分散式变电站自动化系统监控现场单元的设计论文

辽宁工业大学配电系统及其自动化课程设计（论文）题目分散式变电站自动化系统监控现场单元的设计院（系）新能源学院专业班级学号1学生姓名指导教师（签字）起止时间2015113020151211课程设计（论文）任务及评语院（系）电气工程学院教研室电气工程及其自化注成绩平时20论文质量60答辩20以百分制计算学号121806002学生姓名李博伦专业班级电气（光伏）121设计题目分散式变电站自动化系统监控现场单元的设计课程设计（论文）任务该现场单元的基本功能实现遥测、遥信、遥控等功能，且该监控现场单元与主站通信方式采用RS485通信形式。设计背景变电站进线电压为110KV，出线电压为35KV，变压器的容量为6000KVA，监测变压器的输出功率和两回35KV出线，实时监测线路上断路器和隔离开关状态，并将要的信息上传主站，可以接受主站发出的遥控遥调命令。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摘要变电站的主要功能是变换电压等级、汇集配送电能，是电力系统的一个重要环节，随着21世纪的到来，飞速发展的的计算机技术和自控技术使得传统的二次设备将被综合自动化系统替代，无人值守变电站成必然趋势，变电站自动化自20世纪90年代以来一直是我国电力行业中的热点之一，根据电网技术发展要求和市场经济的规律，变电站综合自动化有着飞速的发展速度和广阔的发展空间。基于INTERNET技术的和面向对象的分层通信、分散布置的变电站综合自动化技术成为当今该领域的先进代表。在分散式变电站自动化系统中，特点之一就是以一次设备为单元，在一次设备现场设置监控和保护的现场输入输出单元，现场单元可以是监控和保护二合一装置，也可以保持相互独立。本此设计对分散式变电站自动化系统保护现场单元进行设计及分析，本次设计包含了保护现场单元控制核心模块设计和其与电力参数、电气设备以及主站通讯等等的配合，还有保护现场单元中的软件设计，使分散式变电站自动化监控现场模块得以实现，以此来说明分散式变电站在现代变电站综合自动化中的重要作用及对未来变电站综合自动化的发展趋势的影响。关键词变电站自动化；分散式变电站；保护现场单元；综合自动化。目录第1章绪论111配电系统自动化概况112本文研究内容1第2章保护现场单元硬件设计321电气主接线图322保护现场单元总体设计方案423保护现场单元控制核心模块设计4231CPU的选择5232复位电路设计5233时钟电路设计6234保护现场单元控制核心模块624保护现场单元电力参数检测电路设计725保护现场单元电气设备运行状态检测电路设计826保护现场单元电气设备运行状态控制电路设计827保护现场单元与主站通信接口电路设计9第3章保护现场单元软件设计1031软件实现功能综述1032算法综述1033流程图设计11331主程序流程图设计11332电力参数检测流程图设计11333通信流程图设计12第4章系统设计与分析1441系统原理图1442系统原理综述14第5章课程设计总结16参考文献17第1章绪论11配电系统自动化概况配电自动化技术是服务于城乡配电网改造建设的重要技术，配电自动化包括馈线自动化和配电管理系统，通信技术是配电自动化的关键。目前，我国配电自动化进行了较多试点，由配电主站、子站和馈线终端构成的三层结构已得到普遍认可，光纤通信作为主干网的通信方式也得到共识。馈线自动化的实现也完全能够建立在光纤通信的基础上，这使得馈线终端能够快速地彼此通信，共同实现具有更高性能的馈线自动化功能。配电自动化系统（DAS）是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统；其内容包括配电网数据采集与监视（SCADA系统）、配电地理信息系统（GIS）和需求侧管理DSM）几个部分。配电系统自动化中包括变电所中的继电保护，当地自动化装置，调度中心之变电所的监控和数据收集系统，配电线自动化，用户自动化等内容。20世纪50年代以前，配电网变电所中除继电保护装置外，设备的运行，操作和控制均由运行人员或值班人员来完成。之后逐渐发展出了一些自动化装置，但设备的运行和抄表工作仍由人工来完成。50年代后期，曾先后采用通过用电钟式和简易数学式远动装置，实现对远方变电所进行遥信，遥控和遥测。