数字化变电站系统内智能采集装置研究本科毕业论文文档格式.docx
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2.2数字化变电站系统架构的分析·
2.2.1过程层设备研究·
2.2.2间隔层设备研究·
5
2.2.3站控层系统研究·
2.3数字化变电站系统架构的可行性论证·
3IEC61850标准介绍
3.1IEC61850产生的背景·
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3.2IEC61850的组成·
3.3IEC61850的特点·
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3.3.1分层·
3.3.2采用与网络独立的抽象通信服务接口（ACSI）·
3.3.3面向对象、面向应用开放的自我描述·
3.4.4电力系统的配置管理·
3.3.5数据对象统一建模·
4智能采集装置硬件设计
4.1差动保护的基本原理·
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4.2硬件原理结构图·
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4.3硬件原理图·
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4.4数据采集模块·
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4.4.1信号调理模块·
4.4.2A/D转换模块·
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4.5片外存储器扩展·
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4.6通信模块·
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4.6.1RS232通信设计·
4.6.2以太网接口设计·
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4.7电源模块·
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4.8PCB板图·
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4.8.1元器件布局基本规则·
4.8.2PCB板布线规则·
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5系统软件设计
5.1串行通信软件设计·
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5.2TMS320F2812主程序设计·
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5.3A/D转换中断服务子程序·
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6结论·
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谢辞·
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参考文献·
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附录·
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摘要
随着数字化变电站的发展以及IEC61850协议的不断推广,数字化变电站的建设已由理论研究阶段走向工程实践阶段。
本文首先阐述了数字化变电站的发展现状、系统架构、功能模块及各模块的功能，分析数字化变电站的系统构架，论证了其可行性；
接着介绍了一种基于TMS320F2812芯片的数字化变电站系统内的智能采集装置。
该装置主要应用于变电站中差动保护的模拟量采集，硬件电路设计中主要包括数据采集模块、片外存储器扩展模块、通信模块和电源模块。
数据采集模块中通过对模拟量信号的采集调理，最终将模拟量装换成数字量；
片外存储器用来保存大量的采集数据；
网络通信模块主要实现RS—232通信和以太网通信两部分功能，采用RS—232串口总线可以实现点对点的本地数据传输，利用以太网口可以通过以太网实现远程点对点检测。
通过软硬件结合,以实现对变电站的各种模拟量进行高速实时的数据采集,以及信息的总线传输等功能,最终大大提高了变电站综合自动化系统的整体性能。
关键词：
数字化变电站；
数据采集；
TMS320F2812
DesignoftheDigitalSubtationSystemwithIntelligenceAcquisitionDevice
ABSTRACT
WiththedevelopmentofnewtechnologiesofdigitalsubstationandthegeneralizationofIEC61850protocol,buildingdigitalsubstationistendingtowardsprojectpracticeusage.Thisarticlefirstdescribedthedevelopment,systemarchitecture,functionmodulesandthemodule'
sfunctionsofdigitalsubstation.Thenthesystemarchitectureofthedigitalsubstationisanalizedanditsviabilityisproved.AtlastasmartacquisitiondevicebasedonTMS320F2812usedindigitalsubstationisintroduced.Thisdevicemainlyusedintheanalogacquisitionofsubstationdifferentialprotection.Hardwarecircuitdesignedmainlyincludesdataacquisitionmodules,off-chipmemoryexpansionmodule,communicationsmodulesandpowermodules.DataAcquisitionmodulecolectstheanalogsignalandtransformthemintodigitalsignalandoff-chipmemoryusedtosavealotofdatacollection.NetworkcommunicationsmodulemainlyrealizesRS-232andEthernetcommunicationandRS-232serialportbuscanachievethelocalpoint-to-pointdatatransmission.Ethernetcanachievelong-rangepoint-to-pointEthernettesting.Throughthecombinationofhardwareandsoftware,thesubstationcanmakethereal-timehigh-speeddataacquisitionofvariousanalogsignalandtransmissionofinformation.Finally,overallperformanceofthesubstationautomationsystemisimproved.
