式微机测控装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台

12、或调度端计算机，采用集中方式管理。这个阶段的RTU采用微机交流采样技术，以微处理器为核心，对电网的电流、电压进展直接交流采样，经软件运算获得各种电气量。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根本上都采用了这种技术。年代中期，随着计算机技术、网络与通信技术的飞速开展，采用按间隔为对象设计保护测控单元，各种分散式变电站自动化系统相继研制成功和投入运行。采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。这个阶段的RTU是在现有的RTU的根底上正在研制的新一代的分布式RTU。其特点是融站监控功能、信号采集、远动功能以与保护信息为一个统一整体的综合自动化系统，这

13、也是我国变电站自动化技术开展的方向。目前在我国电力行业实际使用的RTU有多种类型，但主要有两类，一是集中式微控制型RTU,另一种为分布式、多CPU的RTU。集中控制式RTU的主要特点是用一个CPU管理所有RTU的工作，价格廉价，但有严重缺陷，如：标准化程度低，很难与其他家的产品兼容；结构单一，扩展性差：CPU重，因而容易造成系统瘫痪，可靠性差；实时响应性差，遥信分辨率低；调试复杂，维护困难。由于集中式RTU所存在的上述缺点，已经不能适应现代电力系统自动化对实时性、扩展性、准确性与可靠性的要求，正逐渐被新一代功能分布、多CPU、模块化的RTU所替代。新一代RTU具有如下一些特点：1.采集数据对象

14、的不同，将不同的功能(如遥测、遥信、开关量、脉冲量等)分配在不同的模块上完成。各个模块均有单独的CPU控制，并可通过信道与其他模块联系。2.功能可以根据需要进展扩展。CPU共同负担RTU的工作，提高了系统的数据处理能力，响应速度加快，分辨率提高。4.抗干扰能力提高，可靠性增强，调试简单，维护容易。总之，功能分布式RTU与集中式RTU相比，在功能和性能上都有质的飞跃，但仍有不足，主要表现在以下几个方面：标准化程度低，兼容性差；稳定性和抗干扰能力还不够。为了解决这个问题，近些年人们提出了总线型结构的RTU。通过引入开放式网络总线，将RTU分布在现场的各个模块联系起来。它有以下几个特点：利用串行总线

15、可以实现测控模块的就近安装，减少布线；由于总线的开放性，因而组网灵活，产品标准化程度高可实现方便互联，容易与变电站自动化系统组成一体。另外，由于变电站继电保护、监测、控制、计量和事故记录等方面使用基于微处理器的智能电子器件记IED已越来越广泛，随着智能电子器件见口在变电站中的普遍使用，使用现场总线连接各IED的变电站自动化也就是必然趋势。只有这样，才能确保变电站自动化系统可以实现不同生产厂家的设备之间地互联以与互操作，给用户带来极大方便。基于上述原因，具有开放式结构的现场总线在变电站自动化系统领域中正引起人们越来越多的重视，也成功地开发出许多应用产品。论文主要容为了解决目前远动终端产品响应速度

16、慢、处理能力差等问题，本文在研究电力系统电力参数指标与测量算法的根底上，提出一种基于DSP和CAN总线的分布式变电站RTU的设计方案。论文的主要研究容为：1.通过研究交流电参量的采样方法，分析电压、电流、频率等电力参数的测量算法。2.构建远动终端装置(RTU)系统的总体方案，包括微处理器的选择，通信方式的实现等。3.设计RTU系统信号测量模块和通信主控模块的硬件电路，包括电压、电流采集电路、频率测量电路、CAN接口电路等。4.设计RTU系统的软件局部，实现电力系统现场参数的测量。最后对全文所做工作进展结论，并对某些尚未解决的问题和今后的研究方向提出进一步的研究建议。第2章RTU系统方案的构建2

17、.1 电力参数的测量2.交流采样算法的应用围很广，根据应用场合不同，其算法也有很多种，如果算法选择不当，将会出现较大误差。综合考虑编程的简便性和实时性要求，本章介绍了基于快速傅立叶变换FFT的电量测量算法的主要容，为电力参数远程监测系统中的DSP软件设计提供理论根底。目前，交流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。但直流采样法存在一些问题：测量精度直承受整流电路的精度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量

