基于开闭所监测仪设计配电系统及自动化毕业论文设计

1、辽 宁 工 业 大 学配电系统及其自动化 课程设计论文题目： 10kV开闭所监测仪设计 院系： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 签字起止时间：2021.11.30-2021.12.11 课程设计论文任务及评语院系： 教研室： 学 号 学生姓名 专业班级 设计题目 开闭所FTU设计课程设计论文任务该FTU实时监测10kV输电线路的电流电压以及有功等信息，并自动识别运行状态，故障时及时将故障信息上传给主站，并能接受主站遥控命令将故障区段隔离。设计背景：开闭所进线为10kV，出线为10kV，每条出线最大输出容量2000kVA，实时在线监测开关运行状态及出线电流电压识别出线是否有故障，故

2、障时及时将故障信息上传给主站，并接受和执行主站发出的遥控命令，断开故障线路。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. FTU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方案第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案确实定第3天 最小系统设计第4天 电流电压检测电路设计第5天 电气设备运行状态检测电路设计第6天电气设备运行状态控制电路设计第7天 FTU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

3、第10天 辩论 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 辩论： 总成绩： 指 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 辩论20% 以百分制计算 摘 要电力系统由发电系统、输电系统、配电系统构成。配电网自动化远方终端FTU作为系统的独立工作站点，是监测、监控及数据处理系统的终端单元，它是由大量的发电机、变压器、电力线路和负荷等设备有机的构成，旨在生产、传输、分配、消费电能的各种电气设备按照一定方式连接的整体，可以实现远程数据采集、设备控制和测量、参数调节、信号报警以及与监控中心的远程通信等功能。配电系统和输电系统，实际是按其实现的功能划分的。通常按输电系统的降压开闭所中

4、主变中压侧来划分，高压侧断路器及其连接的系统为输电系统，另一侧为配电系统。本设计中的FTU主要实现配电开闭所遥测、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，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。结合FTU在开闭所中的实际应用功能，对开闭所中特征电参量的采集计算方法进行分析，并分别对交流测控FTU的总体方案、硬件电路设计和软件设计进行了详细的探讨研究。关键词：FTU；开闭所；遥测；遥信；遥控；遥调 目 录 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc311905810 第1章 绪论 PAGEREF _Toc311905810 h 1 HYPERLINK

5、 l _Toc311905811 1.1 FTU综述 PAGEREF _Toc311905811 h 1 HYPERLINK l _Toc311905812 本文研究内容 PAGEREF _Toc311905812 h 1 HYPERLINK l _Toc311905813 第2章FTU硬件设计 PAGEREF _Toc311905813 h 3 HYPERLINK l _Toc311905814 电气主接线图 PAGEREF _Toc311905814 h 3 HYPERLINK l _Toc311905815 FTU总体设计方案2 HYPERLINK l _Toc311905816 FTU

6、控制核心模块设计3 HYPERLINK l _Toc311905817 2.3.1 CPU的选择4 HYPERLINK l _Toc311905818 复位电路设计5 HYPERLINK l _Toc311905819 时钟电路设计6 HYPERLINK l _Toc311905820 2.3.4 FTU控制核心模块原题图7 HYPERLINK l _Toc311905821 电流电压检测电路设计7 HYPERLINK l _Toc311905822 电气设备运行状态检测电路设计8 HYPERLINK l _Toc311905823 电气设备运行状态控制电路设计9 HYPERLINK l _T

7、oc311905824 2.7 FTU与主站通信接口电路设计10 HYPERLINK l _Toc311905825 第3章FTU软件设计11 HYPERLINK l _Toc311905826 软件实现功能综述12 HYPERLINK l _Toc311905828 3.2 流程图设计13 HYPERLINK l _Toc311905829 3.2.1 主程序流程图设计14 HYPERLINK l _Toc311905830 3.2.2 模拟量检测流程图设计15 HYPERLINK l _Toc311905831 3.2.3 通信流程图设计16 HYPERLINK l _Toc3119058

8、28 3.3 程序设计17 HYPERLINK l _Toc311905832 第4章 系统设计与分析18 HYPERLINK l _Toc311905833 系统原理图19 HYPERLINK l _Toc311905834 系统原理综述20 HYPERLINK l _Toc311905835 第5章 课程设计总结21 HYPERLINK l _Toc311905836 参考文献22绪论FTU综述配电网自动化，是一个涵盖面广、用于管理与运行配电网的综合自动化系统，包含了配电网中的变电站、馈线网络、及用户管理、监控、优化运行等功能的系统。开闭所在电能的生产、传输、应用过程中，占有非常重要的地位

