配电自动化终端FTU开关量采样
配电自动化终端FTU开关量采样[20191213105039]
摘 要
随着生活水平的不断提高，我们对电力系统的要求的越来越高。配电自动化技术很好的提高了配电系统的稳定性和效率。FTU馈线终端装置就是为了满足电网配电自动化的要求，而特别设计的一种结构紧凑、成本经济的馈线终端装置。
FTU，馈线自动化测控终端, 是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置，是实现电网监控和配电自动化的理想设备。该设备具有快速方便的通讯功能和故障检测能力，极大地方便了实现故障的隔离以及网络的优化与管理。
本文要研究探讨的是FTU馈线自动化终端系统的部分功能，即FTU开关量的采样及其软件设计。本文先介绍了FTU馈线自动化终端的概念及其主要功能，又对开关量的概念给予了说明。设计系统的过程中，先介绍了硬件部分几个主要模块，主要分为信号转换、信号调理、信号隔离、接口电路、单片机处理、 液晶显示等几个模块，接着介绍了本次设计中对于信号软件处理的方法。最后，将软件和硬件结合形成一个FTU开关量检测系统进行信号处理，并通过液晶显示处理结果，实现FTU的部分功能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:FTU；开关量采样；单片机信号处理；液晶显示
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 配电自动化终端FTU及开关量 2
1.2.1 FTU系统的概念 2
1.2.2 FTU的基本功能及选配功能 2
1.2.3开关量 3
1.3设计目标与方案 4
1.4 本章小结 5
第2章 硬件设计 6
2.1单片机最小系统设计 6
2.1.1 AT89C52单片机 6
2.1.2 单片机最小系统模块设计 8
2.2 信号处理模块设计 11
2.2.1 信号转换模块设计 11
2.2.2 信号调理模块设计 11
2.2.3 信号隔离模块设计 14
2.2.4 接口电路模块设计 17
2.3 液晶显示模块设计 19
2.4 本章小结 20
第3章 软件设计 21
3.1 软件设计平台介绍 21
3.2 主程序设计 21
3.3 液晶显示程序设计 23
3.4 本章小结 28
第4章 系统调试 29
4.1 调试环境 29
4.2 调试中出现的问题及解决方案 29
4.3 调试结果 30
4.4 本章小结 32
第5章 设计总结与展望 33
参考文献 34
致谢 35
附录 36第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着自动化技术的不断发展，我国发电厂开关站或变电站内的设备，目前已经由自动化系统取代。
配电自动化，是一个涵盖面广，用于管理与运行配电网的综合自动化系统，包含了配电网中的变电站、馈线网络、及用户管理、监控、优化运行等功能的系统。
配电自动化系统是应用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行安全集成，构成完整的自动化及管理系统，实现配电网正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理。它是配电自动化与配电管理集成为一体的系统。
FTU，馈线自动化测控终端, 是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置。 FTU主要应用于配网自动化系统中，适用于35KV以下配电网馈线沿线的柱上分段开关、联络开关、断路器、负荷开关、环网柜、开闭所的监测、控制、故障隔离和事故恢复，是实现电网监控和配电自动化的理想设备。该设备具有快速方便的通讯功能和故障检测能力，极大地方便了实现故障的隔离以及网络的优化与管理。
在一些工业发达的国家，配电自动化受到了广泛的重视，国外的配电网自动系统已经形成了集变电站自动化、馈线分段开关测控、电容器组调剂控制、用户负荷控制和远方抄表等系统与一体的配电网管理系统（DMS），其功能已达40多种。随着我国国民经济的日益提高，国民的用电量也日益增大，同时国民对用电的质量也提出了更高的要求，这就要求配电的自动化水平不断的提高，当然对作为配电自动化系统的-自动化装置的要求也越来越高。FTU作为馈线自动化终端单元是自动化装置的关键设备,FTU性能的高低关系到配电自动化水平的高低，所以研究自动化终端单元FTU是非常有必要的。
本文就柱上开关智能化数据采集与远程传输系统的部分功能进行设计的总结,重点介绍了硬件设计和软件设计的方法与过程，并且对设计结果进行了分析。
1.2 配电自动化终端FTU及开关量
1.2.1 FTU系统的概念
FTU指的是馈线终端单元，特指实现馈线段的模拟、信号量的测量、控制、的设备。配电网馈线远方终端单元FTU，一般根据其安装应用场合的不同,分为柱上FTU，环网柜FTU(DTU)。不同的FTU监测的馈线回路数据不一样，但基本功能一样，包括遥信、遥调、遥控和故障电流检测等功能。
