变电站综合自动化数据采集及传输系统设计论文.docx
《变电站综合自动化数据采集及传输系统设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变电站综合自动化数据采集及传输系统设计论文.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
变电站综合自动化数据采集及传输系统设计论文
1前言
1.1课题的目的和意义
变电站综合自动化系统是以计算机和网络通信技术为基础，将保护、控制、远动、自动装置、故障录波等分散的技术集成在一起，从而实现电网的现代化管理，并可以给运行、安全、设计、施工、检修、维护、管理等诸多方面带来直接或间接的经济效益和社会效益。
随着科学技术的不断发展，计算机已渗透到了世界每个角落。
电力系统也不可避免地进入了微机控制时代，变电站综合自动化系统取代传统的变电站二次系统，已成为当前电力系统发展的趋势。
鉴于变电站在电网安全稳定运行中的重要作用，各有关部门应该把变电站自动化系统的配置及运行可靠性作为重点课题来考虑。
通过合理地配置超高压变电站自动化系统的功能，达到提高运行可靠、减人增效的目的，同时也为我国发展自己的超高压变电站自动化系统探索出一条实用、可靠、经济、先进的途径。
[1]
数据采集和传输系统的作用是采集各种反映电力系统运行状况的实时数据，并根据运行需要将有关数据通过远动装置传送到主站或调度中心。
这些数据包括反映系统运行状态的各种电气量，如频率、电压、功率等，也包括某些与系统运行有关的非电气量，如反映周围环境的温度、湿度等。
这些数据既可以是由远动装置所在的变电站直接采集的，也可以是来自下一级控制中心的有关数据。
所传送的既可以是直接采集的原始数据，也可以是经远方终端加工处理过的数据。
数据采集和传输系统子系统同时接受来自主站或上一级调度中心根据运行需要而发出的操作、调节和控制命令，并将该命令按一定的规律转发给相应装置的操作或调节机构。
采集到的数据通过数据传输子系统传送给主站或上级调度中心。
对该子系统进行设计时应充分考虑其经济性和可靠性，同时要保证传输数据的速度及准确率。
[8]
本次设计不仅是对我们专业知识综合应用能力的一次考察与提高，而且对我们的相关科目也有很多涉猎。
树立了工程观念，使我们在良好的专业知识基础上，有了很强的实际应用能力，为我国今后的经济建设创造了大批的人才。
随着国民经济的发展，电力工业的腾飞，举世瞩目的三峡工程按期发电，“西电东送，南北互供，全国联网”战略正在顺利推进，祖国正是需要我们的时候，人民正是需要我们的时候！
本次设计是我们走向社会，为我国电力事业做出贡献的基石，对我们今后的工作、学习、生活有着不可忽视的影响。
所以我将以最大的努力来认真完成本次设计，迈向这级通向成功不可或缺的阶石。
1.2变电站综合自动化系统的发展过程
从变电站自动化的发展过程来看，变电站综合自动化系统的发展过程可分为以下几个阶段：
[6]
1变电站分立元件的自动装置阶段
为保证电力系统的正常运行，长期以来陆续研制出各种功能的自动装置，如自动重合闸装置、低频自动减负荷装置、备用电源自投和各种继电保护装置等。
70年代以前，这些自动装置主要采用模拟电路，由晶体管等分立元件组成，对提高变电站的自动化水平，保证系统的安全运行，发挥了一定的作用。
但这些自动装置，相互之间独立运行，互不相干，而且缺乏智能，没有故障自诊断能力，在运行中若自身出现故障，不能提供报警信息，有的甚至会影响电网运行的安全。
同时，分立元件的装置可靠性不高，维护工作量大，装置本身体积大，不经济。
因此需要有更高性能的装置代替。
2处理器为核心的智能自动装置阶段
1971年，世界上第一片微处理器问世。
微处理器产品集成度高、体积小、性能价格比高，使微型机迅速渗透和占领了各个技术领域，为计算机应用的普及和推广提供了现实的可能性。
80年代，微处理器技术开始引入我国。
在变电站自动化方面，首先将原来由晶体管等分立元件组成的自动装置逐步由大规模集成电路或微处理机代替。
由于采用了数字式电路，统一数字信号电平，缩小了体积，明显地显示出优越性。
特别是由微处理器构成的自动装置，利用微处理器的智能和计算能力，可以应用和发展新的算法，提高了测量的准确度和控制的可靠性。
同时还扩充了新的功能，尤其是装置本身的故障自诊断能力，对提高自动装置自身的可靠性和缩短维修时间意义重大。
微机型的自动装置虽然提高了变电站自动控制的能力和可靠性，基本上还是维持原有的功能和逻辑关系，只是组成的硬件结构由微处理器及其接口电路代替，扩展了一些简单的功能，多数仍是各自独立运行，不能互相通信，不能共享资源，实际上形成了变电站的自动化孤岛，因此仍然解决不了前述变电站设计和运行中存在的所有问题。
3变电站综合自动化系统的发展阶段
早在20世纪70年代末，日本就研制出了世界上第一套综合数字式保护和控制系统SDCSI。
瑞士的BBC公司、德国的西门子公司等一些发达国家公司相继在此领域内取得不同程度的进展。
变电站综合自动化目前在美国、德国、法国、意大利等国家已得到了较普遍的应用。
我国是从20世纪60年代开始研制变电站自动化技术。
到70年代初，便先后研制出了电气集中控制装置和集保护、控制、信号为一体的装置。
