121806005-配电系统及其自动化课设模板报告

1、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： 配电变压器远方终端设计配电变压器远方终端设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 电电学学 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：2015.11.30-2015.12.112015.11.30-2015.12.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%

2、以百分制计算学 号学生姓名专业班级设计题目配电变压器远方终端设计课程设计（论文）任务配电变压器远方终端基本功能是对配电变压器信息采集和控制，实时监测配电变压器运行工况，用以完成传统的电压表、电流表、功率因数表等功能，且能和主站通信。设计背景：设计背景：变压器为 35/10.5kV ，容量为 1250kVA ，实时监测变压器的电流电压及其输出功率，并将数据上传给主站；监测变压器的油温，当温度超过 85时发出报警信号，并输出启动瓦斯保护开关信号。设计内容：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. 变压器油温检测电路设

3、计4. 瓦斯保护输出接口以及报警控制电路设计5. 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 变压器油温检测电路设计第 6 天瓦斯保护输出接口以及报警控制电路设计第 7 天 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： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 摘 要在电力供配电系

4、统中，配电变压器监测终端(TTU)用于对配电变压器的信息采集和控制,它实时监测配电变压器的运行工况,并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置,提供配电系统运行控制及管理所需的数据。一般要求TTU 能实时监测线路、柱上配电变或箱式变的运行工况,及时发现、处理事故和紧急情况,并具有就地和远方无功补偿和有载调压的功能。由此可见,TTU 除具有数据采集与控制功能外,另一个重要功能就是通信功能。本文对变电站远方馈线终端 TTU 进行了设计，先对总体设计方案的确定，然后设计了最小系统的设计，对 CPU 进行了选择，对复位和时钟的电路的设计，对电流电压检测电路的设计，整流分压滤波测试交流电压对电压进行检测

5、，使用电流互感器测试交流电流：电流互感器原理是一句电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。然后对 TTU 软件流程图进行了设计，然后设计了总体系统原理图，然后对系统原理图进行了分析综述。关键词：关键词：TTU；电压电流检测系统；通信功能 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 目 录第第 1 1 章章 绪论绪论.1 11.1 配电变压器远方终端综述.11.2 本文研究内容.2第第 2 2 章章 TTUTTU 硬件设计硬件设计 .3 32.1 总体设计方案.32.2 配电变压器远方控制核心模块设计.32.2.1 CPU 的选择 .32.2.2 复位电路设计.42

6、.2.3 时钟电路设计.52.2.4 TTU 控制核心模块 .52.2.5 电流电压检测电路设计.62.2.6 变压器油温检测电路设计.72.2.7 报警电路设计设计.82.2.8 TTU 与主站通信接口电路设计 .9第第 3 3 章章 TTUTTU 软件设计软件设计 .10103.1 软件实现功能综述.103.2 流程图设计.103.2.1 主程序流程图设计.103.2.1 变压器油温检测流程图设计.103.2.2 通信流程图设计.11第第 4 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析.14144.1 系统原理图.144.2 系统原理综述.15第第 5 5 章章 课程设计总结课程设计总结.16

7、16参考文献参考文献.1717 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）0第 1 章 绪论1.1 配电变压器远方终端综述随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求越来越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。“电力法”和承诺制的公布和贯彻执行，更要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。传统的技术和管理手段已无法适应新的形式，配电自动化就是为了这一目的而提出来的。配电系统自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数

8、据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电系统正常运行及事故情况下的检测保护、控制、用电和配电管理的现代化。可以看出，这一定义的内容相当广泛它指出了配电系统自动化是一个信息集成系统，包括了和配电网有关的所有管理和控制功能。一个基本配电网自动化系统可由一个控制中心、若干监控监测或其他终端组成。配电网系统较大时，可配置若干控制分中心，也可增设若干站控终端。一般控制中心设置在供电企业的配电网调度中心。对于较大型的供电企业，如果一个控制中心无法覆盖整个城市配电网，或因机构设置及管理需要可在分局或相应场所再设置若干个控制分中心，控制分中心与控制中心之间通过计算机网络连接。在柱上开

