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交流采样原理实现和检定方法（培 训 教 材）贵溪发电有限公司生产技术部2010年9月目 录第一章 概述1第二章 交流采样法1第一节 同步采样 2第二节 准同步采样 3第三章 微机交流采样算法原理和误差分析 4第一节 算法原理和计算公式分析 4第二节 采样频率对测量误差的影响 8第三节 软件运算误差分析 9第四节 利用微机交流采样技术消除三相无功功率测量中的不对称误差10第四章 远动终端RTU及检定16第一节 远动终端的功能 17第二节 远动终端硬件及软件配置 20第三节 遥测信息采集电路 22第四节 交流采样测控单元硬件实现 23第五节 RTU检验方法简介 23第五章 RTU通讯规约与自动检定 25第一节 通讯规约简介 25第二节 CTD循环工作方式与自动检定 25第三节 Polling工作方式与自动检定 27交流采样原理实现和检定方法第一章 概述随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调节的自动化显得尤为重要。而在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。采用交流采样方式的远动设备在全国电力调度系统已普遍采用，为加强对地区电网调度自动化系统交流采样测量装置的精度检验、设备运行维护、设备投运前验收等工作的科学化、规范化管理，确保远动采集数据准确、可靠，为地区经济服务，因此有必要对交流采样装置进行定期检定及维护。根据采集信号的不同，可分直流采样和交流采样两种。直流采样，顾名思义，采样对象为直流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为05V的直流电压或020mA直流电流，再由各种装置和仪表采集。直流采样的好处是不经过采样装置处理的，所以采样周期和速度不受限制，无论是电流或电压采样，数据经过直流处理，其P、Q、cos、kWh、kvarh的数据是经过电流和电压的采样计算而得到的，一般情况电流和电压经过采样量化后，经过一定的方法计算而得的。对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。如果需要提高数据的精度和速度，就需要采用直流采样。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现实时信号的采集；变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；设备复杂，维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的PT、CT隔离变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。直接计算U、I，然后计算P、Q、cos、kWh、kvarh，由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，效率高，相位失真小，适用于多参数测量。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的准确度和稳定性。第二章 交流采样法交流采样法是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。是否采用交流采样法取决于两个条件：测量准确度和测量速度。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理误差主要有两项：一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差，这主要是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取决于A/D转换器转换速度和CPU的处理时间；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量子化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。随着电子技术的飞速发展，如今的微型机、单片机处理速度大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比较好的高速A/D转换器，为交流采样法奠定了坚实的基础。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种，下面对此作简要介绍：第一节 同步采样同步采样法是指采样时间间隔Ts与被测交流信号周期T及一个周期内采样点数N之间满足关系式T=NTs。