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电气电子毕业设计论文
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毕业设计50变电站综合自动化系统,电气电子毕业设计论文
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目录 前言 . - 2 - 1 绪论 . - 3 - 1.1变电站综合自动化的优越性 . - 3 - 1.2 变电站综合自动化系统的发展阶段 . - 4 - 2 变电站综合自动化系统的内容、功能和要求 . - 8 - 2.1 变电站综合自动化系统的主要内容 . - 8 - 2.2 变电站综合自动化的基本功能 . - 9 - 2.3 变电站综合自动化系统的设计原则与要求 . - 9 - 3 变电站综合自动化系统的硬件结构 . - 12 - 3.1 变电站综合自动化系统的结构形式 . - 12 - 3.2 变电站综合自动化系统硬件 . - 13 - 3.2.1 模拟量输入 /输出回路 . - 14 - 3.2.2 开关量输入及输出电路 . - 16 - 3.2.3 人机对话硬件 . - 18 - 3.2.4 键盘响应 . - 18 - 3.2.5屏幕显示电路 . - 19 - 3.2.6打印机的接口电路 . - 19 - 4 变电站综合自 动化系统的通信 . - 20 - 4.1变电站综合自动化系统通信传输方式 . - 20 - 4.1.1 综合自动化系统与控制中心通信 . - 21 - 4.1.2 变电站内的信息传输 . - 22 - 4.2 变电站综合自动化系统通信的特点 . - 22 - 4.3基于 CAN 总线的变电站通信网络 . - 23 - 4.3.1 变电站综合自动化系统通信 . - 23 - 4.3.2 变电站综合自动化通信结构单元 . - 24 - 5 NS2000 变电站综合自动化系统 . - 27 - 5.1 NS2000综合自动化系统特点 . - 27 - 5.1.1、主要功能 . - 29 - 5.1.2 NS2000 系统构成 . - 30 - 5.1.3 通信网络 . - 32 - 5.2 NS2000变电站综合自动化计算机监控系统 . - 34 - 5.2.1 系统结构及软硬件配置 . - 39 - nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 1 - 5.2.2系统软件运行环境 . - 42 - 5.2.3支撑平台系统 . - 44 - 5.2.4数据采集和监控系统（ SCADA）功能 . - 46 - 5.3 NSC200系列通信控制器 . - 48 - 5.3.1 NSC200 通信控制器硬件结构及原理 . - 49 - 5.4 NSD200系列 通用测控装置 . - 53 - 5.4.1 NSD200 系列通用测控装置硬件结构 . - 53 - 5.4.2 NSD200 组态软件 . - 57 - 5.4.3 NSD100/500 系列测控装置 . - 57 - 5.5 NSR500系列微机保护装置 . - 58 - 5.5.1 NSR530 系列变压器保护装置 . - 59 - 5.5.2 NSR540 系列备自投装置 . - 60 - 5.5.3 NSR550 系列通信管理机及其它辅助装置 . - 61 - 5.5.4 NSR570 系列线路、馈线保护装置 . - 61 - 5.5.5 NSR580 系列电容器保护装置 . - 61 - 结束语 . - 63 - 致谢 . - 64 - 参考文献 . - 65 - nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 2 - 前言 变电站是电力网中的线路连接点，是用以变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。变电站中有不同电压的配电装置、电力变压器、控制、保护、测量、信号和通信设施以及二次回路电源等。有些变电站中还由于存在无功平衡、系统稳定和限制过电压等因素，需要装设同步调相机、并联电容器、并联电抗器、静止补偿装置、串联补 偿装置等。另外，随着用电负荷的不断增长和负荷密度的加大，变电站的电压等级和容量不断提高，对供电可靠性的要求也越来越高，为此需要提高变电站的自动化水平。 变电站综合自动化技术应用计算机技术、通信技术、检测技术和控制技术等，将变电站中传统的继电保护系统、测量系统、控制系统、调节系统、信号系统和远动系统等多个独立的功能系统，经优化、组合为一套智能化的综合系统。这一技术的应用，提高了对变电站电气设备和电力系统进行监视、控制和保护的自动化、智能化水平，提高了保护、控制的可靠性和电力系统的安全运行水平，社会经济 效益十分显著。此论文是以NS2000变电站综合自动化系统主体的变电站综合自动化系统研究。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 3 - 1 绪论 变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计 ,利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术 ,实现对变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护 ,以及与调度通信等的综合性的自动化功能。 