电力系统远动原理实验报告

1、电力系统远动原理实验报告学 院 电气信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 年级 2011级 指导教师 陈实 教务处制表二一四年六月八日目录实验一 电力系统数据采集与实时监控实验 3一、实验目的3二 、原理与说明3三、实验项目与方法6四、实验步骤8五、实验分析12六、实验总结12实验二 远动系统通信规约实验13一、实验目的13二、原理与说明131.Modbus简介132.系统中开关量、模拟量地址17三、实验项目与方法181.监控系统通信实验182.通信协议解析实验21四、实验报告要求23五、思考题25附录：实验截图实验一 电力系统数据采集与实时监控实验一、实验目的1) 掌握组建

2、电网仿真实验系统的方法与步骤。2) 掌握数据采集和实时监控SCADA的作用、基本功能、实现原理和操作方法。3) 掌握表征发电厂和变电站当前运行状态的参数类型和特点、获取方式、表现形式。如母线电压、有功功率、无功功率、电流和开关状态等。4) 掌握厂站终端的结构、特点和主要功能。5) 掌握改变发电厂和变电站当前运行方式的控制命令信息的类型和特点、下发方式。二 、原理与说明电力系统是由许多发电厂、输电线路、变电站、配电线路和各种形式的负荷组成的。电力系统调度中心担负着整个电力网的调度任务，以实现电力系统的安全优质和经济运行的目标。电力系统调度中心必须具有两个功能：第一是与所辖电厂、变电站及上级调度等

3、进行测量读值、状态信息及控制信号的远距离、高可靠性的双向交换，简称为电力系统监控系统，即SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）；另一个是本身应具有的协调功能（安全监控及其它调度管理与计划等）。系统结构如图1-1。RTU结构及技术参数参照TQDM-II电力系统综合组态实验系统说明书。TQWR-II微机型RTU具有以下特点：1、标准的编程语言环境；2、极强的环境适应能力，工作温度-4070，环境湿度5%95%RH；3、极强的抗电磁干扰能力；4、丰富的通信接口、支持多种通信方式、通信距离长；5、大容量存储能力；1.通信接口两路RS485通信接口

4、，可分别响应主机召唤（任一时刻仅一个RS485接口响应主机通讯）。两路RS485通信接口都有防雷措施，输入输出之间有光电隔离器件进行隔离，以保证高质量的通讯传输。串口通讯初始默认波特率为9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验。2.调度系统“四遥”功能遥信：本终端有48路遥信输入接口，每一路的遥信输入信号都有防雷措施和光电隔离器件进行保护，保证系统的运行稳定。用于采集厂站设备运行状态等无源节点，并按规约传送给调度中心，包括：断路器和隔离刀闸的位置信号、继电保护和自动装置的位置信号、发电机和远动设备的运行状态等。遥测：本终端共有48路电压电流信号输入，用于采集变电所电压、电流、有功功率、无

5、功功率，功率因数等模拟信号。遥控：本终端有32路（对）遥控输出，用于执行调度中心改变设备运行状态的命令，如操作厂站各电压回路的断路器、投切补偿电容和电抗器、发电机组的启停等。为了保证终端遥控的准确性和寿命，本终端的遥控输出均采用松下的继电器。遥调：可以通过32路遥控输出对远程的设备进行远程调试；图1-1系统结构图3.实验装置发电机组控制屏G1变电站低压模拟屏三、实验项目与方法本实验采用2MF无穷大系统，一次接线图如图1-2。利用无穷大系统屏、系统升压屏、机组、机组控制屏、变压器屏、网络屏等构成电网供电系统，利用变电站低压模拟屏、负载屏等构成配电系统。图1-2中，断路器对应顺序为：断路器编号对应

6、位置断路器编号对应位置101无穷大系统屏122变压器T2高压侧103系统升压屏低压侧211网络屏1QF104系统升压屏高压侧212网络屏2QF1101#机组控制屏1QF213网络屏3QF111变压器T1低压侧214网络屏4QF112变压器T1高压侧215网络屏5QF1202#机组控制屏1QF216网络屏6QF121变压器T2低压侧图1-2 实验供电系统一次示意图注意：接线前务必断开所有电源以及无穷大系统出线开关。实验接线参照图1-3，接线步骤如下：A、接线屏上无穷大系统连接至升压变压器入端，升压变压器出端连接网络屏1QF入端，同时将网络屏3QF入端并入1QF入端；B、1QF出端连接至线路L1入

