遼寧工業(yè)大學(xué)配電系統(tǒng)及其自動化課程設(shè)計（論文）題目分散式變電站自動化系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場單元的設(shè)計院（系）新能源學(xué)院專業(yè)班級學(xué)號1學(xué)生姓名指導(dǎo)教師（簽字）起止時間2015113020151211課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）電氣工程學(xué)院教研室電氣工程及其自化注成績平時20論文質(zhì)量60答辯20以百分制計算學(xué)號121806002學(xué)生姓名李博倫專業(yè)班級電氣（光伏）121設(shè)計題目分散式變電站自動化系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場單元的設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)該現(xiàn)場單元的基本功能實現(xiàn)遙測、遙信、遙控等功能，且該監(jiān)控現(xiàn)場單元與主站通信方式采用RS485通信形式。設(shè)計背景變電站進線電壓為110KV，出線電壓為35KV，變壓器的容量為6000KVA，監(jiān)測變壓器的輸出功率和兩回35KV出線，實時監(jiān)測線路上斷路器和隔離開關(guān)狀態(tài)，并將要的信息上傳主站，可以接受主站發(fā)出的遙控遙調(diào)命令。設(shè)計內(nèi)容硬件電路設(shè)計1最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，存儲器，晶振電路，復(fù)位電路）2電流電壓檢測電路設(shè)計3電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計4電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計5與主站通信接口設(shè)計6軟件設(shè)計（程序流程圖和程序編寫及電流電壓有效值以及故障識別算法確定）進度計劃第1天查閱收集資料第2天總體設(shè)計方案的確定第3天最小系統(tǒng)設(shè)計第4天電流電壓檢測電路設(shè)計第5天電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計第6天電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計第7天與主站通信接口設(shè)計第8天軟件設(shè)計第9天設(shè)計說明書完成第10天答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時論文質(zhì)量答辯總成績指指導(dǎo)教師簽字年月日摘要變電站的主要功能是變換電壓等級、匯集配送電能，是電力系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，隨著21世紀(jì)的到來，飛速發(fā)展的的計算機技術(shù)和自控技術(shù)使得傳統(tǒng)的二次設(shè)備將被綜合自動化系統(tǒng)替代，無人值守變電站成必然趨勢，變電站自動化自20世紀(jì)90年代以來一直是我國電力行業(yè)中的熱點之一，根據(jù)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展要求和市場經(jīng)濟的規(guī)律，變電站綜合自動化有著飛速的發(fā)展速度和廣闊的發(fā)展空間。基于INTERNET技術(shù)的和面向?qū)ο蟮姆謱油ㄐ?、分散布置的變電站綜合自動化技術(shù)成為當(dāng)今該領(lǐng)域的先進代表。在分散式變電站自動化系統(tǒng)中，特點之一就是以一次設(shè)備為單元，在一次設(shè)備現(xiàn)場設(shè)置監(jiān)控和保護的現(xiàn)場輸入輸出單元，現(xiàn)場單元可以是監(jiān)控和保護二合一裝置，也可以保持相互獨立。本此設(shè)計對分散式變電站自動化系統(tǒng)保護現(xiàn)場單元進行設(shè)計及分析，本次設(shè)計包含了保護現(xiàn)場單元控制核心模塊設(shè)計和其與電力參數(shù)、電氣設(shè)備以及主站通訊等等的配合，還有保護現(xiàn)場單元中的軟件設(shè)計，使分散式變電站自動化監(jiān)控現(xiàn)場模塊得以實現(xiàn)，以此來說明分散式變電站在現(xiàn)代變電站綜合自動化中的重要作用及對未來變電站綜合自動化的發(fā)展趨勢的影響。關(guān)鍵詞變電站自動化；分散式變電站；保護現(xiàn)場單元；綜合自動化。