N选取越大，越接近理想波形，但实时性差，计算量大。如考虑15次谐波能够再现，根据采样定理N至少30以上，一般选取32或64。同步采样法又被称作等间隔整周期采样或等周期均匀采样。同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测连续信号周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：一是硬件同步采样法；二是软件同步采样法。1硬件同步采样硬件同步采样法在采样计算法发展的初期被普遍采用。理论上只要严格满足T=NTs且N2M（M为被测信号最高次谐波次数），用同步采样法就不存在测量方法上的误差，但实际上采样周期与被测信号周期实现严格同步有一定的困难。从对周期信号的复原与频谱分析角度考虑，当采样频率和信号基频不同步时，模拟信号用离散信号代替会出现泄漏误差。在对某些用电系统中包含有多次谐波分量的电压和电流周期信号进行测试分析时，这是造成误差的主要来源。为此，常采用锁相环来构成频率跟踪电路实现同步等间隔采样。但电力系统谐波含量较大时，会造成锁相跟踪电路不稳，甚至造成失步，产生很大测量误差。特别是含有偶谐波时，一个周期内可能有二次过零。2软件同步采样软件同步采样法的一般实现方法是：首先测出被测信号的周期T，用该周期除以一周期内采样点数N，得到采样间隔，并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。该方法省去了硬件环节，结构简单，但由于信号的频率是在一定范围内变化，对其周期T不能准确测量，按不准确的周期T计算的采样间隔进行N次采样后，不能与实际信号的周期同步，即存在同步误差。用软件方法很难得到理论上的采样间隔。这是因为采样间隔由单片机定时器控制，受其时钟周期Td（取决于晶振）有限的限制，由定时器给出的采样间隔与理论计算所得采样值相比将存在着截断误差，该误差积累N点后，必然引起周期误差和方法误差。可以采用采样过程中修改定时器的计数值，动态确定采样周期，来减小周期误差，提高准确度。第二节 准同步采样在实际采样测量中，采样周期不能与被测信号周期实现严格同步，即N次采样不是落在2区间上，而是落在2+区间上（称为同步偏差或周期偏差，其值可正可负），此时测量结果就将产生同步误差。即在|不太大的情况下，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的新方法。它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求，使测量装置简单，简化电路。与同步采样法一样，两者均要求被测信号在短时间内是稳定的。准同步采样法的不足之处在于：它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其所需数据较多，计算量远大于同步采样，运算时间较长，不适合多回路、多参量实时性要求高的在线交流测量系统。此外，还有非同步采样是使用固定的采样间隔，通过软件判断处理调整采样值，使采样周期与信号周期（或信号周期的整数倍）的差值小于一个采样间隔的测量方法。优点：采样不需同步，硬件简单，缺点：软件处理复杂。综上所述：采样测量方法几乎都针对稳定信号标准正弦条件下检出的在负载波动大且波形畸变较大时，测量准确度大大降低。采样测量方法实际上硬件相对简单，可用软件完成所有测量，灵活方便面，准确度较好，可满足大多数场合应用。第三章 微机交流采样算法原理和误差分析采用微机监测交流电量(U、I、P、Q、cos、F、kWh、kvarh)与传统的测量仪表相比肯有很多优点，它功能强、精度高、适应性好、维护方便、总成本低。因此它获得了愈来愈广泛的应用。第一节 算法原理和计算公式分析微机监测交流电量一般包括(U、I、P、Q、cos、F、kWh、kvarh)，其中频率F的测量比较简单，一般是选母线电压通过过零比较器转换为方波计算出方波的周期，再求倒数即得频率。由于测量方式简单，误差少，因此其测量精度可达0.1级以上。有功电度和无功电度的计算通常是将一段时间分成许多时间片t，分别求出有功功率和无功功率在t内的数值积分并进行累计，即得该段时间内的有功电度和无功电度。由于这项计算受到功率计算精度、时间片误差、近似计算误差等诸因素影响，测量精度不高，在电力系统中只能作为参考量而不作为考核量，故在此不作详细分析。功率因数cos=P/Q,只要算出P、Q，cos很快便可得到，因此在这也不详谈，下面着重就U、I、P、Q、的算法原理和计算公式进行详细分析。(一)算法原理分析采用微机监测交流电量的实用算法大致有两种，即积分法和富氏算法。