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10kV柱上ftu设计说明

辽宁工业大学

配电系统与其自动化课程设计〔论文〕

题目：

10kV柱上FTU设计

院〔系〕：

专业班级：

学号：

学生：

指导教师：

〔签字〕

起止时间：

课程设计〔论文〕任务与评语

院〔系〕：

教研室：

学号

学生

专业班级

设计题目

10kV柱上FTU设计

课程设计〔论文〕任务

该FTU实时监测一条10kV输电线路的电流电压以与有功等信息，并自动识别运行状态，故障时与时将故障信息上传给主站，并能承受主站遥控命令将故障区段隔离。

设计背景：

输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的柱上开关有2个断路器、1个隔离开关和1个遥控的负荷开关，FTU实时采集输电线路电流电压以与电气设备运行状态并分析线路状态，故障时与时将故障信息上传给主站，并发出遥控负荷开关的命令。

设计容：

硬件电路设计：

1.最小系统设计〔包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路〕

2.电流电压检测电路设计

3.电气设备运行状态检测电路设计

4.电气设备运行状态控制电路设计

5.FTU与主站通信接口设计

6.软件设计〔程序流程图和程序编写与电流电压有效值以与故障识别算法确定〕

进度计划

第1天查阅收集资料

第2天总体设计方案确实定

第3天最小系统设计

第4天电流电压检测电路设计

第5天电气设备运行状态检测电路设计

第6天电气设备运行状态控制电路设计

第7天FTU与主站通信接口设计

第8天软件设计

第9天设计说明书完成

第10天辩论

指导教师评语与成绩

平时：

论文质量：

辩论：

总成绩：

指指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%辩论20%以百分制计算

摘要

馈线终端设备（简称FTU），具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以与故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进展调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。

本设计中的FTU要实现实时监测一条10kV输电线路的电流电压以与有功等信息，并自动识别运行状态，故障时与时将故障信息上传给主站，并能承受主站遥控命令将故障区段隔离。

本课设对FTU的总体方案、硬件电路设计和软件设计进展了详细的探讨研究。

关键词：

FTU；柱上；遥控；遥信

第1章绪论

FTU综述

FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备。

它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以承受配电子站的控制命令，对配电设备进展控制和调节。

FTU可采用高性能单片机制造，为了适应恶劣的环境，应选择能工作在75℃的工业级芯片，并通过适当的结构设计使之防雷、防雨、防潮。

FTU是用先进的DSP数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术、隔离技术嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。

适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以与通信等自动化功能。

配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。

本文研究容

本设计中，输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的柱上开关有2个断路器、1个隔离开关和1个遥控的负荷开关，FTU实时采集输电线路电流电压以与电气设备运行状态并分析线路状态，故障时与时将故障信息上传给主站，并发出遥控负荷开关的命令。

因此，本设计中FTU要实时监测一条10kV输电线路的电流电压以与有功等信息，并自动识别运行状态，故障时与时将故障信息上传给主站，并能承受主站遥控命令将故障区段隔离。

第2章FTU硬件设计

FTU总体设计方案

RTU的总体设计方案如图2.1所示。

图2.189C51FTU总体设计方案框图

本FTU总体设计方案以CPU为核心，外加模拟量输入模块与A/D转换器，它的功能主要将线路中的电压电流信号的采集来转换成单片机可以识别的数字信号。

通信接口主要负责与主机的通信将检测到的一些数据与时送到主站。

开关量输入模块和开关量输出模块主要是检测线路上断路器、隔离开关的状态，完成断路器、隔离开关的投切。

当线路发生故障时快速切断故障区段对非故障区段与早恢复供电提高供电的可靠性，由于单片机存储不能满足实际的要求所以要外加个外部数据存储和数据存储器用以储存数据采集模块传来的重要数据信息。

人机对话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控制FTU的设置模式和设置状态信息等。

FTU控制核心模块设计

CPU的选择

本次FTU设计采用89C51单片机作为系统的CPU。

89C51是面向八位的CPU。

它的价格低廉，工作可靠，另外扩展功能也很强，89C51采用电擦除和电写入，擦写方便，性能好，因此作为此次设计的首选CPU。

89C51有40个引脚，其中

是接地端，

是电源端接+5V电源，外界晶体引脚XTAL1和XTAL2接时钟电路，RST是复位信号输入端，在此引脚上出现两个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位。

