（电路与系统专业论文）基于嵌入式系统的变电站RTU研究设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

亟堂僮论童擅要 摘要 随着电力网络变得日益庞大和复杂，电网的稳定可靠运行对配电 自动化的精度和实时性提出了越来越高的要求。论文介绍了国内外电 力系统中r t u 的发展情况，结合当前嵌入式微处理器和嵌入式操作 系统的发展及在控制领域的应用，提出了一种新的基于a r m 9 和 l i n u x 嵌入式系统的应用于配电自动化1 1 0 k v 变电站的r t u 设计方 案，并结合电力系统相关的功能规范和技术标注标准，分模块进行了 r t u 的系统设计。 论文设计的r t u 以a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 为c p u ，功能上分为 功率计量和电压检测模块、谐波电流检测模块、开关状态量检测和开 关控制模块、通信模块四个模块。功率计量和电压检测模块以 s a 9 9 0 4 a 高精度电能计量芯片为核心，完成对母线三相有功功率、 无功功率、电压和频率的测量；谐波电流模块用a d 7 8 6 4 高速低功耗 四通道a d 采样芯片对母线电流进行采样，利用快速傅立叶算法进行 各次谐波的计算分析；开关状态量检测模块和开管控制量输出模块通 过光耦隔离快速检测变电站各中开关的状态并执行调度中心对个开 关的控制命令；通信模块通过c a n 控制器m c p 2 5 1 5 经光耦隔离后 接入c a n 总线收发器上，利用c a n 总线和主站的调度中心进行通 信，完成现场数据的上报和控制命令的下达。系统的软件设计基于嵌 入式l i n u x 操作系统，用c 语言分模块编程，利用g e e 进行交叉编译。 最后本次设计在实验室完成实验调试。实验结果表明论文设计的 r t u 各项功能和性能指标都达到了电力行业设计标准的要求。如果 将本次设计的r t u 应用于配电自动化系统，将会在保证供电质量， 提高调度的实时性、可靠性、减少故障造成的损失等方面起到积极作 用。 关键词：配电自动化，r t u ，嵌入式，l in u x ，a r m 9 ，c a n 总线 a b s t r a c t w i t ht h ep o w e rn e t w o r kb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yl a r g ea n dc o m p l e x ， t h es t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nr e q u e s t h i g h e ra n dh i g h e rl e v e lo nr e a l - t i m ea n da c c u r a c y t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ea th o m ea n da b r o a dd e v e l o p m e n to fr t u r u n n i n gf o rp o w e rs y s t e m ， i nl i g h to ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n si nc o n t r o la r e ao f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sa n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，an e wr t u b a s e do na r m 9a n de m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m si sd e s i g nf o rt h e 1 lo k vs u b s t a t i o no fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n a n dt h i sp a p e rh a sd e s i g n s t h er t u m o d u l a r l yc o m b i n i n gt h er e l a t e dt a g g i n gf u n c t i o n ss t a n d a r d sa n d t e c h n i c a ln o r m so f p o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r a r m 9 c h i p $ 3 c 2 4 10 ai sd e s i g n e da st h ec p uo ft h e r t u f r o mt h ef u n c t i o n a lp o i n to fv i e w ，t h er t u s y s t e mi sd e v i d e dt o f o u rm o d u l