电力系统监控技术课程设计---遥测数据采集系统设计.doc

电力系统监控技术课程设计报告 题目：遥测数据采集系统设计 班级：电气084班 姓名： 学号： 200809310 指导教师： 设计时间：2012年3月10日 评语： 成绩 15自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告1 设计原始资料1.1 具体题目说明图1.1 牵引变电所主接线完成对图1.1的牵引变电所遥测数据采集系统的设计。1.2 要完成的内容(1)计算机绘制被控站（RTU端：变电所或开闭所或分区亭）通用系统结构框图（A4）。绘出各种数据点的采集通道（如：模拟量输入、开关量输入、脉冲累计量输入），控制输出通道（模拟量输出、开关量输出、脉宽调制输出），网络通信通道的示意图。(2)设计一个具体的MCS51单片机数据采集最小系统,模拟量输入数据为8路，具体数值自行根据对象合理假设，单片机数据采集最小系统中模拟量输入数据直接取A/D转换芯片的标准电压（比如5V），A/D转换为12位，要求用标准图纸，手工绘制（或专用软件proteus等），具体到芯片管脚的连线。(3)选用问答式（或者CDT）传输规约，结合题目实际，以部分采集数据为例，编写上传调度中心的遥测数据报文的帧结构。注：主站地址（一般取00H）和子站地址（一般取01H-0FEH）可在符合规约要求的前提下，自行设置。(4)计算机绘制（A4纸）相应的遥测数据采集程序流程图，编写遥测数据采集程序。2 硬件设计2.1 数据采集点编号远动的遥测、遥信、遥控和遥调功能，通过传送远动信息实现。远动信息包括遥测信息、遥信信息、遥控信息和遥调信息。遥测信息传送发电厂、变电所的各种运行参数，它分为电量和非电量两类。电量包括母线电压、系统频率、流过电力设备（发电机、变压器）及输电线的有功功率、无功功率和电流。非电量包括发电机机内温度以及水电厂水位等。这些量都是随时间作连续变化的模拟量。对电压、电流和功率量，通常利用互感器和变送器把要测量的交流强电信号变成05V或010mA的直流信号后送入远动装置。也可以把实测的交流信号变换成幅值较小的交流信号后，由远动装置直接对其进行交流采样采样。遥测信息是应用远程通信技术将被控站的某些运行参数传送给调度所，因此称它为上行信息，牵引变电所系统的主要遥测对象有：进线电压、进线电流、主变功率、27.5kV母线电压、主变一次侧有功电度、无功电度、馈线电流、馈线故障点参数（馈线号、阻抗值、公里标）、电容补偿装置电流。则图1.1中遥测数据采集点的编号如下表2.1。表2.1 数据采集点编号数据采集点TV3TV4TV5TV6TA4TA5TA9TA10编号00H01H02H03H04H05H06H07H2.2 被控站通用系统结构2.2.1 数据采集通道遥测信息是表征系统运行状况的连续变化量,分为电量和非电量两种，不管是电量还是非电量最终都要转化为弱电直流模拟信号。这些弱电直流模拟信号受多路开关控制分时接入模/数转换电路，经A/D转换电路后转换成一组二进制代码。这族二进制代码与转换的模拟量之间构成线性一一对应关系，则遥测数据采集系统配置的基本模式如下图2.1所示。图2.1 遥测数据采集系统配置的基本模式2.2.2 控制输出通道主机将运算结果通过并行输出端口输出二进制数据，再经过A/D转换器转换成相应的模拟量信号，再经功率放大器后驱动执行机构，以达到预定的控制要求，模拟量输出通道如下图2.2所示。图2.2 模拟量输出通道2.2.3 网络通信信道随着科学技术的进步和社会需求的不断变化，各类新型的数字、数据业务正迅速发展，所有通信系统发展的总趋势就是通信方式从模拟通信向数字通信发展。数字通信系统是指在通信系统中所传输的是二进制或多进制数字信号的一种通信方式。它的主要特点就是在调制之前要经过两次编码，相应地，在接收解调后也要经过两次译码。图2.3为数字通信系统的模型框图。在该图中，信源发出的是模拟信号，信源编码的主要任务就是将模拟信号转换为数字信号，以适宜在数字系统中的传输。模拟信号转换为数字信号主要有两种方式：一是脉冲编码调制PCM，另一种是增量调制（M）。信道编码是对信源的二次编码，其目的是在于提高数字传输系统的可靠性。实现方法是将信源编码器输出的数字序列人为地按照某种规则加入一些多余码元作为差错控制用的监督码，使得收端能发现错误或自动纠正差错。信道译码器则主要进行检错与纠错。数字调制就是把数字基带信号进行调制形成适合在信道中传输的数字调制信号。基本的数字调制方式有幅移键控ASK、频移键控FSK、绝对相控键控PSK、相对相移键控DPSK。图2.3 数字通信系统模型与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰能力强、差错可控、易于保密、灵活性高、易于与各种终端设备接口等特点，已成为当代通信技术的主流。