1.1 变电站综合自动化的优越性 由于传统变电站存在着安全性及可靠性不高、供电质量缺乏科学性、不适应电力系统快速计算和实时控制、维护工作量大且设备可靠性差的特点，在新建变电站中大都采用变电站综合自动化系统，增加了四遥功能，提高了变电站的自动水平，实现无人值班和调度自动化管理。 变电站实现综合自动化的优越性主要有以下几个方面。 提 高变电站的安全，可靠运行水平。有的自控装置兼有监视其控制对象工作是否正常的功能，一旦发现其工作不正常，能及时发出告警信息。更为重要的是，微机保护装置和微机型自动装置具有故障自诊断功能，这是综合自动化系统比其常规的自动装置或“四遥”装置突出的特点，可使得采用综合自动化系统的变电 站一、二次设备的可靠性大为提高。 提高了供电质量，提高电压合格率。由于在变电站综合自动化系统中包括有电压，无功自动控制功能，对于具备有载调压变压器和无功补偿电容器的变电站，可以大大提高电压合格率，保证电力系统主要设备和各种负荷电器设备的安全，使无功潮流合理，降低网损，节约电能。 简化了变电站二次部分的硬件配置。在变电站综合自动化系统中，对某个电气量只需要采集一次便可以供全系统共享。 提高电力系统的运行、管理水平。变电站实现自动化后，监视、测量、记录、抄袭等工作都是由计算机自动完成，既提高了测量的精度 ，又避免了人为的主观干预。运行人员只要通过观看 CRT屏幕，对变电站主要设备和各输、配电线路的运行工况和运行参数便一目了然，大大提高运nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 4 - 行管理水平。 缩小变电站占地面积，减少总投资。一方面，由于变电站综合自动化采用微机和通信技术，可以实现资源共享，同时由于硬件电路多数采用大规模 集成 电路，机构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设备相比，可以大大缩小变电站的占地面积。另一方面，随着微处理器和大规模集成电路的不断降价，微计算机性能 /价格比逐步上升，使综合自动化系统的造价也逐渐降低，而性能和功能则逐步提高，因而可以 减少变电站的总投资。 减少维护工作量，减少值班员劳动量。由于综合自动化系统中，各子系统有故障自诊断功能，系统内部有故障时能自检出故障部位，缩短了维护时间。微机保护和自动装置的定值又可在线读出检查，可节约定期核对定值的时间。而监控系统的抄表、记录自动化，值班员可不必定时抄表、记录。如果配置了与上级调度的通信功能，能实现遥测、遥信、遥控、遥调，则完全可实现无人值班，达到减人增效的目的。 有利于提高变电站无人值班管理水平。综合自动化系统可以采集比常规运动装置更多的变电站运行信息和设备状态信息，这些信息可以迅速发往 上级调度中心。综合自动化系统还能将二次设备的运行状态和故障自诊断的信息向调度主站报告，这些都是常规的变电站所没有办法达到的。因此，采用综合自动化系统不仅可以全面提高无人值班变电站的技术水平，也可提高其可靠性。 正是由于变电站综合自动化系统具有以上优点，现在，变电站综合自动化系统已经开始广泛应用与新建变电站中，对传统的变电站也进行着综合自动化系统改造。 1.2 变电站综合自动化系统的发展阶段 1、 国 外变电站综合自动化发展概况 20 世纪 70 年代末，英国、意大利、法国、西德、澳大利亚等国新装的运动装置都是微型机的 个别有用 16 位小型计算机的，布线逻辑的远 动nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 5 - 装置已经开始淘汰。供电网的监控功能正以综合自动化为目标迅速发展，除“三遥”外，还增加了：（ 1）寻找并处理单相接地故障；（ 2）作为保护拒动或短路器拒动的补充保护；（ 3）负荷管理；（ 4）成组数据记录，其中包括负荷曲线、最大需量、运行数据、事故及事件顺序记录等；（ 5）自动重合闸及继电保护。 20 世纪 80 年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和大公司越来越多，包括德国西门子公司、 ABB 公司、 AEC 公司、美国 GE 公司、西屋公司，法国阿尔斯通公司等。这些公司都有自己的 综合自动化系统产品。 1985 年，西门子公司在德国汉诺威正式投运第一套变电站自动化系统 LSA67B，至 1993 年已经有 300 多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行。 国际电工委员会第 57 次技术委员会成立了“变电站控制和保护接口”工作组，负责起草该接口的通信标准。该工作组由 12 个国家（主要集中在北美和欧洲，亚洲有中国，非洲有南非） 2000 位成员参加。从 1994 年3 月到 1995 年 4 月举行了四次讨论会，与 1995 年 2 月向 IEC 秘书处提交了保护通信伙伴标准 IEC60870-5-103， 为控制与保护之间的通信提供了一个国际标准。 2、 我国变电站综合 自动化的发展过程 我国变电站综合自动化研究 开始于 20 世纪 80 年代中期。 1987 年，清华大学电机工程系研制成功第一个符合 要求 的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功地投入运行。