e s ：p o w e rm e a s u r e m e n ta n dv o l t a g ed e t e c t i o n m o d u l e ， h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm o d u l e ，t e s t i n gs w i t c h e s s t a t ea n dc o n t r o l i n g s w i t c h e sm o d u l e ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ah i g h p r e c i s i o ne n e r g y m e a s u r e m e n t c h i p s a 9 9 0 4 ai s d e s i g n e d a st h ec o r eo f p o w e r m e a s u r e m e n ta n d v o l t a g e d e t e c t i o n m o d u l e ，w h i c hm e a s u r et h e t h r e e - p h a sa c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r ，v o l t a g ea n df r e q u e n c yo ft h e g e n e r a t r i x ；晰t hh i g h - s p e e d ，l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，f o u r - c h a n n e la d s a m p l i n gc h i p - a d 7 8 6 4s a m p l i n go ft h eb u sc u r r e n t ，b yu s i n gf a s tf o u r i e r a l g o r i t h m ，h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm o d u l eg e t st h eh a r m o n i ca n a l y s i s r e s u l t ；h r o u g ho p t o c o u p l e r s ，t e s t i n g s w i t c h e s s t a t ea n dc o n t r o l i n g s w i t c h e sm o d u l e g e t st h es t a t eo ft h es w i t c h e sa n de x p o r tt h ec o n t r o l c o m m a n d sf r o mc o n t r o lc e n t e rt ot h es w i t c h e s ；b yu s i n gc a nc o n t r o l l e r m c p 2 515 ，o p t o c o u p l e ra n dc a nb u sa c c e s st r a n s c e i v e r , c o m m u n i c a t i o n m o d u l er e p o r t st h ef i e l dd a t at oa n dg e st h ec o m m a n d sf r o mt h ec o n t r o l c e n t e rt h r o u g hc a nb u s b a s e do ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m , t h es o f t w a r eo ft h er t u s y s t e m i s d e s i g n e dm o d u l a r l yw i t hc p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dc o m p i l e db yg c cc r o s s c o m p i l e r e x p e r i m e n ta b o u tt h ed e s i g nw a sd e b u g g e ds u c c e s s f u l l yi nt h e l a b o r a t o r yf i n a l l y t h er e s u l ts h o w st h a tb o t ht h ef u n c t i o na n dt h e p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f t h ep o w e rr t u d e s i g n e di nt h i sp a p e rm e e tt h e d e s i g ns t a n d a r d so fp o w e ri n d u s t r y i ft h er t uw