完整版RTU的设计综合毕业课程设计.docx
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完整版RTU的设计综合毕业课程设计
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1RTU概念及特点………………………………………………………………1
1.2概述………………………………………………………………………1
1.3RTU的应用……………………………………………………………………1
1.4国内外RTU的发展与现状……………………………………………………2
第二章RTU基本功能……………………………………………………………5
2.1RTU功能简介……………………………………………………………5
2.2RTU四遥功能……………………………………………………………6
2.3RTU主要功能……………………………………………………………6
2.4遥测量的获取……………………………………………………………7
2.4.1直流法……………………………………………………………7
2.4.2交流采样法……………………………………………………………8
2.4.3智能调表……………………………………………………………13
第三章RTU通信方式……………………………………………………………14
3.1电话网通信……………………………………………………………14
3.2载波通信……………………………………………………………15
3.3微波通信……………………………………………………………15
3.4光纤通信……………………………………………………………16
第四章智能电表及RTU的结构………………………………………………19
4.1智能电表的模块结构……………………………………………………………19
4.2RTU结构框图……………………………………………………………19
总结……………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………24
第一章绪论
1.1RTU概念及其特点
RTU英文全称RemoteTerminalUnits，中文全称为远程终端单元。
RTU具有的特点是：
1、通讯距离较长
2、用于各种环境恶劣的工业现场
3、模块结构化设计，便于扩展
4、在具有遥信、遥测、遥控、遥信领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。
RTU产品目前与无线设备，工业TCPIP产品结合使用，正在发挥越来越大的作用。
1.2概述
RTU是SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition即数据采集与监视控制系统）的基本组成单元。
一个RTU可以有几个，几十个或几百个IO点，可以放置在测量点附近的现场。
RTU应该至少具备以下两种功能：
数据采集及处理、数据传输（网络通信），当然，许多RTU还具备PID控制功能或逻辑控制功能、流量累计功能等等。
远程测控终端RTU作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品从20世纪80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。
它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。
1.3RTU的应用
除了在传统的工业生产过程中大量应用（例如电厂、钢铁厂、化工厂）之外在测控点特别分散的场合，例如在以下行业中远程测控终端RTU得到广泛的应用：
城市供水自动化控制系统；城市废水处理系统；城市煤气管网综合调度系统；天然气、石油行业自动化系统；电力远程数据集控系统；热网管道自动化控制；大气水质等环保监测；水情水文测报系统；灯塔信标、江河航运、港口、矿山调度系统。
1.4国内外RTU的发展与现状
1.4.1国外RTU的发展现状
对于变电站自动化监控系统，很多国家都做了大量的研究工作，目前各在电网计机监控系统方面多采用分层分布开放式系统结构，该系统是把电厂的各项功能，按分层分布处理的原则由功能模块和接口模块组成计算机分布系统，整个系统统一协调，合理分工，最佳运行管理。
因此，这种分布开放式系统完全满足高效率、高利用率、最大灵活性、良好的兼容性以及安全可靠和抗干扰能力强的要求。
西门子公司于1985年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系LSA678，至1993年已有300多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行，至1995年，该公司在中国也陆续得到十几个工程项目，基本上是110kV城市变电站。
LSA678系统的结构有全分散式和集中与分散相结合两种类型。
ABB公司的变电站自动化综合系统SCS100,在芬兰生产，用于中、低压变电站。
SC200在瑞典生产，用于高压变电站。
还有GEHarris的D10D20m25D200;费希尔-罗斯蒙特（F-RSOEMOUNT）的ROC产品系列包括R0c-300系列通用RTU有ROC306，ROC312；另外MOTOROLA公司也开发自己的RTU产品，但他们的产品主要为自己公司的SCADA系统提供服务。
1.4.2国内RTU的发展现状
国内变电站综合自动化的研究工作开始于80年代中期。
自20世纪90年代以来，变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一目前全国已投入运行的35-500kV变电站约20000座，而且每年新增变电站的数量约为3%~5%.