P0口接地址锁存器，

是片片外ROM选择端，

是外部ROM的读选通信号，

是读允许信号，

是写允许信号，引脚结构图如图2.2所示。

图2.289C51引脚结构图

复位电路设计

AT89C51单片机的复位是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只

要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡周期以上的高电平，单片机就能实现复位。

为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。

由于FTU在恶劣的温度和湿度环境工作，为了保证它能平安可靠的工作所以得设计个复位电路以便在CPU处于死机的状态下能与早复位，本次设计采用看门狗复位电路，利用电容的充电来实现。

当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地一样，复位完毕。

充电的时间决定了复位的时间。

此外，还可以通过按键实现复位，按下键后，通过

和

构成回路，使RESET端产生高电平。

按键的时间决定了复位的时间。

具体复位电路如图2.3所示。

图2.3看门狗复位电路

时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。

时钟信号可以由两种方式产生：

部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用部时钟方式，部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单

片机所需的时钟信号。

89C51部有一个高增益反向放大器，用于构成片振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入部时钟发生器。

、

可稳定频率并对振荡频率有微调作用，值选择30pF。

电路如图2.4所示。

图2.4时钟电路图

FTU控制核心模块原理图

由于FTU主要在潮湿高温等恶劣环境下工作，因此，需在核心模块中加一个复位电路以便在CPU发生死机的情况下能迅速复位。

CPU正常工作需要定时恒频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路。

FTU具有电流电压采集记录等功能，而且89C51部的数据存储器的存储空间比拟小不能储存大量的电流电压信息，所以要外扩一个数据存储器。

根据上文所述，将所选择的CPU、数据存储器扩展电路、时钟电路和复位电路等连接在一起从而构成完整的FTU控制核心模块。

具体的连接方式如图2.5所示。

图2.5控制核心模块原理图

电流电压检测电路设计

本设计中，输电线路电压10kV，最大输出功率2800kVA，要监测的柱上开关有2个断路器、1个隔离开关和1个遥控的负荷开关，如上所述，可以确定模拟量检测的路数为12路，分别为6路电压信号和6路电流信号。

在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。

MAX197是具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短，约为6us，具有8路模拟转换通道和12位的A/D转换其转换精度，还提供了标准的并行接口，为8位三态数据I/O口，可以和大局部单片机直接接口，使用十分方便。

根据本设计的要求可知，选用两片A/DMAX197转换器即可满足本次设计的需要。

由于计算机在任一时刻只能接收一路模拟量信号的采集输入，当有多路模拟量信号时需通过模拟转换开关，按一定顺序选取其中一路进展采集。

当需要对多个模拟量进展模数变换时，由于A/D转换器的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换。

在本设计中，选用型号为的LW18系列的多路转换开关。

综上所述，完整的模拟量检测电路如图2.6所示。

图2.6模拟量检测框图

电气设备运行状态检测电路设计

本次设计的变电站电气主接线图如图2.7所示。

由变电站的电气主接线图可知，本次设计主要研究的是RTU监测2回0.4kV输出线路的电流、电压以与线路上断路器隔离开关的运行状态，所以检测电气设备的台数为4台，开关量输入4路。

因此，选择89C51单片机的P1口作为四路开关量的输入接口，采用光电耦隔离措施来排除输入开关量采样过程中干扰信号的影响。

当有遥信信号时光耦二极管发光，并且光耦合器导通使单片机的输入端变成低电平，单片机承受遥信信号。

具体的电气设备运行状态检测电路如图2.8所示。

图2.7电气主接线图

图2.8电气设备运行状态检测电路图

电气设备动作控制电路设计

根据电气主接线图和监测回路中的断路器和隔离开关的个数可以确定，所摇控电气设备的台数为4台，开关量控制输出为6路。

选择89C51的PA3口作为六路开关量的输出口。

因此，当PA3口为高电平时经缓冲器反向输出为低电平使继电器导通，继电开关动作，ZJ带电使其触电闭合输出遥控信号。

由于单片机I/O口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。

所以由单片机的I/O口输出到驱动芯片以驱动继电器，为了防止继电器误动，需要对驱动信号加以互锁，因此，在电气设备动作控制电路中应采用继电器隔离来隔离强弱电。

报警电路设计

本设计采用ACM配电线路监控装置，原理图如图2.10所示。

图2.10ACM配电线路监控装置报警图

ACM监控装置和塑壳断路器配合使用，塑壳断路器有单磁和热磁两种，单磁断路器只具有短路保护功能，无热过载保护，在这种情况下，线路中如有过载现象，断路器不会动作，ACM监控装置会根据不同过载程度分别发出报警信号，提醒现场维护人员，也可远传至控制中心。

热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有热过载保护，此时，ACM监控装置仅可作为报警功能作用，当检测到电流到达设定阈值后，部继电器动作。