积分法就是从连续周期信号有效值定义式及平均功率定义式出发，用数值积分近似代替连续积分项进行计算的一种方法，富氏算法则是将离散的采样值经过富氏变换转到频域，求出各次谐波分量，再利用线性网络叠加原理求出有效值和平均功率的一种方法，下面对这两种算法的原理式进行分析。1、积分法原理公式： (9-1) (9-2) (9-3)在三相三线制电路中又有下面的原理公式： (9-4)增加一定的使用条件还可得到下面的原理公式： (9-5) (9-6)公式(9-1)(9-3)在任何情况下都是准确的，公式(9-4)在大多数情况下是准确的，只有在三相四线制电路中出现零序电流时因其不能计算出零序功率而产生误差。公式(9-5)，(9-6)在三相不对称情况下会有误差，公式(9-5)的误差要比公式(9-6)小。为了减小在不对称情况下Q的计算误差，我们还可用下面公式： (9-7)公式中利用改变相角，将正弦函数转为余弦函数用有功计算法来计算无功，从而解决了不对称情况下Q的计算误差，但该公式存在着由于电流电压相乘值的不同时性而产生的幅值误差，不过这项误差不大，实际应用中应根据测量场合的具体情况及要求进行取舍。2、富氏算法原理公式富氏算法包括离散富里叶变换(DFT)，线性网络叠加原理及复数功率定义式。设一个N项复数序列，n=0,1,2N-1，它的DFT公式为： k=0,1,2N-1X(K)为一复数序列，它对应着一串频率分量，它的模即为该分量的最大值，它的相角即为该分量的初相角。得到了各谐波分量后再运用叠回原理进行计算。上式中，U0，I0代表恒定分量的电压、电流；U1，I1代表一次谐波电压、电流有效值；U2，I2代表二次谐波电压、电流有效值；U0I0代表恒定分量构成的功率；P1，P2代表各次谐波构成的有功功率；Q1，Q2代表各次谐波构成的有功功率。富氏算法的原理公式在任何情况下都是精确的。从上述分析可以看出，在计算Q时，富氏算法原理公式优于积分算法。（二）计算公式分析根据上述原理公式运用一定的数学方法即可导出两种算法的计算公式。积分法计算公式有梯形法公式和辛普生法公式，设对一周期信号f(t)在一个周期T内N等分采样得到一串采样值f(k)(k=0,1,2,3N)，则梯形公式为：辛普生公式为：注：辛普生公式要求N为偶数。富氏算法计算公式包括离散富氏变换和叠加公式。离散富氏变换包括以下几个步骤：1、根据采样值构造序列利用电流、电压在一个周期内的采样值分别构成电流、电压实序列，再用电流序列作为实部、电压序列作为虚部，构造一复数序列，在此设电流、电压在一个周期内N等分采样。2、进行离散富氏变换直接计算离散富氏变换其计算量是相当大的，因此实际应用中一般采用快速富氏变换(FFT)，常用的FFT算法有基2FFT和基4FFT，具体算法流程图略.3、在复频域内计算U、I、P、Q经过FFT运算后，得到电压，电流序列的变换值 k=0，1，2，N-1对于实序列，由FFT性质可知：由此我们可以得到电流、电压有效值的计算公式：再利用复功率计算公式：我们可以得到P，Q的计算公式：注：Re 表示求括号内复数的实部； Im 表示求括号内复数的虚部。富氏算法的计算公式是精确的，需要注意的是选用基2FFT算法要求采样点数为2m个，m为正整数，选用基4FFT算法要求采样点数为22m，m为正整数。积分算法的计算公式由于是用数值积分近似代替连续积分式故存在误差，积分法中的两个公式总的说来辛普生公式计算精度要高一些，不过当被测信号受到谐波的影响发生变化时，辛普生法的计算误差会增大，但两种算法都能满足一般测量的要求。第二节 采样频率对测量误差的影响 微机测量交流电量首先需对输入信号进行采样和模数转换变成一串离散信号，为了使连续信号的抽样过程不失掉信息，根据采样定理可知抽样频率fs与信号的最高频率Fm之间必须满足下列关系式： fs2Fmfs2Fm是一个临界条件,实用上采用的抽样频率必须大于2Fm。从理论上分析，采样频率愈高，测量的准确度愈高，但实际应用中采样频率的提高是受到诸多因素限制的，那么多大的采样频率最为合适呢？也就是说一个周期内取样点数选多少比较合适。让我们首先分析一下电力系统的信号，由于三相发电机产生的电压或多或少与正弦波有些差别，因此就包含一定的谐波分量，变压器的励磁电流就是非正弦的，也含有一定大小的三次谐波量，所以三相对称电路中电压，电流都可能含有高次谐波，不过电力系统只含有奇次谐波(1次，3次，5次)越是高次谐波其分量越小，9次以上谐波分量已非常小，因此就计算来说考虑到9次谐波后误差已经很小，根据采样定理可知，此时采样点数N20，对于基2FFT算法，由于要求N=2m，故选N=32；对于基4FFT算法，由于要求N=22m，故N=64，必须注意一点，采样点数增多，将会同时增加硬件软件开销，降低运算速度。第三节 软件运算误差分析积分算法由于只做一次乘法和求根运算，其它都是加法运算，故计算步骤少，计算简单，因而计算中有效数字的损失很小，误差积累也小，计算精度比较高且运算速度快，程序仿真调试结果表明计算误差小于万分之一。