远动监控技术课程设计.docx
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远动监控技术课程设计
电力系统监控技术课程设计
题目：
牵引供电系统的遥信数据采集系统
班级：
电气072班
姓名：
羊毅
学号：
200708843
指导教师：
王思华
设计时间：
2011年3月27日
评语：
成绩
1设计原始资料
1.1设计题目
针对图1提供的分区所进行远动系统模块的设计，本课程主要针对远动系统模块中的遥信数据采集系统进行设计。
图1AT分区所主接线
1.2要完成的内容
设计内容：
1）计算机绘制被控站（RTU端：
分区亭）通用系统结构框图（A4）。
要求：
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（开关量输入数据，路数为16路），A4纸，手工绘制（或专用软件protel等），具体到芯片管脚的连线
3）选用适当的数据传输模式，以16路开关量为例，编写出相应的线性系统循环码
4）计算机绘制（A4纸）相应的遥信数据采集程序流程图，编写遥信数据采集程序。
2分析要设计的课题内容
2.1设计规程牵引供电远动系统设计的一般规定
（1）牵引供电远动系统设计中的系统构成、远动对象、功能要求，应根据牵引供电系统的特点、电气化铁路运营的要求和铁路通信系统可能提供的通道条件确定。
（2）牵引供电远动系统控制站的设计，应确定控制站的位置、控制站西设备配置方案、各种设备的功能、型式和要求，远动系统容量、远动昕昕记录格式和入机界面形式要求等。
（3）牵引供电远动系统被控制站的设计，应确定远动终端设备的位置、设备的类型、容量、功能、型式和要求。
其房屋要求应与牵引变电所主控室相一致。
（4）牵引供电远动系统通道的设计要求。
应包括通道的结构形成，主/备通道的配置方式、远动信息传输通道的接口形式和通道的性能要求等。
2.1.1远动控制对象
远动对象应包括遥控对象、遥信对象和遥测对象三部分。
遥控对象应包括下列内容：
（1）牵引变电所开闭所、分区所、自耦变压器所内27.5kV及以上电压等级的断路器、负荷开关及改变运行方式的电动隔离开关；
（2）接触网线路的负荷开关和电动隔离开关；
（3）有载调压变压器抽头位置的调节开关；
（4）二次回路中必要的起动和复归开关（按钮）；
（5）自动装置、成组控制装置的投切开关（按钮）。
遥信对象应包括下列内容：
（1）遥控对象的位置信号；
（2）所内事故总信号和预告总信号；
（3）牵引变压器的各类故障信号；
（4）动力变压器的各类故障信号；
（5）馈电线的各类故障信号；
（6）自动装置的运行位置和动作信号；
（7）电容补偿装置故障信号；
（8）自耦变压器的故障信号；
（9）液压、气压操动机构的工作状态信号；
（10）控制回路和电压互感器二次回路断线信号；
（11）交、直流系统故障信号；
（12）变电所进线电压有压（失压）信号；
（13）无人所的大门打开信号；
（14）控制方式；
遥测对象应包括下列内容：
（1）牵引变电所进线电压；
（2）27.5kV（2*27.5kV）的母线电压；
（3）分区所接触网末端电压；
（4）牵引变压器的电流、有功功率、有供电度、无功电度和温度；
（5）馈电线电流（含变电所、开闭所、分区所）；
（6）馈电线故障点参数；
（7）无人所的电容补偿装置电流；
（8）无人所的交、直电流系统必须监测的电量。
2.1.2远动系统功能
远动系统的功能包括基本功能和选配功能。
基本功能应包括下列内容：
（1）实现对3.2.2遥控对象的遥控。
遥控种类分单个对象的控制和多个对象组成的程序控制；
（2）实现对牵引供电系统供电设备运行状态的实时监视和故障报警；
（3）实现对牵引供电系统中主要运行参数的遥测；
（4）实现馈电线故障点参数的传送、计算和故障地点的标记；
（5）实现汉化的屏幕画面显示、模拟盘显示及运行个故障记录信息的打印；
（6）实现电度量统计等的日报月报指标打印；
（7）实现系统自检功能；
（8）以友好的人机界面实现系统维护功能；
（9）实现远动主/备通道的切换功能；
选配功能应包括下列内容：
（1）遥测量的图形显示功能；
（2）各种带条件的自动控制功能；
（3）实现与其他系统的接口和数据转发；
（4）实现供电设备运行状态的查询及运行参数的统计；
（5）模拟培训功能，实现对调度管理人员的操作培训；
（6）牵引供电系统运行故障的智能处理功能。
2.1.3远动系统构成