70年代，随着计算机技术的飞速发展，配电网中也开始采用以计算机为基础，在调度中心实现自动化，同时，自动化进一步推向配电线和用户，使配电系统自动化的功能和覆盖范围更加全面。12本文研究内容配电系统自动化是指以实时方式就地或远方对配电网进行数据收集，控制，调节和事故处理的技术。其目的在于保证配电网安全经济运行，改善电压质量，降低电能损耗，快熟处理事故，提高供电可靠性。变电站自动化是将变电站中的微机保护，微机监控等装置通过计算网络和现代通信技术集成为一体的自动化系统。我国在经历了以RTU为基础的变电站自动化系统的第一阶段和集中式变电站自动化系统的第二阶段后。90年代中期，随着计算机技术，网络技术及通信技术的飞速发展，同时结合变电站的实际情况，各类分散式变电站自动化纷纷研制成功并投入运行，本文通过分散式变电站的自身特性，着重研究现场单元部件中的保护部分，以及未来的发展趋势。本次研究任务1实时分析出线运行运行状态；2故障时启动保护电路；3故障信息上传主站；4接受主站发出的跳闸命令。第2章保护现场单元硬件设计21电气主接线图主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电，以及能应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。配电系统自动化在变电站中应用广泛，根据设计要求，变电站进线电压为110KV，出线电压为35KV，变压器的容量为6000KVA，监测一回35KV出线，其电气主接线图如图21所示。图21电气主接线图22保护现场单元总体设计方案因为根据安装单位的继电保护装置需要完成保护功能和接受和执行保护定值修改，所以需要设置保护现场单元，其总体设计框图如图22所示。图22保护现场单元总体设计框图23保护现场单元控制核心模块设计现场智能控制模块以单片机为核心处理器来实现控制功能，并且由复位电路及时钟电路组成，当主站计算机系统发出修改指令后，CPU按照指令来执行相应的动作，达到遥控功能的目的。模拟量输入A/D转换器主CPU系统FPGA自检装置遥控输出闪存通讯接口主站计算机系统开关量输入231CPU的选择CPU可以选用AT89C51单片机芯片来构成，也可以由PLC可编程控制器来代替，本文研究内容主要以AT89C51单片机芯片为例，所以选用AT89C51单片机芯片，其电路图如图23所示，为双列直插式，由40引脚组成。图23AT89C51芯片电路图232复位电路设计复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位，当主站计算机系统发出整定命令后，89C51芯片需要进行复位过程，重新输入整定值，复位电路可以完成动作的整定和停止，其电路图如图24所示。采用电容与开关并联，再与电阻串联的方式，接AT89C51芯片的第九引脚。图24复位电路图233时钟电路设计时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟控制信号，89C51单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。在接受主站计算机系统发出的延时命令后，核心芯片要根据给定的数值来进行延时动作，时钟电路图如图25所示，设计采用双电容并联方式，图中晶振片的频率为110592MHZ。图25时钟电路图234保护现场单元控制核心模块由AT89C51芯片，时钟电路，复位电路组成的保护现场单元控制核心模块，如图26所示，复位电路接在AT89C51的/RET引脚。图26保护现场单元控制核心模块原理图24保护现场单元电力参数检测电路设计保护现场单元模拟量检测回路要实现的软件功能是将线路中的电流信息通过电流检测模块传送给AT89C51单片机，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并显示。然后对电流进行判断，通过显示模块显示电流的有效值，如果电流有效值大于设定的允许值，则对外报警。其电路图如图27所示。图27模拟量检测回路25保护现场单元电气设备运行状态检测电路设计根据设计要求，保护现场单元部件开关量检测回路要具有自检功能，电路图如图27所示，检测电路实质就是一个比较器，运放正设置接地，运放负端输入待检测信号，如果输入信号的瞬时值大于零，那么运放输出一数值，如果输入信号的瞬时值小于零，则运放输出另外一数值。