采用富氏算法相对来说计算量增加了许多，下面给出基2FFT和基4FFT算法的实际运算次数表。表9.1 基2FFT和基4FFT算法表DFT大小N基2FFT基4FFT乘法次数加法次数乘法次数加法次数4016016162415220148642641032208976256180058961392548810241024830728785628336由此可以看出，FFT算法需要进行多次乘法和加法运算，因此在软件设计上我们应着重考虑以下几项误差。1.舍入误差目前有微机交流电量采集装置中通常采用16位单片机或16位微处理器，这类CPU一般支持定点运算，由于FFT要完成多次乘法运算，故容易造成数据溢出，为此一般在计算前都要对乘数进行规格化处理，通常是对被乘数进行右移操作，乘法计算后再对结果做左移操作，在这一过程中将会发生有效数字丢失，带来计算误差，当反复多次运算后就会形成误差积累，为了减小这类误差，计算中可先对被算量进行一次预测，当发现有可能出现溢出时才做规格化处理，应充分利用计算机有效字长位。2.计算顺序误差在理论上a+b+c=c+b+a，但在计算机计算过程中有时会得到两个不一样的结果，尤其是多次迭代运算，为此在运算过程中应事先分析一下计算方案中各数值的数量级，然后合理地安排它们的运算顺序以获得较高的运算精度。3.小除数误差在做除法运算时尽量避免较小的除数，除数数较小时，商的绝对误差会增大。4.电路误差硬件电路误差主要有采样间隔误差、频率跟踪误差和A/D量化误差。采样间隔误差会大大影响装置的测量精度，因此合理地设计采样时序逻辑尤为重要，建议从电子开关的“地址选择”控制到采样保持电路的“采样/保持”控制及A/D转换器的“启动转换”控制全由硬件采样时序完成，不要用软件定时中断产生，因为软件中断的响应延时随机性大，容易造成时间不准。另外采样间隔是周期的函数，而周期是变化的，因此硬件设计频率跟踪电路是必要的，用频率跟踪电路控制采样时序电路，使其自动跟随信号周期调整采样间隔。任何A/D转换器均存在量化误差，相对量化误差与其转换位数有关，一般选用12位A/D较为合适，另外为了进一步保证测量功率对电流、电压采样的同时性要求，采用双A/D不失为一种好办法。交流电量采集装置的测量误差一般来源于算法公式，采样频率设置、软件运算和硬件电路几个环节，为了较好地控制测量误差，综上所述：a、合理地选择算法公式，先用积分法计算电流、电压、有功能满足一般测量的要求，且运算速度快,实现方便，但无功计算存在一些误差，富氏算法能较好地解决这一问题，但同时它也带来了计算的复杂性且降低了实时性,因此在选择上应作综合考虑。b、采样频率，建议考虑到9次谐波为宜，即采样点数20。c、软件运算误差，在程序设计上应着重注意控制乘法舍入误差，计算顺序误差及小除数误差。d、减小硬件电路误差，在硬件设计上应注意控制采样间隔误差、频率跟踪误差和A/D量化误差。第四节 利用微机交流采样技术消除三相无功功率测量中的不对称1.不对称误差传统的两元件测量三相三线制输配电系统无功功率的方法如图9.1所示。图中的两只单相有功功率表：1号表的输入电压为，输入电流为；2号表的输入电压为输入电流为。1号、2号表的读数分别为： (9-8) (9-9)式(9-8)中超前于的相角值；式(9-9)中超前于的相角值。此法用两表读数之和乘以作为三相无功功率读数： (9-10)可以证明，在三相电压、电流对称的情况下，式(9-10)准确地表达了三相无功功率的数值，也只有在这种“三相对称”的条件下，此种测量方法才是(理论上)准确的。在三相电压、电流不对称时，式(9-10)只是近似值地表达了三相无功功率，它带有相当大的附加误差。这种附加误差称为“不对称误差”，它是随着系统电压、电流不对称度的增大而增大的。不对称定义为负序分量与正序分量之比。目前在电力系统中使用的电动式三相无功功率计、感应式三相无功电能表、电子乘法电路式的变送器大多是由图9.1的接线和测量方法演变而来的，读数也是用式(9-10)来表达的，因而都带有“不对称误差”。图9.1 传统的三相无功功率测量方法图9.2 三相三线制线路的等效负载2、三相三线制系统无功功率的准确表达式为了计算“不对称误差”，必须推导出一个不带“不对称误差”的无功功率准确表达式。为此可从图9.2出发，假定此时三相(理想正弦形的)电压、电流均不对称，则用复数运算方法有：视在功率： (9-11) 式(9-9)中的共轭复数。由式(9-9)可得： (9-12) (9-13)式(9-12)、(9-13)代入式(9-11)得： (9-14)由式(9-14)得： (9-15) (9-16)式(9-16)即理想的(不含高次谐波的)三相三线制输电系统在电压、电流任意不对称情况下的无功功率准确表达式。我们看公式 P1= = Q1=ab = =-因为有功功率P1很容易通过硬件（乘法加滤波）来实现，而Q1测量不好用硬件实现，但一般可通过硬件将电流移相90，再用有功表原理实现测量。