7、端，线路L1出端连接至2QF入端，2QF出端连接至5QF入端，5QF出端连接至线路L2入端，线路L2出端连接至6QF入端；C、6QF出端连接至线路4QF出端，3QF出端连接至L3入端，L3出端连接至4QF入端，4QF出端连接至6QF出端；D、接线屏上机组1连接至变压器T1入端，变压器T1出端连接网络屏5QF入端，同时机组2连接至变压器T2入端，变压器T2出端连接网络屏4QF出端；E、低压屏进线1连接至3QF入端，低压屏进线2连接至6QF出端；低压屏出线1连接至负载1，低压屏出线2连接至负载2；图1-3 实验供电系统一次接线图注意：接线完毕后务必多次检查连线是否正确，特别是相序和高低压不能出错。

8、四、实验步骤1.实验过程断路器216跳闸7断路器216合闸负载1 1QF 合闸负载1 1QF 跳闸2MF升压2MF降压PS增速与减速不能做2.事件记录3.报警信息 五、实验分析1. 远动调度自动化系统结构及功能：答：调度自动化系统，其基本结构包括控制中心主站系统、厂站端（RTU）和信点通道三大部分。根据所完成功能的不同，可以将此系统划分为信息采集和执行子系统、信息传输子系统、信息处理子系统和人机联系子系统。信息采集和执行子系统的基本功能是在各发电厂、变电所采集各种表征电力系统运行状态的实时信息，此外还负责接收和执行上级调度控制中心发出的操作、调下或控制命令。信息传输子系统为信息采集和执行子系统

9、和调度控制中心提供了信息交换的桥梁，其核心是数据通道，它经调制解调器与RTU及主站前置机相连。信息处理子系统是整个调度自动化系统的核心，以电子计算机为主要组成部分。该子系统包含大量的直接面向电网调度、运行人员的计算机应用软件，完成对采集到的信息的各种处理及分析计算，乃至实现对电力设备的自动控制与操作。人机联系子系统将传输到调度控制中心的各类信息进行加工处理，通过各种显示设备、打印设备和其他输出设备，为调度人员提供完整实用的电力系统实时信息。调度人员发出的遥控、遥调指令也通过此系统输入，传送给执行机构。2.分析遥控命令的下达方式，怎样进行遥控闭锁，保证系统运行的安全性？ 答：遥控命令分：自动和手

10、动，下达方式选择手动时，屏幕是只显示线路始末端跳闸，需要判断具体故障点；选择自动时，屏幕显示故障周围跳闸，可以更及时地跳开线路，减少停电时间。下达遥控命令时，仅仅依靠软件判断符合防误逻辑后，就直接出口，一般系统运行的安全性不是很高，但如果在遥控回路增加了电气闭锁硬接点，通过和遥控闭锁控制器相结合来解决集中控制中心、子站遥控操作的强制闭锁问题，就可以使系统的运行安全性提高。六、实验总结电网调度自动化系统是用来监控整个电网运行状态的，使调度人员可统观全局，运筹全网，有效地指挥电网安全、稳定和经济运行，是调度现代电网的重要手段。电网调度自动化系统对电力系统的安全经济运行起着不可或缺的作用。随着计算机

11、技术、网络和通信技术、数据库技术等的飞速发展和电力市场的要求以及国际标准的成熟完善，调度自动化系统正在朝着数字化、集成化、网格化、标准化、市场化、智能化的方向发展。电力系统是一个庞大复杂的系统，无论是信息的覆盖面、深度、广度等都是一般系统无法比拟的。电力系统每天都要产生大量的与电力系统运行状态有关的信息，要充分发挥现有设备的能力，必须能及时、准确地掌握这些信息并进行快速的处理与分析。 本次实验通过了解调度自动化系统对电力系统运行状态数据的管理功能及对其进行设计，让我对调度自动化中的数据管理功能有了更深的认识，包括它的组成部分及功能，激发了我对调度自动化课程的学习兴趣。总的来说，本次实验较为成功

