1、遼 寧 工 業 大 學配電系統及其自動化 課程設計論文題目： 10kV開閉所監測儀設計 院系： 專業班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 簽字起止時間：2021.11.30-2021.12.11 課程設計論文任務及評語院系： 教研室： 學 號 學生姓名 專業班級 設計題目 開閉所FTU設計課程設計論文任務該FTU實時監測10kV輸電線路的電流電壓以及有功等信息，并自動識別運行狀態，故障時及時將故障信息上傳給主站，并能接受主站遙控命令將故障區段隔離。設計背景：開閉所進線為10kV，出線為10kV，每條出線最大輸出容量2000kVA，實時在線監測開關運行狀態及出線電流電壓識別出線是否有故障，故

2、障時及時將故障信息上傳給主站，并接受和執行主站發出的遙控命令，斷開故障線路。設計內容：硬件電路設計：1. 最小系統設計包括CPU選擇，存儲器，晶振電路，復位電路2. 電流電壓檢測電路設計3. 電氣設備運行狀態檢測電路設計4. 電氣設備運行狀態控制電路設計5. FTU與主站通信接口設計6. 軟件設計程序流程圖和程序編寫及電流電壓有效值以及故障識別算法確定進度方案第1天 查閱收集資料第2天 總體設計方案確實定第3天 最小系統設計第4天 電流電壓檢測電路設計第5天 電氣設備運行狀態檢測電路設計第6天電氣設備運行狀態控制電路設計第7天 FTU與主站通信接口設計第8天 軟件設計第 9 天 設計說明書完成

3、第10天 辯論 指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 辯論： 總成績： 指 指導教師簽字： 年 月 日 注：成績：平時20% 論文質量60% 辯論20% 以百分制計算 摘 要電力系統由發電系統、輸電系統、配電系統構成。配電網自動化遠方終端FTU作為系統的獨立工作站點，是監測、監控及數據處理系統的終端單元，它是由大量的發電機、變壓器、電力線路和負荷等設備有機的構成，旨在生產、傳輸、分配、消費電能的各種電氣設備按照一定方式連接的整體，可以實現遠程數據采集、設備控制和測量、參數調節、信號報警以及與監控中心的遠程通信等功能。配電系統和輸電系統，實際是按其實現的功能劃分的。通常按輸電系統的降壓開閉所中

4、主變中壓側來劃分，高壓側斷路器及其連接的系統為輸電系統，另一側為配電系統。本設計中的FTU主要實現配電開閉所遙測、遙信、遙控、遙調等四遙功能，并將所遙測的電流電壓信息及時上傳給主站，并能接受主站命令，實現遙控遙調功能。結合FTU在開閉所中的實際應用功能，對開閉所中特征電參量的采集計算方法進行分析，并分別對交流測控FTU的總體方案、硬件電路設計和軟件設計進行了詳細的探討研究。關鍵詞：FTU；開閉所；遙測；遙信；遙控；遙調 目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc311905810 第1章 緒論 PAGEREF _Toc311905810 h 1 HYPERLINK

5、 l _Toc311905811 1.1 FTU綜述 PAGEREF _Toc311905811 h 1 HYPERLINK l _Toc311905812 本文研究內容 PAGEREF _Toc311905812 h 1 HYPERLINK l _Toc311905813 第2章FTU硬件設計 PAGEREF _Toc311905813 h 3 HYPERLINK l _Toc311905814 電氣主接線圖 PAGEREF _Toc311905814 h 3 HYPERLINK l _Toc311905815 FTU總體設計方案2 HYPERLINK l _Toc311905816 FTU

6、控制核心模塊設計3 HYPERLINK l _Toc311905817 2.3.1 CPU的選擇4 HYPERLINK l _Toc311905818 復位電路設計5 HYPERLINK l _Toc311905819 時鐘電路設計6 HYPERLINK l _Toc311905820 2.3.4 FTU控制核心模塊原題圖7 HYPERLINK l _Toc311905821 電流電壓檢測電路設計7 HYPERLINK l _Toc311905822 電氣設備運行狀態檢測電路設計8 HYPERLINK l _Toc311905823 電氣設備運行狀態控制電路設計9 HYPERLINK l _T