UA -90有功表IA 但精度做不高，频率变化时移相90变化大且不准，无功也就测不准。而用采样法只需将电流采样点平移90后与电压相乘，就可很方便计算出无功，因此采样方法目前是解决无功测量最好的、最科学又实用的方法。3、从计算实例看消除“不对称误差“的必要性和迫切性图9.3为一个假想的不对称系统PT二次电压、CT二次电流的向量图。图幅值相差5%(不对称度3%)，幅值相差10%(不对称度6%)，功率因数角接近30。此情况在配电网中有一定的代表性，将图9.3中的数据代入式(9-16)得：将图9.3中的数据代入式(9-10)得：根据通常要求的0.5级精度，可以计算出“允许测量误差”。满量程无功功率= =以上假定U为额定值100V，I为额定值5A，。 允许测量误差= 图9.3 三相不对称线路向量图由此可见，此时的“不对称误差”为“允许测量误差”的7倍多，如再加上仪表本身的误差，则此时的无功功率测量误差可能为“允许测量误差”的8倍多。这也就是说，一只出厂前在三相对称测试条件下符合0.5级精度的无功功率表计或变送器，在不对称度如图9.3所示的输电线路上运行时，其精度实际上已降至4级以下。由于无功功率测量中不对称误差的存在，对于诸如“电压控制”、“无功优化”等的计算结果也将产生误差，从而影响自动化技术效果的发挥。此外在按无功电能表读数收费的情况下，由不对称误差引起的无功电能读数误差任其存在，显然也是不合理的。在微机交流采样技术出现以前，无功功率测量中的不对称误差是一个无法解决的技术难题，这是因为无论是电动式测量元件还是电子乘法电路，它们都只能测出，而不可能测出的值。当前的微机交流采样技术本可以很方便地消除“不对称误差”，但目前使用的微机远动装置、微机高精度校验仪大多仍沿用式(9-10)这一带有“不对称误差”的计算式。这是不合理的，尤其是微机高精度无功功率校验仪决不可按式(9-10)来计算无功功率。这是因为三相测试电源不可能绝对对称，它输出电压、电流的微小的不对称就将破坏校验仪的标定准确度。下面用一个计算实例来说明：图9.4中的三相测试电源的输出向量图如图9.4所示。电压、电流幅值偏差0.2%，相角偏差，不对称的程度是微小的。校验仪的无功功率读数按式(9-10)计算出来： 按准确表达式(9-16)计算出的三相无功率为： 按校验仪通常的准确度要求为0.1级：允许测量误差=由上可见，即使校验仪测量部分绝对准确，此时的“不对称误差”也已超出了允许范围。4、消除“不对称误差”的无功功率微机交流采样计算方法此方法一般可设定每一工频周期T对电压信号u(t)及电流信号i(t)采样24次，如图5所示。利用采样所得的u(t)瞬时值u0 、u1、u2 u23及i(t)瞬时值i0、i1、i2 i23可计算出：u(t)的有效值： (9-17) i(t)的有效值： (9-18)单相有功功率： (9-19)则单相无功功率： (9-20) Q的符号决定于的符号。时，；时，。由此可得：单相无功功率： (9-21) 将式(9-21)应用到式(9-12)、(9-13)，得三相无功功率Q的计算式： (9-22) 图9.4 三相无功功率校验仪及其向量图按式(9-22)计算出来的三相无功功率值，消除了“不对称误差”，保持了理论上的准确性。图9.5 交流采样图第四章 远动终端RTU及检定远动终端（Remote Termimal Unit）就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，简称RTU。图3-1所示是RTU在电网监控系统中的示意图。RTU采集所在发电厂或变电站表征电力系统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厂或变电站的控制和调节命令。 早期的远动终端是由一些分立元件构成的电子设备，它所能采集的信息量很少，功能极为简单。随着集成电路的布线逻辑式远动终端的产生，它所采集的信息量比分立元件式远动终端有明显增加，实现的功能也有所增强。直到20世纪80年代初，远动终端采用了微型计算机，才使其发展到一个崭新的阶段。现代的远动终端是一个以微型 计算机为核心的具有多输入/多输出通道、功能较为齐全的计算机系统，系统中的硬件在程序（软件）的指挥下完成规定的功能。不同的程序可以完成不同的功能，具有很强的数据处理能力，改变程序比较方便，工作灵活，适应性强。用微机构成的远动装置的硬件和软件可以按照需要以模块形式适当组合，性能价格比高，可靠性也高，因此在电力系统高度自动化系统中得到广泛运用。 随着电力系统的迅速发展，对电网的监视和控制要求日益提高。作为采集电网运行数据和执行调度命令的远动终端，其作用也越来越重要。由远动终端提供完备可靠的实时数据。并正确执行控制和调节命令，是实现对电力系统安全、可靠、经济运行的必不可少的手段之一。