监控装置配套电流互感器使用AKH-0.4型号电流互感器，配电线路的额定电流为3750A，互感器选用AKH-0.4-10/0.4，该型号互感器监控装置最大可持续测量电流到达1000A,因此装置最大可监测4倍的过载电流，对于需要监测剩余电流回路的场合还需加装AKH-0.4L系列剩余电流互感器。

如图2.10所示，当配电线路电流超过1段报警阈值时，继电器闭合，1段报警输出，KA1线圈得电，PGR灯光报警；当负载程度增大，到达2段报警阈值时，继电器闭合，2段报警输出，KA2线圈得电，PG声报警。

当按下声光报警解除按钮或负载电流降低后，报警状态解除。

FTU与主站通信接口电路设计

FTU能将监测到的电流电压信号与时上传到主站，同时利用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信,使得FTU单元将多种测量结果数据转换为协议所规定的格式,并与时送往主站控制中心。

本设计采用RS485接口电路来实现FTU与主站间的通信，RS485接口电路图如图2.11所示。

图2.11RS485接口电路图

第3章FTU软件设计

软件实现功能综述

软件系统在硬件资源的根底上,采用模块化结构,利用89C51单片机语言编程，在完成系统功能要求的前提下,力求程序结构简炼、扩大容易、修改方便。

FTU的软件功能包括交流电压、电流信号的高速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算，各交流量的高次谐波分量与谐波总量计算，遥信量的采集与上送，遥控返校与执行等诸多功能。

流程图设计

FTU软件系统的流程图的设计包括主程序流程图、数据采集流程图以与通信流程图的设计。

图3.1主程序流程图

主程序流程图设计

本设计中用单片机实现与监控控制中心计算机的双向数据通信，使得RTU单元将多种测量结果数据转换成协议所规定的格式，并与时送往控制中心。

当单片机接收到外部中断触发信号之后，进展数据存储，该中断信号通过低电平触发INT1引脚。

主程序在数据传输过程中，利用程序采用串口将数据传送至上位机。

单片机以校验的方式发送数据，以16B数据为一帧，每发送一帧数据都要等待上位机的反应信号，以判断数据传输是否正确。

主程序流程图如图3.1所示。

数据采集流程图设计

变电站交流测控系统RTU信号数据采集模块主要是对变电站各现场信号进展实时动态采集，并将各类信号转换成系统相应的特性电参量数据进展显示。

数据采集模块软件功能主要是通过编程实现现场交流信号和运行状态等电参量数据的实时采集和处理。

数据采集流程图如图3.2所示。

图3.2数据采集流程图

通信流程图设计

变电站交流测控系统RTU系统通信主控模块电路是配电网系统的通讯中转站，主要与总线、PC机、疾控中心以与其他现场智能仪器仪表进展数据通讯。

通信主控模块软件功能主要是通过编程构筑连接当地PC机以与变电站远程集控中心与各类现场单元信号测量模块间数据通信的纽带。

通信流程图如图3.3所示。

图3.3通信流程图

程序设计

根据各个程序流程图，利用89C51单片机编程语言进展编程，程序清单如下：

ORG2000H

TAN:

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#0FDH

MOVTH1,#0FDH

SETBEA

SETBET1

CLRES

SETBPT1

CLRPS

SETBTR1

CLRTI

MOVSCON,#40H

MOVSBUF,78H

JNBTI,$

CLRTI

MOVSUBF,77H

JNBTI,$

CLRTI

MOVSUBF,76H

JNBTI,$

CLRTI

MOVSUBF,75H

SETBES

SJMP$

定时器1中断效劳程序如下：

TIN:

CLRTR1

MOVTL1,0FDH

MOVTH1,0DFH

SEYBTR1

RETI

串行口中断效劳程序如下：

ESS:

PUSHDPL

PUSHDPH

PUSHACC

MOVDPH,78H

MOVDPL,77H

MOVXA,DPTR

CLRTI

MOVSBUF,A

MOVA,DPH

CJNEA,76H,ENI

MOVA,DPL

CJNEA,75H,EN1

CLRES

CLRET1

CLRTRI

ESC:

POPACC

POPDPH

POPDPL

RETI

EN1:

INC77H

MOVA,77H

JNZEN2

INC78H

EN2:

SJMPESC

乙机接收程序如下：

ORG2000H

REV:

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#0FDH

MOVTH1,#0FDH

SETBEA

SETBET1

SETBES

SETBPT1

CLRPS

SETBTR1

MOVSCON,#50H

CLRB.0

MOV70H,#78H

SJMP$

定时器1中断效劳程序如下：

REV1:

