第三章 RTU 远动终端ppt课件

.,第三章远方终端RTU,彭显刚2012年9月10日星期一,.,远方终端（远动终端），是电网调度自动化系统的基础设备，也是整个自动化系统的“耳目”和“手脚”。,引言RTU(RemoteTerminalUnit),.,1.1RTU的任务RTU一般安装于各发电厂、变电站内，具体任务包括：,第一节RTU的任务和结构,1.数据采集,（1）模拟量：采集电网中的P、Q、U、I等运行参数，一般称为遥测量。（2）开关量：如断路器和隔离开关的开合、自动装置或继电保护装置的工作状态，称为遥信量。（3）脉冲量：脉冲电能表的输出脉冲等，称为遥脉量，有时也归入遥测量中。,.,1.1RTU的任务,第一节RTU的任务和结构,2.数据通信,按照预定通信规约的规定，自动循环（或相应调度要求）地向调度端发送所采集的本厂站数据，并接收调度端下达的各种命令。,3.执行命令,根据接收到的调度命令，完成对指定对象的遥控、遥调操作。,4.其他辅助功能,人机交互、自检、告警、站内事件顺序记录功能。,.,1.2RTU的典型结构,第一节RTU的任务和结构,1.RTU的硬件结构现代RTU都是以单板机/单片机为核心的微机系统,如下图单CPU系统结构框图,.,主要组成部分包括：,（1）ROM：只读存储器，用来存放RTU的工作程序和某些固定参数，一经烧制即无法改变，掉电也不会影响数据。（2）RAM：随机存储器，用于各种数据的暂存。（3）模入模出：模拟量输入通道和输出通道，通过接口电路与总线相连。（4）开入开出：开关量的输入、输出通道。（5）Modem：RTU数据按通信规约编码后，通过Modem送上通信信道，与调度中心远程通信。,对于小的厂、站，采用单CPU结构的RTU即可，对于较大厂站，则可采用下图所示之多CPU结构。,.,多CPU结构的RTU框图,.,最主要区别：除了主CPU模块外，其他主要模块也配备自己的CPU,（1）主CPU：统筹全局，一般通过并行或串行总线接口，与各模块CPU进行数据通信，如通过地址总线选择模块、读取数据，设置CPU工作参数等。（2）模入模出、开入开出模块：可根据需要采用普通芯片或单片机。（3）公共总线：CPU之间通信接口，由主CPU控制，通常包括地址总线、数据总线，利用地址总线确定通信对象，利用数据总线传输数据。（4）通信方式：主、从CPU之间的通信方式有两种，即定时扫描和中断触发。优点：配置灵活可扩展，速度快，采集量大。缺点：昂贵、复杂。,.,2.RTU的软件结构,（1）软件组成结构数据采集软件：采集模拟量、开关量、数字量和脉冲量等数据。数据处理软件：进行数字滤波、越限判断、BCD码转换等。控制软件：执行收到的遥控、遥调命令。通信软件：根据约定的通信规约，与调度中心（可能有多个）相互通信。人机交互软件：处理键盘、屏显以及打印等操作。其他功能软件：如事件顺序记录、事故追忆、自检及调试等功能。,.,2.RTU的软件结构,初始化：加电开机，先使各外设接口和公用RAM初始化。开中断：对于实时性要求较高的任务，如发送、接收、开关动作等，都利用中断方式使其运行最快。中断服务：执如有中断请求，则立刻挂起巡查的任务，并进入相应的中断服务程序处理。例如：“接收满”、“发送空”等中断信息。注意：中断本身有优先级区别，高级别的任务可以中断低级别任务。巡查任务：根据程序约定，一般是定时处理的一些非关键任务，如显示、自检等。,.,第二节模拟量输入输出通道,典型结构框图-模拟量输入通道（直流采样）,.,1.滤波及信号处理,电力系统运行参数u、i经过PT、CT输出后，经变送器转变为05V或420mA的直流模拟信号，通过滤波环节接入后续环节作用：消除干扰，提高信噪比，有些情况下还进行电平转换，同时还可起到浪涌电压保护，防止浪涌电压进入通道内部损坏各种芯片元件。方法：采用一级或二级硬件RC低通滤波器。分类：单极性：05V，010V，020V双极性：-2.5V+2.5V，-5V+5V，-10V+10V,.,2.