其工作原理为当QF断开时，光耦二极管发光，遥信量输出为高电平，并向CPU发出信号图27开关量检测回路26保护现场单元电气设备运行状态控制电路设计根据电气设备的性能要求，运行状态控制电路需要完成遥控功能，利用AT89C51芯片P1口设计有8回路开关量的输出，如图28所示，其中RC为节能作用。图28保护现场单元电气设备运行状态控制电路27保护现场单元与主站通信接口电路设计保护现场单元与主站通讯接口电路之间采用RS485接口芯片，在RS485互联中，某一时刻站中，只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，因此其通信只能是半双工方式，且其发送电路必须有使能端加以控制。根据要求，所设计的保护现场单元部件在线路出现故障的时候能够及时将故障信息反馈给主站，因此需要它的传输速率达到9375KBPS，传送距离可达12KM，如图29所示。RS485可进行多站连接，实现分散式变电站自动化。图29保护现场单元与主站通信接口电路第3章保护现场单元软件设计31软件实现功能综述在全分散式变电站中自动化系统中，保护现场单元需要实现继电保护装置的保护功能，以及自检功能，发送保护装置的工作信息，动作信息，自检信息等，还要接受和执行保护定值修改告警信息，对保护装置整定值和测量值的查询，保护装置复归以及当地显示等功能。32算法综述算法如下图31所示。图31算法图33流程图设计331主程序流程图设计主程序流程图如图32所示。根据保护现场单元设计要求，变电站进线电压为110KV，出线电压为35KV，变压器的容量为6000KVA，监测一回35KV出线，实时分析出线运行运行状态，故障时启动保护电路，并将故障信息上传主站，能接受主站发出的跳闸命令，所以设计如下。图32主程序流程图332电力参数检测流程图设计将交流和直流信号转换成数字信号，输入到主CPU上，并且通过信号的信息反应检测电路是否出现故障，对故障信息能够及时做出处理反应，是模拟量检测回路主要功能。流程图如图33所示。开始系统初始化线路采用主站系统继电保护装置符合要求出现回路是否开始图33模拟量检测流程图333通信流程图设计通信通道主要是将模拟量采集电路和电气设备状态检测电路采集的数据信息上传到FTU，为FTU判别线路运行状态以及识别故障提供依据，并将FTU下发的遥控遥调指令传送至电器开关设备，从而达到实时监测控制的目的。程序流程图如图34所示。电压形成回路低通滤波器，多路转换开关A/D转换器CPU主系统数据存储器开始计算和校验控制字是否相等令控制字51H发出遥测信息令控制字61H发出遥信信息令控制字71H接受主站遥控信息结束图34通信流程图第4章系统设计与分析41系统原理图通过之前的一系列设计与分析，最后得出了系统原理图如图41所示。图41系统原理图42系统原理综述设计本身以AT89C51单片机芯片为核心，经扩展和模拟量检测和开关量控制输入输出进行数据交换，通信电路采用RS485接口芯片，运用RS485可进行多站连接，实现分散式变电站自动化。本次设计以分散式变电站综合自动化系统以计算机技术以网络技术及通信技术为基础，现场单元部件为单位，最后结合变电站的实际情况发展出的现代化的变电站形式，它的系统特点是现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备附近，可以自动检测电压电流整定值，再根据整定值来控制保护部分的继电器动作，自动保护线路和变压器，并能通过网络将测量信息发给主站，实现“四遥”功能，最终完成了此次设计。第5章课程设计总结通过这次的课程设计，它锻炼了我的思考能力，用所学的知识设计生活中的东西，加深了对配电系统的了解，并对单片机、可编程控制器PLC、微型计算机原理等知识又有了更加全面的认识，在之前我们的认识也只限于书本上的范例，不懂得如何运用这些宝贵的知识。此次课程设计，我使用AT89C51单片机为主体，根据要求为主片增加复位电路和时钟电路，当系统需要延时操作时，时钟电路可以设置延时时间，而当出现系统故障或是初始化时，复位电路可以完成系统初始化。由于本次设计的任务要求是要有自检功能，所以我在设计开关量输入时利用AT89C51芯片的P1口作为输出口，并在设计开关量电路时采用J