据有关资料获知，我国开始投运的变电站计算机监控系统与远动系统完全是彼此独立、互不相关的，数据各自分别采集，信息不能共享，硬件设备重复设置，重复投资。
后来设计的站内监控系统已把站内监控与远动功能结合在一起，可向几个不同级别的调度中心发送各自所需的远动信息，所有遥测、遥信信息集中采集。
其主要发展阶段为:
1.80年代及以前，是以RTU为基础的远动装置及当地监控为代表。
该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设RTU装置。
此类系统称为集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用。
在这个阶段内的RTU采用常规电量变送器方式，各待测模拟量通过变送器模拟运算转换为直流信号，采用直流采样技术，对来自变送器的直流信号采样并进行简单的标量工程量转换。
2.90年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台或调度端计算机，采用集中方式管理。
这个阶段内的RTU采用微机交流采样技术，以微处理器为核心，对电网的电流、电压进行直接交流采样，经软件运算获得各种电气量。
其特点是采样中间环节少，精度高，稳定性好。
目前在电网中投运的RTU基本上都采用了这种技术。
3.90年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，采用按间隔为对象设计保护测控单元，各种分散式变电站自动化系统相继研制成功和投入运行。
采用分层分布式的系统结构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。
这个阶段内的RTU是在现有的RTU的基础上正在研制的新一代的分布式RTU。
其特点是融站内监控功能、信号采集、远动功能以及保护信息为一个统一整体的综合自动化系统，这也是我国变电站自动化技术发展的方向。
目前在我国电力行业实际使用的RTU有多种类型，但主要有两类，一是集中式微控制型RTU,另一种为分布式、多CPU的RTU。
集中控制式RTU的主要特点是用一个CPU管理所有RTU的工作，价格便宜，但有严重缺陷，如：
标准化程度低，很难与其他家的产品兼容；结构单一，扩展性差：
CPU重，因而容易造成系统瘫痪，可靠性差；实时响应性差，遥信分辨率低；调试复杂，维护困难。
由于集中式RTU所存在的上述缺点，已经不能适应现代电力系统自动化对实时性、扩展性、准确性及可靠性的要求，正逐渐被新一代功能分布、多CPU、模块化的RTU所替代。
新一代RTU具有如下一些特点：
1.采集数据对象的不同，将不同的功能（如遥测、遥信、开关量、脉冲量等）分配在不同的模块上完成。
各个模块均有单独的CPU控制，并可通过信道与其他模块联系。
2.功能可以根据需要进行扩展。
3.由于多个CPU共同负担RTU的工作，提高了系统的数据处理能力，响应速度加快，分辨率提高。
4.抗干扰能力提高，可靠性增强，调试简单，维护容易。
总之，功能分布式RTU与集中式RTU相比，在功能和性能上都有质的飞跃，但仍有不足，主要体现在以下几个方面：
标准化程度低，兼容性差；稳定性和抗干扰能力还不够。
为了解决这个问题，近些年人们提出了总线型结构的RTU。
通过引入开放式网络总线，将RTU分布在现场的各个模块联系起来。
它有以下几个特点：
利用串行总线可以实现测控模块的就近安装，减少布线；由于总线的开放性，因而组网灵活，产品标准化程度高可实现方便互联，容易与变电站自动化系统组成一体。
另外，由于变电站内继电保护、监测、控制、计量和事故记录等方面使用基于微处理器的智能电子器件记IED已越来越广泛，随着智能电子器件见口在变电站中的普遍使用，使用现场总线连接各IED的变电站自动化也就是必然趋势。
只有这样，才能确保变电站自动化系统可以实现不同生产厂家的设备之间地互联以及互操作，给用户带来极大方便。
第二章RTU基本功能
2.1RTU功能简介
RTU（RemoteTerminalUnit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。
与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。
正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。
远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。
RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。
