10kV柱上ftu设计.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 10kV10kV柱上柱上FTUFTU设计设计 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 教研室 学 号学生姓名专业班级 设计题目10kV柱上FTU设计 课程设计 论文 任务 该 FTU 实时监测一条 10kV 输电线路的电流电压以及有功等信息 并自动识别运行状态 故障时及时将故障信息上传给主站 并能接受主站遥控命令将故障区段隔离 设计背景 设计背景 输电线路电压 10kV 最大输出功率 2800kVA 要监测的柱上开关有 2 个断 路器 1 个隔离开关和 1 个遥控的负荷开关 FTU 实时采集输电线路电流电压以及电气设备 运行状态并分析线路状态 故障时及时将故障信息上传给主站 并发出遥控负荷开关的命令 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 FTU 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 FTU 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 II 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 III 摘 要 馈线终端设备 简称 FTU 具有遥控 遥信 故障检测功能 并与配电自 动化主站通信 提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息 包括 开关状态 电能参数 相间故障 接地故障以及故障时的参数 并执行配电主站 下发的命令 对配电设备进行调节和控制 实现故障定位 故障隔离和非故障 区域快速恢复供电等功能 本设计中的 FTU 要实现实时监测一条 10kV 输电线 路的电流电压以及有功等信息 并自动识别运行状态 故障时及时将故障信息 上传给主站 并能接受主站遥控命令将故障区段隔离 本课设对 FTU 的总体方案 硬件电路设计和软件设计进行了详细的探讨研 究 关键词 FTU 柱上 遥控 遥信 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 IV 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 FTU 综述 1 1 2 本文研究内容 1 第第 2 章章 FTUFTU 硬件设计硬件设计 2 2 1 FTU 总体设计方案 2 2 2 FTU 控制核心模块设计 2 2 2 1 CPU 的选择 2 2 2 2 复位电路设计 3 2 2 3 时钟电路设计 4 2 2 4 FTU 控制核心模块原理图 4 2 3 电流电压检测电路设计 5 2 4 电气设备运行状态检测电路设计 6 2 5 电气设备动作控制电路设计 7 2 6 报警电路设计 8 2 7 FTU 与主站通信接口电路设计 9 第第 3 章章 FTU 软件软件设计设计 10 3 1 软件实现功能综述 10 3 2 流程图设计 10 3 2 1 主程序流程图设计 11 3 2 2 数据采集流程图设计 11 3 2 3 通信流程图设计 11 3 3 程序设计 12 第第 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析 17 4 1 系统原理图 17 4 2 系统原理综述 17 第第 5 章章 课程设计总结课程设计总结 19 参考文献参考文献 20 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 5 第 1 章 绪论 1 1 FTU 综述 FTU 是安装在配电室或馈线上的智能终端设备 它可以与远方的配电子站通信 将 配电设备的运行数据发送到配电子站 还可以接受配电子站的控制命令 对配电设备进 行控制和调节 FTU 可采用高性能单片机制造 为了适应恶劣的环境 应选择能工作在 75 的工业级芯片 并通过适当的结构设计使之防雷 防雨 防潮 FTU 是用先进的 DSP 数字信号处理技术 多 CPU 集成技术 高速工业网络通信技 术 隔离技术嵌入式实时多任务操作系统 稳定性强 可靠性高 实时性好 适应环境 广 功能强大 是一种集遥测 遥信 遥控 保护和通信等功能于一体的新一代馈线自 动化远方终端装置 适用于城市 农村 企业配电网的自动化工程 完成环网柜 柱上 开关的监视 控制和保护以及通信等自动化功能 配合配电子站 主站实现配电线路的 正常监控和故障识别 隔离和非故障区段恢复供电 1 2 本文研究内容 本设计中 输电线路电压 10kV 最大输出功率 2800kVA 要监测的柱上开关有 