（1）远动系统应包括控制站、被控制站及通道三部分。
控制站应设在牵引供电调度所内。
被控制站应设在牵引变电所开闭所、分区所、自耦变压器是及“V停”控制站内。
（2）远动系统的结果方式应采用一对n的集中监控方式，即一个控制站监控n个被控制站的方式。
（3）对于较大的远动系统，远动信息的通路应分群，群路的划分应以保证系统的响应速度、设备的群内允许容量及通信线路分群走向的条件为原则。
（4）位于铁路局分界或铁路分局的被控制站应分别实现与两个铁路分局远动系统控制站的数据通信。
应设置两套远动终端或一套一机两调的远动终端。
（5）在供电段内可设置牵引供电远动系统复式设备，实现对其管辖内牵引过供电系统运行状态的监视。
2.1.4远动通道及其要求
（1）远动通道应采用铁路通信网中的专用数据通道。
远动通道的形式，可根据被控制站分布情况和系统技术要求，选择链型、环型或混合型通道。
（2）通道工作方式有半双工和双工方式。
应采用半双工的工作方式。
（3）远动数据传输速率应不低于1200baud。
（4）远动通道的接口方式，可选择数字音频信号接口和数字基带信号接口。
对于数字音频信号接口时，远动装置的发送电平不应大于0dBm，接收电平不应小于-40dBm，与高频载波装置接口电平应为-13dBm。
对调制解调器的误码率，在信噪比为17dB的情况下，不应大于
。
（5）使用电缆音频实回线通道时，要求在测量频率为800Hz下，交流对地不平衡衰耗、近端串音衰耗、远端串音防卫度及环阻值应符合铁路通信的有关标准规范的规定。
（6）在工程设计中，应根据远动数据通道的技术要求配置相应的通道接口方式，并向通信设计部门提出对远动数据通道的构成、数量和质量要求。
2.2牵引供电远动系统需求设计
2.2.1主站、子站的功能需求
安装在主站的装置称为前置机。
前置机是缓冲和处理输入或输出数据的处理机，它接收远动终端装置（RTU）送来的实时远动信息，经过译码后还原出被测量的实际大小值，和被监视对象的实际状态，显示在调度室的CRT上和调度模拟屏上，也可以按要求打印输出。
这些信息还要向主计算机传送。
另外调度员通过键盘或鼠标操作，可以向前置机输入遥控命令和遥调命令，前置机按规约组装出遥控信息字和遥调信息字向RTU传送。
安装在子站的装置称为远动终端装置（RTU）。
RTU对各种电量变送器送来的0~5V直流电压分时完成A/D转换，得到与被测量对应的二进制数值；并由脉冲采集电路对脉冲输入进行计数，得到与脉冲量对应的计数值；还把状态量的输入状态转换成逻辑电平“0”或“1”。
再将上述各种数字信息按规约编码成遥测信息字和遥信信息字，向前置机传送。
RTU还可以接收前置机送来的遥控信息字和遥调信息字，经译码后还原出遥控对象号和控制状态，遥调对象号和设定值，经返送校核正确后输出执行。
前置机和RTU在接收对方信息时，必须保证与对方同步工作，因此收发信息双方都有同步措施。
2.2.2远动信道和系统拓扑结构的选择
我国常用的远动信道有专用有线信道、复用电力线载波信道、微波信道、光纤信道、无线电信道等。
根据设计规范，本设计中远动信道选择采用铁路通信网中的专用数据信道。
信道工作方式有半双工和全双工方式，本设计采用半双工的工作方式。
远动系统拓扑结构采用多点共线配置如图2.1。
主站通过一条公共链路与多个子站相连的一种配置。
任何时刻只允许一个子站传输数据到主站；主战可选择一个或多个子站传输数据，也可向全部子站同时传输全局性报文。
图2.1多点共线配置
3设计内容
3.1RTU端系统结构框图
远动系统是指广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包括对必需的过程信息的采集、处理、传输和显示、执行等全部的设备与功能。
构成远动系统的设备包括厂站端远动装置，调度端远动装置和远动信道。
图3.1是远动系统中RTU端功能结构图。
图3.1子站系统结构图
3.2遥信量数据采集系统设计
遥信信息是二元状态量，即是说对于每一个要信对象而言它有两种状态，两种状态为“非”的关系。
因此一个要信对象正好可以对应与计算机中二进制码的一位，“0”状态和“1”状态。
电力系统中，遥信信息可以表示设备的启停、断路器的投切、隔离开关的开合、告警信号的有无、保护动作与否等。
遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反映出该设备的工作状态。
提供给远动装置的辅助接点大多为无源接点，即空接点，这种接点无论实在“开”状态还是“合”状态下，接点两端均无电位差。