多路开关（MUX）,也称为采样切换器，是一种受CPU控制的高速电子切换开关。由于模/数转换的速度很快（一般是s级），而测量的模拟量信号变化较慢（以电力系统V、I等参数为例，正常时监控系统允许每3s提供一个采样值。），因而完全可以利用一个A/D转换器处理很多路模拟量数据。作用：使得变送器送来的多个模拟信号，可以公用一个A/D转换器，充分利用高速A/D转换的性能。,典型芯片：AD7506示意图,.,模拟量引入：从S1,S2,S16引入，当其中一路被选中，可从OUT输出。开关选择：用EN，A3，A2，A1，A0，由CPU控制，通过组合出的值（地址、开关编号）来选择输入量：EN：为片选控制。=1时，本芯片被选择；=0时，本芯片被封锁。A3A0：开关编码号。如0000，则0开关选中，1001，则9开关选中，1011则11开关选中。译码和驱动：解析开关编码，并置相应开关接通。输出：将选中开关号所对应的那一路模拟输入量送出到OUT。电压跟随器：当AD7506导通时，内阻不为0，负载阻抗须远大于此值，才能保证测量信号精度。因此，通常在OUT接入一个运放，以提高输入阻抗。,.,例：多片AD7506应用电路,.,3.采样保持（S/H）,作用：保证A/D转换期间输入模拟量信号不变。基本原理：利用高速电子采样开关S和保持电容Cn（1）S闭合，Ain经过A1放大，快速充电Cn（2）S断开，A2输入阻抗很大，Cn放电很慢，Cn电压不变。典型芯片：LS398,.,4.数/模转换（D/A）,作用：将二进制数据转换为相应的模拟量。为模数转换提供衡量位置电压的电压砝码。,典型结构图,核心组成部分：,运算放大器,权电阻网络,.,（1）运算放大器放大系数K很大。输入信号电压值很小（、两端电压很小），所以“”端电位与“”端电位很接近，因此在一端接地时，另一端可近似视为接地，即“虚地”。此时：输入阻抗很大，那么输入到运放中的电流可近似视为0，因此图中个电流之间有如下关系：,.,（2）权电阻网络每个权电阻都与相应电子开关串联。图中权电阻网络的总电流为：若Rf=R，则有推广到n位：D/A转换的精度，取决于UE及电阻精度,.,（3）T型电阻解码网络高阻值的高精度电阻制造困难。利用T型电阻解码网络，只需要R和2R。,特点：Di为双投开关。=1，UE；=0，接地。Rf=2R时，,.,（4）D/A转换的实际电路及芯片,数据缓冲器：D/A转换需要时间，而在转换期间，数据总线上可能不断向D/A送入数据，缓冲器的作用是在D/A转换期间暂存总线上不断送入的待转换数据。数据锁存器：类似与采样保持器，保证D/A转换期间数据不发生变化，转换完成再从缓冲器中获取新数据。电流开关：一系列电子开关（译码器），将数据信号（高、低电平）转换为相应开关的通断状态，从而使电阻网路的输出总电流与锁存器中的二进制数码相对应。常见的D/A芯片：DAC1210、AD588、AD7520等。,.,5.模/数转换（A/D）,基本原理：逐次逼近法在电压比较器中，将采样得到的模拟电压样本先用最高电压砝码与之比较，若不足，再一次添加下一位电压砝码直至最小砝码。此时，添加的砝码之和即为未知的电压。,关键逻辑模块：,采样及样本保持：Ux,电压比较（运放）：Ux与Uc,逐次逼近SAR,.,5.模/数转换（A/D）,基本原理：逐次逼近过程说明,.,5.模/数转换（A/D）,量化误差：（1）A/D转换的精度取决于转换的位数，若为10位A/D，则其内部D/A必定为10位，即只有10个电压砝码。（2）在量程以内，当逼近过程中，用上最小一个电压砝码，仍略小于Ux时，此时只能给出一个近似结果（测量值0.5Umin），则实际值与转换值之间的误差为量化误差，该误差不会超过最小砝码的一半。常见的A/D芯片：AD574A、AD1674等。思考问题：（1）对于范围为010V的A/D转换器，10位A/D转换器的精度是多少？,.,例：一种实际的YC量输入电路,.,3.1开关量输入输出通道,第三节开关量、数字量输入输出通道,1.