9、，因此，开闭所自动化系统在开闭所的改造和新建中得到了普遍的应用。配电网自动化远方终端FTU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。开闭所自动化的FTU直接监测和控制开闭所的一次设备，它具有监测量大，工作环境恶劣，要求可靠性高等特点，随着技术的进步及开闭所自动化系统本身开展的需要，现有的FTU用交直流实时采样和计算代替了传统的变送器的测量方式，测量精度和可靠性方面都有根本性的提高；现有的FTU还采用少量的通信电缆(或光缆)取代了大量的信号电缆，控制室内和现场之间的联系变成了通信联系，这

10、样不仅节约了电缆和用地，还大大减少了施工、安装和调试的工作量，提高了可靠性和可维护性，但同时对系统装置的通信方式提出了更高的要求。FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；RTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而FTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。根据实际情况调整运行方式，因此实时地获取系统运行的各种参数及运行状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态，以及进一步的决策是至关重要的，而这一切的实现就依赖于电力系统测控装置对各种数据的采集与处理。本文研究内容本设计中，配电变电所进线为10k

11、V，出线为10kV，每条输电线路最大输出功率为2000kVA，该FTU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，实现遥控遥调功能。电气设备和系统运行参数的采集和监控系统是开闭所自动化监控系统的核心组成局部，而远方终端设备FTU是开闭所系统的根本组成单元，负责采集开闭所中各电力设备和系统运行工况的模拟量和状态量，通过监测信号模块将这些数据的实时动态传输给集控中心，并将集控中心的控制和调度命令反送给开闭所。因此，本设计中的FTU主要实现配电变电所遥测、遥信、遥控、摇调的四遥功能，即将所遥测的电流电压信息及时上

12、传给主站，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。具体设计内容如下：1. 最小系统设计包括CPU选择，时钟电路，复位电路，通信接口电路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. FTU与主站通信接口设计FTU硬件设计 电气主接线图单电源供电方式运行时，Q1、Q3闭合，Q2翻开；假设主电源S1故障，那么分段器S1跳开，隔离故障，所有负荷停电；备用电源S2是否正常，假设S2也无电那么等待主电源S1来电，假设S2正常分段器S2因有电压差而闭合实现自投，所有负荷经过短时停电后转由S2供电。双电源正常运行时Q1闭合、Q2闭合、Q3翻开；假设S1故障，Q

13、1跳开隔离故障，分段器S1断开，S1所在母线上负荷停电；分段器S3因有电压差而闭合实现备自投，如下图。电源进线S1 电源进线S2 TV2QS11QS21 TV1QF22QF12 Q2Q1分段器S2分段器S1 TA2Q3 TA1QF2QF1 10kv 10kvQS1分段器S3QS2TV3TV4 出线 出线图2.1 FTU电气主接线图FTU总体设计方案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。本FTU总体设计方案以CPU为核心，外加模拟量输入模块及A/D转换器

14、，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。CPU模拟量输入开关量输入程序存储器数据存储器A/D开关量输出通信接口人机对话接口图2.2 FTU总体设计方案框图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。人机对话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控制FTU的设置模式和设置状态信息等。FTU控制核心模块设计 CPU的选择89C51是面向八位的CPU，它的价格低廉，工作可靠，另外扩展功能也很强，89C51采用电擦除和电写入，擦写方便，保密性能好，因此作为

15、此次设计的首选CPU。89C51有40个引脚，其中是接地端，是电源端接+5V电源，外界晶体引脚XTAL1和XTAL2接时钟电路，RST是复位信号输入端，在此引脚上出现两个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位。P0口接地址锁存器，是片内片外ROM选择端，是外部ROM的读选通信号，是读允许信号，是写允许信号，引脚结构图如图2.3所示。图2.3 89C51引脚结构图复位电路设计单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡周期以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的

16、高电平，单片机便可以可靠地复位。由于FTU在恶劣的温度和湿度环境工作，为了保证它能平安可靠的工作所以得设计个复位电路以便在CPU处于死机的状态下能及早复位，本次设计采用看门狗复位电路，利用电容的充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。充电的时间决定了复位的时间。此外，还可以通过按键实现复位，按下键后，通过和构成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间，如图2.4所示。图2.4复位电路时钟电路设计时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟

