变电所监控.docx

1、变电所监控摘 要本设计的主要内容为6KV变电所微机网络监控系统设计。系统接口电路通过微机的RS-232串行接口和87C552单片机的串行接口，构成RS-485的多机通信网络。此系统通过中的通信控件MSCOM实现了以PC主机与多台单片机分站的串行通行，并利用编程进行实时数据的采集处理及控制。系统的上位机采用VB开发。可以实时显示及保存采集数据。上位机软件部分通过ADO数据访问技术访问系统数据库，将采集到的数据以图形或表格的形式显示出来。本系统下位机主要采用87C552系列单片机系列。当系统出现故障时，单片机能及时地检测，捕获故障信息并加以处理。系统还具有数据查询、系统通信测试等功能。本系统已经完

2、成的部分实验运行结果表明，各项性能指标基本达到设计要求，运行稳定、可靠。该系统控制有效，运行安全，维护量小，成本低廉。关键词: 微机网络监控、单片机、串行通信、RS-485AbstractThis design primary coverage is the 6KV transformer substation long-distance microcomputer supervisory system design. The system connection electric circuit through the microcomputer RS-232 serial interface

3、 and the 87C552 single chip micro-computer serial interface, constitutes the RS-485 many machine correspondence network. This system controlled MSCOM through VB6.0 in correspondence to realize serially passed through by the PC main engine with the multi-Taiwan monolithic integrated circuit substatio

4、n, and carried on the real-time data using the programming gathering processing and the control. The system on position machine uses the VB development. May the real time display and the preserved gathering data. On the position machine software part through the ADO data accessing technology visit s

5、ystem database, the data which gathers demonstrates by the graph or the form. This system lower position machine mainly uses the 87C552 series single chip micro-computer series. When the system appears the breakdown, the monolithic function examines promptly, the capture breakdown information and pr

6、ocesses. The system also has the data inquiry, reports to the police, functions and so on system communication test.The experimental operation results show that the system, with all characteristics indexes being satisfied with the design requirements, can operate stably and reliably. The system run

7、safely, and maintenance of the system is small. The system is a cost-low system.Keywords： computer moniter control system；single chip micro-computer；computer series communication；RS-485第一章 绪 论 变电所远程监控系统的基本概念变电所是接受电能、变换电压和分配电能的场所，为了实现电能的经济输送和满足用电设备对供电质量的要求，需要对电压进行多次变换（变电），这项任务是由变电所完成的。监控是计算机对生产过程（被监视

8、对象）的不同变量参数进行巡回检测，将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来，实现对生产过程的集中监视，并对采集到的数据进行分析处理，给出生产过程控制的建议，由过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制。 变电所远程监控系统的组成及特点 6KV变电所远程监控系统的组成 6KV变电所微机远程监控系统由主站设备（PC机）和远端设备单片机监控单元（87C552）两部分构成。系统硬件由主机及其外部设备，多台单片机智能控制单元及其外部设备，RS-485接口组成。远端设备安装在变电所内（每路一台），主要完成对模拟量的采集和检测，将运行状态和数据发送给主站，并能接收主站发送来的命令。主站设备是

9、一台装有监控软件的PC机，安装在控制中心或值班室，进行设置参数或控制，通过串口和远端设备相连。远端设备站软件可以管理整个系统的所有远端设备，如，当远端送来的被控对象出现异常信息时，主站会提示报警，将数据存入数据库中，并能提供历史数据查询及数据曲线的绘制等。上位机与下位机的通信采用主从式RS-485接口通信网络。如图1-2-1所示。 6KV变电所远程监控系统的特点6KV变电所采用微机远程监控系统后，对于一次系统没有影响，一次设计仍按常规设计。二次系统的设计除保护外，在开关柜上有测量与控制信号，控制室的控制与信号屏上仍有一套测量与控制信号，这两套测量信号与控制都进入计算机，为了减小二次回路的负担，

10、减少事故隐患，设计的工作量，工程投资及日后的维护工作，取消了保护屏、信号屏、控制屏及测量表计，仅保留开关柜上的一部分。变电所二次系统功能在采用微机监控后没有发生改变，而且在某些方面还得到加强。在采用变电站成套微机保护后，二次回路设计变化较大。微机保护以一个配电回路为单位，把这一回路的测量、保护及控制信号由一个独立的单片机来完成，形成一个独立完整的微机监控单元。每一配电回路的单片机通过一根通信电缆相互连接，先将数据集中到现场控制站再传送到中控制站。这样就可以取消原来的保护屏、信号屏、控制屏及测量表计。图1-2-1 变电所远程监控系统的组成 变电所外部控制电缆的减少，简化了二次系统设计，减少了施工

