电力系统监控技术课程设计---遥测数据采集系统设计.doc
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电力系统监控技术课程设计报告电力系统监控技术课程设计报告题目：题目： 遥测数据采集系统设计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 自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告11 设计原始资料1.1 具体题目说明钢轨钢轨图 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自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告21.2 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 MCS－51 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 0~5V 或 0~10mA 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自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告3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 所示打印遥测CRT显示送模拟屏送主计算机iui、u电 量 输 入非电量输入译码解调同步反送校核信道电流变送器电压变送器功率变送器传感器模 拟 多 路 开 关模/数 转换编码调制上 行 信 息上 行 信 息图 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。
CPU并 行 输 出 端 口D/A 转换线性功率 放大器执行机构二进制数控制电压驱动功率自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告4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（ΔM） 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信 息 源信 源 编 码信 道 编 码调 制信道干扰解 调信 道 译 码信 源 译 码受 信 者图 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 所示过 程 参 数传 感 器 检 测信号调理信号调理信号调理多 路 转 换 开 关放大器采样/保持模/数 单 片 机控 制图 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自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告52.3.2 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WR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 P2.7WR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RD自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告6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① 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 128μs，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② 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③ 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RD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，字长不变同步字控制字信息字1信息字2··· ···信息字n图 3.1 循环式远动规约的帧结构自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告7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控制字节帧类别信息字数n源站址目的站址校验码图 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ELSD0001图 3.3 控制字节的组成E：扩展位当 E＝0 时使用表 3－1 定义的帧类别；当 E＝1 时帧类别可另行定义，以便扩展功能L：帧长定义位当 L＝0 时表示本帧信息字数 n 为 0，即本帧没有信息字；当 L＝1 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，S＝1 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；D＝1 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，S＝1 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；D＝1 表示目的站址字节有内容，目的站址字节代表子站站号；D＝0 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 2~5字节是信息数据字节，第 6 字节是校验码字节自动化与电气工程学院电力系统监控技术课程设计报告8功能码信息数据校验码图 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 00H~7FH，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，b11~b0 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 表示数无效功能码00H-7FHb7b0… ...b15b14b11 — b8b7… ...b0b15b14b11 — b8校验码1字节2字节3字节4字节5字节6字节i遥测i+1遥测图 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。