它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。
监视控制和数据采集是一个含义较广的术语，应用于可对安装在远距离场地的设备进行中央控制和监视的系统。
SCADA系统可以设计满足各种应用（水、电、气、报警、通信、保安等等），并满足顾客要求的设计指标和操作概念。
SCADA系统可以简单到只需通过一对导线连在远端的一个开关，也可复杂到一个计算机网络，它由许多无线远程终端设备（RTU）组成并与安装在中控室的功能强大的微机通信。
SCADA系统的远程终端设备可以用各种不同的硬件和软件来实现。
这取决于被控现场的性质、系统的复杂性、对数据通信的要求、实时报警报告、模拟信号测量精度、状态监控、设备的调节控制和开关控制。
变电站是电力系统的一个重要组成部分，它的安全可靠运行是电网安全经济运行的根本保证。
当前变电站正以分项自动化向着综合自动化方向发展，综合自动化的近期目标是把变电站的保护、测量、监控、远动等融为一体，取得数据共享，资源共享，大幅度提高自动化的功效。
对于电力系统，为了进行现代化管理，往往实现电网调度自动化，虽然省、地、县各级调度有不同的职能和责任，但其组成基本相同，一般是由主站和远动终端（RTU）组成。
远动终端就是电网监视和控制系统中安装在发电厂或变电站的一种远动装置，它负责采集所在发电厂或变电站电力运行状态的模拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在发电厂或变电站的控制和调度命令。
然而，随着煤矿现代化管理的飞速发展，实施煤矿安全生产微机监控调度系统已是大势所趋，该系统通过设置在矿调度室的主计算机能实时地监视煤矿井下生产环境安全参数和全矿重要机电设备的工况，从而对各生产环节进行控制和调节，使生产的指挥管理和控制融为一体，成为矿井生产的中枢。
由于矿调度室远离生产现场，因此，矿井上下需要设置多个远动分站。
毋庸置疑，煤矿变电站是企业生产的核心和动力源泉，它关系着安全生产和人体安危。
变电站的安全管理也是煤矿监控系统的一个重要环节。
通常变电站与煤矿生产调度中心往往相距较远，必须采用远动技术，在变电站设置远动终端即RTU，与调度中心计算机通过信道相连接，RTU与调度中心之间通过远距离信息传输完成RTU的远方监控功能。
2.2RTU四遥功能
RTU与主站配合可以实现四遥功能，即：
遥测、遥信、遥控、遥信。
遥测（遥测信息）：
远程测量,采集并传送运行参数，包括各种电气量和负荷潮流等。
遥测信息是RTU采集到的电力系统运行的实时参数，如发电机出力，母线电压，系统中的潮流，有功负荷和无功负荷，线路电流，电度量等测量量信息。
遥信（遥信信息）：
远程信号,采集并传送各种保护和开关量信息.遥信信息是RTU采集到的电力系统继电保护的动作信息，断路器的状态信息，告警信号等状态量信息。
遥控（遥控信息）：
远程控制,接受并执行遥控命令，主要是分合闸.遥控信息是指从电力系统调度控制中心发出的对断路器执行分合闸操作的状态量信息。
遥调（遥调信息）：
远程调节,接受并执行遥调命令，调节发电机输出功率.遥调信息是指从电力系统调度控制中心发出的对发电机有功和无功出力进行调整的测量量信息。
2.3RTU的主要功能
（1）采集状态量并向远方发送，带有光电隔离，遥信变位优先传送；
（2）采集数据量并向远方发送，带有光电隔离；
（3）直接采集系统工频电量，实现对电压、电流、有功、无功的测量并向远方发送，可计算正反向电度；
（4）采集脉冲电度量并向远方发送，带有光电隔离；
（6）接收并执行遥控及返校；
（7）程序自恢复；
（8）设备自诊断（故障诊断到插件级）；
（9）设备自调；
（10）通道监视；
（11）接收并执行遥调；
（12）接收并执行校时命令（包括GPS对时功能选配）；
（13）与两个及两个以上的主站通讯；
（14）采集事件顺序记录并向远方发送；
（15）提供多个数字接口及多个模拟接口；
（16）可对每个接口特性进行远方当地设置；
（17）提供若干种通信规约,每个接口可以根据远方当地设置传输不同规约的数据；
（18）接受远方命令,选择发送各类信息；
（19）可转发多个子站远动信息；
（20）当地显示功能，当地接口有隔离器；
（21）支持与扩频、微波、卫星、载波等设备的通讯；
（22）选配及多规约同时运行，如DL451-91CDT规约，同进应支持POLLING规约和其他国际标准规约（如DNP3.0、SC1801、101规约）；
可通过电信网和电力系统通道进行远方设置。
2.4遥测量的获取
遥测量主要包括电流，电压，功率，频率，相角
2.4.1直流法