a sa p p l i e di nd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i cs y s t e m ，a c t i v ee f f e c tw i lb eb r o u g h tt os e v e r a la s p e c t ss u c ha s e n s u r i n gp o w e rq u a l i t y , i m p r o v i n gt h ed a sr e a l t i m ef e a t u r ea n d r e l i a b i l i t y , a n dr e d u c i n gl o s sc a u s e db yp o w e ra c c i d e n t s k e y w o r d s d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，r t u ，e m b e d d e d ，l i n u x ，a r m 9 ，c a nb u s i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垂复塾 日期：丝孥l 年月监日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：越导师签趣日期：旦年三月 亟堂僮i 金塞箍二童绪i 金 第一章绪论 配电自动化( d a - d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ) 是一项集计算机技术、通信技术、 控制技术和现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统n 1 ，其目的是提高电网 的供电可靠性心1 ，改进电能质量，向用户提供优质服务，降低运行费用，减轻运 行人员的劳动强度。s c a d a ( 监视控制与数据采集) 系统是配电自动化实现的 控制核心，而r t u ( 远程终端单元) 是s c a d a 系统的重要组成部分。 i i 配电自动化的总体介绍 广义上讲，配电自动化是指利用现代先进的电子技术，计算机网络通信技术， 实现对配电f 常运行时的控制、检测和故障时的快速处理，以及配电的生产管理、 设备管理的自动化；从狭义上讲，是指配电故障的自动化处理，即包括故障检测， 故障定位、隔离和非故障区的供电恢复整个过程。以调度中心为核心的配电自动 化系统，不仅仅是配电线路及其所相应的设备，还有同步通讯、计算机综合应用、 负荷监控、节能、电网规约等嗍，可归纳为如下几个方面： 1 ) 可靠安全的供电网络包括电源点。应保证电力输送线路的经济运行，开 关变压器等设施的可靠性。 2 ) 对故障的自动判断和隔离。在人工或自动条件下恢复非故障线路的供电， 对故障点进行自我隔离和诊断。 3 ) 判断系统的运行状况进行实时监控。采用分布式的s c a d a ，对配电所 或变电站所需的信息进行处理，对各种信息的上发下传，及时反应运行状况和事 故的处理分析能力h 1 。 4 ) 用电管理包括用户对电能的管理要求。用户对电能的管理意见及要求能 够反应到配电中心，由配电管理中心对此作出反应和处理。对电能进行调整，对 用电负荷的控制和经济调度。用电管理系统可对用户直接或间接地进行控制，这 种控制方式一般由人为进行设定，可由远动操作也由现场就地操作，与通常的事 故处理有不同的管理方式。 5 ) 配电自动化通讯。通过对现有配电的自动化改造，可以减少故障线路的 停电时间和停电范围，提高线路的供电可靠性；通过合理的负荷分配和智能调度 还可以进一步提高供电质量，降低电能损耗，为用户提供更优质的服务。此外配 电自动化改造工程还可以提高配电中设备的利用率，延长设备的使用周期，大大 亟堂焦i 金塞笠二童绪i 金 节省电网的基本建设投资，减少配电检修维护费用。 在配电自动化的具体实现当中，配电自动化系统按功能分为三个部分，即： 主站系统( 调度中心) 、子站系统和通信系统； 1 ) 主站系统( 调度中心) 配电主站系统是整个配电自动化系统监控和管理的核心，主要负责各个区域 配电子站或终端设备的实时信息采集、控制和有效的管理，保证整个配电系统处 于最优运行状态嵋1 。系统内置全面、高效可靠靠的d a 故障定位、故障隔离和快 速恢复供电算法模块，适合于从简单放射状配电络结构、手拉手环网结构到复杂 网格状供电网络多点井发故障的自动故障定位、自动手动故障隔离、自动手动 恢复供电。系统提供安全、可靠和方便的故障仿真模拟和闭锁功能，全在线配置、 对象化建模、通讯规约全面、人机界面友好可靠。 配电主站系统应用软件的主体部分是s c a d a 和d a 系统，s c a d a 系统完 成草本的数据采集和系统监视控制功能，d a 系统完成配电自动化管理功能。配 电主站系统具有很高的安全性、可靠性、实时性以及强大的数据处理能力，它主 要包括以下功能模块：数据采集及处理，配电自动化管理，遥控遥调功能，计 算机网络管理，接口规约管理，人机界面，实时数据库，历史数据处理，报警处 理，报表曲线，事故追忆，地理信息系统( g i s ) ，自动着色及潮流计算，负荷预 测，电压无功优化及控制( a v q c ) ，网络建模及网络拓扑，用电管理，仿真培 训。 