分散式变电站自动化系统监控现场单元的设计论文.doc

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： 分散式变电站自动化系统监控现场单元的设分散式变电站自动化系统监控现场单元的设 计计 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： 1 1 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） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号121806002学生姓名李博伦 专业班级电气（光伏）121 设计题目分散式变电站自动化系统监控现场单元的设计 课程设计（论文）任务 该现场单元的基本功能实现遥测、遥信、遥控等功能，且该监控现场单元与主站通信方 式采用 rs485 通信形式。 设计背景：设计背景：变电站进线电压为 110kv，出线电压为 35kv，变压器的容量为 6000kva， 监测变压器的输出功率和两回 35kv 出线，实时监测线路上断路器和隔离开关状态，并将要 的信息上传主站，可以接受主站发出的遥控遥调命令。 设计内容：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.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 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 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 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 变电站的主要功能是变换电压等级、汇集配送电能，是电力系统的一个重 要环节，随着21世纪的到来，飞速发展的的计算机技术和自控技术使得传统的 二次设备将被综合自动化系统替代，无人值守变电站成必然趋势，变电站自动 化自20世纪90年代以来一直是我国电力行业中的热点之一，根据电网技术发展 要求和市场经济的规律，变电站综合自动化有着飞速的发展速度和广阔的发展 空间。基于internet技术的和面向对象的分层通信、分散布置的变电站综合自动 化技术成为当今该领域的先进代表。在分散式变电站自动化系统中，特点之一 就是以一次设备为单元，在一次设备现场设置监控和保护的现场输入输出单元， 现场单元可以是监控和保护二合一装置，也可以保持相互独立。 本此设计对分散式变电站自动化系统保护现场单元进行设计及分析，本次 设计包含了保护现场单元控制核心模块设计和其与电力参数、电气设备以及主 站通讯等等的配合，还有保护现场单元中的软件设计，使分散式变电站自动化 监控现场模块得以实现，以此来说明分散式变电站在现代变电站综合自动化中 的重要作用及对未来变电站综合自动化的发展趋势的影响。 关键词：变电站自动化；分散式变电站；保护现场单元；综合自动化。 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1 1 1.1 配电系统自动化概况 1 1.2 本文研究内容 1 第第 2 2 章章 保护现场单元硬件设计保护现场单元硬件设计3 3 2.1 电气主接线图 3 2.2 保护现场单元总体设计方案 4 2.3 保护现场单元控制核心模块设计 4 2.3.1 cpu 的选择 5 2.3.2 复位电路设计5 2.3.3 时钟电路设计6 2.3.4 保护现场单元控制核心模块6 2.4 保护现场单元电力参数检测电路设计 7 2.5 保护现场单元电气设备运行状态检测电路设计 8 2.6 保护现场单元电气设备运行状态控制电路设计 8 2.7 保护现场单元与主站通信接口电路设计 9 第第 3 3 章章 保护现场单元保护现场单元软件软件设计设计1010 3.1 软件实现功能综述 .10 3.2 算法综述 .10 3.3 流程图设计 .11 3.3.1 主程序流程图设计.11 3.3.2 电力参数检测流程图设计.11 3.3.3 通信流程图设计.12 第第 4 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析1414 4.1 系统原理图 .14 4.2 系统原理综述 .14 第第 5 5 章章 课程设计总结课程设计总结1616 参考文献参考文献1717 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 配电系统自动化概况 配电自动化技术是服务于城乡配电网改造建设的重要技术，配电自动化包括 馈线自动化和配电管理系统，通信技术是配电自动化的关键。目前，我国配电自 动化进行了较多试点，由配电主站、子站和馈线终端构成的三层结构已得到普遍 认可，光纤通信作为主干网的通信方式也得到共识。馈线自动化的实现也完全能 够建立在光纤通信的基础上，这使得馈线终端能够快速地彼此通信，共同实现具 有更高性能的馈线自动化功能。 配电自动化系统（das）是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协 调和操作配电设备的自动化系统；其内容包括配电网数据采集与监视（scada 系 统）、配电地理信息系统（gis）和需求侧管理(dsm）几个部分。配电系统自动 化中包括变电所中的继电保护，当地自动化装置，调度中心之变电所的监控和数 据收集系统，配电线自动化，用户自动化等内容。 20 世纪 50 年代以前，配电网变电所中除继电保护装置外，设备的运行，操 作和控制均由运行人员或值班人员来完成。之后逐渐发展出了一些自动化装置， 但设备的运行和抄表工作仍由人工来完成。