智能变电站控制系统的硬件设计Word文档下载推荐.docx

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评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnolog

[摘要]为了适应电力系统的自动化改造和现代化电能管理的需要，本文设计了集测量、控制、保护、通讯于一体的智能变电站控制系统。

该系统采用了模块化结构，根据实现功能的不同，而将设备分成主控单片机模块、电量转换模块、电能计量模块、输入输出模块、通讯模块等。

在硬件设计中，采用了电能计量芯片+单片机的方案。

其中电能计量芯片选用了精度高、测量数据齐全的ATT7022，使得设备能够准确、迅速地完成各种数据测量工作；

单片机选用了AT89C51，它速度快并有大容量非易失性存储器，可对各模块进行有效的控制。

整个硬件设计中采用的器件集成度都很高、功能强大，因此省去了很多外围器件，简化了电路，提高了抗干扰能力，提高了设备的性价比。

[关键词]电力系统；

模块；

单片机；

ATT7022

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyLIUWen－juan

Abstract：

Inordertoadapttotheautomationofelectricpowersystemandmodernzationpowermanagementneeds,thispaperdesignssetameasurement,control,protection,communicationinoneoftheintelligentprotectionandcontrolsystem.Theequipmentusesmodularstructure,accordingtoachievetherealizedifferentfunctions,andthedeviceisdividedintoamastercontrolmodule,electricenergymeasurementmodule,inputandoutputmodule,communicationmodule,etc.

Inthehardwaredesign,usingtheelectricitymeasurementchip+MCUscheme.Theelectricenergymeasurementchipwithhighprecision,measurementdataofthecompleteATT7022,makingequipmentcanaccuratelyandquicklyfinishallkindsofdatameasurement;

SinglechipmadeinAT89C51,itsspeedandlargecapacitynon-volatilememory,canbeconductedonthemodulesofeffectivecontrol.Thehardwaredesignofthedeviceintegrationdegreeishigh,powerfulfunction,thussavealotofperipheraldevices,simplifiesthecircuit,improvestheanti-jammingability,improveequipmentperformancetopriceratio.

keyword:

Powersystem；

module；

MCU；

ATT7022

1引言

随着我国国民经济的快速发展和人民物质文化生活的不断提高，电力用户对电能的需求越来越大，对供电质量的要求也越来越高。

过去的几年里，全国的电力投资达到了一个新的高峰，遍及全国各地的各种电压等级的变电站，如何保证供电质量，保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性，是电力部门非常关注的问题。

近年来，电子和微电子技术的飞速发展，电子计算机和微型计算机技术硬件和软件技术成果日新月异，为电力系统通讯技术的发展提供了有力的技术支持，智能变电站系统逐渐发展起来，一种满足国家电力标准，安全、准确、可靠的智能变电站控制系统对于推动电力系统自动化发展有着重大的意义。

1.1课题的背景及意义

近年来，随着我国国民经济的增长，电力需求的增长使得电力系统也获得前所未有的发展。

目前，我国城乡电网中，新建的220KV以下电压等级的变电站基本都采用了自动化技术实现无人值守的运行方式，老的电厂及变电站也正在逐步进行改造，采用自动化新技术替换有人值守方式，电力系统的不断发展和完善使得智能变电站控制系统成为趋势。

由于现有电力自动化设备水平的限制，在当前的电力自动化系统中，分布分散式结构中过程层的功能基本都是在间隔层设备中实现的，而且大多数用于变电站的监视、控制、保护，包括故障录波、紧急控制装置，虽然己实现了微机数字化，但很多都是功能单一的独立装置，各个装置缺乏整体协调和功能的调优，从整体上降低了可靠性，这样就不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度，在经济上也是一种浪费。

为了适应电力系统的自动化改造和现代化电能管理的需要，电力系统需要有与之配套的集测量、控制、保护、通讯于一体的智能保护测控设备。

同时，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型的大规模集成电路也不断涌现出来，如DSP（DigitalSignalProcessor，数字信号处理芯片）、高速数据采集系统、实时操作系统、大容量程序存储器flash等。