2 个断路器 1 个隔离开关和 1 个遥控的负荷开关 FTU 实时采集输电线路电流电压以及 电气设备运行状态并分析线路状态 故障时及时将故障信息上传给主站 并发出遥控负 荷开关的命令 因此 本设计中 FTU 要实时监测一条 10kV 输电线路的电流电压以及有功等信息 并自动识别运行状态 故障时及时将故障信息上传给主站 并能接受主站遥控命令将故 障区段隔离 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 6 第 2 章 FTU 硬件设计 2 1 FTU 总体设计方案 RTU 的总体设计方案如图 2 1 所示 图 2 1 89C51FTU 总体设计方案框图 本 FTU 总体设计方案以 CPU 为核心 外加模拟量输入模块及 A D 转换器 它的功 能主要将线路中的电压电流信号的采集来转换成单片机可以识别的数字信号 通信接口 主要负责与主机的通信将检测到的一些数据及时送到主站 开关量输入模块和开关量输 出模块主要是检测线路上断路器 隔离开关的状态 完成断路器 隔离开关的投切 当 线路发生故障时快速切断故障区段对非故障区段及早 恢复供电提高供电的可靠性 由 于单片机存储不能满足实际的要求所以要外加个外部数据存储和数据存储器用以储存数 据采集模块传来的重要数据信息 人机对话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控 制 FTU 的设置模式和设置状态信息等 2 2 FTU 控制核心模块设计 2 2 1 CPU 的选择 本次 FTU 设计采用 89C51 单片机作为系统的 CPU 89C51 是面向八位的 CPU 它 的价格低廉 工作可靠 另外扩展功能也很强 89C51 采用电擦除和电写入 擦写方便 保密性能好 因此作为此次设计的首选 CPU 89C51 有 40 个引脚 其中是接地端 ss V 是电源端接 5V 电源 外界晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 接时钟电路 RST 是复位信 cc V 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 7 号输入端 在此引脚上出现两个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位 P0 口 接地址锁存器 是片内片外 ROM 选择端 是外部 ROM 的读选通信号 EAPSEN 是读允许信号 是写允许信号 引脚结构图如图 2 2 所示 RDWR 图 2 2 89C51 引脚结构图 2 2 2 复位电路设计 AT89C51 单片机的复位是靠外部复位电路来实现的 在时钟电路工作后 只 要在单片机的 RESET 引脚上出现 24 个时钟振荡周期以上的高电平 单片机就能实现复 位 为了保证系统可靠复位 在设计复位电路时 一般使 RESET 引脚保持 10ms 以上 的高电平 单片机便可以可靠地复位 由于 FTU 在恶劣的温度和湿度环境工作 为了保证它能安全可靠的工作所以得设 计个复位电路以便在 CPU 处于死机的状态下能及早复位 本次设计采用看门狗复位电 路 利用电容的充电来实现 当加电时 电容 C 充电 电路有电流流过 构成回路 在电阻 R 上产生压降 RESET 引脚为高电平 当电容 C 充满电后 电路相当于断开 RESET 的电位与地相同 复位结束 充电的时间决定了复位的时间 此外 还可以通 过按键实现复位 按下键后 通过和构成回路 使 RESET 端产生高电平 按键的 1 R 2 R 时间决定了复位的时间 具体复位电路如图 2 3 所示 图 2 3 看门狗复位电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 8 2 2 3 时钟电路设计 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号 时钟信号可以由两种方式产生 内 部时钟方式和外部时钟方式 本设计采用内部时钟方式 内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器 其输出 是单片机所需的时钟信号 89C51 内部有一个高增益反向放大器 用于构成片内振荡器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 在 XTAL1 和 XTAL2 两端 跨接晶体或陶瓷谐振器 就构成了稳定的自激振荡器 其发出的脉冲直接送入内部时钟 发生器 可稳定频率并对振荡频率有微调作用 值选择 30pF 电路如图 2 4 所 1 C 2 C 示 图 2 4 时钟电路图 2 2 4 FTU 控制核心模块原理图 由于 FTU 主要在潮湿高温等恶劣环境下工作 因此 