在80年代中期，清华大学研制的35kV变电站微机保护、监测自动化系统投入运行。
同时，南京自动化研究院也开发出了220kV变电站综合自动化系统。
进入90年代，变电站综合自动化已成为热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般的发展，具有代表性的公司和产品有：
北京四方公司的CSC2000、南京南瑞集团公司的BSJ2200、上海惠安PowerComm2000、国电南自PS6000、许昌继电器自动化公司的CBZ8000系列综合自动化系统等。
1.3设计内容和拟解决的关键问题
本课题在查阅大量相关科技文献的基础上，对研究的总体内容有初步的了解，以单片机为控制核心，对数据采集及传输系统的信号转换模块，数据采集模块，数据传输模块以及显示模块进行综合设计（软件设计和硬件设计），以实现变电站的综合自动化。
2变电站综合自动化数据采集及传输系统的设计原理
2.1变电站综合自动化系统的基本功能
变电站实现综合自动化的根本目的是提高变电运行的安全性和可靠性，提高输送负菏的速度，提高供电质啧，同时还要减轻运行值班人员的劳动强度和上作环境。
变电站综合自动化能实现的功能是十分复杂的。
在变电站综合自动化系统的研究和开发过程中，对变电站综合自动化系统应包括哪些功能和要求，曾经有不同的看法，经过几年的实践，结合发展的趋势，变电站综合自动化应实现的基本功能现已比较明确，可归纳如下。
一监视和控制功能
1．数拟采集（l）模拟量的采集。
变电站综合自动化系统需采集的模拟量主要是：
变电站各段母线电压．线路电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功率，电容器的电流、无功功率，馈出线的电流、电压、功率以及频率、相位、功率因数等。
此外，模拟量还包括主变压器油温、直流电源电压、站用变压器电压等。
（2）状态量的采集。
综合自动化系统采集的状态量有：
变电站断路器位置状态、隔离开关位置状态、继电保护动作状态、同期检测状态、有载调压变压器分接头的位置状态、变电站一次设备运行告警信号、网门及接地信号等。
（3）脉冲量的采集。
脉冲量指电能表输出的一种反映电能流量的脉冲信号。
2．事件顺序记录SOE事件顺序记录SOE包括断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录。
3．故障记录、故障录波和故障测距故障记录就是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压。
4．操作控制功能变电站运行人员可通过人机接口（键盘、鼠标和显示器等）对断路器、隔离开关的开合进行操作，可以对变压器分接头进行调节控制，可对电容器组进行投切。
5．显示及打印功能
二微机保护
微机保护应包括全变电站主要设备和输电线路的全套保护，具体包括：
（1）高压输电线路的主保护和后备保护；
（2）主变压器的主保护和后备保护；（3）无功补偿电容器组的保护；（4）母线保护；（5）配电线路的保护；（6）不完全接地系统的单相接地选线。
2.2变电站综合自动化系统的硬件结构
变电站综合自动化系统结构形式通常可分为传统改造式、集中组屏式、分层分布式、完全分散式和分散集中结合式等五种类型。
在分层分布式结构的变电站综合自动化系统中，将整个变电站的一次、二次设备分为3层，即变电站层、单元层（或称间隔层）和设备层。
在所分的3层中，变电站层称为2层，单元层为1层，设备层为0层。
每一层由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。
图2-1所示为变电站一、二次设备分层结构示意图。
设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，也包括电流互感器、电压互感器等一次设备。
单元层一般按断路器问隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。
测量、控制部分完成该单元的测量、监视、操作控制、联锁及事件顺序记录等功能。
保护部分完成该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等功能。
变电站层包括站级监控主机、远动通信机等。
变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息。
变电站综合自动化系统主要位于1层和2层。
图2-2为变电站的分层分布式集中组屏的综合自动化系统示意图。
在综合自动化系统的管理上，采取分层式的模式，即各保护功能单元由保护管理机直接管理。
一台保护管理机可
图2-1变电站一、二次设备分层结构
以管理多个单元模块，它们间可以采用双绞线RS-485接口连接，也可以通过现场总线连接；而模拟量和开入/开出单元，由数据采集控制机负责管理。
数据采集控制机和保护管理机是处于变电站级和功能单元间的第二层结构。