新器件的应用将使测控装置的电路板更加小型集成化，如保护、控制、测量、故障及事件记录等功能将被模块化设计在一个统一的数字装置内。

高集成化可以使设备通信、数据存储及处理能力更强，降低成本，减少故障率，有利于实现统一的运行管理。

因此采用先进集成芯片研制开发一种集测量、控制、通讯于一体的智能变电站控制系统，不仅能满足当前电力自动化系统发展的需求，集中实现各项功能，还能较大地简化电路，在提高设备的整体抗干扰能力的同时也提高设备的性价比。

这种满足国家电力标准、准确可靠的控制设备对于推动电力系统自动化发展有着重大的意义。

1.2智能变电站控制技术的现状及发展趋势

国内有关单位从80年代末开始研究智能变电站技术。

90年代初，我国电力企业开始实行中、低压变电站无人或少人值守、减员增效的措施，这对变电站的远方监视、控制功能提出了更高的要求，为了实现这一目标，利用计算机技术和网络通信技术实现变电站自动化成为必要，极大地促进了变电站自动化技术在中国的发展和推广。

我国开展变电站自动化的研究与开发工作，主要包括如下两方面内容：

1.对220Kv及以下中、低压变电站，采用自动化系统，利用现代计算机和通信技术，对变电站的二次设备进行全面的技术改造，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，实现综合自动化，以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班或减人增效。

2.对220Kv以上的变电站，主要是采用计算机监控系统以提高运行管理水平，同时采用新的保护技术和控制方式，促进各专业在技术上的协调，达到提高自动化水平和运行、管理水平的目的。

在北美，电力系统中采用的还是传统的集中RTU（RemoteTerminalUnit，远程终端控制系统）来实现对电力系统的监控。

在欧洲，新建的变电站和经过改造后的老变电站采用的是分布分散式结构。

国内变电站自动化系统因为开发得比较晚，采用的大多是分布分散式结构。

比较而言，分布分散式结构在技术上具有明显的优势，在电力自动化系统中应用比较广泛。

智能电网采用数字技术收集、交流、处理数据，提高电网系统的效率和可靠性，智能电网将帮助客户减少电费支出。

智能电网联盟发布的《智能电网工作报告》中指出：

智能电网技术将在未来几年内为美国直接创造出28万个新的就业机会。

变电站是电网中线路的连接点，起到变换电压、变换功率和分配电能的作用。

变电站的安全与经济运行是电力系统安全经济运行不可分割的重要组成部分，为了保证变电站安全、可靠、经济地运行，需要对变电站的运行进行有效的监控。

智能变电站的监视控制系统是变电站综合自动化的重要组成部分，完成对变电站内数据采集与控制，是能量管理系统（EMS）和配电管理系统（DMS）应用软件的实时数据来源和操作控制的执行机构，是电网调度自动化的基础。

在变电站的监视控制系统中，数据采集系统是中心环节，也是最基础的部分，其采集量的实时性、精度与准度对配电自动化起着决定性的作用。

智能变电站控制系统是一项多专业性的综合技术，是电网运行管理中的一次变革，它是将变电站的二次设备利用计算机技术、现代通信技术，经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。

电子和微电子技术的飞速发展，电子计算机和微型计算机技术硬件和软件技术成果日新月异，为电力系统通讯技术的发展提供了有力的技术支持。

为了保障电力系统的安全经济高效的运行，智能变电站控制系统的不断研究和改进是势在必行的。

1.3智能变电站建设的必要性

1）电力市场改革的需要：

变电站作为输配电系统的重要组成部分，市场化改革对其也提出了新的要求：

从变电站外部看更加强调智能变电站系统的整体信息化程度和与电力系统整体得协调操作能力；

从变电站内部看，体现在集成应用的能力上，也不同于传统变电站自动装置的只能。

2）现有变电站系统存在的不足：

装置功能独立，且部分内容重复，缺乏高级应用。

虽然独立的装置实现了智能，但却没有真正意义上的变电站系统智能，由于功能独立，装置间缺乏整体协调、集成应用和功能优化；

二次接线复杂、CT/VT负载过重，由于测量的数据和控制机构不能共享，自动装置之间缺乏通信等原因，变电站二次接线十分复杂且系统内使用的通讯规约不统一，不同的厂家使用不同的通讯规约在系统联调的时候需要进行不同程度的规约转换，加大了调试的复杂性，也增加了运行、维护的难度，给设计、调试和维护带来了一定的困难，降低了系统的可靠性。

