牵引供电系统的遥信数据采集系统.docx

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牵引供电系统的遥信数据采集系统

电力系统监控技术课程设计报告

题目：

牵引供电系统的遥信数据采集系统

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1设计原始资料

1.1具体题目说明

设计图1.1所示的牵引供电系统的遥信数据采集系统。

图1.1采用双T结线的单线三相牵引变电所

1.2要完成的内容

计算机绘制被控站（RTU端：

变电所）的通用系统结构框图。

要求绘出各种数据点的采集通道（如：

模拟量输入、开关量输入、脉冲累计量输入）；控制输出通道（模拟量输出、开关量输出、脉宽调制输出）和网络通信通道的示意图。

设计一个具体的MCS-51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（经过采集电路后的信息）；要求用标准图纸，手工绘制（或专用软件）具体到芯片管脚的连线。

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；注意主站地址（一般取00H）和子站地址（一般取01H~0FEH））可在符合规约要求的前提下，自行设置。

用计算机绘制相应的遥信数据采集程序流程图。

2硬件设计

2.1各开关元件及数据采集点编号

遥信信息是二元状态量，即是对每一个遥控对象而言它有两种状态，两种状态为“非”的关系。

因此，一个遥信对象正好可以对应于计算机中二进制码的一位，“0”状态与“1”状态。

在电力系统中，遥信信息可以表示设备的启停、断路器的投切状态、隔离开关的开合状态、告警信号的有无以及保护动作与否等。

表2.1表述牵引变电所各开关元件的编号。

2.2被控站通用系统结构

2.2.1系统结构图

在分层分布式综合自动化系统中，一般将整个变电所设备分为三层：

变电所层，间隔层和过程层。

过程层主要指变电所内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。

间隔层一般将断路器间隔划分，包括测量，控制部件和继电保护装置。

变电所层包括监控主机，远动通信机等。

变电所层设现场总线或局域网，供各二次设备之间交换信息。

典型结构如图2.1所示。

2.2.2数据采集通道

图2.2为一实用遥信取样电路。

其左半部分为断路器动作机构原理图。

当合闸线圈YC通电时，断路器闭合，辅助触点QF断开；当跳闸线圈YT通电时，断路器断开，辅助触点QF闭合。

其右半部分为遥信取样电路。

当遥信信源联通（短路）时，输出YX为高电平；当遥信信源悬空或带有直流正电压时，YX为低电平。

表2.1各个开关元件编号

开关编号

开关编码

开关编号

开关编码

00H

0DH

01H

0EH

02H

0FH

03H

10H

04H

11H

05H

12H

06H

13H

07H

14H

08H

15H

09H

16H

0AH

17H

0BH

18H

0CH

19H

图2.1系统结构图

图2.2实用取样电路

图2.3为采用一片SN74LS244和2片SN74151实现16路遥信量的输入。

2片SN74151共可接16路遥信量，其输出分别接至SN74LS244的8个输入端，SN74LS244的输出端接至8031CPU的数据总线上。

SN74151的数据选择由8031的

~

控制，SN74LS244的片选信号由8031的

产生。

这样在74LS244的8路输入的基础上，连接8片SN74151实现16路输入量的扩展。

图2.4为采用定时扫查方式实现对遥信信息的采集和处理的电路图。

遥信信息不同于遥测信息，它不是随时随刻都在变化。

通常情况下状态是不变化的，而状态的改变往往又是在瞬间完成的。

因此对遥信量采集时，必须不断地扫查，以捕捉遥信变位。

将8255的A口设置为输入方式，读A口的状态即可得到8路遥信量的状态。

通常系统对遥信采集有一分辨率的指标，即对同一遥信量的前后两次扫查的时间间隔。

根据分辨率可以设定遥信扫查的时间间隔，一般将遥信扫查置于实时时钟中断服务程序中，每一个等时间间隔，如1~10ms，都要对全部的遥信量进行一次扫查，这样构成的扫查模式为定时扫查模式。