该系统主要由 3 台微机及其外围接口电路组成。 20 世纪 80 年代后期，不少高等院校、研究单位和生产厂家投入到变电站综合自动化的研究中。 90 年代，召开了规模很大全国变电站综合自动化 研讨和技术经验交流会。规模比较大的单位有南瑞公司、四方公司等，变电站综合自动化系统的产品 种类越来越 多。 近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，网络技术、nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 6 - 现场 总线等的出现，为提高变电站综合自动化技术水平提供了技术支持。90 年代中，变电站综合自动化已经 成为电力系统自动化 最重要的装置 ，其功能和性能也不断完善。变电站综合自动化已成为新建变电站的主导技术。 3、 综 合自动化 系统 的发展趋势 随着电力工业的发展，以及微机 通信技术的广泛使用， 变电站综合自动化技术也取得了巨大进步 。从 20 世纪 80 年代起，我国先后开展了变电站综合自动化工作，到 90 年代初，结合变电站技术改造和变电站无人值班工作的开展，出现了多种结构、功 能不一的变电站综合自动化系统。 现在 ，这项技术正向纵深发展。 由功能分散向单元分散发展 早期的变电站综合自动化系统，通常将微机保护、微机监控、故障录波、微机运动等按功能分散考虑，一个功能模块管理很多个设备、多个单元。现在更多地考虑分散性，让一个综合模块去管理一个电气系统，这种综合模块既可分散安装在电气单元附近，也可适当集中到一个控制小间。这种单元分散式模块的独立性很强，硬件故障不会波及到其他单元。 由集中控制向分散方式网络发展 早期的变电站综合自动化系统是由传统自动化发展起来的，大多数采用集中控制方式，硬件上 采用总线插槽中插入功能模块。这种结构一方面要将设备单元的信息通过电缆集中；另一方面数据通信处理能力受到限制，系统可靠性不高。采用网络结构，特别是分布式的网络结构，可从根本上克服了集中控制的缺点。 由 功能向多功能发展 变电站综合自动化系统所能完成的功能是逐步增加的 。早期的变电站综合自动化系统仅是传统功能的简单集中，现在则在多个 面增加功能、增强其综合性。例如、从测量、监控、保护相对独立发展到测量、监控、保护一体化。故障录波由微机保护兼容，省去了故障 录波装置。电压无功综合控制纳入变电站综合自动化系统。操作 闭锁 已成为变电站综合nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 7 - 自 动化系统的功能之一。变电站中原来未能实现 独立自动化的功能正在逐步由变电站综合自动化系统来完成。 向测量数据完全共享发展 变电站综合自动化数据完全共享是指继电保护所需的输入信息和测量信息完全共享。测量信息完全共享的优点是：保护和测量可以共用同一个 CPU 和共用相同的模拟量输入通道，即同一个功能单元既完成保护的功能，也完成测量的功能，因此可 减小 测控单元体积，降低设备造价 .。 变电站综合自动化向规范化方向发展 变电站 综合自动化 技术的迅猛发展和良好前景， 吸引了越来越多行业技术力量的参与。 随着 变电站综合自动化系统产品制造商越多，技术规范和标准的制定和实施 等更为重要 。国际电工委员会第 57 技术委员会（ IEC TC57）已经颁布了与此相关的 IEC 60870-5 系列标准，我国也陆续推出了与之配套的相关标准 DL/T634-1997， DL/T667-1999， DL/T719-2000 等。变电站综合自动化系统的开发商都按照标准组织生产，将有利于系统的集成，有利于变电站综合自动化技术的推广和发展，有利于变电站综合自动化技术水平的提高。 变电站综合自动化更深层次的发展，必然使变电站综合自动化系统的功能更加强大， 其应用范围也必然更为全面。变电站综合自动化深层次，宽范围的发展，必然能极大促进电力系统的长足发展。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 8 - 2 变电站综合自动化系统的内容、功能和要求 变电站综合自动化系统具有强大的功能，无论监控控制功能还是微机保护方面都是常规模式所不能比拟的。完善的操作性能、强大而趋于完善的功能，正是变电站综合自动化系统独特的性能。 2.1 变电站综合自动化系统的主要内容 变电站综合自动化的内容主要 包括变电站电气量的采集和电气设备（如断路器等）的状态监视、控制和调节。通过变电站综合自动化技术，实现变电站正 常运行的监视和操作，保证变电站的正常运行和安全。当发生事故时，由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视和控制，并迅速切除故障，完成事故后的恢复操作。 由于变电站有多种电压等级，在电 网中所起的作用不同，变电站综合自动化在实现的目标上可分为以下两种 情况： 对 220kV及以下中、低压变电站，采用自动化系统，利用现代计算机和通信技术，对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，实现综合自动化，以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班或减少人增效。 对 220kV以上的变电站，主要是采用计算机监控系统提高运行管理水平，同时采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化水平和运行、管理水平的目的。 