CLRTR1

MOVTL1,0FDH

MOVTH1,0DFH

SEYBTR1

RETI

串行口中断效劳程序如下：

ESS:

PUSHDPL

PUSHDPH

PUSHACC

MOVA,R0

PUSHACC

B.0,DA0

MOVR0,70H

MOVA,SBUF

MOVR0,A

DEC70H

CLRRI

MOVA,#74H

CJNEA,70H,DA2

SETBB.0

DA2:

POPACC

MOVR0,A

POPACC

POPDPH

POPDPL

RETI

DA0:

MOVDPH,78H

MOVDPL,77H

MOVA,SBUF

MOVXDPTR,A

CLRRI

INC77H

MOVA,77H

JNZDA3

INC78H

DA3:

MOVA,76H

CJNEA78H,DA2

MOVA,75H

CJNEA,77H,DA2

CLRES

CLRET1

CLRTR1

SETBPSW.5

AJMPDA2

END

第4章系统设计与分析

系统原理图

本设计中的基于89C51单片机的配电网自动化远方终端FTU的系统原理电路图如图4.1所示。

图4.1RTU系统原理电路图

系统原理综述

本次设计主要是以FTU为研究对象，通过模拟量检测电路实现对回路中的电流、电压信号等信号进展实时检测，然后将这些电参量通过RS485接口电路将检测到的信号通与时上传给主站，从而到达实时监控的功能。

当线路发生故障时，RTU系统通过故障检测记录相关的故障测量信息和故障特征信息，并将这一信息与时地传递给主站，同时开关检测电路将回路中的开关状态再次通过通信通道上传给主站。

基于89C51单片机的控制，通过软件运算故障区段故障信息之后，向FTU发出遥控命令，利用断路器、隔离开关的分断与重合功能将故障区段切除，对故障区段正常供电，完成RTU的四遥功能，即遥测、遥信、遥控和遥调功能。

第5章课程设计总结

远方终端设备FTU是变电站系统的根本组成单元，负责采集变电站中各电力设备和系统运行工况的模拟量和状态量，通过监测信号模块将这些数据的实时动态传输给集控中心，并将集控中心的控制和调度命令反送给变电站。

本次设计中FTU总体设计方案以CPU为核心，外加模拟量输入模块与A/D转换器。

通信接口主要负责与主机的通信将检测到的一些数据与时送到主站。

开关量输入模块和开关量输出模块主要是检测线路上断路器、隔离开关的状态，完成断路器、隔离开关的投切。

软件系统要求在硬件资源的根底上,采用模块化结构,利用89C51单片机语言编程，FTU的软件功能包括交流电压、电流信号的高速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算，各交流量的高次谐波分量与谐波总量计算，遥信量的采集与上送，遥控返校与执行等诸多功能。

本设计主要结合FTU在变电站中的应用功能，对变电站中特征电参量的采集计算方法进展认真分析，并分别对交流测控FTU的总体方案、硬件电路、软件电路的设计进展了详细的研究。

基于89C51单片机的变电站远方终端FTU系统在实际运行中具有抗干扰能力强、采集数据准确性可靠、工作稳定经济等特点，在变电站中具有较好的应用前景。

参考文献

[1]堂等编著《配电系统与其自动化技术》中国电力2004.8

[2]晶主编《Prote199高级应用》人民邮电，2000.3

[3]何仰赞等编著《电力系统分析》：

华中理科技学，2002.3

[4]于海生编著《微型计算机控制技术》清华大学2003.4

[5]王士政主编《电网调度自动化与配网自动化技术》中国水利水电2007.3

[6]梅丽凤等编著《单片机原理与接口技术》清华大学2009.7

[7]许建安编著《电力系统微机继电保护》中国水利水电2003.6

[8]黄益庄编著《变电站综合自动化技术》：

中国电力2000.6

[9]马建明编著《数据采集与处理技术》交通大学2005.3

[10]何立民编著《MCS-51单片机应用系统设计》航空航天大学1990.1

[11]汝全编著《微机与单片机接口技术与应用》电子科技大学1991.1

[12]志忠等编著《数据采集和监控中的微机应用》：

清华大学1998.6

[13]王福瑞编著《单片微机测控系统设计大全》：

航空航天大学1999.3

[14]健等编著《配电自动化系统》：

中国水利水电1999.6

开场

开中断

A/D数据采集

Y

故障类型和故障位置判断

开中断

A/D数据采集

Y

故障类型和故障位置判断

写双口RAM

故障处理

状态恢复

通信程序

N

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