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遥调量输出单元设计

课程设计报告

电力系统自动化课程设计

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2014年12月

指导教师评语及成绩评定表

指导教师评语

成绩

设计过程

（40）

设计报告

（50）

小组答辩

（10）

总成绩

（100）

指导教师签字：

年月日

1RTU概述-1-

1.1RTU基本功能-2-

1.2RTU的任务-3-

1.3RTU的结构-4-

1.4RTU的作用-4-

2遥调单元输出设计-5-

2.1遥调单元输出设计方案比较-5-

2.2模拟量输出通道-6-

2.3数字式遥调单元的基本构成-7-

3遥调输出单元设计原理-7-

3.1输出接口电路设计-7-

3.2D/A转换电路-8-

4电力系统信息收集处理与控制调节-9-

参考文献-11-

摘要

电网调度自动化的最初阶段，采用的是布线逻辑式远动技术。

远动技术的主要内容是“四遥”，即遥测、遥信、遥控和遥调。

遥测、遥信方式的采用等于给调度中心安装了“千里眼”，可以有效地对电力系统得运行状态进行实时的监视。

遥控、遥调的手段可以在调度中心通过对遥测、遥信对变压器、变电站、发电机组、母线、输电线路等电力设备采集到的信息进行事故综合分析、潮流计算等直接对某些断路器进行合闸和断开，对发电机的出力进行调节。

远动装置已经成了调度中心非常重要的工具，是电力系统调度自动化的重要基础。

本文主要介绍了远动终端（RTU）的一些基本信息以及对遥调输出单元、D/A转换电路进行设计并分析说明，阐述其在整个电网调度自动化中的重要作用。

关键词：

电网调度自动化远动终端遥调

1RTU概述

远动终端（RemoteTerminalUnit,RTU）是电网监视和控制系统的一种远动装置，是电网调度自动化系统的重要基础设备。

安装于各变电站或发电厂内，是电网调度自动化系统在基层的“耳目”和“手脚”。

其主要任务是将厂站的实时运行信息送给调度控制中心，把调度的控制、调节等命令送给厂站执行。

远动技术是一门综合性的应用技术，其基本原理包括数据传输原理、编码理论、信号转换技术原理和计算机原理等。

远动技术是调度管理和现代科学技术的产物，因此其随着科学技术，特别是计算机技术的迅猛发展而不断更新换代。

所谓远动，就是应用远程通信技术，对远方的运行设备进行监视和控制，以实现远程测量、远程信号、远程控制、远程调节等各项功能。

远动是电网调度自动化系统的重要组成部分。

远动系统的主要任务是将厂站的实时运行信息送给调度控制中心；把调度的控制、调节等命令送给厂站执行。

遥信、遥测、遥控和遥调是运动的基本功能，这是对完整地实现某一远程监控任务而言的。

如果按执行任务所经历的环节考察，例如实现遥测，要经过数据采集、数据传输、数据处理以及人机联系等环节，因而远动系统应具有数据采集功能、数据传输功能以及人机联系功能等。

远动系统的数据采集、数据处理等功能可以用不同的方法来实现，例如用布线逻辑方法，这是将数字逻辑电路按预定的要求，用固定的布线连接起来，各部分电路在时序的配合下按顺序协同工作，实现预定的功能。

