配电系统成品课件

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学配电系统及其自动化配电系统及其自动化 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 60kV60kV变电站变电站TTUTTU设计设计 院（系）：院（系）： 新能源学院新能源学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2015.11.30-2015.12.112015.11.30-2015.12.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程

2、学院 教研室：电气工程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号121806014 学生姓名甘可新 专业班级电气（光伏）121 设计题目60kV变电站TTU设计课程设计（论文）任务TTU 的主要功能是对 60kV 变电站中的变压器信息采集和控制，实时监测配电变压器运行工况，用以完成传统的电压表、电流表、功率因数表等功能，且能和主站通信。设计背景：设计背景：变压器为 60/10kV ，容量为 12000kVA ，实时监测变压器输出电流电压及其输出功率，并将数据上传给主站；监测变压器的油温，当温度超过 85时发出报警信号，并输出启动瓦斯保护开关信号。设计内容：

3、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. 变压器油温检测电路设计4. 瓦斯保护输出接口以及报警控制电路设计5. TTU 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 TTU 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

4、成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 摘 要本文主要研究配电终端 TTU 用于对配变电信息采集和控制，它实时监测配电变压器运行工况，用以完成传统的电压表、电流表、功率表、以及负荷指示仪和电压监视仪等的功能。应用了单片机 87C51 设计 TTU，先思索了 TTU 的总体设计方案，然后进行了 CPU 的选择，在进行复位电路的设计，然后进行时钟电路的设计，在进行电流检测电路设计，变压器油检测电路设计，瓦斯保护输出控制接口设计，报警电路设计，最后是 TTU 主站通信接口设计，最后进行了软件部分的设计，系统

5、设计和分析，然后进行了总结。关键词：配电终端；单片机 87C51；复位电路；瓦斯保护 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 目 录第第 1 1 章章 绪论绪论.11.1 TTU 综述.11.2 本文研究内容.1第第 2 章章 TTUTTU 硬件设计硬件设计.32.1 TTU 总体设计方案.32.2TTU 控制核心模块设计.42.2.1 CPU 的选择.42.2.2 复位电路设计.62.2.3 时钟电路设计.62.3 电流电压检测电路设计.72.4 变压器油温检测电路设计.82.5 瓦斯保护输出控制接口设计.92.6 报警电路设计设计.102.7TTU 与主站通信接口电路

6、设计.11第第 3 章章 TTUTTU 软件软件设计设计.123.1 软件实现功能综述.123.2 流程图设计.133.2.1 主程序流程图设计.133.2.2 电力参数检测流程图设计.143.2.3 通信流程图设计.15第第 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析.164.1 系统原理图.164.2 系统原理综述.16第第 5 章章 课程设计总结课程设计总结.18参考文献参考文献.19 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）0第 1 章 绪论1.1 变电站 TTU 综述智能变电站的概念是从数字化变电站发展而来的，数字化是智能变电站的基础，变电站的数字化是指变电站内一、二

7、次电气和保护装置均应实现数字化通信，并具有全站统一的数据建模及数据通信平台，在此平台的基础上实现智能装置之间的互操作性。变电站数字化的概念中全站统一的数据建模是基于 IEC61850 标准。IEC61850 标准的技术优势在于(1)标准规范一致性，IEC61850 标准在的基础之上建立一套适用于电力系统的通信接口 ACSI，符合 IEC61850 标准的各个厂家产品可以非常方便的实现相互操作1。(2)简单直观，IEC61850 标准中每个数据均自带名字和数据类型，避免了传统规约中使用点号和数据包类型号带来的混淆2。同时借鉴了面向对象编程思想，使用户可以更加简单直观的读懂装置所传递的信息。(3)

8、规约调试的工作量减少。IEC61850 强调了一致性测试，理想情况下各个不同厂家装置及后台系统可以无缝组网，实现互操作性。以数字化变电站为基础，结合智能电网的要求，发展出了智能变电站的概念，即采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本需求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量、和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。当前我国智能变电站建设已近进入了试点启动阶段，部分智能化变电站试点已建成投运，部分正在建设中，智能变电站的建设运行经验正在不断的积累，而智能变电站相关的关键技