此外，变电站 综合自动化的内容还应包括监视高压电器设备本身的运行（如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等），并将变电站所采集的信息传送给调度中心，必要时送给运行方式科和检修中心等，以便为电气设备监视和制定检修计划提供原始数据。 变电站实现综合自动化的基本目标是提高变电站的技术水平和管理水平，提高电网和设备安全、可靠、稳定运行水平，降低运行 维护成本，提高供电质量，并促进配电系统自动化。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 9 - 2.2 变 电站综合自动化的基本功能 变电站综合自动化 的基本功能包括下面几个方面： 1、 监视和控制功能 、数据采集。 模拟量的采集； 状态量的采集； 脉冲量的采集。 事件顺序纪录 SOE。 事故纪录、故障录波和故障测距。 操作控制功能。 安全监视功能。 人机联系功能。 打印功能。 数据处理与纪录功能。 谐波分析与监视。 2、微机保护功能。 微机保护的功能。高压输电线路的主保护和后备保护； 主变压器的主保护和后备保护； 无功补偿电容器组的保护；母线保护； 配电线路的保护； 不完全接地系统的单相接地选线。 电压、无功综合控制。包括集中控制、分散控制、关联分散控制。 低频减负荷控制。 备用电源自投控制。 通信功能。 时钟功能。 自诊断功能。 2.3 变电站综 合自动化系统的设计原则与要求 变电站综合自动化包含了变电运行、继电保护、测量监控、运动和通信等多个方面。 随着变电站综合自动化系统的技术水平的 提高，体系结构的不断改进， 为了达到变电站综合自动化的总体目标，在设计变电站综合nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 10 - 自动化系统时，必须考虑以下原 则要求： （ 1） 系统运行的安全性。变电站微机保护的软件、硬件设置，既要与监控系统相对独立，又要相互 协调，即在系统运行中，继电保护的动作行为仅与保护装置有关，不依赖于 监控系统的其它环节，保证综合自动化系统中任何其他环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子系统的正常工作。但微机保护与监控系统要保持紧密通信联系。 （ 2） 信息共享。必须充分利用数字通信的优势，实现数据共享。数据共享应该是综合自动化系统发展的趋势，只有实现数据共享，才能简化自动化系统的结构、减少设备的重复、低造价。 （ 3） 充分体现综合性。变电站综合自动化系统应该能全 面代替常规的二次设备，并提供良好的操作控制。综合自动化系统应该集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一体，形成一个由监视控制、微机保护子系统 、测量子系统、各种功能的控制子系统、通信子系统等组成的分级分布 的系统。该系统应该能代替常规的继电保护、仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置。为了提高变电站的技术水平和可靠性，一般要求的故障录波及测距功能由保护系统完成，在有特殊较高要求时，可专 门 设置独立完成，并将其状态信息传送给监控系统。 （ 4） 技术先进性。变电站综合自动化系统的功能和配置，应满足无人值班的总 体要求，随着我过电力工业进入大电网，大机组的时代，无人值班变电站的实施已经成为电网调度自动化深入发展的必然趋势，是电网管理的发展方向。无论从可靠性、测量精度、传输速率和技术水平等方面衡量，传统的“四遥”装置都不能满足现代电网调度和管理的要求。变电站综合自动化系统的功能设计，要从电力系统的安全、稳定运行、提高经济效益等综合指标以及提高电网基础自动化水平的综合要求出发，其软、硬件的配置必须 具备 RTU 的全部功能，必须具备与上级调度通信的能力，以便满足和促进变电站无人值班的实施。 （ 5） 结构上的灵活性。在电力系统中，新建 变电站和对老变电站改造是常见的，它们的自动化水平要求各不相同，需要有不同规模和不同nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 11 - 技术等级、技术先进、功能可选、性能价格比高的自动化系统可供选用。根据实际情况，可采用集中式结构，分层分布式结构，完全分散式结构等系统。 （ 6） 通信的可靠性。在变电站综合自动化系统 内，许多信息需要快速交换。各个功能模块 之间宜采用网络方式，便于接口功能的扩充。网络可选用星形、总线形或环行等结构。网络介质一般采用电缆或光缆。系统应支持标准的或合理的通信协议。 （ 7） 运行模式的适应性。变电站综合自动化系统应能灵活地提供监控操作手段，满足有人或无人 值班的需要。 （ 8） 很强的抗干扰能力。变电站安全运行是变电站综合自动化系统设计的基本要求，为此，在考虑提供的总体结构时，要注意主、次分清。对关键环节，要有异地能够的冗余。各子系统应具有独立的故障自诊断和自恢复功能，任何一部分 发生故障时，应同志监控主机发出警告指示，并能迅速将自诊断信息送往 控制中心。 （ 9） 标准化和开放性。所设计的变电站综合自动化应尽量符合国家或部颁标准，使系统开放性能好，便于升级。 在变电站综合自动化系统的设计中，各公司都遵循以上原则，从而保证了在系统运行中信息共享，也能体现各子系统在系统运行 中能达到良好的配合。