目錄第1章緒論111配電系統(tǒng)自動化概況112本文研究內(nèi)容1第2章保護現(xiàn)場單元硬件設(shè)計321電氣主接線圖322保護現(xiàn)場單元總體設(shè)計方案423保護現(xiàn)場單元控制核心模塊設(shè)計4231CPU的選擇5232復(fù)位電路設(shè)計5233時鐘電路設(shè)計6234保護現(xiàn)場單元控制核心模塊624保護現(xiàn)場單元電力參數(shù)檢測電路設(shè)計725保護現(xiàn)場單元電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計826保護現(xiàn)場單元電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計827保護現(xiàn)場單元與主站通信接口電路設(shè)計9第3章保護現(xiàn)場單元軟件設(shè)計1031軟件實現(xiàn)功能綜述1032算法綜述1033流程圖設(shè)計11331主程序流程圖設(shè)計11332電力參數(shù)檢測流程圖設(shè)計11333通信流程圖設(shè)計12第4章系統(tǒng)設(shè)計與分析1441系統(tǒng)原理圖1442系統(tǒng)原理綜述14第5章課程設(shè)計總結(jié)16參考文獻17第1章緒論11配電系統(tǒng)自動化概況配電自動化技術(shù)是服務(wù)于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)改造建設(shè)的重要技術(shù)，配電自動化包括饋線自動化和配電管理系統(tǒng)，通信技術(shù)是配電自動化的關(guān)鍵。目前，我國配電自動化進行了較多試點，由配電主站、子站和饋線終端構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)已得到普遍認(rèn)可，光纖通信作為主干網(wǎng)的通信方式也得到共識。饋線自動化的實現(xiàn)也完全能夠建立在光纖通信的基礎(chǔ)上，這使得饋線終端能夠快速地彼此通信，共同實現(xiàn)具有更高性能的饋線自動化功能。配電自動化系統(tǒng)（DAS）是一種可以使配電企業(yè)在遠(yuǎn)方以實時方式監(jiān)視、協(xié)調(diào)和操作配電設(shè)備的自動化系統(tǒng)；其內(nèi)容包括配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（SCADA系統(tǒng)）、配電地理信息系統(tǒng)（GIS）和需求側(cè)管理DSM）幾個部分。配電系統(tǒng)自動化中包括變電所中的繼電保護，當(dāng)?shù)刈詣踊b置，調(diào)度中心之變電所的監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，配電線自動化，用戶自動化等內(nèi)容。20世紀(jì)50年代以前，配電網(wǎng)變電所中除繼電保護裝置外，設(shè)備的運行，操作和控制均由運行人員或值班人員來完成。之后逐漸發(fā)展出了一些自動化裝置，但設(shè)備的運行和抄表工作仍由人工來完成。50年代后期，曾先后采用通過用電鐘式和簡易數(shù)學(xué)式遠(yuǎn)動裝置，實現(xiàn)對遠(yuǎn)方變電所進行遙信，遙控和遙測。70年代，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，配電網(wǎng)中也開始采用以計算機為基礎(chǔ)，在調(diào)度中心實現(xiàn)自動化，同時，自動化進一步推向配電線和用戶，使配電系統(tǒng)自動化的功能和覆蓋范圍更加全面。12本文研究內(nèi)容配電系統(tǒng)自動化是指以實時方式就地或遠(yuǎn)方對配電網(wǎng)進行數(shù)據(jù)收集，控制，調(diào)節(jié)和事故處理的技術(shù)。其目的在于保證配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，改善電壓質(zhì)量，降低電能損耗，快熟處理事故，提高供電可靠性。變電站自動化是將變電站中的微機保護，微機監(jiān)控等裝置通過計算網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)集成為一體的自動化系統(tǒng)。我國在經(jīng)歷了以RTU為基礎(chǔ)的變電站自動化系統(tǒng)的第一階段和集中式變電站自動化系統(tǒng)的第二階段后。90年代中期，隨著計算機技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，同時結(jié)合變電站的實際情況，各類分散式變電站自動化紛紛研制成功并投入運行，本文通過分散式變電站的自身特性，著重研究現(xiàn)場單元部件中的保護部分，以及未來的發(fā)展趨勢。本次研究任務(wù)1實時分析出線運行運行狀態(tài)；2故障時啟動保護電路；3故障信息上傳主站；4接受主站發(fā)出的跳閘命令。第2章保護現(xiàn)場單元硬件設(shè)計21電氣主接線圖主接線系統(tǒng)應(yīng)保證對用戶供電的可靠性，特別是保證對重要負(fù)荷的供電，以及能應(yīng)能靈活地適應(yīng)各種工作情況，特別是當(dāng)一部分設(shè)備檢修或工作情況發(fā)生變化時，能夠通過倒換開關(guān)的運行方式，做到調(diào)度靈活，不中斷向用戶的供電。