正常运行时，保护管理机监视各单元的工作情况，一旦发现某一单元本身工作不正常，立即报告监控机，并报告调度中心如果某一单元有保护动作信息，也通过保护管理机，将保护动作信息送往监控机，再送往调度中心，调度中心或者监控机也可以通过保护管理机下达修改保护定值等命令，数采控制机则将各数采单元所采集的数据和开关状态送给监控机和送往调度中心，并接受调度或监控机下达的命令。
总之，这第二层管理机的作用是可以明显的减轻监控机的负担，协助监控机承担对单元层的管理。
图2-2变电站的分层分布式集中组屏的综合自动化系统框图
2.3交流采样技术
交流电参量的测量方法有:
①模拟电路测量方法;②采样计算式测量方法。
其中模拟电路的测量方法准确度高，稳定性好，有现存的模拟芯片可供选择，满足测量电压、电流有效值，功率因素，有、无功功率，电能参数的需要。
这类芯片的主要缺点是:
（1）被测量的波形畸变将给测量带来较大的误差;
（2）遥测数据的实时性受模拟芯片响应速度的影响;（3）不适合多参数的测量。
故现代变电站综合自动化系统中电压和电流多采用交流采样，不再增设变送器，所有的电参数通过采样计算测得。
具有高速运算能力的微处理器和快转换速度的ADC使得交流采样变得可行。
在电力系统中，由于采用了变流器等器件，电路中就必然存在各种谐波，为了消除各次谐波分量和直流分量的影响，只选取50HZ的基波分量，我们采用全周波傅氏算法，设
（2—1）
式中
各电量的直流分量；
第i次谐波分量的幅值。
然后对f（t）分别乘以cosωt和sinωt在一个周期内积分即可消除直流和谐波分量得到基波分量
（2—2）
（2—3）
用一个周期中N点采样值求和代替积分计算可得到:
（2—5）
（2—4）
式中
各电量值实部;
各电量值虚部.
则可以计算得电压、电流有效值及有功、无功功率值为：
（2—9）
（2—8）
（2—7）
（2—6）
中式
分别为基波电压、电流实部；
分别为基波电压、电流虚部。
2.4变电站综合自动化系统的设计原则和要求
为了达到变电站综合自动化的总体目标，在设计变电站综合自动化系统时，必须考虑以下原则要求。
1系统运行的安全性。
变电站微机保护的软件、硬件设代，既要与监控系统相对独立，又要相互协调，即在系统运行中，继电保护的动作行为仅与保护装置有关，不依赖于监控系统和其他环节，保证综合自动化系统中任何其他环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子系统的正常工作。
但微机保护与监控系统要保持紧密通信联系。
2信息共享。
必须充分利用数字通信的优势，实现数据共享。
数据共享应该是综合自动化系统发展的趋势，只有实现数据共享，才能简化自动化系统的结构、减少设备的重复，降低造价。
3充分体现综合性。
变电站综合自动化系统应能全面代替常规的二次设备，并提供良好的操作控制。
综合自动化系统应集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一休，形成一个由监视控制，微机保护子系统、测早子系统、各种功能的控制子系统、通信子系统等组成的分级分布式的系统。
4结构上的灵活性。
在电力系统中，新建变电站和过老变电站改造是常见的，它们的自动化水平要求各不相同，需要有不同规模和不同技术等级、技术先进、功能可选、性能价格比高的自动化系统可供选用。
5通信的可靠性。
在变电站综合自动化系统内，许多信息需要快速交换。
各个功能模块，部件之间宜采用网络方式，便于接口功能的扩充。
6运行模式的适应性。
变电站综合自动化系统应能灵活地提供监控操作手段，满足有人或无人位班的需要。
3变电站综合自动化数据采集及传输系统的硬件设计
3.1数据采集系统的硬件设计
图3—1交流采样硬件电路框图
在变电站综合自动化系统中，交流采样装置由单片机为核心的硬件构成。
它由中间电压互感器、中间电流互感器、多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器、单片机以及频率跟踪等电路组成，如下图3—1所示。
3.2中间互感器
交流采样信号取自二次回路。
对于线电压信号其额定值是100v，对于相电压信号其额定值是57.7V；对于电流信号其额定值是5A。
这些从电力系统二次设备送到本装置的电压、电流信号仍然过大，需要经中间电压互感器TVm、中间电流互感器TAm等变换成数伏的交流电压信号。
变换后的电压和电流信号送到cc4051。
3.3多路模拟开关
多路模拟开关的功能是根据输人的地址信号，选择其中的一路作为输出信号。
CC4051是一种单片，COMS,8通道模拟开关.该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器,带有禁止端的8选1译码器以及由译码器输出分别加以控制的8个COMS开关TG组成.CC4051的内部原理框图如图3-2所示，图3-3为中间变压器与CC4051连结图。
CC4051各个引脚的定义如下：
通道线IN/OUT（4,2,5,1,12,15,14,13）:
该组引脚作为输入时,可实现8选1功能,作为输出时可以实现1分8功能。
OUT/IN（3）:
该引脚作为输出时,则为公共输出端;作为输入时,则为输入端。
A,B,C（11,10,9）:
地址引脚。
INH（6）:
禁止输入端.若INH为高电平,则为禁止各通道和输出端OUT/IN接通.若INH为低电平,则允许各通道按表3-1关系和输出端OUT/IN接通。
