辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学配电系统及其自动化 课程设计（论文）题目： 10kV变电站RTU设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.11.30-2015.12.11 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 学 号 学生姓名专业班级电气（光伏）121班 设计题目10kV变电站RTU设计课程设计（论文）任务该RTU主要实现配电变电所遥测、遥信、遥控、摇调等四遥功能，并将所遥测的电流电压信息及时上传给主站，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。设计背景：配电变电所进线为10kV，出线为0.4kV，每条输电线路最大输出功率为1500kVA该RTU监测2回0.4kV输出线路的电流电压以及线路上断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主站发出的遥控遥调等开关量输出命令。设计内容：硬件电路设计：1. 最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2. 电流电压检测电路设计3. 电气设备运行状态检测电路设计4. 电气设备运行状态控制电路设计5. RTU与主站通信接口设计6. 软件设计（程序流程图和程序编写及电流电压有效值以及故障识别算法确定）进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3天 最小系统设计第4天 电流电压检测电路设计第5天 变压器油温检测电路设计第6天瓦斯保护输出接口以及报警控制电路设计第7天 RTU与主站通信接口设计第8天 软件设计第 9 天 设计说明书完成第10天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要RTU是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。RTU具有通讯距离较长、用于各种环境恶劣的工业现场、模块结构化设计和便于扩展等特点。与此同时RTU还拥有优良的通讯能力和更多的计算功能，而且也能适用于更恶劣的温度和湿度环境。也正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。本设计中的RTU主要实现与配电变电所配合来实现遥测、遥信、遥控、遥调等四遥功能，并将所遥测的电流电压信息及时上传给主站、和接受主站命令，实现遥控遥调功能。结合RTU与变电站的配合要求，对变电站中特征电参量的采集计算方法、RTU总体方案、硬件选择与软件进行了分析和设计。关键词：RTU；SCADA系统；主站；自动化；四遥功能 目 录第1章 绪论11.1 RTU综述11.2 本文研究内容1第2章 RTU硬件设计22.1 RTU总体设计方案22.2 RTU控制核心模块设计32.2.1 CPU的选择32.2.2 复位电路设计42.2.3 时钟电路设计42.2.4 RTU控制核心模块原理图52.3 电流电压检测电路设计62.4 电气设备运行状态检测电路设计72.5 电气设备动作控制电路设计72.6 报警电路设计设计82.7 RTU与主站通信接口电路设计8第3章 RTU软件设计103.1 软件实现功能综述103.2 流程图设计103.2.1 主程序流程图设计103.2.2 数据采集流程图设计113.2.3 通信流程图设计12第4章 系统设计与分析134.1 系统原理图134.2 系统原理综述14第5章 课程设计总结15参考文献16第1章 绪论1.1 RTU综述配电网自动化远方终端RTU是用于配电网馈线回路的各种馈线远方终端、配电变压器远方终端以及中压监控单元（配电自动化及管理系统子站）等设备的统称。采用通信通道完成数据采集和远方控制功能。变电站远方终端RTU是SCADA系统的基本组成单元，是电网监视和控制系统中安装在变电站的一种远动装置，它负责采集变电站电力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度命令，实现调度中心对电网的遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。RTU的发展历程是与“三遥”工程技术相联系地。所谓“三遥”工程技术是指遥测、遥控、遥调技术，是研究远处人们不易到达的地点，对物理变化过程、生产过程进行检测(遥测)、调节(遥调)、控制(遥控)的一门学科。服务于变电站自动化的RTU还具有了配电故障信息采集与处理、电能质量测量、断路器在线监测等功能，以达到调度自动化对用户可靠优质供电的最终目标。随着计算机技术、通讯技术和电子技术的迅猛发展，电力系统自动化程度也日益提高。变电站在电能的生产、传输、应用过程中，占有非常重要的地位，因此，变电站自动化系统在变电站的改造和新建中得到了普遍的应用。