第一节 远动终端的功能 在电网监控系统中，RTU的功能是指RTU对电网的监视和控制能力，也包括RTU的自检、自调和自恢复等能力。由于电网监控系统面对一个庞大而错综复杂的对象，RTU所承担的任务不仅数量上多，而且复杂。通常RTU的功能可划分为远方功能和当地功能。一、 远方功能 RTU是安装在发电厂或变电站的一种远动装置，它与调度中心相距遥远、与调度中心计算机通过信道相连接。RTU与调度中心之间通过远距离信息传输所完成的监控功能称为RTU远方功能。1、 遥测（Tele-measurement） 遥测即远程测量。它是将采集到的被监控发电厂或变电站的主要参数按规约传送给调度中心。为了突出脉冲量和数字量，本资料遥测仅指模拟量的测量。这些测量参数可能是发电厂或变电站中的发电机组、调相机组、变压器、输电线、配电线等通过的有功功率和无功功率，传输线路中重要支路的电流和重要母线上的电压等，还包括变压器油温等非电参量。通常一台RTU可以处理几十甚至上百个遥测量。2、 遥信（Tele-indication、Tele-signalization） 遥信即远程信号。它是将采集到的被监控发电厂或变电站的设备状态信号，按规约传送给调度中心。这些设备状态可能是断路器、隔离器的位置状态、继电保护和自动装置的动作状态，发电机组、远动设备的运行状态等。通常，一台RTU可能处理几十甚至几百个遥信量。3、 数字值（digital Measured Value） 数字值是指直接从数字的形式输入给RTU的一些物理量。它通常指电力系统中电能频率信号量、水力发电厂的水库水位等。RTU按规约将这些数字量送往调度中心。4、 计数脉冲（Counter Pulse）在电网监控系统中，RTU所采集的脉冲量是指反映电能量的脉冲信号量。RTU能直接接收和累计这些脉冲信号，将其处理成电能信息，定时发送给调度中心。一台RTU一般可接收多达几十路电度量脉冲信号。5、 遥控（Tele-command）遥控即远程命令。它是从调度中心发出改变运行设备状况的命令。这种命令包括操作发电厂或变电站各级电压回路的断路器、投切补偿电容器和电抗器、发电机组的开停等等。因此，这种命令只取有限个离散值，通常只取两种状态命令，如断路器的“合”或“分”命令。一台RTU可以实现对几十个设备的远方操作。6、 遥调（Tele-adjusting） 遥调即远程命令。它是从调度中心发出命令实现远方调整发电厂或变电站的运行参数。这种命令包括改变变压器分接头的位置，以调节电力系统运行电压；改变机组有功和无功成组调节器的整定值，以增减机组的输出功率；对自动装置整定值的设定等。一台RTU可以实现对几个甚至十几个这类装置的远方调节。7、 事件顺序记录当RTU检测到发生遥信状态变位时，应立即组织变位信息，在CDT规约下优先插入向调度中心传送，同时记录发生遥信变位的时刻，变位状态和变位开关或变位设备序号，组成事件记录信息向调度中心传送。8、 电力系统统一时钟在电力系统中，因设备或输电线路的故障等，可能引起一系列的跳、合闸动作。为区别事件的前因后果，分布在同一电网中的不同发电厂或变电站应按同一时钟去记录发生事件的时标量，这就要求电网内的时钟是统一的。为了及时纠正RTU时钟运行的误差，RTU就必须具备对时功能。9、 转发转发是指接收别的RTU送来的远动信息，根据上级调度的需要，按规约编辑组装后转发给指定的调度中心。10、 适合多种规约的数据远传RTU与调度中心之间的远距离信息交换是按一定规约传送的。按照规定RTU应符合基本远动任务配套标准IEC608705101，以实现与调度中心及与之联网的其它智能设备通信。二、 当地功能RTU的当地功能是指RTU通过自身或连接的显示、记录设备，实现对电网的监视和控制的能力。 1、 CRT显示与RTU相连接的CRT显示器，可以显示所在发电厂或变电站的电气主接线图。在这个主接线图上可实时显示发电机组的运行状态，断路器的位置状态等重要遥信量；也可在线显示发电厂或变电站的实时运行参数。同时，事故变位遥信和遥测越限告警也可通过CRT显示器醒目地显示出来。2、 汉字报表打印与RTU相连接的打印机，可以实现将数据信息打印记录，存档以备查索。通常打印机可完成三种类型的打印任务，即定时制表打印、召唤打印和事件记录随机打印。3、 本机键盘、显示器RTU都有一块操作面板，在面板上带有小键盘和显示器。通过操作小键盘，在显示器上显示有关信息，以实现巡测、定测、选测、显时等功能。4、 RTU的自检与自调功能反映RTU装置的可维护能力。可维护能力越强，RTU的可用率越高。RTU的程序自恢复能力是指RTU在受到某种干扰影响而使程序“走飞”时，能够自行恢复正常运行的能力。第二节 远动终端硬件与软件配置从功能上考虑，RTU主要是采集发电厂或变电站的遥测量、遥信量、数字值和计数值，经适当的处理后及时向调度中心发送，形成对电网运行的监视。