布线逻辑法在装置制成后由于电路布线已固定，再要增加或改变功能就比较困难，适应性较差。

另一种方法是采用存储程序方式来实现。

这种装置的硬件在存储程序的指挥下完成预定的功能，计算机采用的就是这种方式。

不同的程序可以实现不同的功能，改变程序比较方便，工作灵活，适应性强。

如今微型计算机日益普及，且它具有很强的数据处理能力，价格便宜，可靠性高。

用微型计算机构成的远动装置，其硬件和软件可以按模块方式适当组合，实现各种功能，因此在远动系统中已获得广泛应用。

要实现电网调度自动化，首先要采集实时数据，进行监视和控制，所以电网调度自动化的基本组成部分是数据采集和监控系统，即SCADA系统。

在此基础上配以自动发电控制、经济调度控制以及其他如安全监视、安全分析等功能构成能量管理系统。

由于远动系统是为调度控制中心提供实时数据。

实现对远方运行设备的监视和控制，因为它是电力系统调度自动化的基础，是调度自动化系统的一个重要部分。

1.1RTU基本功能

电力系统远动的主要任务是：

①将表征电力系统运行状态的各发电厂和变电所的有关实时信息采集到调度控制中心；②把调度控制中心的命令发往发电厂和变电站，对设备进行控制和调节。

遥测、遥信、遥控和遥调是RTU的基本功能，简称为四遥。

作为具体的远动装置，并非都具有四遥功能，有的只有遥测和遥信，有的则兼有遥控和遥调，视需要而定。

从发电厂和变电所发往调度中心的信息有测量量和状态量等，例如有功功率、无功功率、电压、电流、频率和水库的水位等是测量量，断路器或隔离开关的位置是闭合还是断开状态，继电保护的继电器是否处于动作状态，自动装置是处于投入还是退出工作状态等是状态量。

用远程通信技术传送被测参量的测量值称为远程测量，简称遥测（YC）。

对状态量进行远程监视称为远程信号，简称遥信（YX）。

调度控制中心给发电厂或变电所发的远程命令有控制命令和调节命令等。

当调度控制中心需要直接控制厂、站中的某些设备，如断路器的分、合闸，发电机组的起、停等，就应发出相应的控制命令。

这种对于具有两个确定状态的运行设备进行操作的远程命令称为远程控制，简称遥控（YK）。

当调度控制中心需要对厂、站中的某些设备进行调节，例如改变机组的有功出力，就可以发出相应的调节命令，用于改变机组有功调节器的整定位。

这种对于具有两个以上状态的运行设备发出的远程命令称为运程调节，简称遥调（YT）。

随着科学技术的进步，远动系统的功能根据电力系统调度自动化的实际需要还在不断地扩展，例如为了便于分析电力系统的事故，远动装置可以按顺序记录断路器事故跳闸的时间，这称为事件顺序记录；也可以记录事故发生前后一段时间遥测值，这称为事故追忆。

在调度控制中心配有专用的调度监控计算机时，运动系统可具有与计算机接口的功能。

此外，还有电力系统已时钟，信息转发等。

同时，RTU的当地功能有CRT显示，汉字报表打印，本机键盘、显示器，RTU自检与自调功能。

1.2RTU的任务

1．数据采集

（1）模拟量。

采集电网重要测点的P、Q、U、I等运行参数，称为“遥测”。

（2）开关量。

如断路器的开或关状态，自动装置或继电保护的工作状态，称为“遥信”。

（3）数字量。

如水电厂坝前水位、坝后水位等（由数字式水位计输入），也属于“遥测”。

（4）脉冲量。

如脉冲电能表的输出脉冲等。

2、数据通信

按照预定通信规约的规定，自动循环（或按调度端要求）地向调度端发送所采集的本厂站数据，并接收调度端下达的各种命令。

3、执行命令

根据接收到的调度命令，完成对指定对象的遥控、遥调等操作。

4、其它功能

（1）当地功能：

对有人值班的较大站点，如果配有CRT、打印机等，可完成显示、打印功能；越限告警功能；事件顺序记录功能等。

（2）自诊断功能：

程序出轨死机时自行恢复功能；自动监视主、备通信信道及切换功能；个别插件损坏诊断报告等功能。

1.3RTU的结构

如图1框图以功能划分模块，除主CPU模块外，其他各主要模块如“模入”模块。

“开入”模块等也都配有自己的CPU。

这类智能模块可用常规芯片，也可用单片机构成。

主CPU模块统筹全局，与各模块采用并行或串行方式进行通信。

公共总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）由主CPU控制，通过地址总线来选择各模块，只有被选中的模块才可以接收控制信号并存取数据。