17、方式。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。电路如图2.5所示。图2.5时钟电路图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。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。FTU控制核心模块原题图FTU具有电流电压采集记录等功能，89C51内部的数据存储器的存储空间比拟小不能储存大量的电流电压信息，所以要外扩

18、一个数据存储器。由于FTU 主要在潮湿高温等恶劣环境下工作，因此，需在核心模块中加一个复位电路以便在CPU发生死机的情况下能迅速复位。CPU正常工作需要定时恒频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路根据上文所述，将所选择的CPU、数据存储器扩展电路、时钟电路和复位电路等连接在一起从而构成完整的FTU控制核心模块，如图2.6所示。图2.6 FTU控制核心模块原理图电流电压检测电路设计根据本设计的要求可知，选用两片A/D MAX197转换器即可满足本次设计的需要。在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197是具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，

19、且转换时间很短，约为6us，具有8路模拟转换通道和12位的A/D转换其转换精度，还提供了标准的并行接口，为8位三态数据I/O口，可以和大局部单片机直接接口，使用十分方便。由于计算机在任一时刻只能接收一路模拟量信号的采集输入，当有多路模拟量信号时需通过模拟转换开关，按一定顺序选取其中一路进行采集。当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于A/D转换器的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换。本设计中，配电变电所进线为10kV，出线为10kV，每条输电线路最大输出功率为2000kVA，该FTU输出线路的电流电压以及线路上断路器隔离

20、开关的运行状态，如上所述，可以确定模拟量检测的路数为12路，分别为6路电压信号和6路电流信号，如图2.7所示。图2.7 模拟量检测电路图电气设备运行状态检测电路设计本次设计主要研究的是FTU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，所以检测电气设备的台数为4台，开关量输入4路。因此，选择89C51单片机的P1口作为四路开关量的输入接口，采用光电耦隔离措施来排除输入开关量采样过程中干扰信号的影响。当有遥信信号时光耦二极管发光，并且光耦合器导通使单片机的输入端变成低电平，单片机接受遥信信号。具体的电气设备运行状态检测电路，如下图。图2.8 电气设备运行状态检测电路图电气设备运行状态控

21、制电路设计选择89C51的PA3口作为六路开关量的输出口。因此，当PA3口为高电平时经缓冲器反向输出为低电平使继电器导通，继电开关动作，ZJ带电使其触电闭合输出遥控信号。根据电气主接线图和监测回路中的断路器和隔离开关的个数可以确定，所摇控电气设备的台数为4台，开关量控制输出为6路。由单片机的I/O口输出到驱动芯片以驱动继电器，为了防止继电器误动，需要对驱动信号加以互锁，由于单片机I/O口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。因此，在电气设备动作控制电路中应采用继电器隔离来隔离强弱电。具体电路如下图。图2.9 电气设备动作控制电路图FTU与主站通信接口电路设计本设计采用RS485接口电路来实现FT

22、U与主站间的通信，FTU能将监测到的电流电压信号及时上传到主站，同时利用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信, 使得FTU单元将多种测量结果数据转换为协议所规定的格式, 并及时送往主站控制中心，如图0所示。0 RS485接口电路图FTU软件设计软件实现功能综述软件系统在硬件资源的根底上, 采用模块化结构, 利用89C51单片机语言编程，在完成系统功能要求的前提下, 力求程序结构简炼、扩充容易、修改方便。FTU的软件功能包括交流电压、电流信号的高速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算，各交流量的高次谐波分量及谐波总量计算，遥信量的采集及上送，遥控返校及执行等诸多功能。采集交流电

23、压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量，并有互感器的异常报警。能够存储顶点的电流量并按照召唤向子站或主站传送。接受并执行对时命令。具有与两个及以上主站通信的功能采集事件顺序记录并向远方传送。具有设备自诊断或远方诊断。具有通道监视功能。具有当地显示功能。采集电能表脉冲或多功能表数据。可具有继电保护和重合闸功能。流程图设计主程序流程图设计本设计中用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信，使得FTU单元将多种测量结果数据转换成协议所规定的格式，并及时送往控制中心。当单片机接收到外部中断触发信号之后，进行数据存储，该中断信号通过低电平触发INT1引脚。如下图。开始系统硬件初始化数据区初始化编程