18、平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得髙精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进展采样，再按一定算法进展数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论根底是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。目前，髙速单片机、DSP与高速AD转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。完成模拟信号数字化的关键是选择适合于被测信号的采样方式。有两种根本的数字化采样方式：实时采样和等效时间采样

19、。实时采样是指数字化一开始就对信号采样，经过一定采样间隔后再进展第二次采样，这样直至整周期信号采样完，它是一种时间上连续的采样方式。实时采样的优点是适用于任何波形的信号，由于按时间顺序采样，易于实现波形重现功能。缺点是所有采样、变换以与数据的存储都要求在采样间隔完成，因此要求有较高的采样速率。实时采样又可以分为定时采样和变步长采样。定时采样又称等间隔采样，它是指不管信号频率如何变化，每次采样时间不变。变步长采样是指不管信气频率如何变化，一个信号周期采样点数固定为N个，因此又称为等点采样。等点采样既能满足测量精度的要求又能合理使用存，实际中有变换采样速率可以大大降低系统硬件的复杂性。根据采样定理

20、，采样频率为输入信号最高频率的至少两倍时，才能复原输入信号，否如此将产生失真，而在对数据进展类似于FFT变换时要求数据长度为2的整数倍。因此对于高精度数字化测量系统，实现信号的整周期采样，尤其是2的整数倍周期采样对于以后数据的分析乃至整个系统的精度都至关重要。要现采样信号与输入被测信号同步，也就是要求采样脉冲必须与输入信号实现同步。同步实质上是指采样间隔乃与信号周期T满足T=NTs，N为正整数，为计算方便，通常取2的整数倍。本文中采用每基波周期(50HZ)采样27(128)个点。如只是近似满足T=NTs如此为准同步，在对数据处理时，采用同步采样的数据处理方法来处理准同步采样得到的数据，如此会带

21、来较大的误差，对这种情况的解决方法是多周期采样或其它的数据处理方法。实现同步采样的方法有多种，可以用软件编程实现同步采样，也可以接用硬件电路实现。实现软件同步采样的最简单的方法是采用软件定时，即将基波信号N倍频后产生定时输出以控制AD转换，由于我国电网频率变化围为50Hz(0.20.5Hz),实际上它属于准同步采样，由于电路简单控制方便，以这种方法产生的同步采样脉冲在输入信号频率较为稳定或在测量要求不高的情况下具有一定的使用价值。而在对采样要求严格同步时或输入信号基波频率波动较大的情况下，由于采样脉冲不能与时跟踪输入信号的变化，对采样精度影响较大。要实现准确的软件同步，必须采用一定算法首先取出

22、所采样信号基波分量，整数倍频后产生同步采样脉冲。这样虽然精度有所提高，但所需的时间较长，存储容量较大，增加了CPU的开支。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，它能克制软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。根据以上分析，本文采用了硬件电路实现同步实时采样，此方法使微处理器摆脱了同步采样的干扰，且能实时地跟踪采样，提高了采样精度和实时性。2.要获得准确的测量结果，就要选择适宜的采样点数。每周波的采样频率的大小很重要。如果采样频率选择得过高，即采样间隔过小，如此每个周期里采样点数过多，从而造成数据存储量过大和计算时间太长；另一方面，如果采样频率过低，如此快速傅立叶F

23、FT运算乃在频域将会出现混淆现象，从而造成频谱失真，使之不能真实反映原来的信号。因此，对连续信号的采样频率需大于奈奎斯特频率，即采样频率Fs至少应等于或大于信号所含有的最高频率的两倍，即：Fs2Fh 2-1而实际应用中，Fs常取为4Fh10Fh.在本系统设计中，考虑到DSP的计算速度、采样定理以与快速傅立叶变换要求采样点数为2的幂次方等因素，选用每周波每路采样128点。高采样点数的FFT算法能将采集的电压、电流中的干扰化为高次谐波处理，这样，就防止了增加模拟低通滤波这一局部硬件，从而以“软件换硬件的方式为提高系统的测量精度奠定了良好的根底。2.FFT的电量测量原理假设无噪声的输入信号是频率为w