2 ) 子站系统 配电子站于配电区的变电站或开闭所内，是配电自动化系统的中间层，可与 上级主站、所软区域内r t u 或其它智能终端设备通信，实现遥测、遥信和遥控 数据的搜集和转发，完成所辖区域故障识别、故障隔离和恢复供电以及远动功能 等。大型配电自动化系统远期( 规划) 规模子站为3 2 个，中型系统为1 6 个，小 刑系统为8 个。 子站集中处理本区域内的配电的全部馈线自动化功能，子站与主站协调处 理，即子站处理本区域的配电d a 故障定位和故障隔离，恢复供电由主站处理子 站只负责本区域的数据采集和转发能。它主要包括以下功能：监视、控制所管辖 范围内的r t u ，实现“四遥功能嘲。数据采集，子站实时采集其连接设备的状 态晕、模拟量和脉冲量( 其中还包括子站通信系统、通道的状态信息) 。数据转 发，向主站系统转发r t u ，d t u ，f t u ，1 1 u 的数据及子站系统自身的运行 状态数据。接收主站系统下发的控制和调节命令，实施现场设备的控制和调节， 实现所管辖范围内的故障定位、故障段隔离、非故障段的自动恢复供电。子站间 相互通信，协调和实现子站范围之间的馈线自动化( f a ) 功能。子站系统具有 2 亟堂焦论童箍二重绪i 金 自诊断和远方( 主站) 诊断功能，本地可以监视和诊断系统本身以及所管辖范围内 的终端设备。子站定期接收主站的时钟同步信号，并对站端系统各终端对时口8 1 嘲 o 3 ) 通信系统 通信系统是配电自动化系统的关键之一，配电自动化系统需要借助于有效的 通信手段，将调度中心的控制命令准确地传送到装配在现场的远方终端，并将现 场的远方终端采集的信息收集传回调度中心。与普通工程不同的是，配电自动化 工程往往测控点多且分散，通信通道线路长，施工运行环境恶劣。因此，一方面 要合理设计，选用满足配电自动化系统的通信设备；另一方面又要切合配电资金 小足的实际，降低通信系统的造价。通讯方式主要有以下几种：配电线载波，脉 动控制技术，工频控制技术，电话线，无线扩频通信，现场总线，光纤通信，混 合通信方式多种方式并存，共同完成一个配电自动化通信系统。 1 2r t u 介绍及应用现状 在配电自动化系统中，调度中心的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统和变电站端的r t u 之间通过相互通信实现电网数据数据和调度 命令的传送，来保证调度中心对配网的保护、测量和监控n 们。 r t u 是s c a d a 系统的基本组成单元，是电网监视和控制系统中安装在发电 厂或变电站的一种远动装置，它负责采集所在发电厂或变电站电力运行状态的模 拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往 所在发电厂或变电站的控制和调度命令，实现调度中心对电网的遥测、遥信、遥 控、遥调“三遥功能。r t u 的发展历程是与“四遥一工程技术相联系地。所 谓“三遥一工程技术是指遥测、遥控、遥调技术，是研究远处人们不易到达的地 点，对物理变化过程、生产过程进行检测( 遥测) 、调节( 遥调) 、控制( 遥控) 的一门学科。服务于配电自动化的r t u 还具有了配电故障信息采集与处理、电 能质量测量、断路器在线监测等功能n u ，以达到配电管理系统对用户可靠优质供 电的最终目标。图1 1 为配电自动化系统中r t u 功能示意图。 3 篙翳 调度员工作站大屏幕投影 uui f il 一 十 l 一 终端服务器 嗍络交换桃 管理网 调制解渊器l 。j - 。一1 i i 电力载波、ld 轴 乜 l 缆、双绞线、光多于等 f ii 一 调制解渊器 ll 远方终端单兀( r t u ) f 变送器l 遥控执行装置 f 电压、电流互感器 l 开关位置信号 电力网络 网 嘲 豳 叼 ! 站! li i 端i l j 图1 - l配电自动化系统中r t u 功能示意图 随着计算机技术、通信技术和电子技术的迅猛发展，电力系统自动化程度日 益提高，电气测量仪表无论在原理、结构和准确度上都产生了巨大变革n 2 川。 计算机技术的引入使仪表的原理、结构和功能大为改观。能够实现对交流电力参 数( 电流、电压、功率等) 精确测量和分析并具有多种功能的新型r t u 成为自动化 领域的主攻方向和热门课题n 钔。 国内外的许多公司在电力系统自动化n 5 1 的这一领域都有相似的产品。德国的 西f - 亍：( s i e m e n s ) 在1 9 8 5 年将其第一套全分散变电站自动化系统l s a 6 7 8 在德国 4 瓦震局域嗍| | 一调度端一 亟堂僮i 金塞箍= 童绪论 的汉诺威投入使用，卖国的g e 公司在这一领域也有类似的产品n 6 1 7 1 。国内，这 方面的工作起步稍微晚一些，进入9 0 年代才开始研究这方面的产品。西安沪河 自动化工程有限公司以微处理器为核心的c h 2 0 0 0 智能电力监测仪( 综合电量变 送器) 可测量三相三线制、三相四线制等系统。由清华紫光股份有限公司研制和 生产s m 一型单片机智能移块远动装置( r t u ) ，它由各种功能的单片机智能模块 组成，各模块相互独立，组成积木式远动装置。