开关量构成,（1）断路器的合闸或跳闸信号（2）重要的隔离开关状态（3）保护及自动装置状态（保护动作、切机、切负荷）,2.特点二进制码元表示：0/1,3.重要性,.,3.1开关量输入输出通道,4.开入开出,开入：开关量输入通道开出：开关量输出通道（遥控信号输出）与模入模出通道：没有A/D，D/A转换环节。,.,3.1开关量输入输出通道,5.开关量的采集电路示意图,.,3.1开关量输入输出通道,6.通用开关量输入回路,（1）信号取自开关的常闭辅助触点。（2）回路电压较高（24、48V）（3）辅助触点位于高压配电装置现场，连接导线很长，干扰很强。（4）回路有RC滤波环节，并有光电隔离措施。,（1）组成V1为反极性保护二极管R1，R2起保护作用的电阻V2为门槛开关二极管光耦合集成电路消颤网络,.,3.1开关量输入输出通道,6.通用开关量输入回路,（2）动作过程开关闭合S1断，V1，V2不导通光耦器件不导通集电极A点为高电平取反，B电为低电平经过消颤网络之后，D点输出高电平开关跳闸S1闭合，V1，V2导通光耦器件导通集电极A点为低电平取反，B电为高电平经过消颤网络后，D点输出低电平,.,3.1开关量输入输出通道,（3）消颤原理断路器开断时，由于电弧效应，会有一端时间会出现电流的抖动，辅助触点在0/1之间颤动。若电路过于灵敏，则会造成频繁发出变位信号。施密特触发器工作特性：电位上升时，UUT，01；电位下降时，U0；加入消颤环节后，波形如图,6.通用开关量输入回路,.,3.1开关量输入输出通道,7.开关量成组输入输出接口电路及RTU采集方式,S1S4，4台断路器的辅助开关触点。PB7PB4，开关量输入接口。PB0PB3，开关量输出接口。K1K4，断路器控制开关。,8.RTU采集方式,定时扫查：一般5ms对所有开关扫查一次。采集的信号一次放入内存的遥信数据区。将本次扫查的信号与上一次进行判断，若发现开关状态改变，则进入中断服务程序，向上报告。,.,3.1开关量输入输出通道,9.例：一种实际的开关量（YX）输入电路,并行接口电路8255A多路选择开关遥信信息采集电路,.,3.2数字量输入,对于直接按数字量输出的数字表计，如：数字水位计，数字频率计等，只需进行电平匹配和隔离即可直接输入数据总线，而不必进行A/D转换了。,3.3脉冲量输入,作用：用于电能表数据的输入。方法：一般以脉冲数进行累计，累计值与电量值成正比。,注意：（1）隔离和抗干扰。（2）脉冲宽度检查。,.,脉冲检查的原理如图。高电平次数大于2，脉冲宽度正常，属于正常数据。高电平次数仅为1，脉冲宽度过窄，属于干扰脉冲。,（3）同时性调度端在电网“关口”电量时，必须将同一时刻的电量值总加。具体方法为：采用两套脉冲计数计。未采样时，主、副同时计数，数值一样。调度端发送广播信号：电量冻结。副表停止更新，主表继续。副表读数上送。取消冻结指令，副表与主表同步，重新计数。,.,4.1单极性数据和双极性数据处理,第四节数据处理,1.概述,（1）单极性数据：始终0，05/10V，电流、电压变送器。（2）双极性数据：-5+5V，很多功率变送器。,2.A/D转换的极性处理12位A/D转换：单极性：则12位均为测量值双极性：则一般第一位为符号位，为0，表示正值，为1表示负值。,.,4.2数据合理性检查,第四节数据处理,目的：（1）剔除明显不合理的数据。（2）提高状态估计的精度。,4.3数字滤波,目的：进一步提高抗干扰的能力，减少误差。形式：本身是一种计算机程序，也被称为数据平滑。分类：非递归滤波和递归滤波。,.,第四节数据处理,4.3数字滤波,（1）非递归数字滤波如果数字滤波的输出结果仅与当前的和过去的输入值有关，而和过去的输出值无关，就称为非递归数字滤波。,以书上的例子：设有模拟信号x(f)=u(t)+z(t)有用信号，f1=2Hz干扰信号，f2=100Hz采样频率：fs500Hz，采样间隔TS=1/500=2ms，得到样本：x(0),x(1),x(2),x(n-1),x(n),.,滤波算法：,通用表达式：,其中：i为加权因子，N为滤波因子长度。