50 年代后期，曾先后采用通过用电钟 式和简易数学式远动装置，实现对远方变电所进行遥信，遥控和遥测。70 年代， 随着计算机技术的飞速发展，配电网中也开始采用以计算机为基础，在调度中心 实现自动化，同时，自动化进一步推向配电线和用户，使配电系统自动化的功能 和覆盖范围更加全面。 1.2 本文研究内容 配电系统自动化是指以实时方式就地或远方对配电网进行数据收集，控制， 调节和事故处理的技术。其目的在于保证配电网安全经济运行，改善电压质量， 降低电能损耗，快熟处理事故，提高供电可靠性。变电站自动化是将变电站中的 微机保护，微机监控等装置通过计算网络和现代通信技术集成为一体的自动化系 统。我国在经历了以 rtu 为基础的变电站自动化系统的第一阶段和集中式变电 站自动化系统的第二阶段后。90 年代中期，随着计算机技术，网络技术及通信技 术的飞速发展，同时结合变电站的实际情况，各类分散式变电站自动化纷纷研制 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 1 成功并投入运行，本文通过分散式变电站的自身特性，着重研究现场单元部件中 的保护部分，以及未来的发展趋势。 本次研究任务： 1. 实时分析出线运行运行状态； 2. 故障时启动保护电路； 3. 故障信息上传主站； 4. 接受主站发出的跳闸命令。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2 第 2 章 保护现场单元硬件设计 2.1 电气主接线图 主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电，以 及能应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部分设备检修或工作情况发生变 化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。在 扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。配电系统自动化在变电站中应用广 泛，根据设计要求，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，其电气主接线图如图 2.1 所示。 图 2.1 电气主接线图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 3 2.2 保护现场单元总体设计方案 因为根据安装单位的继电保护装置需要完成保护功能和接受和执行保护定值 修改，所以需要设置保护现场单元，其总体设计框图如图 2.2 所示。 图 2.2 保护现场单元总体设计框图 2.3 保护现场单元控制核心模块设计 现场智能控制模块以单片机为核心处理器来实现控制功能，并且由复位电路 及时钟电路组成，当主站计算机系统发出修改指令后，cpu 按照指令来执行相应 的动作，达到遥控功能的目的。 模拟 量输 入 a/d 转换 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） 4 2.3.1 cpu 的选择 cpu 可以选用 at89c51 单片机芯片来构成，也可以由 plc 可编程控制器来 代替，本文研究内容主要以 at89c51 单片机芯片为例，所以选用 at89c51 单片 机芯片，其电路图如图 2.3 所示，为双列直插式，由 40 引脚组成。 图 2.3 at89c51 芯片电路图 2.3.2 复位电路设计 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后， 撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以 防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位，当主站计算机系统发 出整定命令后，89c51 芯片需要进行复位过程，重新输入整定值，复位电路可以 完成动作的整定和停止，其电路图如图 2.4 所示。采用电容与开关并联，再与电 阻串联的方式，接 at89c51 芯片的第九引脚。 图 2.4 复位电路图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 5 2.3.3 时钟电路设计 时钟电路用于产生 at89c51 单片机工作时所必须的时钟控制信号，89c51 单 片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时， cpu 首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时序电路 产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。在接受主站计算机系统发出的延 时命令后，核心芯片要根据给定的数值来进行延时动作，时钟电路图如图 2.5 所 示，设计采用双电容并联方式，图中晶振片的频率为 11.0592mhz。 图 2.5 时钟电路图 2.3.4 保护现场单元控制核心模块 由 at89c51 芯片，时钟电路，复位电路组成的保护现场单元控制核心模块， 如图 2.6 所示，复位电路接在 at89c51 的/ret 引脚。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 6 图 2.6 保护现场单元控制核心模块原理图 2.4 保护现场单元电力参数检测电路设计 保护现场单元模拟量检测回路要实现的软件功能是将线路中的电流信息通过 电流检测模块传送给 at89c51 单片机，途中利用 a/d 转换器将模拟信号转换为 数字信号，让单片机识别，并显示。然后对电流进行判断，通过显示模块显示电 流的有效值，如果电流有效值大于设定的允许值，则对外报警。