这些设计原则与要求，大大提高了变电站运行的可靠性和方便性。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 12 - 3 变电站综合自动化系统的 硬件 结构 电子技术、微机技术、通信技术和网络技术的迅速发展，推动了变电站综合自动化技术的发展，同时，也促使变电站综合自动化系统的体系结构发生相应的变化。 变电站综合自动化系统的 结构形式通常可分为传统改造式、集中组屏式、分层分布式、完全分散式和分散集中结合式等五种类型。 本论文研究中主要以南瑞集团生产的 NS2000 变电站综合自动化系统为主体进行研究，它采用的分层分布式结构，如图 3-1 所示。 图 3-1 分层分布式结构图 3.1 变电站 综合自动化系统的结构形式 在分层分布式结构的变电站综合自动化系统中，将整个变电站的一、二次设备分为 3 层，即变电站层、单元层 （间隔层） 和设备层。在所分的3 层中，变电站层成为 2 层，单元层为 1 层，设备层为 0 层。每一层由不同的设备或不同的子系统组成，完成不同的功能。 设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，也包括电流互感器、电压互感器等一次设备。 单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 13 - 测量、控制部分完成该单元的测量、监视、 操作控制、 闭 锁及事件顺序记录等功能；保护部分完成该单元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等功能。因此，单元层本身是由各种不同的单元装置组成的，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也可能没有数采管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由数采管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实际上就是两级系统的结构。 变电站层包括 站级监控主机、运动通信机等。变电站层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机与单元层之间交换信息。变电站综合自动化系统主要位于 1 层和 2 层 。 变电站 层 的有关自动化设备一般安装于控制室，而单元层的设备宜安装于靠近现场，以减少控制电缆长度。至现场通信技术在变电站的成熟使用前，单元层的设备仍宜安装在变电站的控制室，从而形成了分层分布式系统集中组屏的结构。 分层分布式有以下特点： （ 1） 分层分布式的配置 （ 2） 继电保护相对独立。 （ 3） 具有与控制中心通信功能。 （ 4） 可靠性高。 （ 5） 维护管理方便。 （ 6） 需要电缆较多。 3.2 变电站综合自动 化系统 硬件装置 变电站综合自动化系统是按照模块化设计的，各部件都是由若干模块组成。它们的硬件部分大都是由模拟量输入 /输出回路、微机系统、开关量输入 /输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源等部分组成。这些部分是综自系统的基础。系统典型的 部件 硬件结构 如下图 3-2-1。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 14 - 图 3-2-1 变电站综合自动化系统各部件硬件结构图 3.2.1 模拟量输入 /输出回路 来自变电站的电压、电流信号都是模拟信号，是随时间连续变化的物理量。由 于微机系统是一种数字电路设备，只能接收数字脉冲信号，识别数字脉冲信号，所以就需要将来自 TA、 TV 的电流、电压类型的模拟信号转换为相应的微机系统能接 收 的数字脉冲信号。同时，为了实现对生产过程的控制，还需要输出模拟信号，去驱动模拟调节执行机构工作，这就需要模拟量的输出回路。 根据模 /数变换原理不同，综合自动化装置中模拟量输入电路有两种方式：一是基于逐次逼近型 A/D转换方式（ ADC），是直接将模拟量转变为数字量的变换方式；二是利用电压 /频率变换（ VFC）原理进行模 /数变换的方式，它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量 ，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式。但逐次逼近式 A/D 变换过程中， CPU要使采样保持、nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 15 - 多路转换开关及 A/D变换器三个芯片之间协调好，接口电路非常复杂。而且 ADC 芯片结构也很复杂，成本高。现在许多微机应用系统都采用电压 -频率变换技术进行 A/D变换。 1、 V/F转换的原理 电压 -频率变换技术的原理是将输入的电压模拟量 ui线性地变换为数字脉冲的频率 f，是产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后 在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供 CPU 读入。原理图如下图3-2-2所示。 图 3-2-2 V/F转换原理图 图中 VFC可采用 AD654芯片，计数器可采用 8031或内部计数器。 