烟台东方电子信息产业集团有限 公司生产3 5 k v 5 0 0 k v 无人值班变电站监控系统可以实现对整个变电站的监控和 控制n 引。 1 3r t u 应用中存在的问题 随着电力系统规模的扩大和对电网的稳定性、可靠性的进一步要求，目前国 内配电自动化中应用的r t u 也越来越凸显出一些问题： 1 ) 从硬件平台上来看，国内早期电力系统的r t u 设备，大多是基于p l c 、 5 1 n 剀系列或者9 6 系列单片机，功能过于简单，处理能力较差，存在着测试精度 较低、相应速度较慢、抗干扰能力差等问题，比如采用比较先进的1 6 位单片机 i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 进行基本的3 2 点f f t 运算，在1 2 m 主频下采用快速算法仍然需 要0 2 5 秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长，因此难以实现 精确、严格的算法；由于5 l 系列或者9 6 系列单片机i o 口数量非常有限，检测 和控制能力也也受到很大的限制。总之，当前前应用中的r t u 够完成的功能和 应用范围都受到很大的限制，阻碍了这一技术的进一步发展和普及，制约了研究 水平和装置性能的进一步提高，这就促使人们采用运算处理能力更强的微处理 器。 2 ) 从功能上讲，传统调度自动化或远动系统的r t u 实际上仅是一个完成“上 传数据，下达命令任务的现场终端单元。在电力系统自动化领域，r t u 的智 能化得到人们越来越多的重视，除了要求r t u 能够完成“上传下达 的基本任 务外，还能完成一些当地的数据分析、故障判断及自动控制的功能。 3 ) 在电参量信号的测量上，大部分都使用交流实时采样和计算代替了传统 直流变送器的测量方式，其测量精度和可靠性方面都有根本性的提高啪1 。而当这 些功能由主站来完成时，系统实时性根本得不到保证，功能上也难以满足用户要 求。 4 ) 在通信方式上，r t u 模块之间以及r t u 与主控中心的互连，在现场的数 据通信形式上大多采用光电隔离的r s 2 3 2 和r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 接口乜l 】 【2 朝。r s 4 8 5 采用主从式通信方式，总线采用一对双绞线作为传输介质进行差动方式传输，每 5 亟堂僮诠塞 一一笠= 童绪论 条线路可接仪表数量为3 2 ，最大传输距离1 2 0 0 米。r s 4 8 5 接口在抑制现场的噪 声( 尤其是共模噪声) 上具有一定的效果，但随着通讯距离的增加和现场环境的变 化，在冗余性、灵活性、实时性、容错性等方面就不能够很好的满足要求；r s 2 3 2 的通信距离和抗于扰性还差一些。这就要求我们采用更好的通讯形式和通讯规约 来提高系统的容错能力和可靠性以满足现场工作要求。因此，为了能够更好地在 现场与调度中心之间传输数据，具有良好的鲁棒性的总线通信系统成为r t u 通 信方式发展的新方向。 1 4 论文研究设计的目的及意义 基于目前使用的r t u 所存在的上述问题和不足，本文根据中华人民共和国 电力行业标准d l t7 2 1 2 0 0 0 和d l t5 5 旷9 4 ，结合配电自动化系统中11 0 k v 变电站的现状，设计应用于1 1 0 k v 变电站的r t u 。 论文给出具体功能和性能指标，按功率计量和电压检测模块、谐波电流检测 模块、开关状态量检测和开关控制模块、通信模块四个模块给出了具体的硬件和 软件的实现方法，所设计的r t u 具有以下优点： 采用s 3 c 2 4 1 0 a 作为中央处理器， 1 ) 由于本r t u 的设计中选用$ 3 c 2 4 1 0 a 作为c p u ，硬件上具有成本低、体 积小、耗电省、处理能力强，运行可靠等优点，在各功能模块的硬件设计中选用 了功能和性能优越的功能i c ，性能稳定可靠。 2 ) 软件上采用基于l i n u x 平台的嵌入式操作系统，编程灵活快捷，开发周 期短，很好地实现各功能进程之间的通信和灵活调度：并在软件中添加了辖区电 网的故障判断和故障处理功能，满足了配电自动化系统对智能化的要求。 3 ) 通信方式采用c a n 总线的方式，在满足配电自动化对通信速率的要求的 前提下，保证了s c a d a 系统通信的开放性和可靠性。 4 ) 本设计中的$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片f o 接口丰富，具有众多功能模块的扩展接 口；l i n u x 操作系统开放源代码，具有大量成熟的设备驱动程序，升级方便。很 好得适应了配电自动化网络结构变化多，功能发展快的特性。系统的硬件扩展和 软件升级方便。 1 5 论文的章节安排 结合毕业设计的研究和设计工作，本文的章节安排如下： 第一章主要讲述了配电自动化的现状，介绍s c a d a 和r t u 在配电自动化 6 亟堂僮j 金塞筮二童绪i 金 中的作用，提出了新型的r t u 的设计理念。 第二章针对相关标准和拟达到的设计要求，介绍总体结构和各功能模块的实 现方法。 第三章分模块详细介绍了本文的硬件设计，并给出具体的电路原理图。 