2.3 MCS-51单片机最小系统2.3.1 原理框图遥测数据采集单片机系统原理图如下图2.4所示。图2.4 单片机原理图模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、放大器和模/数转换器等组成，一般情况，对于多点巡回检测系统，多参数测量系统，多路模拟信号共用一个A/D转换器，且系统中只有一个单片机，单片机只能分时对这些信号进行采样。为满足分时传送，系统需配置多路转换开关，多路开关的选择由单片机控制。2.3.2 系统电路图MCS-51单片机最小系统接线图如图2.5所示。图2.5 MCS-51单片机最小系统接线图电路连接主要涉及两个问题，一是八路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。(1) 八路模拟信号通道选择A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入0808中的地址锁存器，就实现了模拟通道的选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。图2.5中使用的是线选法，口地址由P2.7确定。同时以作写选通信号。从图中可以看到，把ALE信号与START信号连接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。按图中连接方式，和P2.7控制0808的地址锁存和转换启动。由于ALE和START连在一起，因此0808在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。在读取转换结果时，由和P2.7经一级或非门形成正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。(2) 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。 中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。3 程序设计3.1 数据帧结构3.1.1 传输规约当远动信息的传输采用循环传输模式时，信息传输的帧结构、信息字结构和传输规则等各种约定，应遵照部颁的循环式传输规约，也称为循环式远动规约。按1991年11月部颁的循环式传输规约DL451-1991要求，远动信息的帧结构见图3.1。每帧远动信息都以同步字开头，并有控制字，除少数帧外均应有信息字。信息字的数量依实际需要设定，因此帧的长度是可变的。但同步字、控制字和信息字都由48位二进制数组成，字长不变。图3.1 循环式远动规约的帧结构同步字标明一帧的开始，它取固定的48位二进制数。为了保证同步字在通道中的传送顺序为三组EB90H（1110101110010000），写入串行口的同步字为三组D709H（1101011100001001）。控制字由6个字节组成，它们是控制字节、帧类别、信息字数n、源站址、目的站址和校验码字节，见图3.2。图3.2 控制字的组成控制字节定义了信息帧的组成方式、形式和结构，其组成如图3.3所示。图3.3 控制字节的组成E：扩展位当E0时使用表31定义的帧类别；当E1时帧类别可另行定义，以便扩展功能。L：帧长定义位当L0时表示本帧信息字数n为0，即本帧没有信息字；当L1时表示本帧有信息字。S：源站址定义位。D：目的站址定义位。S与D在上行及下行信息中的定义说明：在上行信息中，S1表示控制字中源站址有内容，源站址字节表示信息始发站的站号，即子站站号；D1表示目的站址字节有内容，目的站址字节代表主站站号。在下行信息中，S1表示控制字中源站址有内容，源站址字节表示信息始发站的站号，即主站站号；D1表示目的站址字节有内容，目的站址字节代表子站站号；D0表示目的站址字节内容为FFH，即代表广播命令，所有站同时接收并执行此命令。控制字节低四位为保留部分，一般设为0001b，ISA保护帧控制字节低四位为0010b，系统帧控制字节低四位为0011b。每个信息字有由6个字节组成，见图3.4。其中第一个字节是功能码字节，第25字节是信息数据字节，第6字节是校验码字节。图3.4 信息字结构遥测信息字的格式如图3.5所示，它们的功能码取值范围是00H7FH，每个遥测信息字传送两路遥测量，所以遥测的最大容量为256路，b11b0传送1路遥测量的值，以二进制码表示。其中b11表示遥测量的符号位，b11取0时要测量为正；b11取1时遥测量为负，其值为二进制补码。b14=1表示溢出，b15=1表示数无效。图3.5 遥测信息字格式3.1.2 主站和子站地址在本设计中，主站地址取00H，子站地址取01H。