1.2 本文研究内容本次的设计要求配电变电所进线为10kV，出线为0.4kV，每条输电线路最大输出功率为1500kVA，该RTU监测2回0.4kV输出线路的电流电压以及线路上断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主站发出的遥控遥调等开关量输出命令。在硬件电路设计中要求包括最小系统设计、电流电压检测电路设计、电气设备运行状态检测电路设计、电气设备运行状态控制电路设计、RTU与主站通信接口设计、软件设计。第2章 RTU硬件设计2.1 RTU总体设计方案作为一个基于单片机的系统设计，需要从以下几个方面来考虑：1) 微处理器的选择：在设计中，应根据所设计RTU的功能、可靠性、能耗等指标选择一个性价比合理的微处理器，应该从微处理器的运行速度、片内资源、扩展能力、保密性和特殊功能等方面考虑，在市场上提供的微处理器中选择性价比高、货源足的芯片。2) 元器件选择：在选择好微处理器后，片内资源仍不足时，要进行选择系统扩展和配置所需要的元器件，如：存储器、显示器、通讯接口和稳压电源等器件，但是这些器件的选择应该符合我们所设计系统的要求。3) 软/硬件功能分配：软件、硬件的功能是可以互换的，有些硬件的功能是可以用软件来实现的。使用硬件来实现功能可以提高系统的工作速度，减少软件的设计时间，但是会增加成本。如用软件代替硬件的功能，可以节省硬件的使用和费用，但增加了软件的复杂性和设计时间。所以要对硬件和软件功能做出很好的分配。通过对总体设计的全面考虑，结合实际情况，本设计中主要有两方面技术要求：一本文设计的RTU要求有很好的通用性，能够适用于多种工作场合，所以要能够采集种类型的信号；二是结构要模块化，主板上有各种类型的数据采集接口，设计有串行通信接口，别的通信方式通过串口来扩展。CPU开关量输出通信接口人机对话接口开关量输入程序存储器数据存储器模拟量输入A/DA/D模拟量输入图2.1 89C51RTU总体设计方案图本论文中硬件设计方案各模块功能如下：通信接口：主要负责与主机的通信将检测到的一些数据及时送到主站；A/D转换器：实现数据采集传输时的模数转换；人机对话模块：主要是向系统输入一些命令或数据来控制RTU的设置模式和设置状态信息等；复位电路：可完成系统上电复位；电源电路：向系统提供+5V电压；开关量输入模块和开关量输出模块：主要是检测线路上断路器、隔离开关的状态，完成断路器、隔离开关的投切；程序存储器和数据存储器：当线路发生故障时快速切断故障区段对非故障区段及早恢复供电提高供电的可靠性，由于单片机存储不能满足实际的要求所以要外加个外部数据存储和数据存储器用以储存数据采集模块传来的重要数据信息。2.2 RTU控制核心模块设计2.2.1 CPU的选择根据设计要求本设计采用89C51单片机作为控制器，89C51一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。该器件价格低廉且易使用，技术方面已经相当成熟，使用89C51完全可以达到设计要求。其管脚说明如图2.2所示图2.2 89C51引脚结构图2.2.2 复位电路设计复位对于一个系统来说很重要，各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的位，而一旦处理器处于未知状态，比如程序“跑飞”或进入死循环，就需要强行将统复位。正常情况下，一般有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动，系统会正常复位，这时候会发生复位时间不够从而造成一些错误甚至死机，所以复位监控电也是有必要的。它具备如下功能：1) 上电复位保障上电时能正确地启动系统。2) 掉电复位当电源失效或电压降到某一电压值以下时复位系统。本系统的复位电路如图2.3所示。电容的值C1为10F，电阻R1=8.2k。可保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控。图2.3 复位电路图2.2.3 时钟电路设计时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，而单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度，时钟电路用于生产单片机工作所需的时钟信号，如果没有时钟信号单片机就不能正常工作，由此可见，一个系统中，单片机的时钟电路也是不可或缺的一个重要组成部分，时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机所需的时钟信号。89C51内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。、可稳定频率并对振荡频率有微调作用，值选择30pF。电路如图2.4所示。图2.4 时钟电路图2.2.4 RTU控制核心模块原理图RTU中计算机需要能够稳定迅速的运行，这就要求其工作节奏必须稳定且能灵活改变，而时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，所以需在核心模块中添加一个时钟电路让计算机能正常持续的运行。在CPU正常工作时需要定时恒频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路 。由于RTU需要经常处