12、，基本达到了预期的目的。实验二 远动系统通信规约实验一、实验目的1）掌握远动终端配置、结构、原理。2）掌握远动通信规约的定义。3）掌握modbus通信规约的格式。4）掌握modbus通信规约的传输过程。5）了解CRC校验的原理。6）了解通讯错误信息及数据的处理。二、原理与说明常用的远动通信规约有两种：基于串口通信的远动规约和基于网络通信的远动规约。基于串口通信的远动规约包括：CDT规约、SC1801规约、SERIESV(S5)规约、MODBUS规约、4F规约、101规约等。基于网络通信的远动规约包括:DL476-92规约、TASE.2规约、104规约等。1.Modbus简介串口通信中的modb

13、us规约是采用polling类型主从类型通信规约。1） modbus通讯数据（信息帧）格式数据格式：地址码功能码数据区错误校检数据长度：1字节1字节N字节16位CRC码（冗余循环码） 2）modbus通讯信息传输过程：当通讯命令由发送设备（主机）发送至接收设备（从机）时，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。地址码： 地址码是每次通讯信息帧的第一字节（8位），从0到255。这个字节表明由用户设置地址

14、的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送信息。当从机回送信息时，回送数据均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机返回的地址码表明回送的从机地址。相应的地址码表明该信息来自于何处。功能码： 是每次通讯信息帧传送的第二个字节。ModBus通讯规约可定义的功能码为1到127。本系统中用到其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机应执行什么动作。作为从机响应，从机返回的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机并且已进行相关的操作。 表2-1 MODBUS部分功能码功能码定 义操 作（二进制

15、）02读开关量输入读取开关量状态数据04读寄存器数据读取输入寄存器的数据05写开关量输出控制一路继电器“合/分”输出数据区：数据区包括需要由从机返送何种信息或执行什么动作。这些信息可以是数据（如：开关量输入/输出、模拟量输入/输出、寄存器等等）、参考地址等。例如，主机通过功能码04告诉从机返回寄存器的值（包含要读取寄存器的起始地址及读取寄存器的长度），则返回的数据包括寄存器的数据长度及数据内容。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同（应给出通讯信息表）。数据寄存器存储的各种模拟量都是16位（2字节）的二进制数据，并且高位在前； 下位机相应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区的

16、数据都是二个字节，并且高位在前。功能码3：读多路寄存器例如：主机要读取地址为01，起始地址为0116的3个从机寄存器数据。从机数据寄存器的地址和数据为：寄存器地址寄存器数据（16进制）01161784011717800118178A主机发送的报文格式：主机发送字节数发送的信息举例从机地址101 发送至地址为01的从机功能码104 读取寄存器起始地址20116 起始地址为0116数据长度30003 读取3个寄存器（共6个字节）CRC码2E5F3由主机计算得到CRC码从机响应返回的报文格式：从机响应字节数返回的信息举例从机地址101 来自从机01功能码104 读取寄存器读取字106 3个寄存器共6

17、个字节寄存器数据121784地址为0116内存的内容寄存器数据221780地址为0117内存的内容寄存器数据32178A 地址为0118内存的内容CRC码298E4 由从机计算得到CRC码功能码5：写开关量输出(遥控)例如：主机要控制从机地址为01，开关量地址为3的开关量闭合时，主机发送的报文格式：主机发送字节数发送的信息举例从机地址101 发送至地址为01的从机功能码105 写开关量输出起始地址20003 地址为0003数据2FF00 闭合命令数据CRC码2由主机计算得到CRC码从机响应返回的报文格式：从机响应字节数返回的信息举例从机地址101 发送至地址为01的从机功能码105 写开关量输

18、出起始地址20003 起始地址为0116数据2FF00 闭合命令数据CRC码2由主机计算得到CRC码错误校验码（CRC校验）：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否正确。由于电子噪声或一些其它干扰，信息在传输过程中有时会发生错误，错误校验码（CRC）可以检验主机或从机在通讯数据传送过程中的信息是否有误，错误的数据可以放弃（无论是发送还是接收），这样增加了系统的安全和效率。MODBUS通讯协议的CRC（冗余循环码）包含2个字节，即16位二进制数。CRC码由发送设备（主机）计算，放置于发送信息帧的尾部。接收信息的设备（从机）再重新计算接收到信息的CRC，比较计算得到的CRC是否与接收到的相符，如