同时，RTU接收并执行调度中心发送到所在厂站的命令，形成对电网运行的控制。因此，RTU是一个多输入/多输出的微型计算机系统。一、 单CPU的RTU硬件和软件配置1、 单CPU的CTU硬件组成所谓单CPU的RTU是指所有数据采集、处理、显示和发送，命令的接收和执行等都由单个CPU独立完成的RTU。其硬件原理框图如图32所示。由图3-2可见，在单CPU的RTU中，硬件包括定时器/计数器、中断控制器等系统部分，遥测、遥信、数字量和电能脉冲等远功信息输入电路，遥控、遥调等命令的输出电路，本机键盘和显示器，CRT显示器以及打印机等人机联系部分。各部分都经可编程接口芯片，通过系统总线与CPU相连接。CPU通过对各接口芯片的操作管理，控制各部分电路的正常工作。2、 单CPU的RTU软件组成RTU是实时监控系统中的一个组成部分，显然，RTU运行的软件是实时软件。实时性软件要完成的任务由定时或不定时触发产生，可用中断服务程序来完成。因此，单CPU的RTU软件包括一个主程序和多个中断服务程序。主程序完成对整个系统的初始化和人机联系的功能。中断服务程序完成RTU的输入和输出功能，主要包括实时时钟中断服务程序、A/D结束中断服务程序、字节发送空中断服务程序和字节接收满中断服务程序等。二、 多CPU的RTU硬件和软件配置1、 多CPU的RTU硬件组成所谓多CPU的RTU是指多个CPU分工协作共同完成RTU功能的一种RTU。其硬件原理如图3-3上所示。从图3-3可见，这种RTU由一个主控系统和多个子系统组成，主控系统和每个子系统都带有CPU。子系统中的CPU负责子系统范围内的数据采集或执行命令，并与主控系统的CPU通信，主控系统的CPU负责管理各子系统，并与调度中心通信以及人机联系。采用多个CPU构成RTU，有利于提高RTU采集和处理远动信息的能力。2、多CPU的RTU软件组成每个子系统中的CPU运行相应子系统的软件,这些软件都包括一个主程序和一个或多个中断服务程序。主控系统的CPU软件主要包括与子系统内CPU的通信程序、与调度中心的通信程序、数据处理程序以及人机联系程序。多个从CPU运行各自的程序，主、从CPU协调工作，共同完成RTU功能所指定的任务。 第三节 遥测信息采集电路在电网调度自动化系统中，调度中心必须随时掌握全网的运行情况，以便形成控制电网正常运行的命令。在反映全网运行状态的信息，遥测量信息是其中的非常重要的部分。遥测量可分为模拟量、数字量、脉冲量三大类。模拟遥测量是指发电厂、变电站的发电机组、调相机组、变压器、母线、输电与配电线路的有功功率、无功功率、潮流和负荷，母线的电压和频率，大容量发电机组的功率角等。数字量是指某些模拟量已经由另外的设备转换成数字量的被测量。例如经微机变送器处理的输入量、水库水位经数字式仪表测得的水位数字量等。脉冲量包括总发电量和厂用电量、联络线交换电能量等电能脉冲，用于累计电度。厂站端必须将测量到的遥测量及时编码成遥测信息，并按规约向调度中心传送。模拟遥测量编码过程如图3-6所示。 模拟遥测量首先由互感器进行测量转换，互感器的输出信号是统一的交流信号（03.5V），这个信号作为RTU的输入信号。在RTU中，互感器输出的交流接入多路模拟开关，经放大滤波后送到采样保持电路输入，A/D转换器将多路模拟开关输出的电压信号转换为一组二进制数码输出，RTU将这组二进制数码进行运算及处理，并编码成遥测信息字，向调度中心发送。在RTU遥测量输入通道中，A/D转换器是重要的组成部分。A/D转换的速度、精度直接关系到遥测信息的处理量和精度。因此，应慎重选择A/D转换器。第四节 交流采样测控单元硬件实现一般RTU装置由若干个测控单元和一个通讯转发模块组成一个屏，一个测控单元完成一组三相电量采集、计算和发送，其中A/D一般选用12位高速成AD转换器，CPU一般选用16位单片或DSP数字信号处理器。典型硬件实现框图如下： 第五节 RTU检验方法简介本公司可校验RTU设备有DK-34系列，下面以DK-34为例说明一下RTU检定方法：1 手动校验将DK-34三相电源输出接入RTU某测控单元的输入端，加载三相电源电压、电流和相位；DK-34RTU测控单元 三相电源 按测试功能键，DK-34将全屏显示三相电压、电流、有功功率、真无功功率和相位。同时RTU测控单元上也显示出以上电量。将DK-34和RTU测控单元上显示的数据进行观察比较，就可得知RTU的测量精度和误差。改变相位、电流幅度值或加载谐波，可进一步观察比较其RTU精度和误差。将DK-34三相电源输出接入RTU的另一测控单元的输入端，通过以上操作同样可测出RTU其余各测控单元精度和误差。