兰交大2012年电力系统监控技术课程设计(远动)

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 班级： 电气084 姓名： 学号：

指导教师： 任丽苗 设计时间： 2012-3-10

1 设计原始资料

1.1 具体题目说明

牵引供电系统遥信数据采集系统，设计内容：

(1) 计算机绘制被控站（RTU端：变电所）通用系统结构框图,绘出各种数据点的采集通道，控制输出通道，网络通信通道的示意图。

(2) 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），具体到芯片管脚的连线。

(3) 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。

(4) 计算机绘制相应的遥信数据采集程序流程图，编写遥信数据采集程序。

1.2 要完成的内容

针对附录A所示的牵引供电系统进行遥信数据采集系统的设计。遥信信息是二元状态量，即是说对于每一个遥信对象而言它有两种工作状态，两种工作状态为“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、隔离开关的开合、告警信号的有无、保护动作与否等。

2 硬件设计

2.1 各开关元件及数据采集点编号

2.1.1 各开关元件编号

隔离开关、断路器的编号如附录A所示。 2.1.2 数据采集点定义

数据采集主要是个开关量，开关量输入数据类型为各断路器、隔离开关的状态信息。

2.2 被控站通用系统结构

2.2.1 数据采集通道（示意图）

遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供辅助接点的开合直接反映出该设备的工作状态。提供给远动装置的辅助接点大多为无源接点，即空接点，这种节点无论是在“开”状态还是“合”状态下，接点两端均无电位差。断路器和隔离开关

提供的就是这一类辅助接点。另一种辅助接点则是有源节点，有源节点在“开”状态时两端有一个直流电压，是由系统蓄电池提供的110V或220V直流电压。一些保护提供此类接点。

无论有源触点还是无源触点，由于他们来自强电系统，直接进入远动装置将会干扰甚至损坏远东设备，因此必须加入信号隔离措施。通常采用继电器和光电耦合器作为遥信信息的隔离器件，如图2.1所示，图2.1（a）采用继电器隔离，当断路器在断开时，其辅助触点QF闭合使继电器K动作，其动合触点K闭合，输出的遥信信息YX为低电平“0”状态。反之，当断路器闭合时，其辅助触点QF断开，使继电器K释放，产生高电平“1”状态的遥信信息YX。图2.1（b）中采用的光电耦合器隔离也有相似的过程。当断路器断开时，QF闭合使发光二极管发光，光敏二极管导通，集电极输出低电平“0”状态。当断路器闭合时，QF断路器使发光二极管中无电流通过，光敏三极管截止，集电极输出高电平“1”状态。

(a) 继电器隔离 (b) 光电耦合隔离

图2.1 遥信信息的隔离措施

图2.2 遥信取样电路

如图2.2所示的遥信取样电路图，适用于有源和无源接点的实用电路。当遥信信源连通时，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。

本系统分别对变电所的16个断路器及隔离开关的开关量进行采集，并用光电耦合器进行隔离。

2.2.2 控制输出通道（示意图）

在有些系统中遥信状态是不输出的，在本系统中，我们让每一路遥信对象的状态用发光二极管表示。即断路器和隔离开关的断开与闭合可以通过发光二极管来体现，如图2.3所示。

abcdefg

2.2.3 网络通信信道（示意图）

信道是信号传输时经过的通道。传输远动信号的通道称为远动信道。我国常用的远动信道有专用有线信道、复用电力线载波信道、微波信道、光纤信道、无线电信道等。信道质量的好坏直接影响信号传输的可靠性。由于牵引供电系统比较特殊，远动采用专用有线信道。数字通信系统模型如图2.4所示。

车站监控系统及变、配电所监控系统所采集的大量信息通过通讯通道送往调度中心，调度中心通过该通道向车站监控系统及变、配电所监控系统下达遥控指令。目前，在铁路内部，通讯通道一般采用公网进行通讯。通讯设备一般采用调制解调器。该种方式优点是通讯通道运营成本较低，但通讯速度较慢。

2.3 MCS-51单片机（数据采集或输出）最小系统

2.3.1 原理框图

铁路电力远动系统由远动控制主站、远动终端和通信通道三部分组成，是近年来在国内全面推广的铁路电力新技术，其技术含量高，是涉及铁路电力工程设计、各级电力调度管理模式、远动终端的数据采集和处理、各级远动控制主站与远动终端之间数据通信及计算机系统等多专业的系统工程。

如图2.5所示为本设计的系统原理框图。本系统分别对变电所的16个断路器及隔离开关的开关量进行采集，并用光电耦合器进行隔离，经过上述信号处理后，遥信状态量进入CPU进行处理并及时显示开关状态。

图2.5 原理框图

2.3.2 系统电路图

远动装置内的遥信信息为符合TTL电平的“0”、“1”状态信号。每一遥信对象映射到计算机中正好是二进制代码的一位。大量散乱的遥信对象必须通过遥信状态的输入电路的有效组织，才能便于计算机处理。

接受遥信量的输入电路可以采用三态门芯片、并行接口芯片和数字多路开关芯片三类接口芯片实现。

三态门芯片SN74LS244，当遥信量接至输入端，输出端可直接挂在CPU的数据总线上，选通信号由CPU或译码电路提供。当选通信号为低电平时，输出状态跟踪输入状态；当选通信号为高电平时，输出处于高阻状态，输入状态的变化不影响输出。