19、果两者不相符，则表明出错。4）CRC码的计算方法是： 1预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF（即全为1）；称此寄存器为 CRC寄存器；2把第一个8位二进制数据（既通讯信息帧的第一个字节）与16位的CRC 寄存器的低8位相异或，把结果放于CRC寄存器；3把CRC寄存器的内容右移一位（朝低位）用0填补最高位，并检查最 低位；4如果最低位为0：重复第3步（再次右移一位）；如果最低位为1： CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001） 进行异或；5重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；6重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理；7最后得到

20、的CRC寄存器内容即为：CRC码。5）通讯错误信息及数据的处理： 当从机检测到除了CRC码出错以外的错误时，必须向主机回送信息，功能码的最高位置为1，即从机返送给主机的功能码是在主机发送的功能码的基础上加128 。以下的这些代码表明有意外的错误发生。 从主机接收到的信息如有CRC错误，则将被从机忽略。 从机返送的错误码的格式如下（CRC码除外）： 地址码： 1字节 功能码： 1字节（最高位为1） 错误码： 1字节 CRC码：2字节。 从机响应回送如下错误码： 81非法的功能码。 接收到的功能码PDM表不支持。 82非法的数据位置。 指定的数据位置超出PDM表的范围。 83非法的数据值。 接收到

21、主机发送的数据值超出PDM相应地址的数据范围。 2.系统中开关量、模拟量地址本系统中的测控单元有3种：变电站RTU、机组控制的调速、励磁控制单元、无穷大电源侧的多功能电力仪表。每种其modbus地址映射是不一样的 表2-2 RTUmodbus地址映射表类型地址映射量备注遥信01-32断路器位置两位地址指示一个断路器遥测01UA02UB03UC72遥控01-32遥控断路器两位地址控制一个断路器 表2-3 调速装置modbus地址映射表类型地址映射量备注遥信0010断路器位置遥测0000转速遥控0000升速0001减速 表2-4 励磁装置modbus地址映射表类型地址映射量备注遥信0010断路器位

22、置遥测0000-0007电压、电流等遥控0000升压0001降压表2-5 多功能电力仪表modbus地址映射表类型地址映射量备注遥信311断路器位置DI Bit0-3遥测10-257参照电力仪表使用手册遥控3101-4号继电器DO Bit0-3三、实验项目与方法1.监控系统通信实验点击工作站管理（图2-3）中的通道监控，弹出【系统通讯控制】界面如图2-4，通讯子系统栏选择：MDBCOMM；图中标示出两个通讯端口CHNL-1和CHNL-2，状态SCAN表示该通道打开，绿色表示该通道工作正常、红色表示该通道故障；状态SCANOFF表示该通道关闭。同时后面还列出各个通道所用端口、RTU数量、响应时间

23、、波特率、规约等。图2-3工作站管理观察并记录图2-4中各通道数据，分析掌握各通讯端口终端名称、位置。图2-4 系统通讯控制界面点击系统通讯控制界面子界面【RTU/PLC通讯】，进入图2-5界面，通讯子系统栏选择：MDBCOMM；图2-5 RTU/PLC通讯这里显示单个终端（RTU）状态，观察各终端状态，掌握各终端地址。RTU名称定义及所在位置如下表。ID（设备地址）RTU名称RTU位置设备端口默认状态1WL1网络屏（断路器）RTUCOM1开2WL2网络屏（线路）RTUCOM1开3GY3高压屏RTU1COM1开4GY4高压屏RTU2COM1开5DY1低压屏RTU1COM1开6DY2低压屏RTU

24、2COM1开7FZ1负载屏1 RTUCOM1开8FZ2负载屏2 RTUCOM1开9FZDB1负载屏1 网络表计COM1开10FZDB2负载屏2 网络表计COM1开11BYQDB1变压器屏 网络表计1COM1开12BYQDB2变压器屏 网络表计2COM1开13BYQDB3变压器屏 网络表计3COM1开14BYQDB4变压器屏 网络表计4COM1开15SYDB1系统升压屏 网络表计1COM1开16SYDB2系统升压屏 网络表计2COM1开17WQDDB1无穷大系统屏 网络表计COM1开18TY1机组1 励磁装置COM2开19TY2机组2 励磁装置COM2开20TY3预留COM2关21TS1机组1