9、术和产品也在不断的发展和完善之中。1.2 本文研究内容本文主要研究，配电终端 TTU 用于对配变电信息采集和控制，它实时监测配电变压器运行工况，用以完成传统的电压表、电流表、功率表、以及负荷指示仪和电压监视仪等的功能。它能与其他后台设备通信，提供配电系统所需的数据。实现了实时检测线路。柱上配电变或箱式变运行工况，及时发现和处理事故和紧急情况，就地和远方进行无功补偿和可有载调压的配电变或箱式变的自动调压功能。提高配电网安全经济运行。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）1第 2 章 TTU 硬件设计2.1 TTU 总体设计方案本 TTU 总体设计方案以 CPU 为核心，外

10、加模拟量输入模块及 A/D 转换器，它的功能主要将线路中的电压电流信号的采集来转换成单片机可以识别的数字信号。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。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。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。人机对话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控制 TTU 的设置模式和设置状态信息等。图 2.1 89C51RTU 总体设计方案框图模拟量输入A/D转

11、换器主CPU系统FPGA自检装置遥控输出闪存通讯接口主站计算机系统开关量输入 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）22.2 TTU 控制核心模块设计2.2.1 CPU 的选择本次设计采用 AT89C51 单片机作为本系统的微处理器，原因在于此次设计的温度控制系统精度较高，需要的 IO 接口也比较多。AT89C51 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，是一个低电压，高性能 8 位 CPU，40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口

12、，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口。片内含 4kB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器（RAM） ，可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。内置功能强大的微型计算机的AT89C51 提供了高性价比的解决方案，因此此单片机完全能满足温度控制系统的要求。温度控制系统主要特性如下:1. 一个片内振荡器和时钟产生电路,振荡频率为 0-24MHZ2. 128B 的片内数据存储器，4KB 内部程序存储器3. 4 个并行的 I/O 口,共 32 条可单独编程的 I/O 线4. 5 个中断源，2 个中断优先级5. 2 个 16 位的定时/计数

13、器6. 可寻址的 64KB 的片外程序存储器和片外数据存储器的控制电路7. 寿命达 1000 写/擦循环8. 低功耗闲置和掉电模式9. 数据保留时间：10 年89C51 单片机的接法及引脚功能为:VSS(20 脚)：接地端VCC（40 脚）：电源端。正常操作及对 Flash ROM 编程和验证时接+5V 电源。P0 口（39-32）：是双向 8 位三态 I/口，在访问外部存储器使，可分时用做低八位地址线和 8 位数据线；在 Flash ROM 编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输入指令字节。P0 口能驱动 8 个 LSTTL 门电路。P1 口（1-8）：P1 口是一个带有内部上拉电阻的

14、 8 位双向 I/O 口。在 Flash ROM 编程和程序验证时，它接受低八位地址。能驱动 4 个 LSTTL 门电路。P2 口（21-28）：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它送出高八位地址。在对 Flash ROM 编程和程序验证时，它接受 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）3高 8 位地址和其它控制信号。能驱动 4 个 LSTTL 门电路。P3 口(10-17):P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 口能驱动 4 个 LSTTL 门电路。RES（9 脚）：复位信号输入端，高电平有效。在振荡

15、器工作时，在此引脚上出现两个机械周期以上的高电平，就可以使单片机复位。ALE/PROG（30 脚）：地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过 1 个 ALE 脉冲。PSEN（29 脚）：外部程序存储器的读选通信号。当外部程序存储器取指令时，每个机器周期 2 次 PSEN 有效，但在访问外部数据存储器时，这 2 次有效的 PSEN信号将不出现

16、。EA/VPP（31 脚）：内、外 ROM 的选择端。当 EA 接高电平时，访问并执行内部程序存储器，当 PC 超过 4KB（0FFFH）时，将自动转去执行外部程序存储器中的程序。当 EA 保持低电平时，只访问并执行外部程序存储器地址为（0000HFFFFH）不管是否有内部程序存储器。XTAL1（19 脚）：接外部晶体和微调电容的一端。XTAL2（18 脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。89C51 引脚图如图 2.2图 2.2 89C51 引脚图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）42.3 复位电路设计复位电路的设计在整个原理的设计中非常重要，并且要结合本项目的功能

17、要求进行复位电路的设计。复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RESET 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。复位电路如图 2.3 所示 图 2.3 复位电路2.4 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。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 。而在芯片外部和之间跨接晶体振荡器和微