11、量并降低了工程综合造价，提高了变电所的运行效率。此外，系统抗干扰能力强，可扩展性好。可对全厂供电系实现远距离测量、监控，值班人员可以随时观察到整个供电系统的运行情况，出现事故时监控系统能立即报警并进行打印记录，工作人员可以通过这些信息迅速判断事故发生地点、查找事故发生原因 ，并及时做出相应的处理，从而减少停电的时间。日常工作时微机监控系统还可以根据要求打印出各种测量数据，而不必象以前需要人工抄表记录，减轻了工作人员的劳动强度，更为重要的是通过测控可合理地进行负荷调配、节约电能、降低能耗、优化运行。 6KV变电所远程监控系统的功能及任务 6KV变电所远程监控系统的功能随着单片机及微机技术的不断发

12、展，特别是网络技术的应用，变电所远程监控系统的范围越来越广，功能也越来越强大。此6KV变电所微机远程监控系统有如下功能：a)数据采集功能：系统对所有的模拟量、开关量进行实时和定时数据采集，定时数据可根据设定的时间间隔自动转存于硬盘作为历史记录，并能报表打印。 b）数据处理功能：系统能对模拟量进行合理性的校验和上下限比较，对开关量进行实时扫描，对事件记录输出并报警，对重要的历史数据进行处理并存盘。 c)可通过监控主机的键盘和鼠标对断路器进行控制操作。 6KV变电所远程监控系统的任务目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题，随着监控的覆盖面的扩大，监控系统的任务也日益繁重，系统技术改造是一项重要的

13、技改工作。此6KV微机远程监控系统的主要任务就是监视变电站运行生产过程,实现各类操作控制,完成变电站生产过程的监测与控制。所以该系统首先要能够实时采集全站生产过程中的各种实时信息,更新数据库,为监控系统提供真实可靠的运行。能提供正常情况下的运行显示,调用所有的数据,完成各种管理提示及统计报表等工作。实时监视生产过程中的各类异常报警(如短路、过载、过压、欠压、过电流)等信号,并做出相应的处理。此外，次系统不仅要在本地完成监视现场运行数据，对现场仪表进行标定，对操作参数进行修改，实现各种先进控制，方便地完成对控制系统的监视、设置参数等功能;而且在远程和异地也能实现控制系统操作和运行数据的传输，实现

14、资源共享。 变电所远程监控系统的历史、现状及发展前景在早期的变电所微机远程监控系统中，设备较为简单，只能完成一些基本的操作，如：数据采集，报警等。但是一旦系统出现故障，便不能进行正常的工作甚至会造成大面积的断电事故，这是工矿企业和其他企业所不能允许的。我国现有的大中型企业的变电所远程监控系统大多采用分散的模拟量的监控系统。这种监控系统庞大、复杂、可靠性差、浪费能源，而且使用大量人力。在大型工矿企业，由于企业生产的特殊性决定了许多生产装置的安全性很高，这就要求有很高的供电质量，否则将直接影响装置的安全生产及系统的综合生产能力，工业系统几乎每年都有因供电故障而导致装置停车的事故发生，直接影响到各厂

15、及公司的经济效益。80年代以来由于微机技术的发展，特别是进入90年代微机监控技术的不断升级，运动终端、当地监控等装置的相继更新换代，系统可以自检并能进行自诊断、自排除故障等 ，大大提高了运行效率。随着世界经济一体化进程的加快，这些企业就必须用先进的技术进行彻底改造，研制一套更为完备的监控系统.此系统用一台高性能的计算机(上位机)对整个系统进行管理，用多台前端机(单片机智能控制单元)执行分布式检测与控制任务，采用集检测、控制和管理为一体的计算机网络(集中分散型系统)，具有主从式微机网络形式。随着计算机技术的飞速发展，变电所远程监控系统的性能价格比越来越高，成本也越来越低，这使其在各行业中得到更为