需在核心模块中加一个复位 电路以便在 CPU 发生死机的情况下能迅速复位 CPU 正常工作需要定时恒频率的脉冲 所以需要外加个晶振电路 FTU 具有电流电压采集记录等功能 而且 89C51 内部的数 据存储器的存储空间比较小不能储存大量的电流电压信息 所以要外扩一个数据存储器 根据上文所述 将所选择的 CPU 数据存储器扩展电路 时钟电路和复位电路等连接 在一起从而构成完整的 FTU 控制核心模块 具体的连接方式如图 2 5 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 9 图 2 5 控制核心模块原理图 2 3 电流电压检测电路设计 本设计中 输电线路电压 10kV 最大输出功率 2800kVA 要监测的柱上开关 有 2 个断路器 1 个隔离开关和 1 个遥控的负荷开关 如上所述 可以确定模拟量检 测的路数为 12 路 分别为 6 路电压信号和 6 路电流信号 在数据采集系统中 A D 转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度 MAX197 是具有 12 位测量精度的高速 A D 转换芯片 只需单一电源供电 且转换 时间很短 约为 6us 具有 8 路模拟转换通道和 12 位的 A D 转换其转换精度 还提 供了标准的并行接口 为 8 位三态数据 I O 口 可以和大部分单片机直接接口 使 用十分方便 根据本设计的要求可知 选用两片 A D MAX197 转换器即可满足本次 设计的需要 由于计算机在任一时刻只能接收一路模拟量信号的采集输入 当有多路模拟量信号 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 10 时需通过模拟转换开关 按一定顺序选取其中一路进行采集 当需要对多个模拟量进 行模数变换时 由于 A D 转换器的价格较贵 通常不是每个模拟量输入通道设置一 个 A D 而是多路输入模拟量共用一个 A D 中间经过多路转换开关切换 在本 设计中 选用型号为的 LW18 系列的多路转换开关 综上所述 完整的模拟量检测电路如图2 6 所示 交 流 电 压 PT A D 信 号 调 理 电 路 交 流 电 流 CT DSP 图 2 6 模拟量检测框图 2 4 电气设备运行状态检测电路设计 本次设计的变电站电气主接线图如图 2 7 所示 由变电站的电气主接线图可知 本次设计主要研究的是 RTU 监测 2 回 0 4kV 输出 线路的电流 电压以及线路上断路器隔离开关的运行状态 所以检测电气设备的台数为 4 台 开关量输入 4 路 因此 选择 89C51 单片机的 P1 口作为四路开关量的输入接口 采用光电耦隔离措施来排除输入开关量采样过程中干扰信号的影响 当有遥信信号时光 耦二极管发光 并且光耦合器导通使单片机的输入端变成低电平 单片机接受遥信信号 具体的电气设备运行状态检测电路如图 2 8 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 11 图 2 7 电气主接线图 图 2 8 电气设备运行状态检测电路图 2 5 电气设备动作控制电路设计 根据电气主接线图和监测回路中的断路器和隔离开关的个数可以确定 所摇控电气 设备的台数为 4 台 开关量控制输出为 6 路 选择 89C51 的 PA3 口作为六路开关量的 输出口 因此 当 PA3 口为高电平时经缓冲器反向输出为低电平使继电器导通 继电 开关动作 ZJ 带电使其触电闭合输出遥控信号 由于单片机I O口提供的电流太小 不能直接驱动继电器 所以由单片机的I O口输 出到驱动芯片以驱动继电器 为了防止继电器误动 需要对驱动信号加以互锁 因此 在电气设备动作控制电路中应采用继电器隔离来隔离强弱电 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 5 Jan 20 11 Sheet o f File D PR OGRA M F ILES PR OTEL 99SE一一一 EX AMPLES MyDesig n5 ddbDrawn B y 24 V VC C R3 R2 R1 C1 JQ D1 QF CPU P1 0 一CPUYX RC PA 3 PA 4 PA 5 PA 6 PA 7 U NO T 5 V J ZJ V 一一一一 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 12 2 6 报警电路设计 本设计采用 ACM 配电线路监控装置 原理图如图 2 10 所示 图 2 10 ACM 配电线路监控装置报警图 ACM 监控装置和塑壳断路器配合使用 塑壳断路器有单磁和热磁两种 单磁断路 器只具有短路保护功能 无热过载保护 在这种情况下 线路中如有过载现象 