24、数据读入读取上位机命令数据是否上传 否是检测通信缓冲区内容处理通信任务硬件自检处理图3.1 主程序流程图模拟量检测流程图设计数据采集模块软件功能主要是通过编程实现现场交流信号和运行状态等电参量数据的实时采集和处理。开闭所交流测控系统FTU信号数据采集模块主要是对开闭所各现场信号进行实时动态采集，并将各类信号转换成系统相应的特性电参量数据进行显示，如下图。开始初始化界面读入模拟量电气参数设定是电气参数设定否电气参数计算电参数的显示、模拟、执行结束图3.2 数据采集流程图通信流程图设计通信主控模块软件功能主要是通过编程构筑连接当地PC机以及开闭所远程集控中心与各类现场单元信号测量模块间数据通信的纽

25、带。开闭所交流测控系统FTU系统通信主控模块电路是配电网系统的通讯中转站，主要与总线、PC机、疾控中心以及其他现场智能仪器仪表进行数据通讯，如下图。开 始初始化进入界面参 数 设 定是参 数 设 定否通信状态监测模块执行通信任务是否处理影响通信任务否通信任务是否结束是结 束图3.3 通信流程图程序设计 根据各个程序流程图，利用89C51单片机编程语言进行编程，程序清单如下：ORG 2000HTAN: MOV TMOD,#10H MOV TL1, #0FDH MOV TH1,#0FDH SETB EA SETB ET1 CLR ES SETB PT1 CLR PS SETB TR1 CLR TI

26、 MOV SCON,#40H MOV SBUF,78H JNB TI, $ CLR TI MOV SUBF,77H JNB TI, $ CLR TI MOV SUBF,76H JNB TI, $CLR TI MOV SUBF,75H SETB ESSJMP $定时器1中断效劳程序如下：TIN: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中断效劳程序如下：ESS: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV DPH,78H MOV DPL,77H MOVX A,DPTR CLR TI MOV SBUF,A MOV A,

27、DPH CJNE A,76H,ENI MOV A,DPL CJNE A,75H,EN1 CLR ES CLR ET1 CLR TRIESC: POP ACC POP DPH POP DPL RETI EN1: INC 77H MOV A,77H JNZ EN2 INC 78H EN2: SJMP ESC 乙机接收程序如下： ORG 2000HREV: MOV TMOD,#10H MOV TL1, #0FDH MOV TH1,#0FDH SETB EA SETB ET1 SETB ES SETB PT1 CLR PS SETB TR1 MOV SCON,#50H CLR B.0 MOV 70H,

28、#78HSJMP $定时器1中断效劳程序如下： REV1: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中断效劳程序如下：ESS: PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV A,R0 PUSH ACCJB B.0,DA0 MOV R0,70HMOV A,SBUF MOV R0,A DEC 70H CLR RI MOV A,#74HCJNE A,70H,DA2 SETB B.0 DA2: POP ACC MOV R0,APOP ACCPOP DPHPOP DPLRETIDA0: MOV DPH,78H MOV DPL,

29、77HMOV A,SBUF MOVX DPTR,ACLR RIINC 77H MOV A,77H JNZ DA3 INC 78H DA3: MOV A,76HCJNE A78H,DA2 MOV A,75HCJNE A,77H,DA2CLR ES CLR ET1 CLR TR1 SETB PSW.5 AJMP DA2END 系统设计与分析系统原理图基于89C51单片机的配电网自动化远方终端FTU的系统原理电路图，如图4.1所示。图4.1 FTU系统原理电路图系统原理综述本次设计主要是基于89C51单片机的控制，通过软件运算故障区段故障信息之后，向FTU发出遥控命令，利用断路器、隔离开关的分断与重

30、合功能将故障区段切除，对故障区段正常供电，完成FTU的四遥功能，即遥测、遥信、遥控和遥调功能。当线路发生故障时，FTU系统通过故障检测记录相关的故障测量信息和故障特征信息，并将这一信息及时地传递给主站，同时开关检测电路将回路中的开关状态再次通过通信通道上传给主站。同时以FTU为研究对象，通过模拟量检测电路实现对回路中的电流、电压信号等信号进行实时检测，然后将这些电参量通过RS485接口电路将检测到的信号通及时上传给主站，从而到达实时监控的功能。课程设计总结基于89C51单片机的开闭所远方终端FTU系统在实际运行中具有抗干扰能力强、采集数据精确性可靠、工作稳定经济等特点，在开闭所中具有较好的应用前景。该配电变电所进线为10kV，出线为 10kV，每条输电线路最大输出功率为2000kVA，该FTU输出线路的电