直流法是先将交流信号变换成与交流电量值成正比关系的直流信号，然后对直流信号进行采样，AD转换，然后通过计算得到原交流电量值，即直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。
采用变送器的直流采样法存在下列问题：
（1）遥测数据的准确性受变送器稳定性的影响
（2）遥测数据的实时性受变送器响应速度的影响
（3）变送器的维护工作比较大
（4）通常一个变电站需要大量的变送器
（5）测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难且受波形
因素影响较大
（6）用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。
因此，要获得髙精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。
2.4.2交流采样法
交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。
该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。
目前，髙速单片机、DSP及高速AD转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。
完成模拟信号数字化的关键是选择适合于被测信号的采样方式。
有两种基本的数字化采样方式：
实时采样和等效时间采样。
实时采样是指数字化一开始就对信号采样，经过一定采样间隔后再进行第二次采样，这样直至整周期信号采样完，它是一种时间上连续的采样方式。
实时采样的优点是适用于任何波形的信号，由于按时间顺序采样，易于实现波形重现功能。
缺点是所有采样、变换以及数据的存储都要求在采样间隔内完成，因此要求有较高的采样速率。
实时采样又可以分为定时采样和变步长采样。
定时采样又称等间隔采样，它是指不管信号频率如何变化，每次采样时间不变。
变步长采样是指不管信气频率如何变化，一个信号周期内采样点数固定为N个，因此又称为等点采样。
等点采样既能满足测量精度的要求又能合理使用内存，实际中有变换采样速率可以大大降低系统硬件的复杂性。
根据采样定理，采样频率为输入信号最高频率的至少两倍时，才能复原输入信号，否则将产生失真，而在对数据进行类似于FFT变换时要求数据长度为2的整数倍。
因此对于高精度数字化测量系统，实现信号的整周期采样，尤其是2的整数倍周期采样对于以后数据的分析乃至整个系统的精度都至关重要。
要求实现采样信号与输入被测信号同步，也就是要求采样脉冲必须与输入信号实现同步。
同步实质上是指采样间隔乃与信号周期T满足T=NTs，N为正整数，为计算方便，通常取2的整数倍。
本文中采用每基波周期（50HZ）采样27（128）个点。
如只是近似满足T=NTs则为准同步，在对数据处理时，采用同步采样的数据处理方法来处理准同步采样得到的数据，则会带来较大的误差，对这种情况的解决方法是多周期采样或其它的数据处理方法。
实现同步采样的方法有多种，可以用软件编程实现同步采样，也可以接用硬件电路实现。
实现软件同步采样的最简单的方法是采用软件定时，即将基波信号N倍频后产生定时输出以控制AD转换，由于我国电网频率变化范围为50Hz±（0.2~0.5Hz）,实际上它属于准同步采样，由于电路简单控制方便，以这种方法产生的同步采样脉冲在输入信号频率较为稳定或在测量要求不高的情况下具有一定的使用价值。
而在对采样要求严格同步时或输入信号基波频率波动较大的情况下，由于采样脉冲不能及时跟踪输入信号的变化，对采样精度影响较大。
要实现精确的软件同步，必须采用一定算法首先取出所采样信号基波分量，整数倍频后产生同步采样脉冲。
这样虽然精度有所提高，但所需的时间较长，存储容量较大，增加了CPU的开支。
硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。
根据以上分析，本文采用了硬件电路实现同步实时采样，此方法使微处理器摆脱了同步采样的干扰，且能实时地跟踪采样，提高了采样精度和实时性。
（一）采样点数的选择
要获得精确的测量结果，就要选择合适的采样点数。
每周波的采样频率的大小很重要。
如果采样频率选择得过高，即采样间隔过小，则每个周期里采样点数过多，从而造成数据存储量过大和计算时间太长；另一方面，如果采样频率过低，则快速傅立叶FFT运算乃在频域将会出现混淆现象，从而造成频谱失真，使之不能真实反映原来的信号。
因此，对连续信号的采样频率需大于奈奎斯特频率，即采样频率Fs至少应等于或大于信号所含有的最高频率的两倍，即：
Fs≥2Fh（2-1）
而实际应用中，Fs常取为4Fh～10Fh.