同时存在大量硬接线，造成了CT/VT负载过重；

装置的智能化优势未得充分利用。

由于站内各套独立的自动化装置间缺乏集成应用使得智能装置的作用并未完全发挥，从而降低了自动装置的使用效率和投资价值；

缺乏统一的信息模型，相互独立的自动化装置间缺乏相互操作性，一方面局限了其在站内的应用，另一方面也给集控中心对集成和维护带来困难。

3）节省投资：

减少二次接线，减少占地面积，从而减少建设投资，在新型结构下的变电站自动化系统中现场和控制室成堆的控制电缆信号电缆将几乎全部被少量光纤和少量通信电缆所代替，通过延长自动化系统的生命周期，提高自动化系统的经济价值，减少了钢材量降低了有色金属的消耗，有利于社会的可持续发展，数据信号源唯一，数据分布应用且数据准确，结结构简洁，升级扩展容易，重复投资少。

2总体设计

2.1智能变电站控制系统的功能

智能变电站控制系统应以采集数据、执行命令和数据通信为主，实现信息的产生、采集及控制，利用微机原理及接口技术，基于AT89C51单片机的电力系统智能测控装置进行本次课程设计，实现先进、可靠、集成、低碳、环保的智能控制系统，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。

该智能装置集电力系统的测量、控制、保护、通讯功能于一体，集成度高，功能强大，经济可靠，具有很好的实用价值。

智能变电站的优越性：

提高一次设备的优越性，智能变电站采用ECT和EVT，与传统电磁式互感器相比具有无磁饱和、抗电磁干扰能力强、频带响应宽、体积小、重量轻、综合成本低等优点。

ECT和EVT的应用提高了采集精度和可靠性，可实现就地信号采集、就地数字信号输出，并采用光缆实现信号的传输，从而在节约了二次电缆的同时提高了传输信号的抗干扰能力，并减少了二次系统防雷的投资和遭受雷击可能带来的损失；

提高变电站信息共享和自动化水平，智能变电站将互感器和一次设备纳入变电站通信网络，且二次设备网络化，大大提高了信息共享水平和自动化水平；

提高变电站运行的可靠性，智能变电站基本取消了复杂的二次回路接线，代之以光纤和网线通信，完全不受负载影响，消除了测量数据传输过程中的系统误差，智能的电压电流信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提升了保护系统、测量系统和计量系统，大大提高了系统的可靠性；

简化了二次设备装置的结构和二次系统的实验，智能变电站二次设备取消了采样保持、多路转换开关、A/D转换等环节，提高了装置的可靠性，一次和二次无直接电联系，不存在PT短路，TA开路问题提高了现场试验接线安全性，数字信号代替了传统模拟量输入信号，无需进行模拟量输入准确度校验，无需校验互感器的极性，无需进行二次回路接地检验，无需进行绝缘电阻测试、回路压降测试，回路接地的检查。

2.2整体设计思想

本题目所要设计的智能变电站控制系统主要适用于测量从PT/CT来的电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能等电量参数。

它可以用于发电厂、变电所，对现场的各种电量参数情况进行检测及记录。

系统结构框图如图1所示。

图1系统结构原理框图

电力自动化系统对测控装置的实时性和精确度要求很高所以测控装置一般采用“MCU+DSP”或“DSP+DSP”的双CPU结构。

考虑到测控装置在实际工作中的运算量不是特别的大，而且需要用到高集成的单片机外围接口资源，本系统采用高性能单片机AT89C51（MCU）+电能计量芯片ATT7022（DSP）相结合的方案。

电能计量芯片主要完成电力系统的电压、电流、功率、频率、电能等参数的精确测量。

现场的三相电压电流信号，由两级电压电流互感器进行降幅，再经电量处理模块的处理以满足A/D环节所允许的输入范围。

由于系统的测量精度与保护精度的要求不同，测量精度需要达到0.2%，而保护精度只要求3%。

电能计量芯片采用珠海炬力公司的ATT7022，该电能计量芯片内部集成的六路16位的A/D转器和24位DSP，A/D转化精度高，数据处理能力强。

单片机AT89C51能够实时读取电能计量芯片ATT7022测量的结果以及开关量输入模块的状态信息，由RS—485总线通信模块发送给控制中心或其它智能设备，并将精确测量的各温度参数由液晶显示模块显示出来。