25、调速装置COM2开22TS2机组2 调速装置COM2开23TS3预留COM2关24TQ1机组1 同期装置COM2关25TQ2机组2 同期装置COM2关26TQ3预留COM2关点击系统通讯控制界面子界面【RTU/PLC故障诊断】，进入图2-6界面，通讯子系统栏选择：MDBCOMM；图2-6 RTU/PLC故障诊断界面在【RTU/PLC选择】框中选择需要观察的终端（RTU），系统将在【RTU/PLC通讯状况】框中显示所选择的终端通讯状态；观察各终端通讯状态。点击【显示通讯数据】，在下方输出数据（下行）和输入数据框（上行）中将显示该终端的命令下发以及数据返回，整个通讯遵循MODBUS规约；记录终端命

26、令下发数据以及返回数据，用于通讯协议解析。若弹出“通讯控制程序确认窗口”，显示“通讯数据监视缓冲区已被占用，需要强行取代吗？”时，表明其它工作站正占用缓冲区显示通讯数据，请确认其它工作站已完成显示工作后，选择强行取代选项，则可取回显示权，并显示通讯数据。通讯数据显示后，点击【退出通讯显示】，释放显示权，记录并分析解析通讯数据。2.通信协议解析实验 1）遥控开关212分、合闸，利用系统通讯控制观察记录下行和上行的数据入下表，并解析说明。下行数据上行数据解析 2）利用系统通讯控制，获取低压屏RTU的模拟量数据，解析电压、有功功率、无功功率和功率因数等模拟量。下行数据上行数据解析值3）利用系统通讯控

27、制，获取网络屏RTU的模拟量数据，并解析其电压、有功功率、无功功率和功率因数等模拟量。下行数据上行数据解析值4）利用系统通讯控制，获取其它终端RTU（由同学自由选择）的模拟量和开关状态量数据，并加以解析。（负载屏1）下行数据上行数据解析值四、实验报告要求1.说明RTU终端的配置。答：远动终端：电网调度自动化系统中安装在发电厂、变电站的一种具有四遥远动功能的自动化设备。远动装置=远方终端=远动终端=RTU（Remote Terminal Unit）。 RTU在电网调度自动化系统中具有重要的作用。（系统结构：调度端SCADA/EMS远动信道厂站端RTU）RTU包括：开关量输入单元、开关量输出单元、

28、模拟量输入单元、模拟量输出单元、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、数字量输入单元。开关量输入单元：对现场各种开关信号的采集，现场信号可以是继电器触点开关（无源），也可以是电压信号，还可以是电流信号。由于采用光隔离器件，可以抵抗现场各种干扰，能够在强电场、强磁场、多尘埃、潮湿环境下正常工作。开关量输出单元：用于遥控远端设备的开停、声光、告警等。模拟量输入单元：采用模拟开关及光电隔离技术，将现场各种模拟信号采集进来，既可以是4-20mA、0-10mA标准模拟信号；也可以是非标准模拟信号，如交流220V等，A/D板采用智能A/D变换和利用软件技术，可抗工频50Hz干扰，射频干扰等，A/D变换精度高达1

29、4位。模拟量路路隔离，可以用于不同的地电位设备同时采集。模拟量输出单元：用于PID调节方式下的各种自控系统。脉冲量输入单元：采集脉冲信号的频率，带光隔。采集信号的频率范围为020MHz。数字量输入单元：接收各种串行数据信号。可以是RS485接口，RS232，RS422接口，或V11，V28等各种波特率下的异步串行数据。也可以采集64K同步数据。单CPU结构的RTU结构： 系统部分：CPU、总线、RAM、EPROM、定时器/记数器、中断控制器、串行通信接口等。 人机联系：打印机、显示器、键盘。 输入/输出电路（可编程接口芯片）：输入电路包括：YC、YX、DI、DD；输出包括：YK、YT 通过系统

30、总线连接。 软件组成： 主程序：系统初试化、人机联系等 中断服务程序：完成RTU输入/输出（时钟、A/D服务程序、通信发送/接收中断等）2.说明RTU终端通讯方式及规约。 Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(SchneiderAutomation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的串口链路RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的报文结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现