断路器 不会动作 ACM 监控装置会根据不同过载程度分别发出报警信号 提醒现场维护人员 也可远传至控制中心 热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有热过载保护 此时 ACM 监控装置仅可作为报警功能作用 当检测到电流达到设定阈值后 内部继电器动 作 监控装置配套电流互感器使用 AKH 0 4 型号电流互感器 配电线路的额定电流为 3750A 互感器选用 AKH 0 4 10 0 4 该型号互感器监控装置最大可持续测量电流达到 1000A 因此装置最大可监测 4 倍的过载电流 对于需要监测剩余电流回路的场合还需加 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 13 装 AKH 0 4L 系列剩余电流互感器 如图 2 10 所示 当配电线路电流超过 1 段报警阈值 时 继电器闭合 1 段报警输出 KA1 线圈得电 PGR 灯光报警 当负载程度增大 达 到 2 段报警阈值时 继电器闭合 2 段报警输出 KA2 线圈得电 PG 声报警 当按下 声光报警解除按钮或负载电流降低后 报警状态解除 2 7 FTU 与主站通信接口电路设计 FTU 能将监测到的电流电压信号及时上传到主站 同时利用单片机实现与监控控制 中心计算机的双向数据通信 使得 FTU 单元将多种测量结果数据转换为协议所规定的 格式 并及时送往主站控制中心 本设计采用 RS485 接口电路来实现 FTU 与主站间的 通信 RS485 接口电路图如图 2 11 所示 图 2 11 RS485 接口电路图 RO RE DE D1 GND A B Vcc 1 2 3 45 6 7 8 MAX485 RS485 R1 4 7k R1 4 7k R1 120 1 2 J2 RS485chz 5V R1 10K D1 PROBE TXO 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 14 第 3 章 FTU 软件设计 3 1 软件实现功能综述 软件系统在硬件资源的基础上 采用模块化结构 利用89C51单片机语言编程 在 完成系统功能要求的前提下 力求程序结构简炼 扩充容易 修改方便 FTU的软件功能包括交流电压 电流信号的高速实时采样和有效值计算 有功 无 功 功率因数计算 各交流量的高次谐波分量及谐波总量计算 遥信量的采集及上送 遥控返校及执行等诸多功能 3 2 流程图设计 FTU 软件系统的流程图的设计包括主程序流程图 数据采集流程图以及通信流程图 的设计 图 3 1 主程序流程图 3 2 1 主程序流程图设计 本设计中用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信 使得RTU单元将多 种测量结果数据转换成协议所规定的格式 并及时送往控制中心 当单片机接收到外部 开始 单片机初始化 外部中断触 发 读取上位机命令 Y 数据是否上 传 上传数据 处理器暂停 结束 N Y N 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 15 中断触发信号之后 进行数据存储 该中断信号通过低电平触发INT1引脚 主程序在数据传输过程中 利用程序采用串口将数据传送至上位机 单片机以校验 的方式发送数据 以16B数据为一帧 每发送一帧数据都要等待上位机的反馈信号 以 判断数据传输是否正确 主程序流程图如图3 1所示 3 2 2 数据采集流程图设计 变电站交流测控系统RTU信号数据采集模块主要是对变电站各现场信号进行实时动 态采集 并将各类信号转换成系统相应的特性电参量数据进行显示 数据采集模块软件功能主要是通过编程实现现场交流信号和运行状态等电参量数据 的实时采集和处理 数据采集流程图如图3 2所示 图 3 2 数据采集流程图 3 2 3 通信流程图设计 变电站交流测控系统RTU系统通信主控模块电路是配电网系统的通讯中转站 主要 与总线 PC机 疾控中心以及其他现场智能仪器仪表进行数据通讯 通信主控模块软件功能主要是通过编程构筑连接当地PC机以及变电站远程集控中 心与各类现场单元信号测量模块间数据通信的纽带 通信流程图如图3 3所示 开始 进入初始化界面 参数设 定 参数设定 电参量计算 电参量显示与控制模块 结束 Y N 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 16 图 3 3 通信流程图 3 3 程序设计 根据各个程序流程图 利用 89C51 单片机编程语言进行编程 程序清单如下 ORG 2000H TAN MOV TMOD 10H MOV TL1 0FDH MOV TH1 0FDH SETB EA SETB ET1 开始 初始化进入界面 参数设 