18、调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为 12MHz 的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）5设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。需要注意的是：电路板时，为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近. 图 2.4 时钟电路2.5 电流电压检测

19、电路设计本设计要求温度在 0300 范围内，要是选用 8 位分辨率的 A/D 转换器不能满足要求，所以必须选择 12 位分辨率的 A/D 转换器。12 位分辨率的 A/D 转换器中本文使用的是美国美信公司生产的 MAX197.，MAX197 用标准微处理器接口,通过读写三态数据 I/ O 端口可以控制对数据总线的访问与释放。它是可程控多量程8 通道 12 位多路复用 A/ D 转换集成电路,具有 5MHz 的跟踪/保持带宽、 100kS/ s 的采样速率、可编程控制的内/外部时钟与采样模式、 8 + 4 位并行接口、三种电源关闭模式。 图 3.5 MAX197 引脚图C1CAPC2CAPY1C

20、RYSTALXTAL 2XTAL 1. 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）6MAX197 引脚功能：1.CLK 时钟输入。在内部时钟模式下,从该引脚接一 100pF 的电容可获得 1. 56MHz 内部时钟2. CS 片选,低电平有效3. WR 当 CS 为低电平时,在内部时钟模式下,WR 的上升沿将锁存设置并开始一个自动采集和转换周期,在外部时钟模式下,WR 处的第一个上升沿开始采集,第二个上升沿结束采集并进入转换周期4 .RD 当 CS 低电平时,RD 上的下降沿使数据处于数据总线上可被读取5. HBEN 用于 12 位转换结果的多路复用。当 HBEN 为低电平时

21、可读取结果的高 4 位,当为高电平时,可读取结果的低 8 位6. SHDN 设置电源关闭模式7 - 14 .D0 - D11 三态数字 I/ O 端口15 .AGND 模拟信号地16 23. CH0 - CH7 模拟信号输入通道24. INT 当转换结束且数据可被访问时为低电平25. REFADJ 带宽基准电压调整引脚。当 REF 引脚使用外部基准电压时直接接 VDD , 否则旁路一 0. 01 F 的电容26. REF 基准缓存输出和缓存输入引脚。在用内部基准电压时,基准缓存输出一 4. 096V 的名义电压,并可通过 REFADJ 引脚调整。在用外部基准电压时,则通过 REFADJ 直接接

22、 VDD 使基准缓存无效27 .VDD + 5V 电源28 .DGND 数字信号地 2.6 变压器油温检测电路设计变压器油内温度传感器的电阻值随温度的增加而增加是热电阻测温的原理特性。通常将热电阻放在电桥的桥臂上，温度变化时，它两端的电压信号被送到仪器放大器 LM741 的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给 MAX197A/D 转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图 3.2 所示。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）7图 3.6 温度检测电路2.7 瓦斯保护输出控制接口设计输出通道采用输出的驱动控制。它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷

23、化镓发光二极管，在 5-15mA 正向电流的作用下发出足够强度的红光外去触发输出部分；输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零出发器，在红外线的作用下，双向可控硅双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构（外部的双向可控硅） 。MOC3041 芯片是一种集成的带有光电耦合的双向可控硅驱动电路，它的内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零出发电路等器件。它组成的过零出发双向可控硅电路简单可靠，电路如图 3.3 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）8图 3.7 加热系统图2.8 报警电路设计设计 本设计采用 ACM 配电线路监控装置，ACM 监控装置和塑壳

24、断路器配合使用，塑壳断路器有单磁和热磁两种，单磁断路器只具有短路保护功能，无热过载保护，在这种情况下，线路中如有过载现象，断路器不会动作，ACM 监控装置会根据不同过载程度分别发出报警信号，提醒现场维护人员，也可远传至控制中心。热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有热过载保护，此时，ACM 监控装置仅可作为报警功能作用，当检测到电流达到设定阈值后，内部继电器动作。监控装置配套电流互感器使用 AKH-0.4 型号电流互感器，配电线路的额定电流为 3750A，互感器选用 AKH-0.4-10/0.4，该型号互感器监控装置最大可持续测量电流达到 1000A,因此装置最大可监测 4 倍的过载电流，对于需要