VDD（16）和VSS（8）:
VDD为正电源输入端,极限值为+17V;VSS为负电源输入端,极限值为-17V。
VEE（7）:
电平转换器电源,通常接+5V或-5V。
CC4051作为8选1功能时,若A,B,C均为逻辑"0"（INH=0）,则地址码000B经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。
图3—3中间变压器与CC4051的连结
3.4采样/保持器
采样保持器是在逻辑电平控制下，处于“采样”或“保持”两种状态的电路器件。
在采样状态下，输出跟随输人的变化而变化；在保持状态下，输出等于输人保持状态时输人的瞬时值。
采样／保持器的电路原理如图3-4所示，它由一个电子模拟开关AS和保持电容Ch以及阻抗变换器І、ІІ组成。
开关AS受逻辑电平控制。
当逻辑电平为采样电平时，AS闭合，电路处于“采样”状态，经过很短时间（捕捉时间）Ch迅速充电或放电到输人电压U，随后，电容电压跟随U变化，故整个采样时间应大于捕捉时间。
当逻辑电平为保持电平时，AS断开，电路处于“保持”状态，将保持AS断开时的电压。
本次设计采用AD585作为采样/保持器，图3-5为AD585的接线图。
图3—5采样/保持器的接线图
3.5A/D转换器
模数转换器是一种能把采集到的采样模拟信号量化和编目后转换成数字信号输出的器件。
模数转换器的种类很多，其分类方法也很多，从转换速度来分，有高速ADC、中速ADC、低速ADC。
从实现模数转换的电路结构上看，由反馈型和无反馈型两种。
反馈型ADC作为其模数转换器的反馈元件，讲输出数字信号转换成模拟信号，并与模拟信号加以比较，按比较所得的误差信号修正数字输出。
无反馈型则没有上述反馈，比较，修整的过程。
从工作原理分，可以分为直接比较型和间接比较型。
直接比较包括连续比较，逐次逼近，谐波电压比较等，其中最常用的是逐次逼近型。
这种转换型变换器是瞬时比较抗干扰能力差，但转换速度较快。
问接比较型有双斜式，脉冲电压频率转（VFC）换型变换器，调宽型，积分型，三斜率型，自动校准积分型等。
这类转换均为平均值响应，抗干扰能力较强，但速度较慢。
量化误差与分辨率：
A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或BCD码位数表示。
例如A/D转换器AD7890的分辨率为12位，即该转换器的输出数据是12位进制数。
量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值而引起的误差，因此量化误差理论上为一个单位分辨率。
转换精度:
A/D转换器的转换精度反应了一个实际A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转换器进行模、数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差。
转换时间与转换精度:
A/D转换器完成一次转换所需的时间为A/D转换时间。
转换速率是指能够重复进行数据转换的速度。
对于瞬时值响应的模数转换器来说，所需的转换速度取决于所要求得转换精度和所转换信号的频率。
增益误差:
满量程输出数码时实际模拟输出电压和理想模拟输入电压之差。
偏移误差:
指最低有效位成“1”状态时的实际输入电压与理论输入电压之差。
对基准电压的要求:
基准电压的精度将对整个系统产生影响，在选用时应考虑是否外加精密参考电源。
工作温度:
工作温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，只有在一定的温度范围内，才能保证额定的精度指标。
逐次逼近行A/D是一种中速、有反馈、直接比较型的摸数转换器。
这种模数转换器对输入信号上叠加的噪声电压十分敏感，实际应用中通常需要对输入的模拟信号进行滤波，然后才能输入模书转换器。
这种转换器在转换过程中是逐位进行的，只能根据本次比较的结果，对当前位数据进行修正，而对以前的各位数据不能变更。
为避免输入信号在转换过程中不断变化，造成错误的逼近，这种模数转换器必须配合采样/保持器使用。
本次设计选用AD574作为A/D转换器。
它是12位逐次比较型A/D转换器，转换时间为，转换精度0.05%。
由于芯片内有三态输出缓冲电路，因此可以直接与各种典型的8位或16位的位处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，可以和CMOS及TTL兼容。
图3—6AD574的接线图
3.6频率跟踪器
交流采样技术中,交流电力参数的频率并不是固定不变的,电力系统的频率正常波动范围为49.5Hz~50.5，特别对小功率供电系统,其供电电网的信号频率将随负载有较大范围内的波动,为了使采样频率能跟上输人信号频率的变化,必须清楚当前输人信号的频率变化情况。
因而,在每次交流采样时要实时监测输人信号的频率变化状况,并对所测的频率进行实时跟踪,确保采样频率与信号频率同步。
图3-7为频率跟踪器的原理图。