主CPU可用命令来定义各模块、设置工作参数，并对其定时扫描。

遥信模块也可采用中断方式通知主CPU取数，以使遥信变位等故障信息尽早被处理。

这种模块结构配置灵活，功能扩展十分方便，也减轻了主CPU的负担，提高了数据采集和处理速度。

图1多CPU结构RTU基本框图

1.4RTU的作用

采集各发电厂、变电所中各种表征电力系统运行状态的实时信息，并根据运行需要将有关信息通过信息传输通道传送到调度中心，同时也接受调度端发来的控制命令，并执行相应的操作。

2遥调单元输出设计

2.1遥调单元输出设计方案比较

1.模拟遥调输出单元

模拟通信就是在通道上传递某种连续的模拟信号，其设备简单，但其抗干扰能力差，容易产生失真，往往无法恢复成原来的信号，通信质量较差。

电信号在沿线路传输过程中会受到外界的和通信系统内部各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。

线路越长，噪声的积累也就越多，电力系统设备一般工作在高压，强噪声，传输距离大的环境中。

这些因素都可能使得信号传输过程被外界干扰，产生巨大误差，对电力设备的运行和电力系统的安全造成伤害，甚至使得系统瓦解。

2.数字遥调输出单元

（1）数字通信的优点

①数字传输抗干扰能力强，尤其在中继端，数字信号可以再生复原，从而消除了噪声的积累；

②传输差错可以控制，从而改善了传输质量；

③便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理；

④数字信息易于做高保密性的加密处理；

⑤数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。

（2）数字通信的缺点

①占用频带较宽。

②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。

接收方要能理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个以太网的话，同步问题的解决将更加困难。

③进行模/数转换时会带来量化误差。

随着大规模集成电路的适用以及光纤等宽带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多适用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地产生量化误差。

综上所述，虽然数字传输存在着一些缺点，但综合考虑电力系统通信和调节的要求，采用数字遥调电路。

2.2模拟量输出通道

模拟量输出电路的作用，是把微型机系统输出的数字量转换成模拟量输出，这个任务主要由数/模（D/A）变换器来完成。

由于D/A转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微型机系统输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此在微机系统与D/A转换器间必须用锁存器来保持数字量的稳定。

经过D/A转换器得到的模拟信号，一般要经过低通滤波器，使其输出波形平滑，同时为了能驱动受控设备，可以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。