断路器和隔离开关提供的就是这一类辅助接点。
另一类辅助接点则是有源接点，有源接点在“开”状态时两端有一个直流电压，是由系统蓄电池提供的110V或220V直流电压。
根据题目给的原始资料，可以确定本课题远动系统的遥信对象是断路器和隔离开关。
经过信号处理后，远动装置内的遥信信息为符号TTL电平的“0”、“1”状态信号。
每一遥信对象映射到计算机中正好是二进制代码的一位。
大量散乱的遥信对象必须通过遥信状态的输入电路的有效组织，才能便于计算机处理。
接收遥信量的输入电路可以采用三态门芯片、并行接口芯片和数字多路开关芯片三类接口芯片实现。
这里采用的是三态门芯片。
如图3.2所示。
图3.2用三态门芯片实现遥信量输入
3.3信道编译
信道是远动系统的重要组成部分，由于信道中存在各种干扰，使远动信息在信道中传输时，会因受到干扰而发生差错，从而降低远动信息的可靠性。
为了使要传送的信息有较好的抗干扰能力，在信息进入信道之前通过信道编码对它加以改造，得到码字。
使码字的内部结构具有一定的规律性和相关性，发现甚至纠正错误，达到恢复原来信息的目地，这就是信道编码的基本思想。
信道编码亦称抗干扰编码。
信道编码的一般方法是对信源编码得到的信息序列，按照某种规律，添加一定的效验码元，由信息序列和效验码元构成一个有抗干扰能力的码字。
添加效验码元的规律或规则不同，就形成不同的编码方法。
远动信息的信道编码方法大多采用奇偶效验和循环冗余效验CRC。
本设计系统中采用的是循环冗余效验CRC。
因为远动信息的传输采用循环传输模式，所以信息喜欢书的帧结构、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，也成为循环式规约。
3.3.1帧结构
按1991年11月部颁的循环式远动规约DL451-1991要求，远动信息的帧结构见图3.3.1。
每帧远动信息都是以同步字开头，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，因此帧的长度是不变的。
但同步字、控制字和信息字都由48为二进制数组成，字长不变。
同步字
控制字
信息字1
信息字2
……
信息字n
图3.3.1循环式远动规约的帧结构
同步字表明一帧的开始，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）。
控制字和信息子中到包含有8为效验码，构成（48，40）码组，生成多项式
，陪集码为FFH。
控制字有6个字节组成，他们是控制字节、帧类别、信息字数n、源地址、目的站址和效验码字节，见图3.3.2。
其中第2-5字节用来说明这一帧信息属于什么类别的帧、包含多少个信息字、发送信息的原站址号和接受信息的目的站址号。
控制字节
帧类别
信息字数
源站址
目的站址
效验码
ELSD0001
图3.3.2控制字和控制字节的组成
控制字的第一个字节即控制字节的8位，后4位固定取0001，前4位分别为扩展位E，帧长定义位L，源站址定义位S和目的站址定义位D，见图3.3.2。
前4位用来说明控制字中第2-5字节。
扩展位E=0时，控制字中帧类别字节的代码，取本规约已定义的帧类别。
E=1表示帧类别代码可以根据需要另行定义，以满足扩展功能的要求。
帧长定义位L=0，表示控制字中信息字数n字节的内容为0，即本帧没有信息字，信息字的个数等于控制字中信息字数n字节的值。
源站址定义位S和目的站址定义位D不能同时取0，若同时为0，则控制字中的源站址字节和目的站址字节没有意义。
在上行信息中，S=1且D=1时，表示控制字中源站址字节的值是信息始发站的站号，即子站站号，目的站址字节的值代表主站站号。
在下行信息中，S=1且D=1时，表示源站址字节的值代表主站站号，目的站址字节的值代表信息到达站的子站站号；若S=1且D=0表示目的站址字节内容为FFH，此时是主站发送广播命令，所有站同时接收并执行此命令。
3.3.2信息字结构
每个信息字由6个字节组成，见图3.3.3。
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字节是效验码字节。
功能码
信息数据
效验码
图3.3.3信息字结构
功能码字节的8位二进制数可以取256种不同的值，对不同的信息字其功能码的取值范围不同。
信息字可以分为上行信息字和下行信息字。
上行信息字包括遥测、总加遥测、电能脉冲计数值、事件顺序录、水位、频率、子站时钟返送和子站状态信息等。