第四章概述了在嵌入式操作操作系统l i n u x 下的软件设计，给出主程序和主 要的子程序的流程图。 第五章介绍了系统的软件和硬件的调试方法，并对系统的运行结果对本次设 计作出总结。 第六章对论文进行了总结，并在某些技术方面进行了展望。 7 第二章r t u 功能技术分析和总体结构 随着国家对电力基础设施投入的逐年增加，l1 0 k v 变电站越来越成为城市的 主要负荷点。以长沙市的大型变电站为例：目前长沙电网拥有5 0 0 k v 变电站3 座，2 2 0 k v 变电站1 5 座，1 1 0 k v 变电站6 3 座，3 5 k v 变电站3 9 座。鉴于产品需 求量和应用规模的考虑，设计用于1 1 0 k v 变电站的r t u 。 2 1r t u 功能分析 2 1 1 电力行业中r t u 相关标准 根据中华人民共和国电力行业标准的配电网自动化系统远方终端标准d l t 7 2 1 2 0 0 0 们，关于配电自动化系统中r t u 的定义为：配电自动化系统远方终端 ( r e m o t et e r m i n a lu n i t r t us u i t a b l eo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) ，用于配电 网馈线回路的各种馈线远方终端( f t u 、d t u ) 、配电变压器远方终端1 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等功能。 d l t7 2 1 2 0 0 0 标准中关于r t u 的功能要求为： 1 ) 采集馈线故障电流并向中压监控单元( 配电自动化及管理系统子站) 或主 站传送： 2 ) 采集并向远方发送状态量，状态变位优先传送； 3 ) 采集正常交流电流并向远方传送； 4 ) 接收并执行遥控命令或当地控制命令，以及返送校核，与各种类型重合 器、断路器和负荷开天配合执行操作； 5 ) 具有后备电源或有外接后备电源的接口，其容量应能维持远方终端正常 工作不小于g h ( 特殊情况由厂家和用户协商确定) ，当主电源故障时，能白动投入； 6 ) 采集和监视装置本身主要部件及后备电源的状态，故障时能传送报警信 息； 7 ) 交流电源失电后能对开关进行不少于分、合各一次操作； 8 ) 具有程序自恢复功能； 9 ) 当地或远方可进行参数设置。 8 亟堂僮论塞筮三重豳卫功能攮盔盆盘狸总佳结捡逡让 2 1 2r t u 计划实现的功能 根据以上d l t7 2 1 2 0 0 0 标准对r t u 功能的要求，结合当代变电站发展的 实际情况和d l t7 2 1 2 0 0 0 中对馈线远方终端选配功能的介绍，本文以s a m s u n g 公司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心，设计的r t u 准备实现以下功能( 功能结 构示意图如图2 1 所示) ： 1 接受上级主站发出的校时命令，令整个系统时钟一致。 2 测量并采集变电站各处母线上的三相电压的幅值和频率、有功功率、无功 功率。 3 检测并记录线路过负荷、三相过流等故障前后的重要信息。 4 采样变电站一次侧的电流的并计算谐波含量的大小。 5 i 贝0 量所辖地区的断路器、重合器等开关位置的状态量信号。 6 将采集到的上述模拟量和数字量经过必要的运算和分析处理传送给上级 调度中心，并接受调度中心下达的控制信息。 7 执行调度中心地下达的控制命令，操作所辖断路器、重合器等丌关，使之 发生正确的动作，实现调度中心对变电站配电的综合调度。 图2 1r t u 功能结构示意图 9 三相电流 三相电压 三相电流 亟堂僮论室筮三童豳型功能撞苤盆扭塑盥佳结掏遮让 2 2r t u 的技术指标计划 2 2 1 电网调度自动化指标d l t5 5 卜9 4 根据中华人民共和国电力行业标准中关于地区电网调度自动化功能规范 d l t5 5 卜9 4 船5 l ，地区调度所的等级划分如下三个等级： i 大型地调：最大供电负荷为1 0 0 0 m w 以上，且直接监控的变电站数量不 少于3 0 个。 i i 中型地调：最大供电负荷为5 0 0 , - - , 1 0 0 0 m w ，且直接监控的变电站数量不 少于2 0 个。 i i l 小型地调：最大供电负荷为5 0 0 m w 以下。 除以上3 级调度外，对于负荷较大、控制量较多的大型变电所或梯级水电厂 控制中心可设置为集控站。 