多路开关进行扩展可以实现遥信量的采集，SN74151为8选1的数字量多路开关，SN74151有8个输入端D0～D7，两个输出端，Y为非反相输出，W为反相输出，设置数据选择A、B、C，可以确定输出所对应的输入。2片SN74151能实现16路遥信量采集。

经过上述信号处理后，遥信状态量进入CPU进行处理。本系统采用单片机进行控制。

单片机的芯片内集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能，例如MCS-51系列单片机，一块芯片就是一个完整的最小微机系统。但单片机的内部资源是有限的，特别是8031或80C31等芯片，必须扩展EPROM才能使用；片内RAM也需要扩展；虽然芯片内部有四个八位I/O端口，但可供外部输入∕输出

设备使用的只有P1口和P3口的部分口线，这对于众多的外部设备（如键盘、显示器、开关、A/D\D/A以及执行机构等）是远不够用的，同样也需要扩展口。为此经常需要对单片进行资源扩展，从而构成一个功能更强的单片机系统。

在本系统中，采用MCS-51单片机，我们对此芯片依次进行EPROM的扩展、RAM的扩展以及I/O端口的扩展（因其输入状态量有16路，单片机提供不了如此多的I/O端口）。单片机的外围扩展如图2.6所示。

P1.0P1.1P1.2P2.7

ABCY

D7~D0SN74151S

16YX

8031

1G2G

ABCY

D7~D0SN74151

8

SN7474LS244

1Y1~2Y4

S

P0.0~P0.7

2A21A1

图2.6 系统电路

3 程序设计

3.1 数据报文帧结构

3.1.1 传输规约

报文：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。

类别与类型：类型是指数据不同的分类。数据的类型分别为模拟量、状态量、状态变化量、时标量等。类别指数据或信息一举不同的扫描周期划分为12345670类。对各种数据要分别指定属于某一类别，任一类别扫描周期可由外面输入定义。时标量定义为8。

模块：一台RTU由若干模块构成，每个模块有特定的地址说明，模块地址通常占一个人字节，，但只用其中的低五位表示。这里的模块是逻辑概念而不是物理概念。一个物理概念的模块可以占一个模块地址，也可以占两个模块地址；与此同时，一个地址的模块也可以由好几块印制板构成。

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

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，隔离开关和断路器地址如表3.1所示。

表3.1 隔离开关和断路器的地址

地址

QS1 01H

QS2 02H

QS3 03H

QS4 04H

QF1 05H

QF2 06H

3.1.3 报文帧结构

本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，我们称它为报文格式1。报文的第一个字节为子站地址，可以取00H—FEH。当RTU地址取FFH时，该报文为广播命令，他是面向全部子站设备的操作命令，所有子站都要接受收，第二个报文类型可以取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，报文格式分别如图3.2和图3.3所示。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，。当主站希望收集某几个类别的变化数据时，就将询问类别的某几位置“1”。如果询问第8类别的数据，就将询问类别字节置成全“0”。重复询问报文的数据区为两个字节，称重复询问类别标志和询问类别标志。当主站发出的类别询问报文没有收到子站的正确回答时，主站向子站发送重复询问报文。重复询问报文中的重复询问类别标志是原先发送的类别报文中询问类别字节的重复。该报文中的询问类别标志字节某位为“1”，表示原先发送的类别询问报文中没有询问的类别，这一次需要访问。报文的校验码为一个字节。

RTU地址1AH

重复询问类别标志询问类别标志

校验码

图3.1 报文格式一 图3.2 类别询问报文 图3.3 重复询问报文

子站向主站回答确认或否定确认的报文格式如图3.4所示，我们称它为报文格式2。这两种报文都是三个字节，第一个字节为子站地址，取00H—FEH。第二字节报文类型取06H时，确认报文，它表示子站正确收到主站命令；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。

传送数据的报文格式如图3.5所示，我们称它为报文格式3。它用于主站向子站传送数据，也用于子站向主站传送数据。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。这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”表示子站的事件顺序记录向主站报告，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时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。

RTU地址

报文类型

类别标志

图3.4 报文格式2 图3.5 报文格式3

主站向子站发送的命令共有24条，按功能可分为：查询命令，送参数命令，控制命令和专用命令四大类。子站向主站的回答报文共有10条，按功能可分为确认报文、诊断报文和传送报文。

3.2 主要程序设计

3.2.1 程序流程图

根据设计要求，按照实现功能的分类，软件部分主要完成四项任务：系统初始化、遥信数据采集、数据处理、向PC机发送并显示数据。程序流程图如图3.6所示。

图3.6 程序主流程图

3.2.2 程序清单

数据采集程序： #include <reg51.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define Max_count 5 short change_flag=0; short data[2];

char check_read(); void delay(); int main() {

char i; while(1) { data[0] = data[1]; i=8; while(i--) { P1 = i; if(check_read()) { printf("###ERROR###\n"); abort(); } } flag = data[0] ^ data[1]; printf("%d\n", flag); }

return 0; }

char check_read() {

char count = 0; char temp; while(1) { temp = P0; temp &= 0x03; delay(); if(temp != (P0 & 0x03)) { count++; if(count > Max_count) return 0; else {

continue; } } else { temp = P0; temp &= 0x03; data[1] |= temp; data[1] <<=2; return 1; } } }

void delay() {

unsigned char i=100; unsigned char j=100; while(i--) while(j--); }

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] 李华.单片机原理及应用[M].兰州:兰州大学出版社,2001.

[3] 李彦哲,胡彦奎,王果等.电气化铁道供电系统与设计[M].兰州:兰州大学出版社,2006.

附录A牵引变电所主接线图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/38cj.html