在擴建時應(yīng)能很方便的從初期建設(shè)到最終接線。配電系統(tǒng)自動化在變電站中應(yīng)用廣泛，根據(jù)設(shè)計要求，變電站進線電壓為110KV，出線電壓為35KV，變壓器的容量為6000KVA，監(jiān)測一回35KV出線，其電氣主接線圖如圖21所示。圖21電氣主接線圖22保護現(xiàn)場單元總體設(shè)計方案因為根據(jù)安裝單位的繼電保護裝置需要完成保護功能和接受和執(zhí)行保護定值修改，所以需要設(shè)置保護現(xiàn)場單元，其總體設(shè)計框圖如圖22所示。圖22保護現(xiàn)場單元總體設(shè)計框圖23保護現(xiàn)場單元控制核心模塊設(shè)計現(xiàn)場智能控制模塊以單片機為核心處理器來實現(xiàn)控制功能，并且由復(fù)位電路及時鐘電路組成，當(dāng)主站計算機系統(tǒng)發(fā)出修改指令后，CPU按照指令來執(zhí)行相應(yīng)的動作，達(dá)到遙控功能的目的。模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換器主CPU系統(tǒng)FPGA自檢裝置遙控輸出閃存通訊接口主站計算機系統(tǒng)開關(guān)量輸入231CPU的選擇CPU可以選用AT89C51單片機芯片來構(gòu)成，也可以由PLC可編程控制器來代替，本文研究內(nèi)容主要以AT89C51單片機芯片為例，所以選用AT89C51單片機芯片，其電路圖如圖23所示，為雙列直插式，由40引腳組成。圖23AT89C51芯片電路圖232復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位，當(dāng)主站計算機系統(tǒng)發(fā)出整定命令后，89C51芯片需要進行復(fù)位過程，重新輸入整定值，復(fù)位電路可以完成動作的整定和停止，其電路圖如圖24所示。采用電容與開關(guān)并聯(lián)，再與電阻串聯(lián)的方式，接AT89C51芯片的第九引腳。圖24復(fù)位電路圖233時鐘電路設(shè)計時鐘電路用于產(chǎn)生AT89C51單片機工作時所必須的時鐘控制信號，89C51單片機的內(nèi)部電路在時鐘信號的控制下，嚴(yán)格的執(zhí)行指令進行工作，在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出所需要的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定的操作。在接受主站計算機系統(tǒng)發(fā)出的延時命令后，核心芯片要根據(jù)給定的數(shù)值來進行延時動作，時鐘電路圖如圖25所示，設(shè)計采用雙電容并聯(lián)方式，圖中晶振片的頻率為110592MHZ。圖25時鐘電路圖234保護現(xiàn)場單元控制核心模塊由AT89C51芯片，時鐘電路，復(fù)位電路組成的保護現(xiàn)場單元控制核心模塊，如圖26所示，復(fù)位電路接在AT89C51的/RET引腳。圖26保護現(xiàn)場單元控制核心模塊原理圖24保護現(xiàn)場單元電力參數(shù)檢測電路設(shè)計保護現(xiàn)場單元模擬量檢測回路要實現(xiàn)的軟件功能是將線路中的電流信息通過電流檢測模塊傳送給AT89C51單片機，途中利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讓單片機識別，并顯示。然后對電流進行判斷，通過顯示模塊顯示電流的有效值，如果電流有效值大于設(shè)定的允許值，則對外報警。其電路圖如圖27所示。圖27模擬量檢測回路25保護現(xiàn)場單元電氣設(shè)備運行狀態(tài)檢測電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，保護現(xiàn)場單元部件開關(guān)量檢測回路要具有自檢功能，電路圖如圖27所示，檢測電路實質(zhì)就是一個比較器，運放正設(shè)置接地，運放負(fù)端輸入待檢測信號，如果輸入信號的瞬時值大于零，那么運放輸出一數(shù)值，如果輸入信號的瞬時值小于零，則運放輸出另外一數(shù)值。其工作原理為當(dāng)QF斷開時，光耦二極管發(fā)光，遙信量輸出為高電平，并向CPU發(fā)出信號圖27開關(guān)量檢測回路26保護現(xiàn)場單元電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路設(shè)計根據(jù)電氣設(shè)備的性能要求，運行狀態(tài)控制電路需要完成遙控功能，利用AT89C51芯片P1口設(shè)計有8回路開關(guān)量的輸出，如圖28所示，其中RC為節(jié)能作用。圖28保護現(xiàn)場單元電氣設(shè)備運行狀態(tài)控制電路27保護現(xiàn)場單元與主站通信接口電路設(shè)計保護現(xiàn)場單元與主站通訊接口電路之間采用RS485接口芯片，在RS485互聯(lián)中，某一時刻站中，只有一個站可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一個站只能接收數(shù)據(jù)，因此其通信只能是半雙工方式，且其發(fā)送電路必須有使能端加以控制。