7、oc311905824 2.7 FTU與主站通信接口電路設計10 HYPERLINK l _Toc311905825 第3章FTU軟件設計11 HYPERLINK l _Toc311905826 軟件實現功能綜述12 HYPERLINK l _Toc311905828 3.2 流程圖設計13 HYPERLINK l _Toc311905829 3.2.1 主程序流程圖設計14 HYPERLINK l _Toc311905830 3.2.2 模擬量檢測流程圖設計15 HYPERLINK l _Toc311905831 3.2.3 通信流程圖設計16 HYPERLINK l _Toc3119058

8、28 3.3 程序設計17 HYPERLINK l _Toc311905832 第4章 系統設計與分析18 HYPERLINK l _Toc311905833 系統原理圖19 HYPERLINK l _Toc311905834 系統原理綜述20 HYPERLINK l _Toc311905835 第5章 課程設計總結21 HYPERLINK l _Toc311905836 參考文獻22緒論FTU綜述配電網自動化，是一個涵蓋面廣、用于管理與運行配電網的綜合自動化系統，包含了配電網中的變電站、饋線網絡、及用戶管理、監控、優化運行等功能的系統。開閉所在電能的生產、傳輸、應用過程中，占有非常重要的地位

9、，因此，開閉所自動化系統在開閉所的改造和新建中得到了普遍的應用。配電網自動化遠方終端FTU是用于配電網饋線回路的各種饋線遠方終端、配電變壓器遠方終端以及中壓監控單元配電自動化及管理系統子站等設備的統稱。采用通信通道完成數據采集和遠方控制功能。開閉所自動化的FTU直接監測和控制開閉所的一次設備，它具有監測量大，工作環境惡劣，要求可靠性高等特點，隨著技術的進步及開閉所自動化系統本身開展的需要，現有的FTU用交直流實時采樣和計算代替了傳統的變送器的測量方式，測量精度和可靠性方面都有根本性的提高；現有的FTU還采用少量的通信電纜(或光纜)取代了大量的信號電纜，控制室內和現場之間的聯系變成了通信聯系，這

10、樣不僅節約了電纜和用地，還大大減少了施工、安裝和調試的工作量，提高了可靠性和可維護性，但同時對系統裝置的通信方式提出了更高的要求。FTU體積小、數量多，可安置在戶外饋線上，設有變送器，直接交流采樣，抗高溫，耐嚴寒，適應戶外惡劣的環境；RTU采集的數據量小，通信速率要求較低，可靠性要求較高；而FTU采集的數據量大，通信速率較高，可靠性要求高，有專用通道。根據實際情況調整運行方式，因此實時地獲取系統運行的各種參數及運行狀態，對運行人員及時準確地了解系統的運行狀態，以及進一步的決策是至關重要的，而這一切的實現就依賴于電力系統測控裝置對各種數據的采集與處理。本文研究內容本設計中，配電變電所進線為10k

11、V，出線為10kV，每條輸電線路最大輸出功率為2000kVA，該FTU輸出線路的電流電壓以及線路上斷路器隔離開關的運行狀態，并將電流電壓的有效值上傳給主站，同時能接受主站發出的遙控遙調等開關量輸出命令，實現遙控遙調功能。電氣設備和系統運行參數的采集和監控系統是開閉所自動化監控系統的核心組成局部，而遠方終端設備FTU是開閉所系統的根本組成單元，負責采集開閉所中各電力設備和系統運行工況的模擬量和狀態量，通過監測信號模塊將這些數據的實時動態傳輸給集控中心，并將集控中心的控制和調度命令反送給開閉所。因此，本設計中的FTU主要實現配電變電所遙測、遙信、遙控、搖調的四遙功能，即將所遙測的電流電壓信息及時上