16、广泛的应用。近年来，计算机技术和自动控制技术也逐渐在工厂变电所中得到推广使用，变电所监控技术得到迅速发展。今后这一技术的发展，必将使变电所远程监控装置逐步取代变电所原有的继电保护 、就地保护等常规设备，提高变电所安全经济运行效率。现在工业系统内已有许多单位使用了变电所微机远程监控系统。目前变电所微机远程监控系统向下述方向发展：变电所站内综合自动化监控系统,是将线路、电动机、电容器等微机保护测控装置结合起来而组成的集保护、测量、控制、通信于一体的新型变电所监控系统。该系统分为三层:变电站层、通信层、间隔层。近几年来，变电站的各种微机监控装置得到了广泛应用。如微机保护装置、微机多功能电能表、微机直

17、流监控装置、微机单相接地选线装置、微机故障滤波装置，这些装置提供了大量的电网的运行和控制信息。如何全面迅速地收集处理这些种类繁多、数量庞大、实时性和准确性要求较高的信息并进行有效的管理和控制，真正做到无人值班变电站和变电站自动化是自动化人员面临的重大课题。因此，变电所微机监控系统是今后一段相当长时期的发展方向。 本设计选题意义和系统采取的总体方案及其可行性1.5.1 本设计选题意义随着自动控制技术和信息技术的迅速发展，以及80年代以来微机技术的发展，特别是进入90年代以来的微机监控系统中，电力系统已经成为城市经济活动的命脉，对城市经济发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。近几年来，变电所

18、电压等级的迅速提高、容量的不断扩大和结构的优化升级,对自动化程度的要求也越来越高,采用常规的仪表、光字牌、开关等对设备监控已很困难,特别是大中型变电所更是难以实现。煤矿企业是电力系统的重要用户,对供电的可靠性要求很高，因此，对变电站也有了更高的要求。如：(1)能对供电系统中每一路进线开关的电压、电流、相位差进行采集，并实现实时的测量和监视。(2) 能对供电系统中每一路进线开关的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、电度、频率、温度等数据进行报表输出。(3)能对供电系统中每一路的运行状况进行查询以及进行相应的控制和保护。（4）能对供电系统中每一路的各种参数值进行设置。（5）通过CRT能实现实

19、时显示主接线画面,并显示各种图形、曲线、图表以及故障后的历史画面显示等等。（6）通过打印机能打印测量和计算后的曲线、图表等, 能随时完成召唤打印屏幕上显示的内容。（7）能通过微机键盘,在显示器上闪光等方式来操作断路器的合闸、分闸,可避免误操作。为了解决以上问题，采用微机远程监控系统是一种较好的途径。通过微机远程监控可随时观察供电系统的运行情况, 进行自动检测并定时打印，以了解系统的工作状况，并能够及时发现设备的异常情况及迅速处理异常或故障，实现系统的优化。1.5.2 系统采取的总体方案及其可行性此6KV变电所远程监测系统是一个实时多任务的开放系统，主要通过采集供电系统中每一路进线开关的电流、电

20、压及相位差等，对供电系统中每一路进线开关在运行期间的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、电度、频率、温度等数据进行检测，监视6KV进线、变压器、电压互感器、电流互感器等，对各路供电进行过载保护、短路保护、过电压保护、欠电压保护、过电流保护、零序电流保护等，在事故掉闸时可以发出报警信号。对过载、短路、过压、欠压、过电流、零序电流等参数进行记录并制表打印，以便当可能的事故发生时能在事前进行故障预报，及时发现并排除故障隐患。此系统还可对开关合闸及继电器保护环节的开关状态进行巡回扫描和数据处理，使得即使事故出现后亦能进行事故追忆，事故顺序记录能重现事故发生时的开关状态和运行参数等，为分析事故原因

21、提供了详细的资料。在系统中，具有管理功能的上位机须要对单片机智能控制单元发布命令，作为检测与控制的单片机智能控制单元则随时向上位机传送现场数据信息，形成多机通信。在单片机智能控制单元即单片机87C552系统完成参数数据采集、处理，输出控制信号;参数设定与修改、显示、声光报警及与上位机通信联络功能。上位机则需将单片机智能控制单元所有信息进行综合处理，完成屏幕显示、设定与修改单片机智能控制单元参数、打印表格、报表及报警功功能。上位机与单片机智能控制单元间通过串行通信接口联系起来。由于单片机性能稳定可靠，接口通道配置简单灵活，数据传输方便快捷，价格低等优点，从而为现场控制，数据采集，传输提供了良好的