24、的正弦波电压：2-22-3 2-4 2-5其中，是初相位，是电压相角变化，A是幅值。可用矢量U的虚部表示：2-7 2-6假如将看作的复数振幅， 2-8对信号每周波采样N次，产生采样序列， 2-9其中，T0/N是采样间隔。 对进展离散傅里叶变换得到基波分量的频谱系数，2-10其中， 2-11 2-12和分别在表达式中是余弦项之和与正弦项之和。对正弦输入信号可以证明： 2-13 2-14是输入信号的基波频谱系数，由式2-8、2-10、2-13、2-14可得出与的关系。 2-15可见，和都是表示基波分量的复数振幅，和分别为复数振幅的实部和虚部。2.1.4频率的测量电压信号经过低通滤波器滤除掉高次干扰

25、成分后，送入到比拟器得到与电压信号频率一样的方波信号输出，再送入到测控DSP的中断输入端。DSP的中断程序中记录下输入方波信号相临负跳变的时刻，从而计算出频率f。2-16其中，data为两次负跳变的计数值之差；data1和data2分别为相邻两负跳变时DSP的计数值。采用此方法测量，使得周期的测量误差为DSP的时间50ns。2.1.5电流、电压的测量对于电力系统来讲，输入量为周期函数的电流i(t)、电压u(t),可以分解为含有直流分量I、与各谐波的傅里叶级数： 2-17 2-18式中：k为k次谐波k=1,2,3:、分别为k次谐波的余弦分量、正弦分量的电流、电压值。根据傅里叶级数，从任一时刻t0

26、积分一周期T，利用正交函数的特性，可得： 假设每个周期采样N次，上式分别由离散值表示为：其中，、是采样的离散量，也就是电流、电压的瞬时值。于是，电流、电压值以与各自的初始值相位角为：2.1.6电功率、功率因数的测量由电工根底知识可知，有功功率和无功功率分别为：上式中，由于、均已求出，所以代入即可计算出、。假设在同一时刻t0对线路上个采集点同时进展采样，不存在相位误差。在这种情况在，可以采用单相位计算法，即：先求出各项的有功和无功，最后求出三厢的总功率：由上式可分别求得电流、电压的初始相位、从而求得功率因数：但用此方法求救不大方便。在实际应用以与软件编程的过程中，是采用下面的计算公式：2.2 R

27、TU的根本功能要进展RTU系统的设计，首先要对RTU有一个全面的认识和了解，本节将对RTU进展整体介绍，分析其结构和功能，依照设计指标，提出系统整体设计方案。RTU是电网调度自动化系统的根底设备，安装于各变电站或发电厂，是电网调度自动化系统在基层的“耳目和“手脚。RTU采集所在发电厂或变电站表征电力系统运行状态的模拟量和状态量等，监视并向调度中心传送这些量，执行调度中心发往所在发电厂或变电站的控制和调节命令。其根本功能如下：1. 遥测(YC)功能将采集到的被监控变电站的主要参数与时编码成遥测信息，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、

28、功率因数与变压器油温等模拟量。2. 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。3. 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，实现遥控命令

29、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局部：一是选择的对象，用对象码指定对哪一个对象进展操作；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RTU撤消已下达的选择命令。RTU端返校容包括：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。4. 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。5. 数据通信按预定通信规约的规定，

30、自动循环(或按调度端要求)地向调度端发送所采集的本厂站数据，并承受调度端下达的各种命令。6. 就地功能是指RTU通过自身或连接的显示、记录设备，就地实现对电网的监视和控制的能力。对有人值班的较大站点，如果配有监视器、打印机等，可完成显示、报表、打印功能，越限报警功能/事件顺序记录功能，对时功能，转发功能等。7. 自诊断功能该功能反映了装置的可维护能力。程序出错死机时自行恢复功能，自动监视主、备通信信道与切换功能，个别插件损坏诊断报告等功能。因此从功能上讲，应用在变电站上的主要是实现现场的电力参数的远程采集与控制命令的远程发布，并将信息或结果组装成报文，上送到控制中心或调度端。远动终端通用技术条