9、关、开闭所、小区变配电变压器、配电变电站、环网柜等现场设备处设置各检测，监控终端。控制中心(分中心)与各终端之间通过通信信道相连接，以完成对各种配电设备的实时监视和控制。控制中心是整个配电网自动化系统的核心，由中心调度室和主站计算机系统及设备组成。其作用是：对整个城市配电网及其设备的运行进行盏视、控制与管理；接收通过控制分中心、站控终端转发来的现场设备信息，或直接接收来自各终端设备的配电网实时信息，利用这些信息分析配电网的运行状态；通过计算机网络，进行信息共享。控制分中心的组成与控制中心相似，但规模较小。其作用与控制中心基本相同，不同之处是，需向控制中心上报有关信息，接收控制中心下发的信息或指

10、令，执行操作命令。站控终端作为控制中心(分中心)与终端之间的一层设备，主要完成通信方式及路由的转换、数据的分层处理与中转、控制中心部分功能的分散等任务。终端设备是配电网自动化系统的现场监(测)控设备单元，设置在各被监(测) 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）1控设备近旁。其作用是：采集并计算被监(测)控设备的运行数据及状态信息；监视电网运行设备发生的异常情况并及时上报；接收并执行控制(分)中心下发的控制命令；根据程序设定，完成特定条件下的自动控制操作。1.2 本文研究内容根据配电自动化系统的要求,配变监测终端TTU 对上应能与配电子站或主站进行通信,将终端采集的实时信

11、息上报,同时接收子站/主站下达的各种控制命令，对下要求可与附近的配变监测终端(TTU)或其他智能设备进行通信。因此,对配变监测终端通信功能的要求比较严格,无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足配网自动化系统的要求,主要包括:(1)通信的可靠性：配变监测终端的通信应能抵制恶劣的气候条件，如雨、雪、冰雹和雷阵雨，还有长期的紫外线照射、强电磁干扰等。(2)较高的性价比：考虑通信系统的费用，选择费用和功能及技术先进性的最佳组合，追求最佳性价比。(3)配电通信的实时性：电网故障时TTU快速及时地传送大量故障数据，配变监测终端的通信系统必须具有双向通信的能力,具有半双工或全双工的能力。(4)通信方式的标

12、准化及通用性：配变监测终端的通信系统包括发送器、接器。使用中常常需要与其他配电设备进行通信,因此应尽量选择具有通用性、标准化程度高的通信方式及设备,便于使用和维护。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）2第 2 章 TTU 硬件设计2.1 总体设计方案TTU 的通信模块整体框图电力线图 2.1 TTU 通信模块整体框图接口通过电力线接收来自主站的命令信息，经过滤波放大后，命令经过解调送到控制器，然后控制器通过串口将主站命令发送给数据采集与处理模块。数据采集与处理模块根据接收到的主站命令对配电变压器的数据进行采集，经过分析处理后，将数据信息通过串口发送给通信模块的控制器，

13、再经过调制，最后经由接口发送到电力线上，等待主站接收。2.2 配电变压器远方控制核心模块设计2.2.1 CPU 的选择系统采用 89C51 单片机，此芯片是一种带 4KB Flash ROM 程序存储器的低电压、高性能的 8 位微处理器。外型及管脚如图 2.2 所示：主要特性主要特性与 MCS-51 兼容4K 字节可编程 FLASH 存储器寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24MHz接口滤波放 大调制解调器控制器串口TTU 数据采集处理模块 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）3三级程序存储器锁定1288 位内部 RAM32 可编程 I

14、/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路图 2.2 89C51 单片机芯片2.2.2 复位电路设计复位电路的设计在整个原理的设计中非常重要，并且要结合本项目的功能要求进行复位电路的设计。复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都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 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。复位电路如图 2.3 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）4图 2.3 复