d l t5 5 卜9 4 中规定，地区电网调度自动化系统的基本指标下： 1 ) 测量量综合误差：1 5 ，遥测合格率：9 8 2 ) 遥信正确率( 年) ：9 9 3 ) 遥控遥调误动率( 年) ：o 0 1 ，遥控遥调拒动率2 唰月 4 ) 事件顺序记录分辨率：_ 2 0 m s 5 ) 屏幕显示分辨率：1 0 2 4 7 6 8 ( 大型地调) ，6 4 0 4 8 0 ( 其他) ； 字显示：有能同时显示不同画面的显示器的数量：4 ( 大型地调) ，2 ( 其 他) 6 ) 通信道： 传递速率：( 5 0 、2 0 0 ) 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 b i t s s 频谱：符合c c i t t 标准 通道：半双工或双工 通信规约：部颁规约 比特差错率：1 1 0 r 4 7 ) 远动终端： 遥测、遥信、遥控、遥调容量：可以组合 事件记录分辨率：1 0 m s a d 、d a 转换误差：o 5 8 ) 与模拟盘通信速率：1 2 0 0 b i t s s 9 ) 系统响应： 1 0 亟堂焦论塞 筮三童巡功能撞苤盆查匠塑总佳结掏逡让 遥远信变位传送至主站：3 s 重要遥测量越定值传送至主站： 3 s c d t 传送方式下重要遥测量更新时间： 3 s 遥控命令：3 s 遥调命令：3 s 有实时数据的画面整幅调出时间：8 5 2 0 m i n s 2 2 1r t u 计划达到的技术指标 基于以上d l t5 5 0 _ _ 9 4 对地区电网调度自动化系统的基本指标规定，结合 当前配电自动调度的现状对变电站r t u 的要求，本设计在保证满足上述技术要 求的前提下，计划达到以下技术指标： 1 ) 电源参数 交流额定电：a c 2 2 0 v l a 额定频率：5 0 h z 直流额定电压：d c 2 4 w 1 0 a 2 ) 容量配置 模拟量输入：1 5 路 数字量输入：8 路 数字量输出：8 路 3 ) 输入交流量允许工作范围 测量回路：电流o l n - 2 1 n ，电压o u n - 1 2 u n 故障检测回路：电流o i n - 2 0 i n ，电压0 u n - 2 u n 4 ) 测量精度 三相电压、电流：0 5 级 有功功率、无功功率、视在功率、功率因数：1 级 谐波检测精度：1 级 频率测量误差：0 0 1 h z 5 ) 控制输出 触电容量：a c 2 2 0 v 1 0 a 6 ) 事件数序记录分辨率 亟堂僮论塞箍三童盟堕功能撞苤分扭麴总住结掏遗让 事件数序记录分辨率：2 m s 7 ) 数据处理可靠性 遥控正确率1 0 0 ，遥控成功率 9 9 9 遥信正确率1 0 0 ，遥调正确率1 0 0 ，遥调成功率 9 9 9 9 6 8 ) 装置运行环境条件 工作温度范围：一4 0 + 7 5 。c 。 相对湿度g5 - - 一9 5 9 ) 装置功耗 正常工作时功耗不大于1 5 w ，线路故障时不大于1 8 w 。 1 0 ) 故障整定值误差 不超过5 1 1 ) 输入输出回路对地和各回路之间绝缘电阻在正常实验条件下，不低于 1 0 0 m q ；湿热条件下不低于1 m q 。 工作电源、输入输出回路各自对地和无电气连接的各回路之间能承受额定频 率为5 5 0 h z ，有效值为2 k v ，历时l m i n 的交流电检测，弱电回路检验电压为 l k v 。 1 2 ) 抗干扰性 a ) 远方终端能够承受频率为l k h z 及1 0 0 m h z 衰减波振荡脉冲群干扰。 b ) 能够承受严酷等级为3 级的快速瞬变干扰。 c ) 能够承受严酷等级为3 级的静电放电干扰。 d ) 能够承受严酷等级为3 级的辐射电磁场干扰。 1 3 ) 可靠性 平均无故障工作时间大于5 0 0 0 0 h 。 1 4 ) 通信通道 传输速率：3 0 0 b p s ，6 0 0 b p s ，1 2 0 0 b p s ，2 4 0 0 b p s ，4 8 0 0 b p s ，9 6 0 0 b p s 可选。 比特差错率：1 0 吨 1 5 ) 时钟校对 主站对远方终端同步，误差不大于1 0 m s 。 2 3r t u 功能的总体实现方案 2 3 1 硬件实现方案 本设计中r t u 主要分为四个功能模块，分别是功率计量和电压检测模块、 1 2 亟堂僮i 金塞箍三重豳型功篚撞苤盆抚麴总佳结捡遮让 谐波电流检测模块、开关状态量检测模块和开管控制量输出模块、通信模块。本 节简单介绍各功能模块的设计方案，r t u 总体硬件结构见图2 2 。 a 相电流 b 相电流 c 相电流 胆 ：!i11。：一 a d 7 8 6 4 。i l 数字量 三相 三相 电压 电流 丌蓑羹r 薹羹i 放大j 放人 判 弦函 s 3 c 2 4 1 0 a 光电 隔离 现场开关妙 的状态量 现场开关 蠢妻2 铡p 裂 图2 - 2r t u 总体硬件结构意图 1 ) 功率计量和电压检测模块 本模块计划设计基于s a 9 9 0 4 a 芯片的应用，通过$ 3 c 2 4 1 0 a 的s p l 0 和 s a 9 9 0 4 a 的通信获得测量到的各三相无功及有功能量、电压和频率的。s a 9 9 0 4 a 是南非s a m e s 公司( s o u t h h f r i c 孤r lm i c r o e l e c t r o n i cs y s t e m sl t d ) 推出的一款三相 电能计量芯片，可用来测量各相的有功功率、无功功率、电压和频率。符合 i e c 5 2 1 1 0 3 6 一级交流电表的规范要求，和无功电表i e c l 2 6 8 的规范要求，并能 检测出是否存在缺相或相序错误，所有的数据均存放在相应的寄存器中，它具有 标准的s p i 总线接口，可通过s p i 接口进行访问。 