22、条件。PC机计算能力强，容量大，具有良好的人机界面的优点，这种一台PC机与多台单片机的远距离多机通信是可行的。第二章 远端智能控制单元的设计由于变电所的特点和实际需要，本设计的远端设备应能完成对模拟量（电压、电流、相位差）的采集和开关量的检测，能够通过通信接口将运行状态和数据发送给主站，接收主机发送的命令，并进行相应参数设置或控制。在本智能控制单元（下位机）中，选择了Philips公司的80C51系列中的87CS52单片机，它是80CSI系列中的典型产品，与Intel公司的MCS-51系列单片机完全兼容，具有相同的指令系统、地址空间和寻址方式，采用模块化的系统结构，且其在以8051为内核的基础

23、上增加了一些功能部件，这些新增的功能部件(电路)有:A/D转换器、捕捉输入/定时输出、脉冲宽度调制输出(PWM). IIC总线接口、监视定时器(Watchdog Timer)等。 远端智能控制单元的硬件设计基础87C552简介 PHILIPS 80C51系列单片机是以堪称8位工业标准微控制器的Intel 8051为基础发展起来的加强型产品，其中最具代表性的便是8XC552。它已被成功应用于仪器仪表、工业控制以及汽车发动机和传送控制等广阔的领域中。2.1.1 概述8XC552单片8位微控制器以先进的CMOS工艺制成，为80C51微控制器大家族中的一个分支。8XC552用来泛指以下三个产品：83C

24、552含8K字节掩膜编程ROM，256字节RAM；87C552含8K字节EPROM，256字节RAM；80C552无ROM型83C552。8XC552具有如下特点：1)80C51中央处理单元，使用MCS-51指令系统；2)8K字节程序存储器，并可外扩展至64K字节；3)新增了一个16位定时/计数器，与4个捕捉寄存器及三个比较寄存器配合使用 ;4)两个标准的定时/计数器；5) 一个8路模拟输入的10位A/D转换器;6）256个字节RAM，可外扩展至64K字节；7）五个8位I/O端口和一个与模拟输入公用的输入端口；8）IIC总线串行口，具有针对字节的主从功能。2.1.2 引脚配置及封装8XC552

25、有68脚LCC（塑料PLCC和陶瓷CLCC）与80脚QFP两种封装。这里我们首先介绍这两种形式下的引脚排列情况，然后再讲述这些引脚的功能。1）引脚排列图2-1-1和图2-1-2所示为LCC和QFP两种封装形式的引脚排列情况。图2-1-3所示为8XC552的逻辑符号图。图2-1-2 QFP封装形式的引脚排列 图2-1-1 LCC封装形式的引脚排列2）引脚功能 1：VDD和 Vss:数字电路电源引脚，前者接+5V供电电源，后者接数字地2： AVDD 和 AVss：模拟电路电源正极和模拟地3：STADC 输入A/D转换信号4：和 ：脉冲宽度调制输出引脚0和15： 监视定时起开放引脚6： P0口引脚，

26、8位漏极开路的双向I/O线7： P1口8条I/O引脚，复用功能如下： 定时器T2捕捉输入信号定时器输入事件信号 定时器外部复位信号，上升沿有效 串行口时钟线I2C总线串行口数据线I2C总线8： P2口准8位I/O口9： 第二功能： 图2-1-3 8XC552逻辑符号图：INT0 ：INT1 ：T0 ：T1 ：WR ：RD 准8位双向I/O口10: 模拟量的输入，仅仅做输入口用11：RST 复位12：XTAL1 内部反向放大器输入13：XTAL2 内部反向放大器输出14：PSEN 外部程序存储器读允许15：ALE 地址锁存信号，高电平有效16： EA EA=1 从内部读取数据，片内访问程序存储器

27、17：Avref- A/D转换参考电压：低端18：Avref+ A/D转换参考电压：高端2.1.3 定时器T22.1.3.1 内部结构定时器T2是一个16位定时器，它主要有定标器与T高字节TMH2和低字节TML2（高低字节有时合称TML2）两个寄存器构成。 图2-1-1 定时器T2的内部结构图 2.1.3.2 定时器T2控制寄存器TM2CON 图2-1-2定标器三位开关的切换、外部复位信号的开闭与16位溢出中断的选择以及定标器分频因子的确定等问题，直接受控于定时器T2工作控制寄存器TM2CON。定时器的复位有三种方法：1.复位引脚RST上的有效信号使87C552复位2.在外部复位信号T2ER置