KeyWords:
digitalsubstation;
dataacquisition;
TMF320F2812
1前言
1.1数字化变电站的研究现状[1]
90年代中期IEC预期未来数字化变电站的发展,由TC-57技术委员会（Powersystemcontrolandassociatedcommunication）拟定面向未来变电站自动化的变电站内通信网络和系统的标准,即IEC61850系列标准。
该标准面向未来,覆盖了变电站的所有接口。
目前IEC61850系列标准已经拟定出来,并由AAB、ALSTOM、FGH、SIEMENS和VEW等公司进行变电站开放通信示范工程。
2004年,我国也正式确定了将IEC61850转化为我国国家标准,而且国家电网公司制定了未来5年内研究和推广数字化变电站技术的实施方案,先后有20多个网、省电力公司申报了数字化变电站示范工程项目。
这表明数字化变电站的实施已推进到了一个新的实用的层面,对数字化变电站技术的理论研究也更为急迫。
数字化变电站的研究内容主要包括:
体系结构研究（需求、框架）、一次设备的应用研究（ECT、EVT、智能化高压电器、一次设备在线检测）、自动化系统研究（继电保护数字化技术、测控装置数字化技术、故障录波数字化技术、数字化变电站对安稳装置的支撑、动态检测数字化技术、电能质量检测数字化技术、变电站仿真、数字化遥视系统等）以及其他内容研究（计量数字化技术、数字化变电站可靠性、相关技术标准、实验验证环境）。
其中,IEC61850标准及其在变电站自动化领域的应用以及过程层智能设备、电子式互感器和智能断路器是数字化变电站的关键技术。
1.2数据采集系统研究现状
数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利、医疗、物流等各行各业，形式多样，种类繁多。
数据采集系统的应用与发展对我国的现代化建设有着非常重要的现实意义。
在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。
现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等总线板卡，常见的产品有西门子、研华工控、联想工控等国内外一些产品，该实现方法通常适用于规模较复杂的采样控制场合。
对于一般的场合通常用功能比较单一的仪器设备，即时采集显示，再通过经验去分析。
采用板卡方式的数据采集系统不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且容易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制等。
这些采集系统，一般结构比较复杂，成本较高。
在其它一些领域，如办公自动化方面，随着当前计算机和网络技术的发展，国内信息化水平的迅速提高，电子政务、电子商务的逐步推广，通过信息技术对原有业务的改造，政府、企业大多数都实现了“无纸化”办公流转。
但多数的信息应用中，并不完全涵盖工作全部环节，许多文档还是以纸质文档的形式存在，例如考试中的机读卡、人口普查表、彩票投注单、选票、定货单等。
将这些信息录入计算机是一件非常繁琐的事情。
如果通过键盘手工输入，不但费时费力且容易出错。
在实时性要求较高的场合如选举中的统计选票自动、快速、准确地处理文档显得尤为重要。
因此，对这些文档进行计算机自动录入具有重要的实现意义。
目前在国内外有多种信息录入设备，如高速图象扫描设备，机读一卡设备等。
这些产品的发展较为成熟，产品形式多样，能快速准确的完成对信息数据的录入。
但这些产品也有各自的缺点，如产品结构复杂，价格高昂等。
随着我国电力事业的快速发展，电力系统对发、输、配、用电量的采集也有了更高的要求。
电量采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节，毫无疑问具有重要的作用。
但在电量采集过程中，由于存在谐波等干扰因素，因此如何准确、快速地采集电力系统中的各个模拟量一直是电力系统研究中的热点。
根据采样信号的不同，采样可分为直流采样和交流采样两大类。
直流采样算法简单、便于滤波，但维护复杂、延时较长、无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用越来越受到限制。
交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护，其缺点是算法复杂、对A/D转换速度和CPU,处理速度的要求较高。
我国自20世纪80年代引进数字信号处理器以来，数字信号处理器己在各个领域得到了广泛的应用，DSP理论和技术已成为领域的核心技术。
由于DSP芯片既具有高速数字信号的处理功能，又具有实时性、低功耗、高集成度等特点，因此在通信、工业控制、航空航天、医疗、国防等应用领域得到了很好的应用。
目前在市场上有TI、AD、MOTOROLA、AT&
T等公司的DSP芯片，其中，TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器。
现在的高速数据采集处理一般采用高性能数字信号处理器和高速总线技术的框架结构。
1.3本课题研究的主要内容
本文课题研究的内容来源于山大世纪科技有限公司研发项目——35kV变电站内的母线保护装置。
差动保护是其中的一种主要方法，而数据采集是其基本功能。
本课题就是利用差动保护原理，结合TI公司新推出的2000系列DSP（TMS320F2812为例）设计一种智能采集装置，实现数据采集中模拟量的采集。
本次设计主要内容包括：
确定数字化变电站的系统架构图、功能模块，明确系统工作流程及各模块的功能并分析数字化变电站的系统架构，论证其可行性，完成智能采集装置的软硬件设计。
运用硬件电路设计和软件实现的功能,以实现对变电站的各种模拟量进行高速实时的数据采集,最终大大提高了变电站综合自动化系统的整体性能。
2数字化变电站技术的系统架构
变电站自动化技术的发展直接表现为变电站自动化系统结构的变迁，即经历了集中式和分层分布式2个阶段。
新一代变电站的结构在增强了变电站自动化系统功能的同时，提高了系统的实时性、可靠性、可扩展性和灵活性，达到了节省系统投资以及简化维护等目的。
数字化变电站的系统结构继承了分层分布式变电站结构的优点，同时，由于高速以太网、非常规传感器和智能开关技术的应用以及IEC61850标准的实施，使得数字化变电站的系统结构又有了不同于常规变电站的革新性变化。
2.1数字化变电站系统的基本构成
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；