25、监测剩余电流回路的场合还需加装 AKH-0.4L 系列剩余电流互感器。如图 2.10 所示，当配电线路电流超过 1 段报警阈值时，继电器闭合，1 段报警输出，KA1 线圈得电，PGR 灯光报警；当负载程度增大，达到 2 段报警阈值时，继电器闭合，2 段报警输出，KA2 线圈得电，PG声报警。当按下声光报警解除按钮或负载电流降低后，报警状态解除 3.8 ACM 配电线路监控装置报警电路图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）92.9 TTU 与主站通信接口电路设计在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应用系统中应设有键盘，这些键包括数字

26、键、功能键和组合控制键等。这些键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。但是，这些开关绝不仅仅是简单的电平输入。当所设置的功能键或数字键按下时，单片机应用系统应完成该按键所设定的功能，因此，键盘信息输入是与软件结构密切相关的。对于任何一个单片机应用系统，键盘总要有其相应的接口电路与 CPU 相连，通过软件了解键盘输入的信息。 图 3.8 按键电路单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管）和 LCD（液晶显示器） 。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。随着电子技术的飞速发展，近年来，也开始出现有配置简易形式的 CRT 接口，以方便图形显示。 图 3.

27、10 LED 显示器电路LD1D22D13D34D05M6BI7a9a10a11d12e13f14g15MC14543abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEGP27WRP00P01P02P03 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）10 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）11第 3 章 TTU 软件设计3.1 软件实现功能综述本次设计的软件实现按键操作，如：设置参数的功能。但是最主要实现的功能为:对温度传感器测量的温度信号的放大与 A/D 转换，把转换好的数字量输入单片机，经过标度变换、显示码处理后将显示码送到

28、数码管上显示出来。同时，单片机对输入的数字量进行处理，经过 PID 控制算法对温度进行控制。为了能够实现上述功能，各功能程序需要实现模块化、子程序化，运行状态实现标志化合理，各个功能程序运行状态、运行结果及运行要求都需要设置状态标志，经过认真的分析和整理，把系统的程序划分为以下几个主要模块:1、初始化模块：通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。2、按键操作模块：该模块能够在系统一上电后就开始对键盘进行扫描，一旦在相应时刻检测到有键按下，就会相应转去执行处理程序，处理完毕后能够返回主程序。3、A/D 转换模块：把温度传

29、感器测量的温度信号经 MAX197 转换为数字量。4、标度变换：主要是把数字量转换为要显示的物理量。5、显示模块 ：该模块应能够把温度值进行准确显示，并且能显示温度上下限及各种参数。6、控制算法模块：采用 PID 控制算法对温度进行控制。除了上述功能以外，本着操作友好、功能齐全、安全可靠的设计原则。 3.2 流程图设计 3.1.1 主程序流程图设计主程序流程图如图3.2所示。根据保护现场单元设计要求，变电站进线电压为110kV，出线电压为35kV，变压器的容量为6000kVA，监测一回35kV出线，实时分析出线运行运行状态，故障时启动保护电路，并将故障信息上传主站，能接受主站发出的跳闸命令，所

30、以设计如下。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）12开始系统初始化否是继电保护装置线路采样符合要 求？主站系统出线回路 图 3.1 主程序流程图 3.1.2 电力参数检测流程图设计将交流和直流信号转换成数字信号，输入到主CPU上，并且通过信号的信息 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）13反应检测电路是否出现故障，对故障信息能够及时做出处理反应，是模拟量检测回路主要功能。显示模块是显示电流。 2) 晶振电路是给单片机提供时钟信号。 3) 复位电路的作用是使单片机的程序计数器清零。 4) 当电流超过允许电流时，由89C51单片机控制报警系统进行报

31、警。流程图如图3.2所示 YN图 3.2 控制器软件流程 3.1.3 通信流程图设计通信通道主要是将模拟量采集电路和电气设备状态检测电路采集的数据信息上传到TTU，为TTU判别线路运行状态以及识别故障提供依据，并将FTU下发的遥控遥调指令传送至电器开关设备，从而达到实时监测控制的目的。程序流程图如初始化A/D 转换是否有键值（数字键、功能键、组合控制键）的处理89C51 处理LED 显示对输入键值的处理 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）14开始计算和校验控制字是否相等令控制字=51H发出遥测信息令控制字=61H发出遥信信息令控制字=71H接受主站遥控信息结束图3.2模拟量检测流程图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）15第 4 章 系统设计与分析4.1 系