28、1情况下，把RT2由低拉成高电平图2-1-2 定时器2控制寄存器TM2CON2.1.3.3 输入捕捉逻辑 输入捕捉逻辑的功能是测量脉冲宽度、频率、周期、占空比和相位差等参数有力工具。其中CT0I-CT3I为4条独立的信号输入线，这4条输入线与P1口低位共用，每条输入线都有一个专门的16位捕捉寄存器CT0-CT3相连接。输入线上的正跳变、负跳变都可以看作一个事件。这样，某输入线上CTnI上一有规定的事件发生，则相应的寄存器CTn立即去捕捉寄存器T2的内容，也就是记录下定时器T2的内容。同时通过中断标志寄存器CTI0-CTI3去请求中断。如图2-1-3示：事件的定义： 图2-1-3 捕获控制寄存器

29、CTCON2.1.3.4 中断标志寄存器TM2IR 与定时器2有关的中断标志有9个：8位溢出中断标志T2BO、16位溢出中断标志T2OV、四个输入捕获标志CTI0-CTI3和三个比较匹配中断标志CMI0-CMI3。图2-1-4 中断标志寄存器TM2IR2.1.3.5 中断优先级寄存器IP1 图2-1-5 中断优先级寄存器IP12.1.3.6 中断允许寄存器 IEN1 图2-1-6 中断允许寄存器IEN1 2.1.4 I/O端口结构7C552有6个8位端口。每个端口都有锁存器、输入缓冲器以及输出驱动器（P5口没有）构成。其中P0-P3四个端口和80C51芯片上的同名端口几乎完全相同，只是87C5

30、52P1口增加了第二功能。P4口的并行输入输出和PI、P2、P3相同，但是P5口只做模拟量的输入口用，不能用做输出口，下图仅仅表示了P5口的示意图。如图2-1-7示： 图2-1-7 P5口锁存器和I/O缓冲器2.1.5 模拟输入电路87C552的模拟输入电路由8路输入开关电路和10位二进制逐步逼近式ADC组成。模拟参考电压AVREF和模拟地AVSS分别通过各自引脚接入。转换时间为50个机器周期，若震荡频率为16MHZ，则转换时间为；震荡频率为24MHZ则转换时间为25us，模拟输入电压范围0-5V。如图2-1-8所示。 图2-1-8 模拟输入电路功能框图 2.1.6 A/D转换有逐步逼近式A/

31、D转换器（ADC）。ADC含有一个一个D/A转换器，它把逐步逼近式寄存器SAR的内容转换为内部电压VDAC去与模拟电压Vin比较。1）A/D转换器的启动图2-1-9 A/D控制寄存器ADCON 2）A/D转换过程ADC对被选中的P5口某引脚上的输入电压进行采样。为得到有效的采样值，该输入电压应该稳定；为了防止产生不确定的后果，该输入电压的变化率必须小于10V/ms。逐步逼近式控制逻辑首先把逐步逼近寄存器SAR的最高位置1。其它位均为0（即200H）。内部ADC于是将此值转换为相应的模拟电压VDAC（第一次为全量程的一半）去与输入电压Vin相比较。如果输入电压高于或等于Vin，则最高位的1保留，

32、否则为0。逐步逼近控制逻辑下次将把次高位置为1（得300H或100H），所得的VDAC与Vin进行比较，若输入电压高于或等于VDAC，则相应的位的“1”保留下来；否则接被清掉。此过程一直继续到所有的10位被测试完毕为止，此时，转换结果保留在SAR中。图2-1-10所示为A/D转换的流程，图中位指针指向正在被测试的位，每位的转换时间为4个机器周期。3）A/D转换结果一次A/D转换的结束以位置1为标志。ADCI是ADC中断标志,不可用软件置1，仅仅在ADC转换结束时，有硬件自动置1。该标志可以被中断服务子程序清0。当ADCI为1时，ADC不能启动新一轮转换。转换的结果高8位放在ADCH中，低两位放在ADCON的第一位和第零位中，实际转换时间为50个机器周期。在命令触发器ADCS置1的后的50