CPU每隔一个采用间隔时间 ts读取计数器的脉冲值，并根据比例关系算出输入电压 uin对应的数字量，从而完成了模 /数转换。 VFC型的 A/D 变换方式及接口简单， CPU几乎不需要对 VFC 芯片进行控制。保护装置采用 VFC 型的 A/D变换，建立了一种新的变换方式，为微机系统带来很多好处。 2、 模拟量的输出回路原理 模拟量的输出电路的作用是把微机系统输出的数字量转换成模拟量输出，这个任务主要由数 /模变换器来完成。由于 D/A 转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微机系统输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此在微机系统与 D/A 转换器之间必须用锁存器来保持数字量的稳定。经过 D/A转换器得到的模拟信号，一般要经过低通滤波器，使输出波形平滑，同时为了能驱动受控设备，可nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 16 - 以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。 如图 3-2-3所示。 图 3-2-3 模拟量输出回路原理 数 /模转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。它 的主要部件是电阻开关网络。在运算放大电路中，当放大器的放大倍数足够大时，其输出电压 ud 和输入电压 Ui 关系为 Ud =-RRFUI ，式中 RF 为运算放大器的反馈电阻； R 为输 入端输入电阻。数 /模变换的原理正是利用了这个原理。 3.2.2 开关量输入及输出电路 开关量输入 /输出 回路 由并行接口、光电耦合及有触点的中间继电器等组成，主要用于人机接口、发跳闸信号、本地和后台机处的告警信号及闭锁信号等 。输出电路主要是将 CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。图 3-2-4是开关量输入电路 配置 图。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 17 - 图 3-2-4 开关量输入电路配置图 由图可知，开关量输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路组成。开关量输出电路与输入电路基本一致 。 1、 光电隔离。为防止电磁干扰对计算机的影响，在设计中采用光电隔离技术。光电隔离是利用光电耦合器实现现场开关量与计算机总线之间的完全隔离。光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管组成。 发光二极管和光敏三极管之间是绝缘的，两者都封装于同一芯片中。接线如 图 3-2-5所示 。 图 3-2-5 输出为低电平 输出为高电平 在综合自动化系统中，主要运用中断控制方式来控制输入 /输出。中断是通过硬件来改变 CPU程序运行的方向。微机系统在执行程序过程中，由于 CPU以外的某种原因，有必要尽快中断当前程序的执行 ，而执行相应nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 18 - 的处理程序，待处理结束后，在回来继续执行被中止的原程序。 3.2.3 人机对话硬件装置原理 在变电站综合自动化系统中，人机对话的主要内容有： 1、 显示画面与数据：包括时间日期、单线图状态、报警画面与提示信息等。 2、 输入数据：包括运行人员的代码和密码、手动 /自动设置。 3、 人工控制操作：包括断路器及隔离开关操作、变压器分接头顺序控制；控制闭锁与允许等。 4、 诊断与维护：包括故障数据纪录显示；诊断检测功能的启动等。 3.2.4 键盘响应原理 键盘响应电路如图 3-2-6所示 该电路采用非编码矩阵式键盘，设有16 个按 键，按照 4 行 4 列构成，在行与列交叉处接入开关式按键。其中按键的行号由并行口 8256的 P2口的 P2.4-P2.7来提供，列号由经过双向数据缓冲器与微处理器数据总线的低四位相连来提供。 图 3-2-6 键盘响应电路原理图 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 19 - 3.2.5 屏幕显示电路 屏幕显示器即 CRT 显示器，是微机实现人机对话的重要工具，能够把各种数据和信息变成直观的文字和图像，帮助操作人员随时了解变电站的实时接线图以及各种运行参数等。 显示电路的简化结构如图 3-2-7 CRT显示器为了得到一幅图像，必须用水平和垂直两种扫描信号。 字符在屏幕上由点阵的光点组成，电子束自左至右和自上到下地逐行扫描。画面至少以每秒 50 次的频率重复扫描才能得到稳定的图像。所以，要使CRT显示出一幅稳定的图像，要有图像信号、同步信号和消隐信号。 图 3-2-7 屏幕显示电路图 3.2.6 打印机的接口电路 打印机作为一种输出设备，在人机联系构成中有着重要的作用。在调试方式下，输入键盘操作命令，微型机装置可以通过打印机将执行结果打印出来，以便于使用者了解装置是否正常运行；在运行方式下，电力系统发生故障后，打印机可以将有关的故障信息、保护动 作行为和采样报告打印输出，为事故分析提供保护动作信息。