能够将转换后的数据进行处理，与设定的参考值比较计算和分析，如发现被保护的设备温度过高、发生故障或出现异常情况，能及时发出报警信号，进而采取保护措施，通过开关量输出模块输出，完成对相应设备的保护动作。

系统结构原理图如图2所示。

图2系统结构原理图

3硬件电路设计

3.1设备的基本功能

本课题设计的智能变电站控制系统是集测量、控制、通讯、保护功能于一体的智能控制系统。

设备的测量功能是对当前电力节点进行细致的实时测量，当控制中心或其它智能终端发出请求需要当前电力节点的电量数据时，设备可随时为其提供精细的电量数据。

通讯功能则起到智能保护测控设备与整个电力自动化系统相连的桥梁作用。

设备根据电力自动化系统的需要，通过符合国际电力自动化标准的网络进行通讯，通讯功能主要将电量测量数据、保护信息等传送给控制中心或其它智能终端，或从控制中心或其它智能终端接收到相关信息。

控制功能则是在以上各项功能的基础上实现的“四遥”控制功能，即“遥测、遥信、遥控、遥调”。

其中“遥测”是指利用电子技术远方测量集中显示诸如电压、电流、功率、压力、温度等模拟量的系统技术，“遥信”是指远方监视电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等，“遥控”是指远方控制或保护电气设备及电气机械设备的分、合、起、停等工作状态，“遥调”是指远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等。

设备的保护功能即完成对被保护设备的继电保护；

当被保护设备发生故障（如发生短路等）和出现不正常现象时（如过负荷、过电压、低电压等），迅速有选择性发出跳闸命令将故障切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统稳定运行。

在实现电力自动化的计算机网络化的条件下，智能保护测控设备实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力监控系统的一个智能终端。

它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护网点的信息和数据传送到控制中心或任一终端。

3.2电源电路设计

变电站是电力配送的重要环节，也是电网建设的关键环节。

变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，三相电压电流通过电压互感器，电流互感器转换后，接入三相专用电能计量芯片ATT7022实时采集变压器的参数，通过SPI接口将采集的各种参数送入单片机AT89C51。

同时,单片机通过串口建立通信，将数据上传到中心站，可以根据采集的数据进行开关量的采集。

本课题是将35KV的三相交流电源经过两次降压变压器降压后送到电量处理模块进行电量处理。

三相电源的降压电路如图3所示。

图3电源电路设计

3.3单片机的选择

AT89C5l单片机是美国ATMEL公司推出的一种高速高性能完全集成混合信号系统级单片机，系统体积小、重量轻、价格便宜，集CPU与各种接口电路于一体，使处理速度得以提高，同时由于集成抗干扰能力也得到增强，能满足采集系统的实时性，和准确性，所以本系统采用AT89C5l单片机。

AT89C5l内部有4KB的FPEROM，128字节的RAM，所以，一般都要根据系统所需存储容量的大小来扩展ROM和RAM。

本电路／EA接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。

AT89C51单片机的体系结构和硬件描述：

由于本系统数据采集、存贮、处理及通讯都是由AT89C51单片机来完成的，这里，首先来了解AT89C51的原理。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

CMOS芯片耗电少，除正常工作外还可工作于2种节电方式:

低功耗的闲置模式和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。

AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其嵌入了时钟发生器，I/O口，PWM，串行口，定时/计数器，监视定时器，高速输入/输出器，还有按键等外设。

AT89C51单片机基本结构示意图模块如图4所示。

图4AT89C51单片机基本结构示意图

各引脚管脚说明如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（TTL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，具有第二功能,其各端口的功能为：

P3.0RXD（串行输入口）；

P3.1TXD（串行输出口）；

P3.2/INT0（外部中断0）；

P3.3/INT1（外部中断1）；

P3.4T0（记时器0外部输入）；

P3.5T1（记时器1外部输入）；

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；

P3.7/RD（外部数据存储器读选通），P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入接口。

当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在高电平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时的目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出，可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为