,滤波原理：干扰一般是高频周期信号，通过N个采样值的算术平均，将扰动信号消除。一般，N*TS应该是扰动信号周期的倍数。,.,图1：未滤波输出波形。(红)有用信号波形。(蓝),图2:有用信号波形。（蓝）滤波输出波形。（红）,.,（2）递归数字滤波如果数字滤波的输出结果不仅与当前的和过去的输入值有关，而且过去的输出值有关，就称为递归数字滤波。,常用的一阶表达式：,通用表达式：,.,图1：未滤波输出波形。(红)有用信号波形。(蓝),图2:有用信号波形。（蓝）滤波输出波形。（红）,.,第四节数据处理,4.4标度变换,“A/D输出的数字量”与“实际物理量”之间的关系变换。,4.5BCD码转换,BCD码：用二进制表示的十进制码，又称二十进制代码。方法：09，十进制数的每一位，都用4位二进制数来编码表示，也称8421码。用处：主要用于数据处理，特别是显示数据，比普通16进制数据更为简单，处理速度更快。,.,第四节数据处理,4.6越限判别及越限呆滞区,1.越限判别,遥测量的越限报警是RTU极为重要的功能之一。在调度自动化系统中，各种运行参数都处于实时监控之下，若有越限应马上告警，提示调度人员处理。（1）限制值：放在RTU遥测量常数区，通常是双字节。（2）限值比较：按字节高低顺序进行比较。（3）记录：发现有越限则需记录越限对象，越限时间，遥测值的大小等信息。而在越限值复位后，也应记录复位时间和数值。（4）数据上送：越限发生即启动中断服务，上送数据。,.,第四节数据处理,4.6越限判别及越限呆滞区,2.越限呆滞区,如果运行参数在限值附近波动，就会不断出现越限和复位，频繁告警。为此，设置“越限呆滞区”，减少告警次数。参考图3-31。,（1）上限：越上限，UUa复限，UUd,.,第四节数据处理,4.7事故追忆,为分析事故，对于一些影响较大的动作和事件后，需要将事件前一端事件的有关遥测量记录下来，这称为事故追忆。,核心技术：堆栈概念：特点：先入先出的内存队列。堆栈容量计算：事故前2个遥测量事故后3个遥测量记录遥测量数目N总数：2N(2+3),.,第四节数据处理,4.7事故追忆,为分析事故，对于一些影响较大的动作和事件后，需要将事件前一段的有关遥测量记录下来，这称为事故追忆。,记录的基本原理：数据同时存入遥测数据区和堆栈。堆栈数据前移，最早入栈的数据清除。事故发生，再记录3次，并入栈。整个堆栈数据拷贝入另一缓冲区图B说明，F点故障。FF，故障时存的是将被顶出数据，最后记录的是故障后入栈数据。FF，故障前入栈数据。,.,第四节数据处理,4.8遥测量越阈值传送,目的：减少数据传输量。方法：对于电网中大量随事件变动不大的遥测量，若变化的大小未越过某一给定的范围，则该遥测量不向调度端传送。注意：（1）需要根据各遥测量的变化规律来设计阈值范围。（2）对于越过限值的遥测量，应不受阈值的约束，及时上送数据。,.,第五节故障检测及故障诊断,故障检测：判明设备是否工作正常，而且有些故障诊断则还可起到故障定位的作用，如定位到芯片级，板级。分类：分为静态自检和动态自检。（1）静态自检：刚上电时的全面自检，此时设备还未正常运行，自检项目全面充分，耗时较长。（2）动态自检：运行过程中进行的定时自检，仅对核心模块进行检验，检验时间不能太长。而且，最为重要的是自检程序必须具备中断功能，一旦自检过程中出现必须响应的时间，应能够中止自检程序，进入中断响应服务中。,.,第六节远动终端（RTU）的功能,遥测、遥信、遥控和遥调是远动系统的四项基本功能，在我国常简称为“四遥”遥测、遥信常简称为“二遥”遥测、遥信、遥控常简称为“三遥”,.,第六节远动终端（RTU）的功能,遥测。包括：线路和变压器的有功功率、无功功率、（电流）、有功电能量、无功电能量，发电机和负荷的有功功率、无功功率、（电流）、有功电能量、无功电能量，电压控制