31、件标准GB/T13729-92对于远动设备的输入信号进展了详细的规。表2.1给出了各种输入信号优先采用的标称值。本文设计的RTU的交流采样误差等级要求为级，即电力参数测量误差小于等于0.2%。交流电压测量围为0100V，电流测量围为05A，频率测量围为40Hz60Hzo表2.1输入信号的标称值输入量电流值电压值备注交流量电流5A50Hz电压100V50Hz开关量1-5, 510mA等12， 24, 48, 60V站分辨率10ms脉冲量0-5, 12, 24V脉宽10ms2.3微处理器的选择随着微电子工艺水平的提高，近年来单片微型计算机有了飞跃的开展。目前，大多数系统的CPU都采用普通单片机等微

32、控制器。因其具有较好的控制性能，对于大多数对数据处理要求不多，时间要求不严格的控制系统，采用单片机已绰绰有余。但对于一些比拟复杂的系统，特别是那些计算量大，数据处理多的系统，却因其计算耗时较长，无法满足复杂控制算法的需要，所以也就显得力不从心了。随着电力系统配电网结构的日益复杂以与自动化水平的提高，促使人们采取新的控制手段来迅速反响电网的变化，以大幅提高电网的稳定运行水平。于是，在整个的控制系统中要求处理的数据和采用的算法就越来越多。而传统的微控制器由于其不擅长数据处理就无法满足要求。现在伴随着日益完善的数字信号处理技术而开展起来的DSP芯片，却为这种系统的设计提供了可能和便利。2.3.1数字

33、信号处理器的主要特点近年来，将CPU、存储器和接口电路等集于一体的单片机技术得到了迅猛的开展。通用单片机以其极高的性能价格比，在控制领域得到了广泛的应用。尽管单片机的性能在不断的提高，但随着通用单片机应用领域的不断拓宽，人们还是觉得单片机在高速控制和复杂运算方面，尤其是在数字信号处理方面显得力不从心，为此必须寻求性能更优的微处理器来开发这类系统。通用单片机技术的普与促进了更高级微处理器芯片的开发。为了提供控制系统的速度和系统的运算能力，一些高性能的32位微处理器芯片也常用作系统的开发。由于通用微处理器的硬件结构特点，尽管采用这些芯片后可以提高时钟频率，缩短指令周期，但由于它还要处理复杂的控制，

34、有很大一局部硬件电路是为处理控制而设的，因此其运算能力还不是很强。为了最大限度的提高微处理器的运算能力，加快数字信号处理算法的运算速度，许多公司都开发了通用单片数字信号处理器DSP。单片DSP处理器实质上也是一种专用单片机，主要用作数字信号处理，他的工作原理于普通单片机的原理相似。单片DSP处理器中，除了一些简单的通讯控制和接口控制外，大局部硬件是为提高运算能力而设计，并且硬件和软件的设计都是以数字信号处理为中心。因此，与同等复杂程度的通用高级微处理器相比，单片DSP具有更强的运算能力，尤其在实现数字信号处理算法时，可以达到极高的运算效率。DSP不仅在数字信号处理领域，如滤波、谱分析和语音分析

35、等方面得到了广泛的应用，而且在高速控制和复杂计算领域，也得到了广泛的应用。DSP处理器是随着超大规模集成电路技术的高速开展的根底上逐渐开展起来的，其主要目的是用作信号的滤波、FFT变换、频谱分析、相关运算等数据处理，同时也具备一些简单的控制功能。数字信号处理的硬件实现，除采用专用硬件电路外，最常用的方法就是通过通用可编程DSP处理器来实现。目前TI公司的TMS320系列在DSP市场中的占有率最高。2.3.2 DSP芯片的选取TI公司推出的TMS320LF2407主要应用于电动机的数字化控制等工业控制领域，具有处理性能好、外设集成程度高、程序存储器空间大等特点，在综合灵活性、易用性、技术支持和性