其电路图如图 2.7 所示。 图 2.7 模拟量检测回路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 7 2.5 保护现场单元电气设备运行状态检测电路设计 根据设计要求，保护现场单元部件开关量检测回路要具有自检功能，电路图 如图 2.7 所示，检测电路实质就是一个比较器，运放+正设置接地，运放负端输入 待检测信号，如果输入信号的瞬时值大于零，那么运放输出一数值，如果输入信 号的瞬时值小于零，则运放输出另外一数值。其工作原理为：当 qf 断开时，光 耦二极管发光，遥信量输出为高电平，并向 cpu 发出信号 图 2.7 开关量检测回路 2.6 保护现场单元电气设备运行状态控制电路设计 根据电气设备的性能要求，运行状态控制电路需要完成遥控功能，利用 at89c51 芯片 p1 口设计有 8 回路开关量的输出，如图 2.8 所示，其中 rc 为节能 作用。 图 2.8 保护现场单元电气设备运行状态控制电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 8 2.7 保护现场单元与主站通信接口电路设计 保护现场单元与主站通讯接口电路之间采用 rs-485 接口芯片，在 rs-485 互联中，某一时刻站中，只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据， 因此其通信只能是半双工方式，且其发送电路必须有使能端加以控制。根据要求， 所设计的保护现场单元部件在线路出现故障的时候能够及时将故障信息反馈给主 站，因此需要它的传输速率达到 93.75kbps，传送距离可达 1.2km，如图 2.9 所示。 rs-485 可进行多站连接，实现分散式变电站自动化。 图 2.9 保护现场单元与主站通信接口电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 9 第 3 章 保护现场单元软件设计 3.1 软件实现功能综述 在全分散式变电站中自动化系统中，保护现场单元需要实现继电保护装置的 保护功能，以及自检功能，发送保护装置的工作信息，动作信息，自检信息等， 还要接受和执行保护定值修改告警信息，对保护装置整定值和测量值的查询，保 护装置复归以及当地显示等功能。 3.2 算法综述 算法如下图 3.1 所示。 图3.1 算法图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 10 3.3 流程图设计 3.3.1 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，所以设计如下。 图3.2 主程序流程图 3.3.2 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。流程图如图 3.3 所示。 开始 系统初始化 线路采用 主站系统 继电保护装置 符合要求 出现回路 是 否 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 11 图3.3模拟量检测流程图 3.3.3 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 ftu，为 ftu 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 图如图 3.4 所示。 开始 电压形成回路 低通滤波器，多路转换开关 a/d 转换器 cpu 主系统 数据存储器 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 12 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 3.4 通信流程图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 13 第 4 章 系统设计与分析 4.1 系统原理图 通过之前的一系列设计与分析，最后得出了系统原理图如图 4.1 所示。 图 4.1 系统原理图 4.2 系统原理综述 设计本身以 at89c51 单片机芯片为核心，经扩展和模拟量检测和开关量控 制输入输出进行数据交换，通信电路采用 rs-485 接口芯片，运用 rs-485 可进行 多站连接，实现分散式变电站自动化。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 14 本次设计以分散式变电站综合自动化系统以计算机技术以网络技术及通信技 术为基础，现场单元部件为单位，最后结合变电站的实际情况发展出的现代化的 变电站形式，它的系统特点是现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或 高压一次设备附近，可以自动检测电压电流整定值，再根据整定值来控制保护部 分的继电器动作，自动保护线路和变压器，并能通过网络将测量信息发给主站， 实现“四遥”功能，最终完成了此次设计。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 15 第 5 章 课程设计总结 通过这次的课程设计，它锻炼了我的思考能力，用所学的知识设计生活中的 东西，加深了对配电系统的了解，并对单片机、可编程控制器 plc、微型计算机 原理等知识又有了更加全面的认识，在之前我们的认识也只限于书本上的范例， 不懂得如何运用这些宝贵的知识。此次课程设计，我使用 at89c51 单片机为主 体，根据要求为主片增加复位电路和时钟电路，当系统需要延时操作时，时钟电 路可以设置延时时间，而当出现系统故障或是初始化时，复位电路可以完成系统 初始化。 由于本次设计的任务要求是要