下行信息字包括遥控命令、升降命令、设定命令、复归命令、广播命令、设置时钟命令和设置时钟校正值命令等。
不同的信息字除功能码取值范围不相同外，信息字中第2-5字节哥各位含义不一样。
遥信信息字的格式如图3.3.4所示。
它们的功能码取值范围是F0H-FFH，每个遥信信息字传送两个遥信字。
一个遥信字包含16个状态位，所以遥信的最大容量为512路。
当遥信信息字中的状态位bi=0时，表示断路器或隔离开关状态为断开、继电保护未动作；bi=1表示断路器或隔离开关状态为闭合、继电保护动作。
1字节
功能码F0H-FFH
2字节
b7……b0
3字节
b15……b8
4字节
b7……b0
5字节
b15……b8
6字节
效验码
图3.3.4遥信信息字格式
3.3.3帧的组织方式
在循环式远动规约中，远动信息按其重要性和实时性要求，分为五种不同的帧：
A、B、C、D帧（D1帧与D2帧）和E帧。
这些帧在循环时间上有不同要求，所以应正确安排各种帧的传送顺序，并控制一帧中信息字的数量。
上行信息的优先级排列顺序和传送时间要求如下：
子站收到主站的召唤子站时钟命令后，在上行信息中优先插入两个返送信息字，即子站时钟信息字和等待时间信息字，插入传送一遍；变位遥信和子站工作状态变化信息，以信息字为单位优先插入传送，连送三遍，并要求在1s内送到主站；遥控，升降命令的放松校核信息，以信息字为单位插入传送，连送三遍；重要遥测量安排在A帧传送，循环时间不大于3s；次要遥测量安排在B帧传送，循环时间一般不大于6s；一般遥测量安排在C帧传送，循环时间一般不大于20s；遥信状态信息，包含子站工作状态信息，安排在D1帧定时传送，定能脉冲计数值安排在D2帧定时传送；事件顺序记录安排在E帧，以帧插入方式传送三遍。
D1,D2帧传送的是慢变化量，以几分钟至几十分钟的周期循环传送。
E帧传送的事件顺序记录是随机量，同一个事件顺序记录应分别在三个E帧内重复传送三次。
下行命令的优先级排列如下：
召唤子站时钟、设置子站时钟校正值、设置子站时钟；遥控选择、执行、撤销命令；升降选择、执行、撤销命令；设定命令；广播命令；复归命令。
下行命令是按需要传送，非循环传送。
当下行通道中不发命令时，应连续发送同步码。
3.3.4循环码编码
（n,k）系统循环码的编码过程是：
首先把信息多项式m（x）乘以
，得到
；然后以生成多项式
去除
，如果商为
，余式为
，则
；最后用
模2加
，便得到所需的系统循环码码字
。
表3.3由
生成的（7、4）系统循环妈
信息序列
码多项式
码字
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4结论
通过这次课程设计，我们了解了电力系统运动（powersystemtelemechanics）为电力系统调度服务的远距离监测、控制技术，即管理和监控分布甚广的众多厂、所、站和设备、元器件的运行工况的一种技术手段。
为电力系统调度服务的远距离监测、控制技术。
而远动技术将各个厂、所、站的运行工况（包括开关状态、设备的运行参数等）转换成便于传输的信号形式，经过调制后，由专门的信息通道传送到调度所。
在调度所的中心站经过反调制，还原为原来对应于厂、所、站工况的一些信号再显示出来，供给调度人员监控之用。
调度人员的一些控制命令也可以通过类似过程传送到远方厂、所、站，驱动被控对象。
这一过程实际上涉及遥测、遥信、遥调、遥控，所以，远动技术是四遥的结合。
我们在课程设计过程中，通过了解遥信所反映的内容，对遥信的设计有了明确的目标。
而在遥信的传送上存在变位传送和循环传送两种，我们选择以变位传送为优。
为避免发生信号丢失，需将全部内容向主站端传送，使主站端安全监控系统内的数据库的内容和模拟盘的信号状态准确反映系统内运行设备的状态。
在平时定期传送全部信号。
在设计时，我们对遥信的主要技术要求是在遥信变位以后应在1秒钟内传送到主站,并要求防止遥信误动作,即遥信编码的信号距离应当大于或等于4,以防止外界干扰的作用。
在电工设备输入的接口部件处应加滤波和其他技术措施，防止接点抖动后引起误反映。
在遥信信息采集程序设计中我们采用4片74LS244三态门芯片作为接收16路遥信量的输入电路对遥信的不同参数进行相应的控制，同时采用定时扫描查询输入端的遥信量状态，即可完成对遥信状态量的采集。
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