D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。

与遥控不同，遥调是一个连续调节过程。

由于电网的运行状态在随时变化，为了使电网运行达到预定的指标，就必须适时地下达调节命令，控制电网的运行状态。

一般调度中心每隔数秒就下达一次调节命令。

遥调量输出电路的作用是把微机系统输出的调节数字量信号转换成模拟量信号之后，经放大驱动对生产现场设备进行调节，框图如图2所示。

图2模拟量输出通道结构框图

在电网调度自动化系统中，除了模拟遥调外，还有数字遥调电路。

数字遥调电路适用于一些数字调节装置。

在数字遥调过程中，RTU不必将遥调命令的调整码转换为模拟量，而是将数字量经过信号隔离、标度变换等变换后直接送往调节装置。

2.3数字式遥调单元的基本构成

图3遥调单元基本结构框图

当控制站需要遥调时，就发遥调命令，由遥调编码器编码后，经信道编码器编码、并串变换和调制再送往信道。

被控站将收到的信号解调，经串并变换后由信道译码器译码检验无误后，经分路器执行单元即可立即执行命令。

遥调通常是给被调节的对象设置整定值，再由被调节对象的调节器按整定值的要求进行调节。

遥调命令中应指定被调节对象的代号以及整定值的数据。

在被控站，如整定值需以模拟量形式送给调节器，则对收到的数字式整定值进行数模转换。

1数字式遥调单元的具体操作步骤：

⑴通过人机界面由由操作人员召唤显示对象的现有遥测值；

⑵操作人员修改遥测值并发送；

⑶厂站RTU校验遥调值并返送校验结果（有的系统不进行遥调返校）；

⑷操作人员收到返回信息后确认执行；

⑸厂站RTU执行遥调并将遥调相关的遥测量回送调度中心。

3遥调输出单元设计原理

3.1输出接口电路设计

输出单元与上位机之间本设计采用标准通用接口RS-232。

RS-232是出现最早的常用串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。

该标准的目的是定义数据终端设备和数据通信设备之间接口电路的机械与电器特性。

其最高的数据速率为19.2kbs。

为保证二进制数据能够正确传送，有必要使所用的信号电平保持一致。

为满足此要求，RS-232标准规定了数据和控制信号的电压范围。

由于RS-232的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，规定+3V～+15V之间的任意电压表示逻辑0电平，-3V～-15V之间的任意电压表示逻辑1电平。

因而采用TT1电平正逻辑的器件不能直接与其接口，中间必须进行电平转换。

在电路上采用MAX232芯片实现正电压、负电压的转换。

MAX232芯片是包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种通信接口。

芯片内部有一格电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需的±10V电压。

其电路图如下图4。

图4RS-232接口电路

3.2D/A转换电路

待转换的数字量（Dn～D0）通过数据缓冲器送到数据锁存器。

因为D/A转换需要一定时间，此期间待转换的数字量应不变化，而计算机输出的数据（即高、低电平）在数据总线上稳定的时间很短，所以必须用锁存器来保持数字量的稳定。

数据要一直锁存到转换完毕，又有新的数据存入时为止。

锁存器的输出数码控制一系列电子开关，把数据信号变成相应的开关通、断状态，使电阻网络输出的总电流I与锁存器中的二进制数码相对应。

为增加驱动能力，还需要运算放大器放大并将电流I变换成电压信号输出。

D/A转换器输出的电压信号范围有单极性的（0～+5V、0～+10V），也有双极性的（0～±2.5V、0～±5V、0～±10V）等几种。

如图5所示。

图5实现D/A转换的原理框图

D/A转换芯片有两种：

①电压输出型芯片相当于一个电压源，内阻较小，与其匹配的负载电阻应较大，一般输出电压为0～5V或0～10V；②电流输出型芯片相当于一个电流源，内阻较大，与其匹配的负载电阻不可太大。

本设计选用AD7520电流型芯片来实现电压输出，且是反相输出电流型。

其电路如下图6所示。

图6D/A芯片AD7520双极性输出电路

4电力系统信息收集处理与控制调节

现代电力系统是跨区域的，由许多发电厂和变电所组成，为了实现对整个电网的监视和控制调节，调度中心需要收集分散在各个发电厂和变电所的实时信息。

由于传输到调度中心的实时信息不可避免地包含各种误差，同时还由于设备条件的限制，有些电力系统运行需要的参数无法收集到，为了减小误差，信息处理环节可以利用收集到的冗余信息，采用状态估计技术，对无法收集到的参数进行估计，从而得到精确而完整的运行参数。

运行人员根据分析计算的结果，通过分析、综合、判断，从而决定控制策略，并通过遥控和遥调予以执行。

“四遥”是相辅相成。

同时电力系统采用调度自动化系统后，要求调度人员不断地监视调度自动化系统本身的工作，全面、深入并及时地掌握电力系统的运行状况。

量外根据系统运行的不同情况，做出相应的决策或发出各种控制或调节命令，以保证电力系统的安全和经济地运行。

为了能够完成上诉各项任务，调度自动化实现了人机会话界面。

人机对话系统将传输到调度中心的各类信息进行加工处理，通过各种显示设备、打印设备和其他输出设备，为调度人员提供完整实用的电力系统实时信息。

调度人员发出的遥控、遥调指令也可通过此系统输入传送给执行机构。

总之，遥调与遥控、遥测、遥信是互相联系，密切配合，互相协调工作的，这样协调工作才能完成整个RTU的基本功能。

参考文献

[1]王葵,孙莹.电力系统自动化[M].北京:

中国电力出版社,2012.

[2]孟祥忠,王博.电力系统自动化[M].北京:

中国林业出版社,北京大学出版社,2006:

73-77.

[3]王士政.电力系统控制与调度自动化[M]北京:

中国电力出版社,2008.