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 20 - 4 变电站综合自动化系统的通信 在变电站综合自动化系统运行时，为了监视和控制变电站运行状况，需要将各种信息及时采集并，送到调度或监控中心，并由调度或控制中心发送调度或控制命令。而各种信息的传输过程，就是变电站综合自动化的通信过程。 4.1 变电站综合自动化系统通信传输方式 现在通信传输主要有两种形式，一是分布式，另一种是现场总线式。 面向对象分布式系统，通常在每一现场设备上 (开关柜 )安装一台多功能 (综合 )单元 (面向对象设置的现场单元 FU )， 它的优点 是可靠性增加，电缆减少，以至 达到 可取消原控制室。但此方法构造的控制系统，目前多采用主从方式来完成控制主机与各现场单元间的通信，各现场单元间 不 相互联系，并且通信协议多为自定，难以支持不同厂商的现场单元。若采用公认标准的现场总线技术，则可方便地解决上述问题。 而现场总线的应用则能很好地解决分布式系统存在的缺点。它能更好地对系统实施控制。现场总线控制系统具有 以下特点： (l)互操作性好 具有现场总线接口的 设备 不仅在硬件上标准化，而且在软件上也标准化。用户也优选不同厂家的产品集成为个符合自己实际情况的自动化系统。 (2)现场总线的通讯网络为开放式网络 以前，由于不同厂家的自动化 设备 通讯协议不同，要实现不同厂家同类型产品互连困难，给用户带来许多不 便 ，甚至要增加投资。而现场总线为开放式的互连网络，所有的技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循，使用户可以自由组成不同制造商的通讯网络，既可以与同层网络相连，nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 21 - 也可与不同层网络互连，因此现场总线给自动化系统带来更大的适应性。 (3)成本降低。由十现场总线完个采用数字通讯，其控制功能也可下放到现场。由现场总线 设备 组成的自动化系统，减少了占地而积，简化了控制系统内部的连接，可节 约大量的连接电缆，使成本大大降低。 (4)安装、维护、使用 方便。 使用现场总线接口技术，无需用许多控制电缆连接各控制单元，只需将 设备 挂在总线上，这样明显减少连接电缆，使安装更 方便 ，抗干扰能力更强。系统配置灵活，可扩展性好，整个系统具有统一的操作界面。同时，通过现场总线接口就可获得高级控制算法所需基本数据。 4.1.1 综合自动化系统与控制中心通信 变电站综合自动化系统的数据通信，包括两方面的内容：一是综合自动化系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换，主要解决综合自动化系统内部各子系统与上位机之间的数据 通信和信息交换问题，其通信范围在变电站内部。对于集中组屏的综合自动化系统来说，实际是在主控室内部；对于分散安装的综合自动化系统来说，其通信范围扩大到主控室与子系统的安装地，通信距离加长了。另一方面变电站与控制中心或远方调度中心间的通信，综合自动化系统兼有 RTU 的全部功能，能够将所采集的数据、断路器状态信息及事件顺序记录等远传至调度端；并且能接收调度下达的各种操作、控制、修改定值等命令。 综合自动化系统具有与电力系统控制中心通信的功能 ， 不另设独立的运动装置 ， 而由综合自动化系统的上位机或通信管理机执行运动功能 .把变电所所需测量的 数据 量和控制信息传送至控制中心 ， 这些信息是变电所和控制中心共用的 ， 不必为专门送控制中心而单独采集 . 变电站不仅要向控制中心发送测量和监视信息 ， 而且要从上级调度中心接收数据和控制命令 ， 例如接收调度下达的开关操作命令 ， 在线修改保护定值 ， 召唤实时运行参数 .从全系统范围考虑电能质量 ， 潮流和稳定值的控制等 。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 22 - 4.1.2 变电站内的信息传输 在变电站综合自动化系统中需要传输的数据有以下几种 ： （ 1） 设备层与间隔层 (单元层 )间的信息交换 ， 间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元 ， 或两者都有 。 设备层的智能 开关柜内的高压断路器有智能传感器和执行器 ， 可以自由地与单元层的装置交换信息 。 间隔层的设备大多数需要从设备层的电压互感器采集正常或事故下的电压值和电流值 ， 采集设备的状态信息和故障诊断信息 ， 这些信息包括 ： 断路器和隔离开关的位置 ， 主变压器分节头位置 ， 变压器互感器霹雷器的诊断信息及断路器操作信息 。 （ 2） 单元层内部的信息交换 ， 在一个单元层内部相关的功能模块间 ，即智能保护和控制、监视、测量之间的数据交换。 （ 3） 单元层之间的信息交换：不同单元层间的数据交换有，主 、 后备保护工作状态、互锁，相关保护动作闭锁电压无功功 率综合控制装置的信息。 （ 4） 单元层和变电站层的通信：正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离开关、主变压器分接开关位置、各单元层运行状态保护动作信息等；断路器和隔离开关的分和命令，主变压器分接头位置调节，自动装置的投入与退出等；微机保护与自动装置的整定值等。 （ 5） 变电站层的不同设备之间的通信，要根据各设备的任务和功能的特点，传输所需要的测量信息、状态信息和操作命令等。 