在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC6185A通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
各层次内部及层次之间采用高速网络通信。
数字化变电站的三层结构如图2.1所示。
图2.1数字化变电站的三层结构形式
2.2数字化变电站系统架构分析
2.2.1过程层设备研究
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。
过程层的主要功能分三类：
（1）电力运行实时的电气量检测；
（2）运行设备的状态参数检测；
（3）操作控制执行与驱动。
数字化变电站内一次设备（断路器、变压器等）智能化和数字化的特点主要要求一次设备除了具备传统功能外,还应兼有在线状态监测、智能控制和数字接口等功能,即能够实现设备运行的实时状态评估,并通过IEC61850标准实现与其他设备的数字式信息交互,以满足设备互操作性要求。
智能终端技术的采用,为现阶段实现一次设备的智能化和数字化提供了现实可行的途径。
2.2.2间隔层设备研究
间隔层设备的主要功能是：
（1）汇总本间隔过程层实时数据信息；
（2）实施对一次设备保护控制功能；
（3）实施本间隔操作闭锁功能；
（4）实施操作同期及其他控制功能；
（5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；
（6）承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。
必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可行性。
2.2.3站控层系统研究
站控层的主要任务是：
（1）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；
（2）按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；
（3）接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；
（4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；
（5）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能；
（6）具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；
（7）具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。
IEC61850标准提出至今,已成为变电站自动化系统领域权威的标准体系。
为促进IEC61850标准的实施和推广,截止2006年底,我国国调中心先后组织了6次站控系统及设备的IEC61850互操作试验,极大地促进了国内产品的发展和成型。
在这些工作的推动下,我国已成功研制了基于IEC61850的数字化变电站自动化控制系统,并在北京500kV顺义、江苏苏州220kV虎丘等变电站投入运行,积累了丰富的现场运行经验[2]。
2.3数字化变电站系统架构的可行性论证
2.3.1数字化变电站是科技进步的必然发展趋势
继电保护和安全自动装置的实现原理由最初的电磁型、晶体管型、集成电路型逐渐发展到现在的微机型,体现了一个从能量型逐步向低功耗非能量型的发展过程,而数字化变电站相关技术的应用与推广,进一步证实和延续了这一发展规律。
随着科技发展,电子式互感器、智能化一次设备、在线监测技术、计算机网络及通信技术日趋成熟,数字化变电站的研究和应用将逐步进入工程实用化阶段,数字化变电站技术的不断推进和发展是科技进步的必然趋势。
2.3.2电子式互感器技术的发展为数字化变电站的实施提供了基础
传统变电站中以电磁式互感器和电缆作为信息主要传递的通道,存在诸多缺陷和技术瓶颈,可以说在二次设备的技术层面上,目前传统的电磁型互感器技术以及二次回路的电缆传输模式已经落后于当前二次设备技术的发展。
而电子式互感器可以从本质上解决这些方面的问题,进一步提高二次系统的可靠性。
国内电子式互感器实现原理和制造工艺的不断改进,使得国产设备已具备较高的性能,而且相关产品已有3年多的挂网运行经验,在云南翠峰、南京六合、内蒙古杜尔伯特、兰州永登等变电站运行情况良好。
电子式互感器技术的日趋成熟为数字化变电站的实施提供了基础保证。
2.3.3智能终端技术促进了一次设备智能化的实现
目前,虽然完全智能化的一次设备型号相对较少,但近年来,状态监测技术及具备百兆以太网接口的智能终端的研制和应用,使得采用“常规一次设备+智能终端”来实现一次设备智能化的方案得以成型和发展。
智能终端就地实现电气设备的状态监测,并通过基于IEC61850标准的通信接口实现与过程层的通信功能功能。
目前,国内已有一系列的智能终端设备,并有一定的运行经验,智能终端设备可以作为现阶段完全智能化的一次设备选型相对困难时,实现一次设备智能化和数字化现实有效的方法。
2.3.4数字化变电站设备间互操作性要求的满足
基于IEC61850的变电站自动化系统和二次系统网络通信协议满足了数字化变电站互操作性的要求。
在国网公司互操作试验的推动下,基于IEC61850数字化变电站系统和设备的研究已取得了较大进展,基于IEC61850的变电站自动化系统已在诸多变电站投运,而且,国内投运的较具代表性的云南110kV翠峰变电站和内蒙古220kV杜尔伯特变电站在站内通信均按IEC61850标准实现,将IEC61850规约应用于数字化变电站的各个环节都现实可行。
2.3.5数字式保护、监控、计量和录波等装置的支持
具备光纤以太网接口和IEC61850通信协议标准的数字式保护、监控、计量和录波等二次设备,促进了数字化变电站过程层设备的成型。
例如,内蒙古220kV杜尔伯特数字化变电站中已有该类新型数字式线路保护、变压器保护、母线保护、测控装置、远动装置等二次设备投运,运行稳定。
现有二次设备技术能够满足数字化变电站建设的需要和发展。
3IEC61850标准介绍
IEC61850是目前为止最为完善的变电站自动化的通信标准,它按照自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护等功能,提供了完整的信息模型及相关服务,为不同厂商实现互操作和系统无缝集成提供了途径,为数字化变电站的建立提供了基础。
因此数字化变电站的通信系统应基于IEC61850建立。
3.1IEC61850产生的背景[3]
在全球经济一体化的
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