15、位电路2.2.3 时钟电路设计计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。时钟电路用于产生单片机所需的时钟信号，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。如图 2.4 所示图 2.4 时钟电路2.2.4 TTU 控制核心模块由于在电力供配电系统中，配电变压器监测终端(TTU)用于对配电变压器的信息采集和控制，它实时监测配电变压器的运行工况，并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置，提供配电系统运行控制及管理所需的数据。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C1CAPC2CAPY

16、1CRYSTALXTAL 2XTAL 1. 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）5从而构成完整的 TTU 控制核心模块，具体的连接方式如图 2.5 所示。图 2.5 TTU 控制核心模块原理图2.2.5 电流电压检测电路设计1.整流分压滤波测试交流电压 ：这里使用的方法比较简单，先对交流电进行整流，然后对这个纹波很大的直流分量进行分压，最后利用滤波电路将这个纹波去掉，我这个电路的纹波实测不会大于 50mV。电路图如下 图 2.6 交流电压检测电路2.使用电流互感器测试交流电流：EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T1

17、15P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C 51D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB 018PB 119PB 220PB 321PB 422PB 523PB 624PB 725PC 014PC 115PC 216PC 317PC 413PC 512PC 61

18、1PC 710RD5WR36A09A18RESET35CS68255D7Q7D6Q6D5Q5D4Q4D3Q3D2Q2D1Q1D0Q074LS373DI01DO019DI12DO118DI23DO217DI34DO316DI45DO415DI56DO514DI67DO613DI78DO712OE9STB118282I/O1I/O2I/O0I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3A0A1A2A3A4A5A6A7A10A9A86116RESETR21KR1200C22FVC C C122FC222FY12F 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）6电流互感器原理是一句电磁感应原

19、理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。下图就是我使用的电流互感器，淘宝上就有卖图 2.7 电流互感器将交流电的零线或者火线中的一根，穿过这个电流互感器的小孔，互感器管脚连接一个电阻负载，当电线中有交流电流过大时候，这个电流互感器的电阻两端会形成一个电压，只是这个电压纹波也很大，需要后面整流和滤波。电路图如下图：图 2.7 交流电流检测电路这里竖着的那个 10K 电阻相当于采样电阻，电压信号由它反映出来。在实际运行中，220V/40W 的用电器运行时，GetCurrent = 0.8V。对于这个的数据的是否线性等等，我没有认真分析，因为我这个项目中不需要这个电流的具体准确量化值，只需要检测到

20、用电器是否正常工作即可。个人觉得如果需要比较准确的测量这个交流值应该是能够做到的，有时间我自习再分析一下。2.2.6 变压器油温检测电路设计（电力变压器运行中，对其油温的测量是维护电力变压器安全运行的基础和关键。电力变压器冷却系统的投退和超温报警等都由其安装的温度控制器来实现。 本变压器油温测量系统以 MSP430F449 为主控制器件，它是 TI 公司生产的 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）716 位超低功耗特性的功能强大的单片机。MSP430 单片机内部具有高、中、低速多个时钟源，可以灵活的配置给各模块使用以及工作于多种低功耗模式，大大降低控制电路的功耗提高整体

21、效率。首先，电力变压器油温经过传感器和信号调理电路采集放大为适合 AD 转换的电压值。AD 转换器对模拟信号进行采样并转换位数字信号后经 MSP430 作预处理。借助 MSP430 单片机和主机(上位机)单间的串行通信完成人机交互监测，系统框图如图 2.8 所示。图 2.8 油温检测电路图2.2.7 报警电路设计设计本设计报警部分采用蜂鸣音报警接口电路设计，通过 MCS-51 的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣器发声。压电式蜂鸣器约需 10mA 的驱动电流，可以使用 TTL 系列集成电路 7406 或 7407 低电平驱动或者可以使用 1 个晶体管驱动。本项目采纳后者进行设计。 如图 2.9 所示