4.2 变电站综合自动化系统通信的特点 变电站综合自动化通信具有以下特点： （ 1） 快速的实时响应能力。变电站综合自动 化系统的数据网络要及时的传输现场的实时运行信息和操作信息。 （ 2） 很高的可靠性。电力系统的连续运行要求数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障和非正常工作会影响整个变电站综合自动化系nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 23 - 统的正常运行。 （ 3） 优良的电磁兼容性能。变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强点此干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，因此数据通信网络应采取相应的消磁措施。 4.3 基于 CAN 总线的变电站通信网络 4.3.1 变电站综合自动化系统通信 通信功能是综合自动化出别于常规站最明显的标志之一，通信网络变电站内间隔 信息可充分共享，并通过通信接口与外界信息系统交换信息，同时节省大量电缆，构成一个快速、稳定、可靠的通信网络是变电站自动化系统的基本要求，也是电力系统运行管理功能的基本前提。 近年来，随着我国电力自动化的不断发展，电力系统通信方式也不断改进，现场总线技术因其组网方便，抗干扰能力强等特点得到广泛应用。现场总线标准很多， 电力自动化系统中最常用的是 LONWORKS 和 CAN总线。 LONWORKS 总线通信速率为 78Kbps 和 1.25Mbps， CAN 总线通信速率为 1Mbps。 CAN 总线是一种有效支持分布控制和 实时控制的串行通信网络，是一种通信速率可达 1Mbps 的多主总线 1。具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理，通信速率高，错误帧可自动重发，永久故障可自动隔离，不影响整个网络正常工作，可靠性高，而且协议简单，开放性强，组网灵活，成本低等特点， 能为电力自动化提供开放性、全分布及可互操作性的通信平台。 变电站综合自动化系统一般由站控层、通信管理层和间隔层构成的计算机监控系统，采用分布式结构，设备分为站控层、通信管理层及间隔层，间隔层原则上按一次 设备组织，每一间隔层设备包括智能测量、控制、保护、信号、通信、录 波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系统能实现信息共享及保护、监控功能的综合化，极大 简化二次回路，节省系统投资，由于间隔层设备可放在开关柜或一次设备附近，大为减少主控室面nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 24 - 积，节约控制电缆，大大提高了整个系统的可靠性和可扩展性。通信管理层由于各间隔层设备通信协议的多样性，要实现不同装置的数据链接，可加入前置机（通信管理装置）完成通信控制和规约转化，使其在功能上实现通信接收、发送、规约转化等功能；通信协议采用电力行业标准协议，能实现不同厂家设备的互联，采用全球定位系统（ GPS），支持硬件对时网络，减少 GPS 与 设备 间的连接，并保证对时精度，硬件上采用模块化设计以支持多种通信接口，包括以太网、串行通信接口、可扩充的其他现场总线接口等；软件上具有规约库以支持 RS-232、 RS-485、 LONWORKS、CAN 及标准网络协议（ TCP/IP）等多种类型的标准通信接口，从而具备良好的软、硬件扩展性。站控层包括数据库服务器、 Web 服务器 工作站、维护工作站、监视工作站等。 4.3.2 变电站综合自动化通信结构单元 主要通信单元包括，现场设备、 CAN 总线上下接口、通信介质 等 ，还包括应用软件设计，以及通信管理机，这里重点介绍 通信管理机。变电站综合自动化系统中通信管理机的主要任务是实现变电站内部的变电站子层和单元子层间的通信以及本地的变电站系统和远程调度中心的通信 ，系统的结构框图如图 4-3-2 所示。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 - 25 - 图 4-3-2 通信管理机系统结构图 变电站系统内部的通信基于 CAN总线 ， 包含两层通信网络 ， 站级 CAN网络用于实现上位机监控主机和通信管理机之间的通信 ;现场级 CAN网络用于实现通信管理机和监控保护单元之间的信息传送。变电站和远程调度中心的信息传输基于公用电话网 ， 通过终端的 modem 实现数字信号和公用电话网上的模拟信号之间的转换。通 讯管理机的外围设备包括键盘输入、液晶显示、程序存储器 EPROM、实时时钟 RAM 以及备用 RS-232串口。 根据变电站数据通信的要求 ， 这里选用了 DALLAS 公司的 8 位高性能嵌入式微处理器 DS80C320 作为通信管理机的 CPU。首先 ， DS80C320的执行速度快 ， 允许的最大晶振频率是 33 MHz， 采用了单循环周期指令 ，相同的晶振下 ， 执行速度一般为 MCS51 的 2.5 倍 ， 完全可以满足通信管理机的要求 ;CAN 总线上数据收发以及键盘操作都采用中断的方式
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