36、能等方面因素后，本文选用了此款DSP。它具有以下几个方面的特点:1. 资源丰富具有多达41个通用、双向数字I/O引脚；两个事件管理器EVA和EVB，包含了4个通用定时器、6个比拟单元、6个捕获单元、12路PWM输出电路和4路正交编码脉冲电路；串行外设接口模块SPI可实现TMS320LF2407与其他3巧接口芯片之间的数据交换。串行通信模块SCI和CAN控制器可实现丁TMS320LF2407与PC机之间的数据交换；可变周期的看门狗定时器和基于锁相环的时钟模块提高了系统的适应性；片的RAM单元可以存放程序运行过程中的大量参数而无需外扩数据RAM，32Kb只於11为程序提供了较大的程序空间；具有6个

37、可屏蔽的硬件中断源，通过DSP核将这6个中断源加以扩展，可使每一个中断源同时接几个外部中断源，使得DSP能够处理的外设硬件中断将近50个，具有很强的事件处理能力。2. 数据处理能力强且运算速度快TMS320LF2407采用改良的哈佛结构，片有6条独立、并行的数据和地址总线，极提高了系统的数据吞吐能力；32位的累加器、16位的硬件乘法器和输入、输出数据移位存放器相结合能快速地完成复杂的数值运算；丰富的指令系统、流水线的操作方式、 ns的指令周期使得系统的运行速度特别快，指令执行速度可达到30MIPS.3. 功耗低TMS320LF2407采用髙性能静态CMOS技术，供电电压为, 而且有多种低功耗工

38、作模式，能充分地降低系统功耗。2.4通信方式的实现变电站系统的继电保护、监测、控制、计算和事故记录等方面使用基于微处理器的智能电子器件(Intelligent Electronic Device,简称IED)已越来越广泛，随着IED在变电站中的普遍应用，使用开放结构的现场总线连接各伍口的变电站自动化也就是必然趋势。只有这样，才能确保变电站自动化系统对不同生产厂家的设备可以互连与互操作，给用户带来极大方便。目前主要的现场总线有基金会现场总线FF(foundation fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。CAN(Controller Area Network

39、)总线是德国BOSCH公司从叫年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维。通信速率可达到1MPSS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并公认为最有前途的现场总线之一。由于CAN总线本身的特点，其应用围

40、目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械与传感器等领域开展。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：多主方式工作,网络上任一节点均可以在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无须站地址等节点信息。2.CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134微秒得到传输。3.CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省

41、了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。4. CAN只需要通过报文滤波即可以实现点对点、一点对多点与全局广播等几种方式传送接收数据，无须专门的“调度。5.CAN旳直接通信距离最远可达到10kM(速率5Kbp/s以下)；通信速率最高可达1Mbp/S(此时通信距离最长为40M)。6. CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个：报文标识符可达2032种(bp2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。7.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，有极好的检错效果。8. CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或者光纤，选择灵活。9. C

42、AN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。基于上述特点，CAN现场总线在许多行业都获得广泛应用，也引起人们越来越多的重视。本文将CAN总线引入到变电站智能化RTU的设计上，运用于变电站现场数据的通讯并由它组成了一个开放、可靠和实时的监控系统。2.5 RTU系统的总体方案整个RTU系统分为两大模块：信号测量模块，通信主控模块。信号测量模块完成对现场的原始信号的测量并将其转换成相应的电参量(遥测、遥信和遥脉)，同时控制信号输出端口用以完成遥控输出。通信主控模块完成与下位信号测控模块数据通讯；与PC的通讯；与远程控制中心(调度中心)的通讯功能。CAN总线现场信