根據(jù)要求，所設(shè)計的保護現(xiàn)場單元部件在線路出現(xiàn)故障的時候能夠及時將故障信息反饋給主站，因此需要它的傳輸速率達(dá)到9375KBPS，傳送距離可達(dá)12KM，如圖29所示。RS485可進行多站連接，實現(xiàn)分散式變電站自動化。圖29保護現(xiàn)場單元與主站通信接口電路第3章保護現(xiàn)場單元軟件設(shè)計31軟件實現(xiàn)功能綜述在全分散式變電站中自動化系統(tǒng)中，保護現(xiàn)場單元需要實現(xiàn)繼電保護裝置的保護功能，以及自檢功能，發(fā)送保護裝置的工作信息，動作信息，自檢信息等，還要接受和執(zhí)行保護定值修改告警信息，對保護裝置整定值和測量值的查詢，保護裝置復(fù)歸以及當(dāng)?shù)仫@示等功能。32算法綜述算法如下圖31所示。圖31算法圖33流程圖設(shè)計331主程序流程圖設(shè)計主程序流程圖如圖32所示。根據(jù)保護現(xiàn)場單元設(shè)計要求，變電站進線電壓為110KV，出線電壓為35KV，變壓器的容量為6000KVA，監(jiān)測一回35KV出線，實時分析出線運行運行狀態(tài)，故障時啟動保護電路，并將故障信息上傳主站，能接受主站發(fā)出的跳閘命令，所以設(shè)計如下。圖32主程序流程圖332電力參數(shù)檢測流程圖設(shè)計將交流和直流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到主CPU上，并且通過信號的信息反應(yīng)檢測電路是否出現(xiàn)故障，對故障信息能夠及時做出處理反應(yīng)，是模擬量檢測回路主要功能。流程圖如圖33所示。開始系統(tǒng)初始化線路采用主站系統(tǒng)繼電保護裝置符合要求出現(xiàn)回路是否開始圖33模擬量檢測流程圖333通信流程圖設(shè)計通信通道主要是將模擬量采集電路和電氣設(shè)備狀態(tài)檢測電路采集的數(shù)據(jù)信息上傳到FTU，為FTU判別線路運行狀態(tài)以及識別故障提供依據(jù)，并將FTU下發(fā)的遙控遙調(diào)指令傳送至電器開關(guān)設(shè)備，從而達(dá)到實時監(jiān)測控制的目的。程序流程圖如圖34所示。電壓形成回路低通濾波器，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器CPU主系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器開始計算和校驗控制字是否相等令控制字51H發(fā)出遙測信息令控制字61H發(fā)出遙信信息令控制字71H接受主站遙控信息結(jié)束圖34通信流程圖第4章系統(tǒng)設(shè)計與分析41系統(tǒng)原理圖通過之前的一系列設(shè)計與分析，最后得出了系統(tǒng)原理圖如圖41所示。圖41系統(tǒng)原理圖42系統(tǒng)原理綜述設(shè)計本身以AT89C51單片機芯片為核心，經(jīng)擴展和模擬量檢測和開關(guān)量控制輸入輸出進行數(shù)據(jù)交換，通信電路采用RS485接口芯片，運用RS485可進行多站連接，實現(xiàn)分散式變電站自動化。本次設(shè)計以分散式變電站綜合自動化系統(tǒng)以計算機技術(shù)以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)為基礎(chǔ)，現(xiàn)場單元部件為單位，最后結(jié)合變電站的實際情況發(fā)展出的現(xiàn)代化的變電站形式，它的系統(tǒng)特點是現(xiàn)場輸入輸出單元部件分別安裝在中低壓開關(guān)柜或高壓一次設(shè)備附近，可以自動檢測電壓電流整定值，再根據(jù)整定值來控制保護部分的繼電器動作，自動保護線路和變壓器，并能通過網(wǎng)絡(luò)將測量信息發(fā)給主站，實現(xiàn)“四遙”功能，最終完成了此次設(shè)計。第5章課程設(shè)計總結(jié)通過這次的課程設(shè)計，它鍛煉了我的思考能力，用所學(xué)的知識設(shè)計生活中的東西，加深了對配電系統(tǒng)的了解，并對單片機、可編程控制器PLC、微型計算機原理等知識又有了更加全面的認(rèn)識，在之前我們的認(rèn)識也只限于書本上的范例，不懂得如何運用這些寶貴的知識。此次課程設(shè)計，我使用AT89C51單片機為主體，根據(jù)要求為主片增加復(fù)位電路和時鐘電路，當(dāng)系統(tǒng)需要延時操作時，時鐘電路可以設(shè)置延時時間，而當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障或是初始化時，復(fù)位電路可以完成系統(tǒng)初始化。由于本次設(shè)計的任務(wù)要求是要有自檢功能，所以我在設(shè)計開關(guān)量輸入時利用AT89C51芯片的P1口作為輸出口，并在設(shè)計開關(guān)量電路時采用J