牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).doc

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存檔資料 成績：　 華東交通大學理工學院 課 程 設 計 報 告 書 所屬課程名稱 《遠動技術》課程設計 題 目 牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　 分 院 　　 電 信 分 院 　　 專業(yè)班級 09 級 電力1 班 學　　號 　 　　20090210470139 　　 　　 　 學生姓名 袁幸平 指導教師 　　 趙 巍 2013 年 1 月 3 日 2011-2012年第二學期 華東交通大學理工學院課程設計報告 華東交通大學理工學院 課 程 設 計（ 論 文 ）任 務 書 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電力1班 姓名 袁幸平 一、課程設計（論文）題目 牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 二、課程設計（論文）工作：自 2012 年12 月 24 日起至 2013 年 1 月 3 日止。 三、課程設計（論文）的內容要求： 遠動系統(tǒng)的核心是SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中，遠動系統(tǒng)應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟。針對開閉所主接線電路圖，進行遠動系統(tǒng)模塊的設計，設計出牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。要求：(1) 計算機繪制開閉所通用系統(tǒng)結構框圖；(2) 設計一個具體的MCS－51單片機數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)，開關量輸入數(shù)據(jù)，路數(shù)為16路，開關量輸入數(shù)據(jù)類型為各斷路器、隔離開關的狀態(tài)信息；(3) 選用問答式傳輸規(guī)約，以16路開關量為例，編寫上傳調度中心的遙信數(shù)據(jù)報文的幀結構；(4) 計算機繪制相應的遙信數(shù)據(jù)采集程序流程圖 學生簽名： 　 2013 年 1月 3 日 課程設計（論文）評閱意見 序號 項 目 等　　　級 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格 1 課程設計態(tài)度評價 2 出勤情況評價 3 任務難度評價 4 工作量飽滿評價 5 設計中創(chuàng)新性評價 6 論文書寫規(guī)范化評價 7 綜合應用能力評價 綜合評定等級 評閱人 趙 巍　 職稱 講 師 2013年1 月 3 日 目　錄 第1章 課程設計內容及要求.....................5 第2章 程序設計目的..........................6 第3章 程序實現(xiàn)思路..........................12 第4章 程序清單（或正文）....................17 第5章 課程設計心得..........................18 第6章 參考文................................19 第1章 課程設計內容及要求 遠動系統(tǒng)的核心是SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中，遠動系統(tǒng)應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟。針對開閉所主接線電路圖，進行遠動系統(tǒng)模塊的設計，設計出牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 要求： (1) 計算機繪制開閉所通用系統(tǒng)結構框圖； (2) 設計一個具體的MCS－51單片機數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)，開關量輸入數(shù)據(jù)，路數(shù)為16路，開關量輸入數(shù)據(jù)類型為各斷路器、隔離開關的狀態(tài)信息； (3) 選用問答式傳輸規(guī)約，以16路開關量為例，編寫上傳調度中心的遙信數(shù)據(jù)報文的幀結構； (4) 計算機繪制相應的遙信數(shù)據(jù)采集程序流程圖。 