43、号终端电阻终端电阻RS485RS232通信主控模块PC机调度中心信号测量模块信号测量模块信号测量模块现场信号控制信号现场信号控制信号控制信号 图2.1 RTU的总体结构图根据前面的分析，本文采用在测控领域和电力行业获得许多成功运用的CAN总线作为现场总线实现变电站RTU现场数据的互连。考虑到整个RTU系统的通用性和灵活性，通信主控模块设有四种通讯端口模式：1.CAN总线与下位信号测量模块相连实现数据的请求与命令发布。2.RS232端口实现与PC的通信，将RTU处理后的数据交与PC机作进一步的处理或由PC机实现远程操作与控制。3.远方通讯端口用来与远程控制中心进展通讯。4.RS485端口用来实现

44、与传统的RTU设备或者其它的下位智能仪表接口相兼容。第三章 RTU系统的硬件电路设计本章将围绕RTU系统的整体硬件设计方案，展开各个局部的具体硬件电路设计。3.1信号测量模块的电路设计信号测量模块主要是对各种现场信号进展采集，并把它转换成相应的电参量显示出来，并通过CAN总线传送到上位模块。主要采集对象有：经过外部电压和电流互感器转化后的0-100V标准三相交流电压和0-5A三相电流；反映变电站线路状态与保护运行的开关量；功率表脉冲量。按照信号的分类，分别对应于模拟量、开关量和脉冲量。信号测量模块的结构原理如图3.1所示。模块由DSP(TMS320LF2407)做为主处理器，完成对模拟量的处理

45、；由MAX7128S做为协处理器，完成对开关量和脉冲量的处理以与集成外围数字电路。继电器控制 CPLD逻辑控制 DSP处理器驱动电路光电隔离光电隔离信号调理电路电平转换电路A/D转换电路锁相环同步采样电路模拟量脉冲量开关量图3.1 信号测量模块的结构原理图基于对转换时间和转换精度的考虑，本文采用快速6通道全差分输入的双12位模数转换器件AD87864完成信号的交流采集，以满足电力系统对RTU信号采集精度和速度的要求。现场的开关量有8路，脉冲量有4路，这些外部输入量都要经过光电隔离和缓冲驱动以提高抗干扰能力和电气匹配能力。为了实现对电力系统的远程保护，RTU设有经过驱动的继电器输出端口。3电压和

46、电流采集电路为了保证电网的安全运行和了解电网运行的情况，需要对电网的各种运行参数(三相电压、电流、有功功率、无功功率、电网频率等)进展实时检测和分析。以往人们测量三相的6个参数大多是通过多路模拟开关共用一个转换器，这样不仅电路复杂、价格较高，而且还难以防止采样的孔径时间以与器件间影响引起的误差。AD87864可以使测量电路变得简单，而且能够保证测量的精度和准确性，它是一块高速(2us)、低功耗(501mW、单电源(+5V)工作的双12位转换器。它能以500KHZ的采样速率同时进展六通道信号采样，特别适用于电力监控系统。ADS7864的6路输入通道可分成3对，测量电力监控应用的三相，并将模拟信号

47、转换成DSP所需的数字信号。输入给片6个采样-保持放大器的信号经全差分并在ADC输入期间保持，使其在5KHZ时仍能提供高达8048的良好共模抑制比，对高噪声环境中的输入噪声抑制起到非常重要的作用。ADS7864特有的并行接口能与六个FIFO存放器连接，便于快速地捕获数据。各通道输出字(地址和数据)为16位。ADS7864用3个保持信号(HOLDA，HOLDB, HOLDC)选择输入的多路开关并且启动A们转换。这3个保持信号同时有效就可以同时保持6路输入信号，转换的数据分别存放在6个存放器中。在本设计中，ADS7864采用双极性(5V)的输入，由于输入的交流电压信号为0100V，电流信号为0-5

48、A，而ADS7864的模拟输入信号围是(0-5V),因而需要在两者之间加上信号调理和电平转换电路。在实际测量中必须对输入的电压、电流进展必要的处理，才能作为采样单元的输入，我们在这里选择星格公司所生产的SPT204A电压互感器和SCK254AK电流互感器来得到精度高、线性度好的输出交流电压。SPT204A实际上是一款毫安级精细电流互感器，它具有线性度好、小巧轻便、能直接焊于印刷线路板上等特点。其输入额定电流为2mA额定输出电流为2mA。使用时需要将原边电压信号变换为电流信号，因此需要在原边串联一个适宜的电阻，以满足输入端电流为2mA的要求，此时副边会产生一个一样的电流。本设计中采用2 mA/2