2 ) 谐波电流检测模块 本模块的设计基于高精度运算放大芯片a d 6 2 0 和采样芯片a d 7 8 6 4 ：由电 流互感器从电网上传过的电流的模拟信号，经过阻容滤波后，再经放大器a d 6 2 0 放大到下一级a d 转换器采样值范围之内的值，送给后面的高速、高精度、低功 耗的a d 采样芯片a d 7 8 6 4 的信号输入端，$ 3 c 2 4 1 0 a 通过并行数据线读取 a d 7 8 6 4 的1 2 位采样数据。 3 ) 开关量输入输出模块 亟堂僮途室箍三望豳型功能撞苤盆扭塑! 亟住结捡遮让 由于s 3 c 2 4 1 0 a 有1 1 7 个通用i o ，本设计中大多没有使用其复用功能，为 了简化电路，本模块中对开关状态的检测和控制量的输出直接有$ 3 c 2 4 1 0 a 的 i o 口来实现。为了保证输入输出信号抗干扰能力，硬件上通过采用电容滤波和 光耦芯光t l p 5 2 1 - 4 耦隔离的方法。 4 ) 通信模块 通信模块采用c a n 总线，r t u 通过s p i 总线完成c p u 与c a n 控制器之间 的通信。而c a n 控制器则完成数据的处理，将控制信号转换成符合c a n 2 0 协 议标准的报文形式，发送到总线上。本系统硬件收发器采用p c a 8 2 c 2 5 1 芯片， 控制器采用m c p 2 5 1 5 芯片，在控制器m c p 2 5 1 5 和收发器p c a 8 2 c 5 1 5 之间采用 高速光耦6 n 1 3 7 进行光电隔离。 2 3 2 软件实现方案 为了满足r t u 的实时性要求，本文r t u 的软件的运行平台采用嵌入式l i n u x 实时操作系统。系统软件主要有驱动程序和应用程序构成，各模块的驱动程序均 在g n u 丌发环境下编写和编译，通过构建丌发板和宿主机之间的通讯，使用 l i n u x 环境下的g c c 编译生成目标代码，然后通过动念加载模块的方式进行驱动 程序的开发和调试。 1 ) l i n u x 操作系统的移植及系统总体软件的编译 下载2 4 2 6 版本的l i n u x 内核，结合设计中硬件功能的需要，对内核中用不 到的驱动程序进行裁剪，并进行配置、重新编译，采用u - b o o t 进行配置编译，编 写各功能模块的设备驱动程序，创建基于n a n d f l a s h 的j f f s 根文件系统，最后 将所创建的文件系统打包下载到f l a s h 中设置好的地址中。 2 ) 电能计量及电压参数检测应用程序 c p u 以5 0 m s 的时间差分两次读取s a 9 9 0 4 a 中对应寄存器的值，对这两次 所得到的差值，经过响应的计算方法计算得到所测量的三相电有功功率、无功功 率；并从s a 9 9 0 4 a 中读取电压的频率的值经过计算得到电压的幅值和频率，将 以上的值更新到存储器中对应地址中。 3 ) 谐波电流检测应用程序 c p u 每隔( 2 0 1 0 2 4 0 ) m s 读取一次a d 7 8 6 4 的三相电流采样值的a d 转换 结果并储存，累计读够1 0 2 4 次后对所读取的值进行f f t 方法进行计算三相电流 的前2 5 次谐波，并将结果更新到存储器中对应的地址中。 4 ) 通信应用程序 c p u 每隔一分钟读取r t u 存储器中各模块所检测到的数据，加入本r t u 的 节点好，按设置好的波特率，遵循c a n 2 0 协议通过m c p 2 5 1 5 向调度中心发送 1 4 亟堂僮论塞 一 一 箍三童墼堕功能撞苤盆盘塑总佳结构逡让 各项电力参数报文；当调度中心有控制命令报文发送到m c p 2 5 1 5 时，向c p u 产 生中断，c p u 响应中断读取调度中心的控制命令并执行。 2 4 本章小结 本章结合大型变电站在配电自动化的发展中的应用现状，设计用于1 1 0 k v 的变电站的r t u 。结合中华人民共和国电力行业标准的配电网自动化系统远方 终端标准d l t7 2 1 2 0 0 0 的要求，制定了本次设计的r t u 与实现的各项具体功 能；依据中华人民共和国电力行业标准中关于地区电网调度自动化功能规范 d l t5 5 0 - _ 9 4 ，详细制定了r t u 各项功能的技术指标；并分模块给出了r t u 的 硬件和软件实现方案。 1 5 亟堂焦论塞箍三童墼型壁佳逡盐 第三章r t u 硬件设计 本设计中选择韩国s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器作为系统的数据计算和 控制核心，硬件电路的的设计分为处理器核心模块和外围设备模块两部分。处理 器核心模块以a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 为基础，进行了n a n df l a s h 和s d r a m 的 扩展；外围设备模块上设计了其外围电路，包括电源模块电路，模拟量采集模块， 开关的状态量输入模块、控制信号的数字量输出模块，通信电路模块等。 3 1 三星$ 3 c 2 4 1 0 a 介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a 心刚是一款1 6 3 2 位r i s c 处理器一颗主频高达2 0 3 m h z ，基于 a r m 9 2 0 t 内核的高性能微处理器，独立的1