配电网馈线终端单元FTU, 安装在柱上开关处，完成对柱上开关的监控。 FTU的工作电源来自FTU自身携带的免维护蓄电池；开关的操作电源以及蓄电池的充电电源来自柱上开关两侧的电压互感器。一般的FTU采用高性能单片机，具有带光电隔离的多路开关量输入，多路交流采样，可远方或就地控制一个或多个对象，具有重合闸功能，可选配过流、速断保护，具有对时功能和定值远方下装和召唤功能；具有故障报告功能；能在恶劣环境（高温、严寒、防雷、防尘、防雨等）下运行。
1.2.2 FTU的基本功能及选配功能
1 FTU的基本功能：
1、遥信功能：采集遥信变位、事故遥信并向主站或子站发送状态量。
2、信号检测：
（1） 模拟量检测：实时高速采集线路中的交流电压、电流信号，计算出电压、电流的有效值、有功、无功、功率因数计算以及各交流量的2-15次谐波分量及谐波总量等数据；综合测量精度0.2级。
（2） 开关量检测：实时监测开关量状态，记录开关的变位信息并向主站传送，24V光电隔离，可检测断路器状态、隔离开关状态、接地开关状态、储能状态、小车工作位置、闭锁信号和重合闸闭锁信号等。
（3）遥控功能：接收并执行遥控命令或当地控制命令，进行返送校核，与各种类型重合器、断路器和负荷开关配合执行操作。
（4）保护闭锁功能：具有三段式过流保护、三相一次重合闸、过负荷保护、零序过电流保 护等多种保护功能，可实现线路故障定位、隔离、记录故障发生的时间等功能。
（5）事件顺序记录（SOE）及上报功能：（事件顺序记录功能是将个厂站的开关及继电保护结点动作顺序及时间记录下来，供事后分析用，其主要指标是动作分辨率，共分为两类，即站内动作分辨率和站间 动作时间分辨率。）
（6）显示功能: 液晶显示器。
（7） 通信功能：通过RS485或RS232接口与上级站或馈线监控单元（主站）通信。上报开关量变位顺序事件记录、当前监测数据、存储的历史数据，开关变位优先传 送；接收命令，实现远方控制、参数设置与校时；通信规约采用DL/T 667 －1999（IEC60870－5－101）、Modbus，SC1801、Poling等。
2 FTU的选配功能：
（1）采集交流电压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量并有互感器的异常报警。
（2）能够储存顶点的电流量并按照召唤向子站或主站传送。
（3）接收并执行对时命令。
（4）具有与两个及以上主站通信的功能。
（5）采集事件顺序记录并向远方传送。
（6）具有设备自诊断或远方诊断。
（7）具有通道监视功能。
（8）具有当地显示功能。
（9）采集电能表脉冲或多功能表数据。
（10）可具有继电保护和重合闸功能。
1.2.3 开关量
开关量主要包括：由电力设备的继电器触点提供，反映各种开关开合的状态设备的工作状态。
具体信息为：
（1）短路器：刀闸的状态
（2）继电保护动作信息
（3）设备的运行信息，断线，缺相，运行，停运，正常，故障等
（4）门禁等状态信息，压力超限，油温超限等
以上信号，均取自现场设备的继电器的辅助触点。其中提供给IED装置的辅助触点信息有两种：有源触点和无源触点。有源触点，通过一个电压反映设备开关量信息。无源触点，相当一个开关，输入IED装置时，无论反映的是“合”还是“分”，触点两端均无电位差。断路器、隔离刀闸的信息，均是无源触点。
图1.1 有源触点与无源源触点示意图
1.3 设计目标与方案
本次设计的内容是实现柱上开关智能化数据采集与远程传输系统的一部分，即FTU开关量采样。设计的主要目的是对现场设备的继电器辅助触点的开关信号进行采集，并且由单片机进行相应的处理，最终能够显示处理的结果。
本设计的要求是实现FTU馈线终端系统的部分功能。根据设计任务的要求，本次设计的最终设计目标是模拟工业现场FTU的开关量输入。根据这个目标，设计系统将进行开关量信号的采集，并且进行滤波消抖，光电隔离等一系列电气处理后，最终将处理之后的信号发送到单片机，并且由单片机进行最终的处理，通过液晶显示出处理结果。根据设计要求，本次设计的主要设计指标如下：
（1）模拟现场开关量输入：10个 （2）系统的分辨率：10ms
（3）光电隔离部分：耐压1000V
经过分析，本设计的流程如下图所示：
图1.2 系统设计的总流程图
其中的各个部分的功能为：
(1)信号转换环节：将现场的开关量信号（无源、有源）装换成计算机可接 收的逻辑电平信号。
(2)信号调理：将逻辑电平信号进行滤波和消抖处理。例RC滤波器。同时对整个系统做一些处理，实现数据更加安全的传输等。
(3)信号隔离:实现现场信号和单片机的隔离，保护人身安全。
(4)接口电路:实现现场信号和单片机处理信号之间的转换，将现场信号发送到单片机。
（5）单片机：根据接收到的信号进行相应的处理，比如进行液晶显示当前开关量的状态，遇到危险信号进行报警等等。
（6）液晶显示：将单片机处理的结果通过液晶显示出来，使得设计的效果一目了然。
1.4 本章小结
配电自动化在人们日常生活中的地位越来越高，人们需要更加稳定的配电自动化操作系统。FTU作为这样的系统有着很高的研究设计价值，所以本次设计是很有意义的。
在正式进行硬件和软件设计之前，通过查阅资料，对FTU及开关量有了大概的了解。FTU馈线终端系统是一个自动化程度很高的系统，它的自动化操作大大提高了整个配电自动化系统的稳定性以及安全性。