第2章 程序設計目的 在一個現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，為了能正確和及時地掌握每時每刻都在變化著的電力系統(tǒng)運行情況，控制和協(xié)調電力系統(tǒng)的運行方式，處理影響整個電力系統(tǒng)正常運行的事故和異常情況，保證電力系統(tǒng)的安全和經濟運行，必須具備一個完善的電力系統(tǒng)信息收集和執(zhí)行系統(tǒng)，將分散在幾十公里、幾百公里以至上千公里以外的各發(fā)電廠和變電所的大量表征電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息，迅速、正確、可靠地送到調度控制中心，同時將控制中心的控制和調節(jié)命令傳送到各發(fā)電廠和變電所，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的自動監(jiān)視和控制。 第3章 程序實現(xiàn)思路 3.1 各開關原件及數(shù)據(jù)采集點編號 3.1.1 各開關元件編號 如圖3.1 所示，對紐結型開閉所主接線電路中的開關元件進行編號，其中QS1—QS10為隔離開關編號，QF1—QF6為斷路器編號。 圖3.1 各開關元件編號圖 3.1.2 數(shù)據(jù)采集點定義 根據(jù)圖3.1中各開關元件的編號，對需要進行數(shù)據(jù)采集的開關元件進行十六制定義，數(shù)據(jù)定義如表3.1所示。 表3.1 數(shù)據(jù)采集點定義 編號 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 開關 QS1 QS2 QS3 QS4 QS5 QS6 QS7 QS8 編號 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 開關 QS9 QS10 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 3.2 被控站通用系統(tǒng) 開閉所自動化終端裝置由系統(tǒng)電源、功能插件、接口插件或接口端子板、蓄電池等組成。此外，還可以根據(jù)用戶實際需要配置各種通信單元等擴展設備，開閉所自動化終端概要圖見圖3.2，功能插件包括主控插件、交流采樣插件、遙信采集插件、遙控插件。接口插件包括交流采樣接口插件、端子板、遙控輸出接口插件、遙信采集接口插件。開閉所自動化終端裝置各功能插件中，主控插件、系統(tǒng)電源模塊屬于基本插件，其余功能插件遙信采集插件、遙控輸出插件、交流采樣插件和通信插件為選配插件，可以根據(jù)用戶需要靈活配置，接口插件應根據(jù)功能插件的配置進行相應選擇。 圖3.2 開閉所自動化終端結構圖 3.2.1 數(shù)據(jù)采集通道 如圖3.3所示，數(shù)據(jù)采集通道設計成十六路模擬量的輸入，遙信信息通常由電力設備的輔助接點提供，輔助接點的開合直接反應出該設備的工作狀態(tài)。提供給遠動裝置的輔助接點大多為無源接點，即空接點，這種節(jié)點無論是在“開”狀態(tài)還是“合”狀態(tài)下，接點兩端均無電位差。斷路器和隔離開關提供的就是這一類輔助接點。另一種輔助接點則是有源節(jié)點，有源節(jié)點在“開”狀態(tài)時兩端有一個直流電壓，是由系統(tǒng)蓄電池提供的110V或220V直流電壓。一些保護提供此類接點。各開關量對應的引腳如表3.2所示。 圖3.3 數(shù)據(jù)采集通道圖 表3.2 各開關量對應的引腳 引腳 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 開關 QS1 QS2 QS3 QS4 QS5 QS6 QS7 QS8 引腳 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 開關 QS9 QS10 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 3.2.2 控制輸出通道 控制輸出通道通常以繼電器觸點的方式提供，繼電器一方面可以起到信號隔離作用，另一方面直接介入控制回路，控制回路中信號的通斷。若提供的繼電器觸點容量不夠時，還可以再介入一級中介繼電器。如圖3.4所示，控制輸出為一對動合觸點，遙控對象為“0”時，觸點斷開；遙控對象為“1”時，繼電器動作，觸點閉合。一般繼電器可以提供一對動合觸點和一對動斷觸點，實際系統(tǒng)中要接動合觸點還是接動斷觸點，應視要求 而定。 圖3.4 控制輸出通道圖 3.3 MCS—51單片機最小系統(tǒng) 3.3.1 原理框圖 采用多通道共享采樣/保持器與A/D轉換器。這種A/D轉換輸入方式適合于對同一信號不同量程的A/D轉換，它也比較經濟，占用CPU輸入口少，因而可以更有效地利用CPU的輸入口。尤其對于那些接口有限的微型機，這種方式更有效。CPU對各路通道的訪問采用軟件控制，由多路轉換開關進行切換.。原理框圖如圖3.5所示。 圖3.5 單片機最小系統(tǒng)原理框圖 3.3.2 系統(tǒng)電路圖 該系統(tǒng)以MCS—51單片機為核心，可以對16路模擬量、16路數(shù)字開關量和兩路脈沖量進行采集，模擬量采集精度達到12位，在實際應用中，可以對電壓信號進行直接采集，如果要對傳感器的標準電流量進行采集時，還需加入采樣電阻，把電流轉換成電壓后進行采集。對采集的脈沖量的頻率取決于單片機的時鐘頻率，一般不能高于單片機的運行時鐘，如單片機用12MHz的晶振，則采集的脈沖頻率只能低于12MHz。