2在现校验改变DK-34工作方式，将DK-34测试电路与内部程控源脱离；RTU测控单元DK-34 三相二次回路 将接入RTU测控单元的三相二次回路电压直接接入DK-34的电压输入端，三相二次回路的电流通过钳表接入DK-34的电流输入端；按DK-34测试功能键，即可在现测试RTU工作时的三相电参数，与RTU测控单元上显示值进行比较，即可得RTU误差。3自动校验通过计算机的2个串行口，分别控制RTU和DK-34来实现全自动校验。RTU测控单元#1RS232/RS485通讯转发器测控单元#2计算机测控单元#n RS232/RS485DK-34 三相电源计算机通RS232/RS485直接与RTU通讯转发器或称通讯服务器连接。通讯方法是通过DL451-91、9702、N4F、101、103、104、1801、modbus等规约来实现；计算机与DK-34之间通讯是通过公司内部通讯规约来实现。RTU测控单元供电由DK-34来供给。自动校验过程是通过本公司提供软件操作平台来实现。第五章 RTU通讯规约与自动检定第一节 通讯规约简介目前RTU通讯规约共分二类，一类为循环发送CDT方式，主要有部颁DL451-91规约；另一类为Polling方式通讯规约，目前主要有101、4F（N4F）、1801等，中国电科院RTU入网检测，规约测试主要针对DL451-91和101规约来进行。目前现有规约如循环发送式DL451-91运行效率低、速度慢，不管有用无用所有数据，全发送给主站，主站根据需要取出有用数据，而Polling方式为问答式，即主站问，从站答，功能上也不强，以后将同一过渡使用61850和61334等规约上来。第二节 CTD循环工作方式与自动检定对交流采样检定关键利用通讯规约如何将RTU中数据读到计算机中，来实现交流采样的自动检定。1.通讯结构正常情况下，RTU循环向主站发送数据，数据包括：遥测、遥信、遥脉。主站系统通过下行发送遥控命令、设定等。数据主站（计算机）RTU 命令 2.通讯链路：RS232，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验，300/600/1200/2400/4800/9600可选3.报文结构：0xcb0x900xeb0x900xeb0x90同步头0x71CmdInfoSrcobjBCH控制头功能码BCH信息字功能码BCH信息字功能码BCH信息字功能码BCH信息字（1） cmd：命令0x61 重要遥测（RTU主站）0Xf4 遥信 （RTU主站）0x85 遥脉 （RTU主站） 0x7A 遥控返校（RTU主站）0x61 遥控选择 （主站RTU）0xC2 遥控执行 （主站RTU）0xB3 遥控取消 （主站RTU）0x57 设定模拟量（主站RTU）0x7A 向下对时 （主站RTU）（2） info： 本帧传送的信息字数量，info=0-255。除特殊命令以外，功能码从0开始。因此，如果info=6，则功能码=0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x05（3） src：发送的站地址（4） obj：对方接收的站地址（5） BCH：校验码每5个字节加一个校验码BCH。4.报文接收及发送处理。每6个字节为一个信息字。可根据信息字的编码直接解释为何种数据。5.报文介绍：为了得到RTU测试数据，我主要关注重要遥测0x61。循环发送0x61：重要遥测（RTU主站）0xeb 0x90 0xeb 0x90 0xeb 0x90 同步头0x71 0x61 Info Src 0bj BCH 控制字0x00 YC0L YC0H YCIL YC1H BCH 信息字0x01 YC2L YC2H YC3L YC3H BCH 信息字0x02 YC4L YC4H YC5L YC5H BCH 信息字0x03 YC6L YC6H YC7L YC7H BCH 信息字YC0L为YC0的低字节，YC0H为YC0的高字节。YC0为转发的第0个字节，YC0为12位补码数据，YC0.BIT15/ YC0.BIT14/ YC0.BIT13/ YC0.BIT12一般不用，可填0处理。故数值在-2048到+2047之间。例如：收到遥测为code，则如code.bit11=0，则YC=code，如code.bit11=1，则。YC1为转发的第1个字节，依次类推。每一功能码为2个遥测。功能码一般在0-127，最多传送512个遥测，每个遥测的具体意义由制造商解释。遥测的归一化处理如下：计算值X，满度FULL，则传送的通道码=X/FULL*2048。一般情况下，遥测YC0-Ycn各代表什么是各厂家自行定义（如YC0-A相电压、YC1-B相电压、YC2-C相电压等）第三节 Polling工作方式与自动检定Polling方式通讯规约种类较多，各规约之间虽有区别，但一段工作方式类似，下面就Polling规约工作时，计算机如何取得RTU测试数据做一个介绍1.通讯结构从站（RTU）主站（计算机）问答正常情况下，主站问