定 参数设定 通讯状态监控模块 处理影响通讯任务 结束 Y N 执行通讯 任务 通讯任务执 行完毕 Y Y N N 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 17 CLR ES SETB PT1 CLR PS SETB TR1 CLR TI 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 ES SJMP 定时器 1 中断服务程序如下 TIN CLR TR1 MOV TL1 0FDH MOV TH1 0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中断服务程序如下 ESS PUSH DPL PUSH DPH PUSH ACC MOV DPH 78H MOV DPL 77H MOVX A DPTR CLR TI MOV SBUF A MOV A DPH CJNE A 76H ENI MOV A DPL 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 18 CJNE A 75H EN1 CLR ES CLR ET1 CLR TRI ESC POP ACC POP DPH POP DPL RETI EN1 INC 77H MOV A 77H JNZ EN2 INC 78H EN2 SJMP ESC 乙机接收程序如下 ORG 2000H REV 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 78H SJMP 定时器 1 中断服务程序如下 REV1 CLR TR1 MOV TL1 0FDH MOV TH1 0DFH SEYB TR1 RETI 串行口中断服务程序如下 ESS PUSH DPL 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 19 PUSH DPH PUSH ACC MOV A R0 PUSH ACC JB B 0 DA0 MOV R0 70H MOV A SBUF MOV R0 A DEC 70H CLR RI MOV A 74H CJNE A 70H DA2 SETB B 0 DA2 POP ACC MOV R0 A POP ACC POP DPH POP DPL RETI DA0 MOV DPH 78H MOV DPL 77H MOV A SBUF MOVX DPTR A CLR RI INC 77H MOV A 77H JNZ DA3 INC 78H DA3 MOV A 76H CJNE A78H DA2 MOV A 75H CJNE A 77H DA2 CLR ES CLR ET1 CLR TR1 SETB PSW 5 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 20 AJMP DA2 END 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 21 第 4 章 系统设计与分析 4 1 系统原理图 本设计中的基于 89C51 单片机的配电网自动化远方终端 FTU 的系统原理电路图如 图 4 1 所示 图 4 1 RTU 系统原理电路图 4 2 系统原理综述 本次设计主要是以 FTU 为研究对象 通过模拟量检测电路实现对回路中的电流 电压信号等信号进行实时检测 然后将这些电参量通过 RS485 接口电路将检测到的信 号通及时上传给主站 从而达到实时监控的功能 当线路发生故障时 RTU 系统通过故障检测记录相关的故障测量信息和故障特征信 息 并将这一信息及时地传递给主站 同时开关检测电路将回路中的开关状态再次通过 通信通道上传给主站 基于 89C51 单片机的控制 通过软件运算故障区段故障信息之 后 向 FTU 发出遥控命令 利用断路器 隔离开关的分断与重合功能将故障区段切除 对故障区段正常供电 完成 RTU 的四遥功能 即遥测 遥信 遥控和遥调功能 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 22 第 5 章 课程设计总结 远方终端设备 FTU 是变电站系统的基本组成单元 负责采集变电站中各电力设备 和系统运行工况的模拟量和状态量 通过监测信号模块将这些数据的实时动态传输给集 控中心 并将集控中心的控制和调度命令反送给变电站 本次设计中 FTU 总体设计方案以 CPU 为核心 外加模拟量输入模块及 A D 转换器 通信接口主要负责与主机的通信将检测到的一些数据及时送到主站 开关量输入模块和 开关量输出模块主要是检测线路上断路器 隔离开关的状态 完成断路器 隔离开关的 投切 软件系统要求在硬件资源的基础上 采