将交流信号输人过零比较器，其输出是与交流信号同频率的方波信号，将该方波作为锁相电路的一个输人信号，锁相电路输出信号经N分频后与输人方波相比较，适当地选择电路元件参数，可将输出信号锁定。
即锁相电路输出信号以N倍的频率跟踪输入信号的变化，将这个输出信号经单稳态电路变换得到一定占空比的脉冲信号，作为采样／保持器的采样／保持控制信号，可实现一周期内N次等间隔采样。
3.7单片微机的设计
单片微机是数据采集系统的核心部件。
本次设计选用的是ATMEL的AT89C52，AT89C52单片机是ATMEL新一代超强抗干扰／高速／低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟／机器周期和6时钟／机器周期可任意选择.。
AT89C52采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，各引角功能介绍如下：
图3—8AT89C52的接线图
（1）时钟引脚XTAL1和XTAL2
两个时钟引脚XTAL1和XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。
2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。
XTAL1（19引脚）：
接外部晶体的一个引脚。
该引脚内部是1个反相放大器的输入端。
这个反相放大器构成了片内振荡器。
如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18引脚）：
接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接至内部时钟发生器的输入端。
（2）控制口线：
（复位控制）、PSEN（片外取控制）、ALE（地址锁存控制）、
（片外存储器选择）
是复位信号输入端，高电平有效。
当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时，就可以完成复位动作。
PSEN是程序存储器允许输出控制端。
在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。
此引脚接外部程序存储器的
（输出允许）端。
ALE：
输出地址锁存允许信号引脚，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。
当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。
即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出。
：
内外程序存储器选择控制端。
当
引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器。
当
引脚为低电平时，单片机只访问外部程序存储器，不论是否有内部存储器。
（3）输入/输出（I/O）引脚P0，P1，P2，P3（共32根引脚）
P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。
P1口是双向8位三态I/O口。
由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口,是准双向口。
P2口，当系统不扩展外部存储器时，可以作为用户I/O口线使用，它也是准双向口。
当系统访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
P3口是双功能口，作为第一功能使用时，其操作同P1口相同。
图3-8是AT89C52构成的系统的接线图，其中8282是一个三态输出缓冲的8D锁存器，用于锁存低8位地址。
8282各引脚的功能如下：
D7～D0：
8位数据输入线。
Q7～Q0：
8位数据输出线。
STB:
数据输入锁存选通引脚，高电平有效。
但该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存在锁存器中。
：
数据输出允许引脚，低电平有效。
当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。
当该信号为高电平时，输出线为高阻态。
3.8变电站内信息传输内容
l）现场一次设备与间隔层间的信息传输
间隔层设备大多需要从现场一次设备的电压和电流互感器采集正常情况和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息主要是:
断路器、隔离开关位置、变压器的分接头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器操作信息
2）间隔层的信息交换
在一个间隔层内部相关的功能模块间，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据交换。
这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、同步采样信息等。
同时，不同间隔层之间的数据
升级会员 