49、 mA电流型互感器TV1013-1，采样电阻为220 k，最大可测电压有效值为440 V;调节滑动变阻器大小，通过信号滤波、电压抬升、功率放大将待测信号转化为05 V的电压信号Uout，作为A/D芯片的输入信号;同时采用过零比拟法使Uout与抬升零点比拟产生工频方波信号，作为锁相环电路的输入信号。图3.2 电压输入调理电路信号调理电路的输出信号围为-5v+5v，而ADS7864的模拟输入信号围为0-5V,因此需要电平的转换，转换成符合ADS7864输入要求的电平。图3.3是ADS7864个输入通道的前端电平转换电路，ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入围为-VV(ADS78

50、64是+5V供电)，该电路使用了2个运放，Al用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置RHig电阻可实现对输入信号K的缩放和平移，以适合ADS7864模拟通道的输入要求。+IN端的输入电压表示如下：其中，取，如此上面的式子变为：这样，在保证V+in=0-5V的前提下，Vi可以使双极信号，调整R8、R7的比例使Vi有适宜的输入围。对本系统来说，要求Vi的围为-5V-+5V,所以选择R5、R6、R7、R8分别为2，4，20，10。图3.3 双极性输入转换电路3.1.2 锁相环同步与频率采样电路系统的倍频锁一样步与频率采样电路主要由迟滞电压比拟电

51、路、高速光耦电路、锁相倍频电路组成其中，由LM339和三极管Q2 9012组成的迟滞比拟电路将正弦波输入信号变为05V的同频率方波信号，作为锁相倍频电路的输入，同时利用迟滞电压特性消除输入信号在过零点可能出现的抖动现象。高速光耦6N137把模拟局部和数字局部电路隔离开，同时进一步隔离了强电和弱电之间的电气连接。锁相倍频电路由锁相环CD4046和二进制分频器CD4040组成，电路图如下列图。从过零比拟电路输入的方波信号经CD4046得到倍频信号，再经CD4040的128分频后和原信号比拟，当环路锁定时，CD4040可以输出一个和锁相环输入的电网频率相等的信号，作为频率测量信号输出；同时在分频器时

52、钟CD4040输入端得到倍频输出信号，作为ADS7864同步转换的触发信号。其中，03为锁定指示灯，当CD4040旳输出信号与CD4046的输入信号同步时，也即与正弦输入信号同步时，锁定指示灯发光。CD4040输出的同步信号经分压后，送入TMS320LF2407A的捕获模块CAP1，当捕获输入引脚检测到电平跳变时，捕获单元将该时刻的时基的计数存放器TlT的值装入相应的FIFO堆栈中，从而确定输入信号的频率。该装置通过硬件锁相环电路实现同步实时采样，提高了采样精度和实时性。图3.4 锁相环倍频电路LF2407A与ADS7864的具体的逻辑控制关系由CPLD口来完成，ADS7864的16位数据线D

53、B0-DB15经过缓存与LF2407A的数据线D0-D15相连，来自锁相环的定时采样脉冲和HOLDA、HOLDB、HOLDC相连,当其为0时，可以同时保持六路输入信号，然后按工作模式设定的先后次序分别进展转换。为了提高系统的效率，将ADS7864的BUSY信号接至CPLD,由其判断ADS7864产生三个BUSY信号后产生一个中断，通知LF2407A一次性读走ADS7864的FIFO中六个转换好的数据。LF2407A的IO空间选择信号引脚和地址线A15的逻辑组合作为ADS7864的片选信号。当有效，即为低电平时，如果地址线A15为低，如此ADS7864被片选。此时可以对ADS7864进展读操作，