12、傳給主站，并能接受主站命令，實現遙控遙調功能。具體設計內容如下：1. 最小系統設計包括CPU選擇，時鐘電路，復位電路，通信接口電路2. 電流電壓檢測電路設計3. 電氣設備運行狀態檢測電路設計4. 電氣設備運行狀態控制電路設計5. FTU與主站通信接口設計FTU硬件設計 電氣主接線圖單電源供電方式運行時，Q1、Q3閉合，Q2翻開；假設主電源S1故障，那么分段器S1跳開，隔離故障，所有負荷停電；備用電源S2是否正常，假設S2也無電那么等待主電源S1來電，假設S2正常分段器S2因有電壓差而閉合實現自投，所有負荷經過短時停電后轉由S2供電。雙電源正常運行時Q1閉合、Q2閉合、Q3翻開；假設S1故障，Q

13、1跳開隔離故障，分段器S1斷開，S1所在母線上負荷停電；分段器S3因有電壓差而閉合實現備自投，如下圖。電源進線S1 電源進線S2 TV2QS11QS21 TV1QF22QF12 Q2Q1分段器S2分段器S1 TA2Q3 TA1QF2QF1 10kv 10kvQS1分段器S3QS2TV3TV4 出線 出線圖2.1 FTU電氣主接線圖FTU總體設計方案當線路發生故障時快速切斷故障區段對非故障區段及早恢復供電提高供電的可靠性，由于單片機存儲不能滿足實際的要求所以要外加個外部數據存儲和數據存儲器用以儲存數據采集模塊傳來的重要數據信息。本FTU總體設計方案以CPU為核心，外加模擬量輸入模塊及A/D轉換器

14、，它的功能主要將線路中的電壓電流信號的采集來轉換成單片機可以識別的數字信號。CPU模擬量輸入開關量輸入程序存儲器數據存儲器A/D開關量輸出通信接口人機對話接口圖2.2 FTU總體設計方案框圖通信接口主要負責與主機的通信將檢測到的一些數據及時送到主站。開關量輸入模塊和開關量輸出模塊主要是檢測線路上斷路器、隔離開關的狀態，完成斷路器、隔離開關的投切。人機對話模塊主要是向系統輸入一些命令或數據來控制FTU的設置模式和設置狀態信息等。FTU控制核心模塊設計 CPU的選擇89C51是面向八位的CPU，它的價格低廉，工作可靠，另外擴展功能也很強，89C51采用電擦除和電寫入，擦寫方便，保密性能好，因此作為

15、此次設計的首選CPU。89C51有40個引腳，其中是接地端，是電源端接+5V電源，外界晶體引腳XTAL1和XTAL2接時鐘電路，RST是復位信號輸入端，在此引腳上出現兩個時鐘周期以上的高電平就能讓單片機有效復位。P0口接地址鎖存器，是片內片外ROM選擇端，是外部ROM的讀選通信號，是讀允許信號，是寫允許信號，引腳結構圖如圖2.3所示。圖2.3 89C51引腳結構圖復位電路設計單片機的復位都是靠外部復位電路來實現得，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RESET引腳上出現24個時鐘振蕩周期以上的高電平，單片機就能實現復位。為了保證系統可靠復位，在設計復位電路時，一般使RESET引腳保持10ms以上的

16、高電平，單片機便可以可靠地復位。由于FTU在惡劣的溫度和濕度環境工作，為了保證它能平安可靠的工作所以得設計個復位電路以便在CPU處于死機的狀態下能及早復位，本次設計采用看門狗復位電路，利用電容的充電來實現。當加電時，電容C充電，電路有電流流過，構成回路，在電阻R上產生壓降，RESET引腳為高電平；當電容C充滿電后，電路相當于斷開，RESET的電位與地相同，復位結束。充電的時間決定了復位的時間。此外，還可以通過按鍵實現復位，按下鍵后，通過和構成回路，使RESET端產生高電平。按鍵的時間決定了復位的時間，如圖2.4所示。圖2.4復位電路時鐘電路設計時鐘信號可以由兩種方式產生：內部時鐘方式和外部時鐘

17、方式。時鐘電路用于產生單片機工作所需的時鐘信號。電路如圖2.5所示。圖2.5時鐘電路圖89C51內部有一個高增益反向放大器，用于構成片內振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩定的自激振蕩器，其發出的脈沖直接送入內部時鐘發生器。、可穩定頻率并對振蕩頻率有微調作用，值選擇30pF。本設計采用內部時鐘方式，內部時鐘發生器實質上是一個二分頻的觸發器，其輸出是單片機所需的時鐘信號。FTU控制核心模塊原題圖FTU具有電流電壓采集記錄等功能，89C51內部的數據存儲器的存儲空間比擬小不能儲存大量的電流電壓信息，所以要外擴