3.1.3 CDT帧结构编码循环数字传输模式也称CDT方式。在这种传输模式中，厂站端将要发送的远动信息按规约的规定组成各种帧，再编排帧的顺序，一帧一帧地循环向调度端传送。信息的传送是周期性的、周而复始的，发端不顾及收端的需要，也不要求收端给予回答。这种传输模式对信道质量的要求较底，因为任何一个被干扰的信息可望在下一循环中得到它的正确值。在远动装置中，用一个A/D转换器对多路输入的直流模拟电压，分时地进行迷模拟量到数字量的转换。由于采用一个A/D转换器，因此各个输入量必须经过一系列的转换，变成统一量程 的直流模拟电压，A/D转换结果的数字量只代表其输入模拟量的电压的大小，而不能代表要测量的实际值，要想求得实际值就必须进行标度变换。假如采集TV3和TV4的电压为26kV，则对其编码过程如下：由于采集系统采用的是8位的AD0809且标度变换系数，则26kV对应的数字量为：解得D=120,转换为二进制数为01111000，则根据图3.5的格式可得出它的信息字m为00 78 00 78 00。采用软件表（见附录）对信息字进行编码，将m分成信息段=00H，=78H，=00H，=78H，=00H。在软件表中，查出对应的中间余数=00H；计算=78H00H=78H，并查出对应的中间余数=6FH；计算=00H6FH=6FH，并查出对应的中间余数=0AH；计算=78H0AH=72H，并查出对应的中间余数=59H；计算=00H59H=59H，并查出对应的中间余数=88H；再对取反可得信息字m的校验码为77H。则编出的码字是00 78 00 78 00 77。同理假如采集TV5和TV6电压为28kV，则编出的码字是01 81 00 81 00 19。由图3.1可得CDT帧结构的同步字为EB 90 EB 90 EB 90。由图3.2和图3.3得CDT帧结构的控制字为71 61 02 01 00 83。则循环式传输规约的帧结构为： EB 90 EB 90 EB 9071 61 02 01 00 8300 78 00 78 00 7701 81 00 81 00 19 3.2 主要程序设计3.2.1 程序流程图遥测输入软件同样与硬件紧密相关，根据输入的模拟信号时直流还是交流，可分为直流采样和交流采样两种。软件初始化中主要是对CPU、A/D转换器、多路模拟开关等器件作初始化。初始化后，先将通道号置0，选通对应的模拟量，置采样/保持器为跟随状态，为使A/D转换过程中输入信号不变，因此信号保持是必要的。然后启动A/D转换，本题中A/D转换采用中断方式进行数据转换，监视A/D转换是否结束，待A/D转换结束后，取A/D转换的结果数据，其程序流程图如下图3.6所示。图3.6 程序流程图3.2.2 程序清单#include #include #define unit unsigned int#define uchar unsigned char#define AD XBYTE0X7FF8sbit led1=P20;sbit led2=P21;sbit led3=P22;sbit led4=P23;sbit ad_busy=P32;bit bk=1;unsigned char ad_data,LED1,LED2,LED3;unsigned char idata led_data3;uchar codeled_segment12=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x0,0x0;void delay(unsigned int i)while(i)i-;void display(void)LED1=ad_data%10;LED2=(ad_data/10)%10;/LED2=ad_data/10;LED3=ad_data/100;P2=0xff;delay(2);P1=led_segmentLED1;led1=0;delay(100);led1=1;if(LED3=0)&(LED2=0)LED2=10;P1=led_segmentLED2;led2=0;delay(100);led2=1;if(LED3=0)LED3=10;P1=led_segmentLED3;led3=0;delay(100);led3=1;bk=!bk;void ad0808(void) interrupt 0EA=0;EX0=0;ad_data=AD;EA=1;EX0=1;void main(void)EA=1;EX0=1;/IT0=1;ad_data=0;ad_busy=0;while(1)if(bk)AD=0;display();附 录软件表（行代表高4位，列代表低4位，表中值代表十六进制码）0H1H2H3H4H5H6H7H8H9HAHBHCHDHEHFH0H00070E091C1B1215383F363