22、，设定时间 5s 之外，超过 5s 的就会发生警报。P1.7 接晶体管基极输入端。当 P1.7 输出高电平时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V 电压而鸣叫；当 P1.7 输出低电平，晶体管截至，蜂鸣器停止发音图 2.9 报警设计电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）82.2.8 TTU 与主站通信接口电路设计RTU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, 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RTU与主站间的通信，RS485接口电路图如图2.1

23、0。图 2.10 RS485 接口电路图ROREDED1 GNDABVcc12345678MAX485RS485R14.7kR14.7kR112012J2RS485chz+5VR110KD1PROBETXO 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）9第 3 章 TTU 软件设计3.1 软件实现功能综述系统的软件应根据系统功能要求设计，因此TTu软件设计需实现数据采集与处理、通信及人机界面等任务，主要包括一个无限循环的主程序、定时中断服务程序、测量模块和通信模块。TTu的主程序它主要完成DSP初始化、采样值的FFT变换和谐波分析、通信报文处理、存储数据、显示刷薪等任务的调度。

24、系统上电时，主程序对系统进行复位和初始化，然后不断进行任务轮巡，当检测到某一任务条件满足时，调用相关函数完成该任务。3.2 流程图设计3.2.1 主程序流程图设计TTu的主程序它主要完成DSP初始化、采样值的FFT变换和谐波分析、通信报文处理、存储数据、显示刷薪等任务的调度。系统上电时，主程序对系统进行复位和初始化，然后不断进行任务轮巡，当检测到某一任务条件满足时，调用相关函数完成该任务。定时中断具有最高中断级别，主要完成电压、电流的AD转换，数据存储。AD采样在DSP的内部定时器2中完成，采用序列通道多次转换模式，每隔15625ns对AD端口6个通道依次完成一次采样，20ms内完成128次采

25、样，数据存储的时问由定时器1控制，如果存储时间到，就对相应的标识置位，进行处理。3.2.1 变压器油温检测流程图设计一种在线无损油温检测装置，应用于照明配电变压器上，其特征在于，包括：温度探头，包括磁性外壳及其内封装温度传感器，用于采集所述变压器的外部温度；温度补偿信号处理单元，包括采集单元、温度补偿处理器、通信单元、存储器，所述采集单元将所述温度探头采集温度进行模数转换，并提供给所述温度补偿处理器，所述温度补偿处理器将所述温度转化成对应变压器的油温，通过与所述存储器中温度范围比较，当测得的所述变压器油温超过上下限值，通过所述通信单元报警。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书

26、（论文）10 N Y N Y N Y N 图3.1 TTU的主程序流程3.2.2 通信流程图设计F2812提供了两个串口通信模块SCIA和SCIB，它们除了能完成普通串口模块提供的基本功能之外，更提供了两个增强特征：自动波特率检测和发送接收FIFO操作。自动波特率检测很好的解决了主机确定终端通信速率的问题。由于终端的类型很多，其通信速率也有很多选择，因此主机确定终端的通信速率是一个很麻烦的问题，常用的方法是由终端回送字符确定波特率或者通过前几个字符计算得到波特率的值，F2812 SCI的自动波特率检测特性使问题褥到简化，只需通过开始DSP 初始化数据采集是否断相、过压接收一级主站报文？保存数据

27、刷新显示显示故障信息，存储数据，讲信息发送给主站调用接收处理函数，将接收完标志清 0，调用发送函数保存数据，讲保存数据标志清 0 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）11设置寄存器SCIFFCT的CDC和ABD位，及寄存器SCIFFTX的SCIRST位就可以得到终端的波特率。发送接收FIFO操作有效的减少了通信中断的次数，提高了通信速度。在FIFO模式下，RXFIFO与TXFIFO对发送和接收缓冲器起补充作用。16位TXBUF作为RXFIF0和TXSHF的过渡，只有当SHF的最后一位发出，才会把数据从TXFIFO传到TXBUF。也可在一个时延(可选)后不必经过TXBUF