图2.3用数字量多路开关实现遥信量输入的扩展

图2.4遥信量采集电路

2.2.3控制输出通道

图2.5为8路遥控输出接口电路。

继电器一方面起到信号隔离作用；另一方面可以直接接入控制回路，控制回路信号中信号的通断。

若提供的继电器容量不够时，还可再接一级中间继电器。

图2.5遥控输出接口电路

在图2.5中，74LS273为8位D触发器，以锁存遥控输出信号的状态。

为使继电器可靠地工作，在锁存与继电器之间必须加入驱动电路。

遥控输出为一动合触点。

遥控状态为“0”时，继电器不动作，触点断开。

遥控状态为“1”时，继电器动作，触点闭合。

一般继电器可同时提供一对动合触点和一对动断触点，实际系统中是接动合触点还是动断触点，应视要求而定。

2.3MCS-51单片机（遥信数据采集输出）最小系统

2.3.1原理框图

图2.6为遥信数据采集原理框图。

通过隔离电路和接收电路，准确地接受到相应的遥信信源后，MCS-51单片机最小系统通过定时扫查的方式判断开关装置的开合状态后，通过反馈回路做出相应的开关状态调整，以保证系统的正常稳定运行。

图2.6遥信数据采集原理框图

2.3.2系统电路图

图2.7遥信数据采集系统原理图。

进一步详细描述了遥信量采集的各个环节。

该电路主要包括CPU、译码以及程序和数据存储器的扩展。

图2.7遥信数据采集系统原理图

3软件设计

3.1规约及主、子站地址

3.1.1传输规约

问答式远动传输规约也称Polling远动传输规约。

在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。

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。

3.1.2主站和子站地址

（1）报文的格式

Polling远动传输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如图3.1所示。

该报文的第一个字节为子站地址，可以取00H~FFH。

当RTU地址取FFH时，该报文为广播命令，它是面向全部子站设备的操作命令，所有子站都要接收。

第二字节报文类型可以取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。

报文的校验码为一个字节。

图3.1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如图3.2所示。

该报文由三个字节组成。

第一个字节为子站地址，取00H~FEH。

第二字节报文类型取06H时，为确认报文，它表示子站正确收到主站的命令；取15H时，为否定确认报文。

第三字节类别标志字节的0~7位，与数据类别的0~7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。

图3.2主站向子站回答的报文格式

传送数据的报文格式如图3.3所示。

该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。

高两位在主站向子站的报文中没有定义；在子站向主站的报文中，最高位为“1”表示子站有事件顺序记录要向主站报告，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是00H~FBH。

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01H~FBH。

报文的校验码为两个字节。

图3.3主站向子站回答的报文格式

（2）编写上传至调度中心的遥信数据报文的帧结构

图3.4以定时扫查方式进行遥信数据采集的程序流程图

图3.5主站向子站回答的报文

主站向子站回答的报文如图3.5所示。

该报文的第一个字节为子站地址00H。

第二字节为17H，表示子站向主站上传的遥信数据。

第三个字节为10H，表示数据区的长度为16。

数据区为00H~19H，表示所有开关装置的编码。

报文的校验码为两个字节，在本次上传命令中分别取01H和10H。

3.2程序流程图设计

以定时扫查方式进行数据采集的程序流程图如图3.4所示。

结论

本文完成了对牵引供电系统的非电气量的采集和电气设备（如断路器、隔离开关等）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测和操作，从而保证牵引供电系统的正常运行和安全。

在牵引供电系统发生事故时，完成对非电气量的采集、监视和控制，并迅速切除故障，实现对事故后牵引供电系统正常运行的操作。

针对牵引供电系统设计采用了分层结构。

每一层完成不同的功能，每一层的功能由该层的一组设备完成。

牵引供电系统的分层结构包括变电站层、间隔单元层和设备层。

变电站层是指整个变电所有关的功能和设备。

主要有全所的监控主机、人机接口和通信接口等。

变电设备一般设于控制室。

间隔层是指一个间隔内的全部功能和设备。

间隔层的设备包括测量控制单元和继电保护单元，或者只有其中一种。

间隔层一般按断路器间隔划分。

设备层指变电所的生产过程设备，如断路器、隔离开关、电力变压器、电流互感器和电压互感器等。

文中对于遥信对象状态的采集采用单触点的处理方法。

这种处理方法可靠性和准确性相对较低。

针对此缺点，在遥信对象状态的采集方面可以采用双触点遥信的处理方法，以提高可靠性和准确性。

参考文献

[1]柳永智,刘晓川.电力系统远动[M].北京:

中国电力出版社,2006.

[2]盛寿麟.电力系统远程监控原理[M].北京:

中国电力出版社,1998.

[3]李华,王思明,张金敏.单片机原理及应用[M].兰州:

兰州大学出版社,2001.