18、一個數據存儲器。由于FTU 主要在潮濕高溫等惡劣環境下工作，因此，需在核心模塊中加一個復位電路以便在CPU發生死機的情況下能迅速復位。CPU正常工作需要定時恒頻率的脈沖，所以需要外加個晶振電路根據上文所述，將所選擇的CPU、數據存儲器擴展電路、時鐘電路和復位電路等連接在一起從而構成完整的FTU控制核心模塊，如圖2.6所示。圖2.6 FTU控制核心模塊原理圖電流電壓檢測電路設計根據本設計的要求可知，選用兩片A/D MAX197轉換器即可滿足本次設計的需要。在數據采集系統中，A/D轉換的速度和精度又決定了采集系統的速度和精度。MAX197是具有12位測量精度的高速A/D轉換芯片，只需單一電源供電，

19、且轉換時間很短，約為6us，具有8路模擬轉換通道和12位的A/D轉換其轉換精度，還提供了標準的并行接口，為8位三態數據I/O口，可以和大局部單片機直接接口，使用十分方便。由于計算機在任一時刻只能接收一路模擬量信號的采集輸入，當有多路模擬量信號時需通過模擬轉換開關，按一定順序選取其中一路進行采集。當需要對多個模擬量進行模數變換時，由于A/D轉換器的價格較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設置一個A/D，而是多路輸入模擬量共用一個A/D，中間經過多路轉換開關切換。本設計中，配電變電所進線為10kV，出線為10kV，每條輸電線路最大輸出功率為2000kVA，該FTU輸出線路的電流電壓以及線路上斷路器隔離

20、開關的運行狀態，如上所述，可以確定模擬量檢測的路數為12路，分別為6路電壓信號和6路電流信號，如圖2.7所示。圖2.7 模擬量檢測電路圖電氣設備運行狀態檢測電路設計本次設計主要研究的是FTU輸出線路的電流、電壓以及線路上斷路器隔離開關的運行狀態，所以檢測電氣設備的臺數為4臺，開關量輸入4路。因此，選擇89C51單片機的P1口作為四路開關量的輸入接口，采用光電耦隔離措施來排除輸入開關量采樣過程中干擾信號的影響。當有遙信信號時光耦二極管發光，并且光耦合器導通使單片機的輸入端變成低電平，單片機接受遙信信號。具體的電氣設備運行狀態檢測電路，如下圖。圖2.8 電氣設備運行狀態檢測電路圖電氣設備運行狀態控

21、制電路設計選擇89C51的PA3口作為六路開關量的輸出口。因此，當PA3口為高電平時經緩沖器反向輸出為低電平使繼電器導通，繼電開關動作，ZJ帶電使其觸電閉合輸出遙控信號。根據電氣主接線圖和監測回路中的斷路器和隔離開關的個數可以確定，所搖控電氣設備的臺數為4臺，開關量控制輸出為6路。由單片機的I/O口輸出到驅動芯片以驅動繼電器，為了防止繼電器誤動，需要對驅動信號加以互鎖，由于單片機I/O口提供的電流太小，不能直接驅動繼電器。因此，在電氣設備動作控制電路中應采用繼電器隔離來隔離強弱電。具體電路如下圖。圖2.9 電氣設備動作控制電路圖FTU與主站通信接口電路設計本設計采用RS485接口電路來實現FT

22、U與主站間的通信，FTU能將監測到的電流電壓信號及時上傳到主站，同時利用單片機實現與監控控制中心計算機的雙向數據通信, 使得FTU單元將多種測量結果數據轉換為協議所規定的格式, 并及時送往主站控制中心，如圖0所示。0 RS485接口電路圖FTU軟件設計軟件實現功能綜述軟件系統在硬件資源的根底上, 采用模塊化結構, 利用89C51單片機語言編程，在完成系統功能要求的前提下, 力求程序結構簡煉、擴充容易、修改方便。FTU的軟件功能包括交流電壓、電流信號的高速實時采樣和有效值計算，有功、無功、功率因數計算，各交流量的高次諧波分量及諧波總量計算，遙信量的采集及上送，遙控返校及執行等諸多功能。采集交流電