28、直接把数据送往TXSHF，时延在0256个波特率时钟周期之问，由SCIFFCTl70形成的十进制值来确定，如果为0的话，可以以连续的方式来传送数据。可编程的中断等级、发送和按收FIFO均可产生CPU中断，当TX FIFO的TXFFST40与TXFFIL40项符合的时候就会触发中断，这就提供了可编程的中断触发。气体分离及信号转换变压器接口伐门控制温度控制接口缓冲单片 CPU光电隔离及驱动控制装制主机算计通讯结果打印及预报警图3.2 配电变压器油温监测仪设计流程图SCI进行串行通信可采用查询或中断两种模式来实现：1中断模式：在F2812内核一级可用的中断有INTlINTl4，但只有其中的INTlI

29、NTl2为外设所用，而F2812外设支持的中断有96个之多，因此对外设中断的处理只能采用复用方式，即所有的外设共用这12个中断源，每8个一组与一个中断源相对应。具体的中断源由存在RAM内的外设中断向量表来指示，这样在共用的INTlINTl2中断服务程序中必须首先检查外设中断向量表，在确定了具体的外设中断源后才能转入相应的外设中断处理子程序。F2812串行通信接口模块的数据接收和发送可分别申请中断，且具有高低优先级。SCIA接收中断为 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）12INT91，发送中断为INT92；SCIB接收中断为INT93，发送中断为INT94。因此在中断服

30、务子程序中可以通过检查外设中断向量寄存器的值来转入相应的接收和发送中断处理程序。2查询模式：采用查询模式进行通信时，在对有关的寄存器初始化后，主要是通过不断的检查有关寄存器相应标志位来实现数据的发送和接收。查询模式发送数据是通过检查SCI控制寄存器2(SCICTL2)中的发送就绪(TXRDY)标志来实现的，发送数据流程图如图3.3所示。查询模式接收数据则是通过检查接收状态寄存器(SCIRXST)中的接收就绪(RXRDY)和接收错误标志(RXERROR)来实现的，接收数据流程图如图3.4所示。NY Y图 3.3 SCI 发送流程图 图 3.4 SCI 接收流程图初始化TXRDY=1？ 待发送字符

31、送入 SCITXBUF发送完毕？结束初始化RXERROR=1？RXRDY=1？从 SCIRXBUF 接收字符接收完毕？结束接收错误处理子程序 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）13第 4 章 系统设计与分析4.1 系统原理图C1CAPC2CAPY1CRYSTALXTAL 2XTAL 1.EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2

32、425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C 51D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB 018PB 119PB 220PB 321PB 422PB 523PB 624PB 725PC 014PC 115PC 216PC 317PC 413PC 512PC 611PC 710RD5WR36A09A18RESET35CS68255D7Q7D6Q6D5Q5D4Q4D3Q3D2Q2D1Q1D0Q074LS373DI01DO019DI12DO118DI23D

33、O217DI34DO316DI45DO415DI56DO514DI67DO613DI78DO712OE9STB118282I/O1I/O2I/O0I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3A0A1A2A3A4A5A6A7A10A9A86116RESETR21KR1200C22FVC C C122FC222FY12F 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）14图 4.1 系统原理图4.2 系统原理综述设计本身以 89C51 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新型数据交换，通信电路采用 RS-485 借口芯片，运用 RS-485 可进行多站连接，实现分散式变电站自动化。本文实现了配电变压器监测系统通信模块的设计，该模块基于电力线载波通信技术，通过电力线与配电主站进行通信，无需另架线路，具有性价比好，集成度高，工作可靠的优点。通信模块与配电变压器的数据采集与分析处理模块结合在一起，构成配电变压器的监测终端，使配电变压器监测终端集采集、处理、通信于一体，改善了配电变压器监测终端的功能，优化了其设计，提高了整个监测终端的性能，具有很好的发展前景。ROREDED1 GNDABVcc12345678MAX485RS485R14.7kR14.7kR112012J2RS485chz+5VR110KD1PROBETXO 辽 宁 工 业 大 学 课 程