本系統(tǒng)在實際應用中已調試通過，采集的數(shù)據(jù)精度高，速度快。 鐵路電力遠動系統(tǒng)由遠動控制主站、遠動終端和通信通道三部分組成，是近年來在國內全面推廣的鐵路電力新技術，其技術含量高，是涉及鐵路電力工程設計、各級電力調度管理模式、遠動終端的數(shù)據(jù)采集和處理、各級遠動控制主站與遠動終端之間數(shù)據(jù)通信及計算機系統(tǒng)等多專業(yè)的系統(tǒng)工程。 單片機8051芯片提供16位地址線，其尋址空間為64K字節(jié)。由于8051除提供讀寫控制信號外，還提供了程序指令讀取控制信號。因此8051的程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開的，最大尋址空間為64K字節(jié)。實際上，數(shù)據(jù)空間除可以分配給數(shù)據(jù)存儲器，還可以分配給其他外圍芯片。 如圖3.6所示為設計的系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)選擇一個串行的A/D轉換芯片，用模擬開關作擴展，兩個模擬開關即可擴展成16路的模擬量輸入。開關量的采集可以直接用單片機的I/O，用兩個并口即可完成16路的開關量采集。AT89C51單片機還有兩個外部中斷接口，即可用來測量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。單片機可以通過串口與上位PC機進行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上。 圖3.6 十六位最小系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理 第4章 程序清單或正文 4.1 規(guī)約及主站、子站地址 4.1.1 傳輸規(guī)約 報文：Polling方式中無論是主站向子站發(fā)送的命令。還是子站向主站回送的數(shù)據(jù)，都稱報文。每個報文含有一個完整的意義，但是不同的報文長度不一定相同。 類別與類型：類型是指數(shù)據(jù)不同的分類。數(shù)據(jù)的類型分別為模擬量、狀態(tài)量、狀態(tài)變化量、時標量等。類別指數(shù)據(jù)或信息一舉不同的掃描周期劃分為12345670類。對各種數(shù)據(jù)要分別指定屬于某一類別，任一類別掃描周期可由外面輸入定義。 模塊：一臺RTU由若干模塊構成，每個模塊有特定的地址說明，模塊地址通常占一個人字節(jié)，，但只用其中的低五位表示。這里的模塊是邏輯概念而不是物理概念。一個物理概念的模塊可以占一個模塊地址，也可以占兩個模塊地址；與此同時，一個地址的模塊也可以由好幾塊印制板構成。 RTU與前置機之間采用異步通信方式，字符格式是：一位起始位，一位停止位，無奇偶校驗位，每個字符八位數(shù)據(jù)位。 4.1.2 主站和子站地址 (1) 報文的格式 本規(guī)約中的報文可分為三種報文格式：主站向子站詢問的報文格式，子站向主站回答確認或否定確認的報文格式，主站向子站或子站向主站傳送數(shù)據(jù)的報文格式。 主站向子站詢問的報文格式見圖4.1(a)，我們稱它為報文格式1。報文的第一個字節(jié)為子站地址i，可以取00H—FFH。當RTU地址取FFH時，該報文為廣播命令，他是面向全部子站設備的操作命令，所有子站都要接受收，第二個報文類型可以取05H和1AH。當報文類型代碼為05H時，該報文為類別詢問報文；為1AH時，該報文為重復詢問報文。類別詢問報文的數(shù)據(jù)區(qū)為一個字節(jié)，稱詢問類別，它的8位與8種類別對應，。當主站希望收集某幾個類別的變化數(shù)據(jù)時，就將詢問類別的某幾位置“1”。如果詢問第8類別的數(shù)據(jù)，就將詢問類別字節(jié)置成全“0”。重復詢問報文的數(shù)據(jù)區(qū)為兩個字節(jié)，稱重復詢問類別標志和詢問類別標志。當主站發(fā)出的類別詢問報文沒有收到子站的正確回答時，主站向子站發(fā)送重復詢問報文。重復詢問報文中的重復詢問類別標志是原先發(fā)送的類別報文中詢問類別字節(jié)的重復。該報文中的詢問類別標志字節(jié)某位為“1”，表示原先發(fā)送的類別詢問報文中沒有詢問的類別，這一次需要訪問。報文的校驗碼為一個字節(jié)。 (a) 格式1 （b） 格式2 圖4.1 主站向子站詢問的報文格式 子站向主站回答確認或否定確認的報文格式見圖4.1(b)，我們稱它為報文格式2，。這兩種報文都是三個字節(jié)，第一個字節(jié)為子站地址，取00H—FEH。第二字節(jié)報文類型取06H時，確認報文，它表示子站正確收到主站命令；取15H時，為否定確認報文。第三字節(jié)類別標志字節(jié)的0~7位，與數(shù)據(jù)類別的0~7位相對應。如果RTU中某一類別的數(shù)據(jù)有變化，在子站向主站的回答報文中，將報文標志字節(jié)中的對應位置成“1”，數(shù)據(jù)無變化的類別，對應位取“0”。這種報文不帶校驗字節(jié)。 