23、壓，實現對電壓、有功功率、無功功率的測量，并有互感器的異常報警。能夠存儲頂點的電流量并按照召喚向子站或主站傳送。接受并執行對時命令。具有與兩個及以上主站通信的功能采集事件順序記錄并向遠方傳送。具有設備自診斷或遠方診斷。具有通道監視功能。具有當地顯示功能。采集電能表脈沖或多功能表數據?？删哂欣^電保護和重合閘功能。流程圖設計主程序流程圖設計本設計中用單片機實現與監控控制中心計算機的雙向數據通信，使得FTU單元將多種測量結果數據轉換成協議所規定的格式，并及時送往控制中心。當單片機接收到外部中斷觸發信號之后，進行數據存儲，該中斷信號通過低電平觸發INT1引腳。如下圖。開始系統硬件初始化數據區初始化編程

24、數據讀入讀取上位機命令數據是否上傳 否是檢測通信緩沖區內容處理通信任務硬件自檢處理圖3.1 主程序流程圖模擬量檢測流程圖設計數據采集模塊軟件功能主要是通過編程實現現場交流信號和運行狀態等電參量數據的實時采集和處理。開閉所交流測控系統FTU信號數據采集模塊主要是對開閉所各現場信號進行實時動態采集，并將各類信號轉換成系統相應的特性電參量數據進行顯示，如下圖。開始初始化界面讀入模擬量電氣參數設定是電氣參數設定否電氣參數計算電參數的顯示、模擬、執行結束圖3.2 數據采集流程圖通信流程圖設計通信主控模塊軟件功能主要是通過編程構筑連接當地PC機以及開閉所遠程集控中心與各類現場單元信號測量模塊間數據通信的紐

25、帶。開閉所交流測控系統FTU系統通信主控模塊電路是配電網系統的通訊中轉站，主要與總線、PC機、疾控中心以及其他現場智能儀器儀表進行數據通訊，如下圖。開 始初始化進入界面參 數 設 定是參 數 設 定否通信狀態監測模塊執行通信任務是否處理影響通信任務否通信任務是否結束是結 束圖3.3 通信流程圖程序設計 根據各個程序流程圖，利用89C51單片機編程語言進行編程，程序清單如下：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 $定時器1中斷效勞程序如下：TIN: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中斷效勞程序如下：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 乙機接收程序如下： 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 $定時器1中斷效勞程序如下： REV1: CLR TR1 MOV TL1,0FDH MOV TH1,0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中斷效勞程序如下：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 系統設計與分析系統原理圖基于89C51單片機的配電網自動化遠方終端FTU的系統原理電路圖，如圖4.1所示。圖4.1 FTU系統原理電路圖系統原理綜述本次設計主要是基于89C51單片機的控制，通過軟件運算故障區段故障信息之后，向FTU發出遙控命令，利用斷路器、隔離開關的分斷與重

30、合功能將故障區段切除，對故障區段正常供電，完成FTU的四遙功能，即遙測、遙信、遙控和遙調功能。當線路發生故障時，FTU系統通過故障檢測記錄相關的故障測量信息和故障特征信息，并將這一信息及時地傳遞給主站，同時開關檢測電路將回路中的開關狀態再次通過通信通道上傳給主站。同時以FTU為研究對象，通過模擬量檢測電路實現對回路中的電流、電壓信號等信號進行實時檢測，然后將這些電參量通過RS485接口電路將檢測到的信號通及時上傳給主站，從而到達實時監控的功能。課程設計總結基于89C51單片機的開閉所遠方終端FTU系統在實際運行中具有抗干擾能力強、采集數據精確性可靠、工作穩定經濟等特點，在開閉所中具有較好的應用前景。該配電變電所進線為10kV，出線為 10kV，每條輸電線路最大輸出功率為2000kVA，該FTU輸出線路的電