54、LF2407A的存储器选通信号STRB和读信号经过逻辑与后作为缓存的使能信号，分别控制LF2407A外部程序和转换数据从缓存中送到LF2407A的数据总线上。3.1.3开关量与脉冲量的采集信号测量模块的另一个功能就是对反映变电站的运行状态的开关量和电能表的计数脉冲量进展采集。开关量和脉冲量的输入电平为12V。由于开关量采样可能会有干扰，为了实现电平匹配和隔离抗干扰，我们对于开关量和脉冲量都用光耦进展了隔离。本文选择的电路由放大电路、输入脉冲缓冲电路、光耦与去抖电路、整形缓冲驱动电路组成。脉冲缓冲电路为共集电路，R1=100。光耦去抖电路选用4N25光电隔离器，R3为限流电阻，R4为光敏二极管的

55、负载电阻。有LM339比拟器和R5、R6、R7、R8组成的电位滞后电平比拟器，可消除光电耦合器部噪声电压带来的干扰。脉冲信号经用74LS240施密特总线驱动器整形后输出。如下列图为脉冲量输入电路。图3.5 脉冲量输入电路3.2通信主控模块的电路设计从RTU总体设计的要求考虑，通信主控模块须具备四个通讯端口：与下位信号测控模块相连实现数据通讯的CAN总线；实现与PC通讯的RS232串行端口；与远程控制中心(调度中心)进展通讯的远方端口；为了与传统的RTU设备或其他的现场智能仪表接口相兼容的RS485端口。其结构如图3.6所示。本文采用置CAN控制器的了TMS320LF2407A(简称LF2407

56、A),作为通信主控模块的处理核心。用CPLD集成了处理器外围数字电路，CPLD选择ALTERA公司的MAX7000S系列的具有128个宏单元的100脚的EPM7128STC100-7，管脚到管脚的延时误差为6ns，完全满足处理器需要。从功能上可以把通信主控模块分为三个局部：CAN总线接口局部；人机界面局部；并串转换局部和掉电数据保存局部。CAN总线CAN收发器当地PC机RS232DSP并 - 串数据转换数据存储调度中心RS232RSRS485 CPLD 人机 界面备用接口图3.6 通信主控模块的结构3.2.1 CAN接口电路由于CAN总线控制器集成在LF2407A部,因此不必外加CAN控制器来

57、实现CAN总线的底层协议，使得系统硬件连线得到大大简化。只需在CAN输出端子和物理通道之间加上抗干扰的光耦和CAN总线收发器即可。隔离光耦用TI公司生产的8脚双通道高速光耦HCPL2631,切换时间为75ns，最小直流隔离电压为3000V，能够满足CAN总线的高速通讯的要求。图3.7 DSP与CAN接口控制器电路CAN收发器选用TI公司生产的具有多种保护和抗干扰能力的74F245作为总线接口，并将其8脚接地选择高速工作方式。为了更好的解决射频干扰问题，通信介质采用屏蔽电缆。为了克制长线效应，减小通信介质号的反射，在传输线两端并联2个120欧的匹配电阻。通信主控模块的CAN接口电路如上。置于LF

58、2407A的CAN总线控制器可以用来完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的全部功能。CAN控制器的外围接口为16位，它主要包括如下几个局部：个。0、1为接收，4、5为发送，2、3既可以设置为发送，也可以设置为接收。2. 控制/状态存放器组和中断逻辑单元。用来翻译CPU的控制命令，控制运行方式，指示CAN控制器的运行状态以与相应的中断逻辑处理功能。3. CPU接口/存储管理单元。提供与CPU的接口，同时把送来的数据传送到发送缓冲单元，并把暂时接收缓冲单元送来的数据通过它转交给6个进展相应的处理。个均有用于管理和存储发送或接收信息的8个16位的存放器，分别为：MSGIDnL、MSGIDnH、MSGCTRLn、Reserved、MBXnA、 MBXnB、MBXnC、MBXnD。对接收到的信息，首先把它的标识符依次和每个所设的标识符(MSGIDnL、MSGIDnH)相比拟，相符如此接收该数据，而通过每个发送的信息如此会加上相应的标识符。CAN控制器核。完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的功能。5. 接收缓冲单元。将CAN总线和接收来的信息分解成