傳送數(shù)據(jù)的報文格式見圖4.2，我們稱它為報文格式3。報文的第一個字節(jié)為子站地址，第二字節(jié)的8位中只用低6位作為報文類型的代碼。在子站向主站的報文中，最高位為“1”表示子站的事件順序記錄向主站報告，次高位為“1”表示子站的隨機存儲器出錯。第三個字節(jié)的取值范圍時00H—FBH。在子站向主站的報文中，數(shù)據(jù)至少包含一個類別標志，它是數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)，類別標志字的某一位為“1”時，表示子站某一類別的數(shù)據(jù)有變化，需要向主站報告，因此數(shù)據(jù)區(qū)長度N的取值可為01H—FBH。 圖4.2 主站向子站傳送數(shù)據(jù)的報文格式 (2) 主站和子站的地址 子站向主站的回答報文共有10條，按功能可分為確認報文、診斷報文和傳送報文，詳細見表4.1。 主站向子站發(fā)送的命令共有24條，按功能可分為：查詢命令，送參數(shù)命令，控制命令和專用命令四大類。表4.2列出了24種命令的分類、各種命令的名稱、報文類型碼和報文字節(jié)數(shù)。 表4.1 子站向主站回答報文表 報文分類 報文名稱 報文類型 報文字節(jié)數(shù) 確認報文 確認 06H 3 否定確認 15H 3 送數(shù)報文 電源合閘 16H 6 向主站報告時標數(shù)據(jù)出現(xiàn) 17H 7 模塊狀態(tài)變化 18H 可變 用數(shù)據(jù)回答主站的類別詢問 1BH 可變 用數(shù)據(jù)回答主站的數(shù)據(jù)召喚報文 1CH 可變 帶缺損指示的數(shù)據(jù)回答 1DH 可變 報告參數(shù)組號 2FH 7 表4.2 主站—子站的命令報文表 命令分類 命令名稱 報文類型 報文字節(jié)數(shù) 查詢命令 召喚故障模塊 02H 5 類別詢問 05H 4 請求數(shù)據(jù)報文 0DH 可變 召喚事件記錄數(shù)據(jù) 0FH 7 重復詢問 1AH 5 查詢參數(shù)組號 2EH 5 送參數(shù)命令 設置RTU工作方式 03H 可變 發(fā)送壓縮因子 04H 13 設置時鐘 0CH 11 設置回答數(shù)據(jù)區(qū)最大長度 10H 6 發(fā)送掃描頻率 11H 13 發(fā)送濾波系數(shù) 13H 13 指定參數(shù)組號 2DH 6 控制命令 復位RTU 01H 5 停止RTU掃描 07H 5 允許RTU掃描 08H 5 停止I/O模塊掃描 09H 可變 允許I/O模塊掃描 0AH 可變 電源合閘確認 12H 5 專用命令 診斷報文 0EH 可變 同步命令 14H 5 預同步命令 19H 9 帶反送校核的遙控命令 1EH 9 圖4.3 數(shù)據(jù)采集傳遞流程圖 第5章　課程設計心得 經過這次對區(qū)間遙信采集系統(tǒng)的設計，使我進一步了解了遙信在鐵路系統(tǒng)中的重要性，鐵路的電力供應與鐵路的行車和安全密切相關，是鐵路運輸基層設施的重要組成部分。列車速度的提高，各種車輛安全監(jiān)測設備的投入，對供電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。提高供電質量，縮小故障影響范圍，減少停電時間，是鐵路部門對供電段提出的基本要求。根據(jù)遠動終端的功能要求，建立了完成各種功能的特殊模塊，各功能模塊的功能軟件各不相同。隨著鐵路貫通線，變配電所綜合自動化的不斷建設和配電自動化系統(tǒng)功能的日臻完善，電力遠動系統(tǒng)已成為鐵路供電段向鐵路沿線各種行車安全監(jiān)控設備不斷提供優(yōu)質供電不可缺少的工具。通過本次課程設計，可以得出以下結論： (1) 遙信信息通常由電力設備的輔助接點提供，輔助接點的開合直接反映出該設備的工作狀態(tài)； (2) 不論是有源還是無源觸點，必須加入信號隔離措施，以免強電系統(tǒng)損壞遠動設備； (3) 在遙信狀態(tài)的采集方面采用雙觸點遙信的處理方法，提高遙信信源的可靠性和準確性。 變電站自動化的任務是：完成對變電所電氣量及非電氣量的采集和電氣設備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調節(jié)，以便實現(xiàn)對變電所正常運行時的監(jiān)視和操作，從而保證變電所正常運行和安全。 第6章　參考文獻（資料） [1] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京:北京航空航天出版社,1999. [2] 李廣弟.單片機基礎[M].北京:北京航空航天出版社,1994. [3] 陳光東.單片微型計算機原理與接口技術[M].武漢:華中理工大學出版社,1999. [4] 黃遵熹.單片機原理接口與應用[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1997. [5] 柳永智,劉曉川.電力系統(tǒng)遠動[M].北京:中國電力出版社,1998. 《遠動技術》課程設計 第 20 頁 共 20 頁