在本系统设计中，考虑到DSP的计算速度、采样定理以及快速傅立叶变换要求采样点数为2的幂次方等因素，选用每周波每路采样128点。
高采样点数的FFT算法能将采集的电压、电流中的干扰化为高次谐波处理，这样，就避免了增加模拟低通滤波这一部分硬件，从而以“软件换硬件”的方式为提高系统的测量精度奠定了良好的基础。
（二）基于快速傅立叶变换FFT的电量测量原理
假设无噪声的输入信号是频率为w的正弦波电压：
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
其中，是初相位，是电压相角变化，A是幅值。
可用矢量U的虚部表示：
（2-6）
若将看作的复数振幅，
（2-7）
对信号每周波采样N次，产生采样序列{}，
（2-8）
其中，T0N是采样间隔。
对{}进行离散傅里叶变换得到基波分量的频谱系数，
（2-9）
其中，
（2-10）
（2-11）
和分别在表达式中是余弦项之和及正弦项之和。
对正弦输入信号可以证明：
（2-12）
（2-13）
是输入信号的基波频谱系数，由式（2-8）、（2-10）、（2-13）、（2-14）可得出与的关系。
（2-14）
可见，和都是表示基波分量的复数振幅，和分别为复数振幅的实部和虚部。
频率的测量：
电压信号经过低通滤波器滤除掉高次干扰成分后，送入到比较器得到与电压信号频率相同的方波信号输出，再送入到测控DSP的中断输入端。
DSP的中断程序中记录下输入方波信号相临负跳变的时刻，从而计算出频率f。
（2-15）
其中，data为两次负跳变的计数值之差；data1和data2分别为相邻两负跳变时DSP的计数值。
采用此方法测量，使得周期的测量误差为DSP的时间50ns。
电流、电压的测量：
对于电力系统来讲，输入量为周期函数的电流i（t）、电压u（t）,可以分解为含有直流分量I、及各谐波的傅里叶级数：
（2-16）
（2-17）
式中：
k为k次谐波（k=1,2,3…）:
、、、分别为k次谐波的余弦分量、正弦分量的电流、电压值。
根据傅里叶级数，从任一时刻t0积分一周期T，利用正交函数的特性，可得：
假设每个周期采样N次，上式分别由离散值表示为：
其中，、是采样的离散量，也就是电流、电压的瞬时值。
于是，电流、电压值以及各自的初始值相位角为：
电功率、功率因数的测量：
由电工基础知识可知，有功功率和无功功率分别为：
上式中，由于、、、均已求出，所以代入即可计算出、。
假设在同一时刻t0对线路上个采集点同时进行采样，不存在相位误差。
在这种情况在，可以采用单相位计算法，即：
先求出各项的有功和无功，最后求出三厢的总功率：
由上式可分别求得电流、电压的初始相位、从而求得功率因数：
但用此方法求救不大方便。
在实际应用以及软件编程的过程中，是采用下面的计算公式：
2.4.3智能电表
智能电表作为智能电网的重要环节，它的发展对于智能电网的壮大具有不可替代的作用。
所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片（如CPU）为核心，具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。
目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。
机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能电表。
这类电度表由于其计量原理没有改动，其计量精度和特性与机械表完全一样，而成本相对较高，其优势在于能充分利用现已安装使用中的大量的机械电度表，且其计量原理为大众所熟悉而容易接受。
全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电量减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。
当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式。
一种是用互感器采样，另一种为直接采样。
采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号和电流信号；直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，而用电阻温度系数非常小的锰铜片进行电流直接采样。
采用互感器采样，在起动电流、线性范围、功耗和精度等指标皆不如直接采样，尤其是小电流时更为突出。
例如：
额定电流为20A时，直接采样的启动电流为20
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