在对FTU有了详细了解后进行设计方案的总结可以正确指导下面的硬件软件设计工作。通过严密的设计，我们可以了解FTU以及自动化控制的基本过程。FTU功能强大，了解和熟悉这种配电自动化的控制系统，可以更好的理解自动控制的含义，为毕业设计以及以后的工作打好基础。
第2章 硬件设计
2.1 单片机最小系统设计
2.1.1 AT89C52单片机
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。它的比较重要的功能有：
兼容MCS51指令系统 ，8K可反复擦写(>1000次）Flash ROM
32个双向I/O口，256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz
2个串行中断 可编程UART串行通道
2个外部中断源，共6个中断源
2个读写中断口线，3级加密位
摘 要
随着生活水平的不断提高，我们对电力系统的要求的越来越高。配电自动化技术很好的提高了配电系统的稳定性和效率。FTU馈线终端装置就是为了满足电网配电自动化的要求，而特别设计的一种结构紧凑、成本经济的馈线终端装置。
FTU，馈线自动化测控终端, 是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置，是实现电网监控和配电自动化的理想设备。该设备具有快速方便的通讯功能和故障检测能力，极大地方便了实现故障的隔离以及网络的优化与管理。
本文要研究探讨的是FTU馈线自动化终端系统的部分功能，即FTU开关量的采样及其软件设计。本文先介绍了FTU馈线自动化终端的概念及其主要功能，又对开关量的概念给予了说明。设计系统的过程中，先介绍了硬件部分几个主要模块，主要分为信号转换、信号调理、信号隔离、接口电路、单片机处理、 液晶显示等几个模块，接着介绍了本次设计中对于信号软件处理的方法。最后，将软件和硬件结合形成一个FTU开关量检测系统进行信号处理，并通过液晶显示处理结果，实现FTU的部分功能。
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关键字:FTU；开关量采样；单片机信号处理；液晶显示
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 配电自动化终端FTU及开关量 2
1.2.1 FTU系统的概念 2
1.2.2 FTU的基本功能及选配功能 2
1.2.3开关量 3
1.3设计目标与方案 4
1.4 本章小结 5
第2章 硬件设计 6
2.1单片机最小系统设计 6
2.1.1 AT89C52单片机 6
2.1.2 单片机最小系统模块设计 8
2.2 信号处理模块设计 11
2.2.1 信号转换模块设计 11
2.2.2 信号调理模块设计 11
2.2.3 信号隔离模块设计 14
2.2.4 接口电路模块设计 17
2.3 液晶显示模块设计 19
2.4 本章小结 20
第3章 软件设计 21
3.1 软件设计平台介绍 21
3.2 主程序设计 21
3.3 液晶显示程序设计 23
3.4 本章小结 28
第4章 系统调试 29
4.1 调试环境 29
4.2 调试中出现的问题及解决方案 29
4.3 调试结果 30
4.4 本章小结 32
第5章 设计总结与展望 33
参考文献 34
致谢 35
附录 36第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着自动化技术的不断发展，我国发电厂开关站或变电站内的设备，目前已经由自动化系统取代。
配电自动化，是一个涵盖面广，用于管理与运行配电网的综合自动化系统，包含了配电网中的变电站、馈线网络、及用户管理、监控、优化运行等功能的系统。
配电自动化系统是应用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行安全集成，构成完整的自动化及管理系统，实现配电网正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理。它是配电自动化与配电管理集成为一体的系统。
FTU，馈线自动化测控终端, 是一种集测量、保护、监控为一体的综合型自动监控装置。 FTU主要应用于配网自动化系统中，适用于35KV以下配电网馈线沿线的柱上分段开关、联络开关、断路器、负荷开关、环网柜、开闭所的监测、控制、故障隔离和事故恢复，是实现电网监控和配电自动化的理想设备。该设备具有快速方便的通讯功能和故障检测能力，极大地方便了实现故障的隔离以及网络的优化与管理。
在一些工业发达的国家，配电自动化受到了广泛的重视，国外的配电网自动系统已经形成了集变电站自动化、馈线分段开关测控、电容器组调剂控制、用户负荷控制和远方抄表等系统与一体的配电网管理系统（DMS），其功能已达40多种。随着我国国民经济的日益提高，国民的用电量也日益增大，同时国民对用电的质量也提出了更高的要求，这就要求配电的自动化水平不断的提高，当然对作为配电自动化系统的-自动化装置的要求也越来越高。FTU作为馈线自动化终端单元是自动化装置的关键设备,FTU性能的高低关系到配电自动化水平的高低，所以研究自动化终端单元FTU是非常有必要的。
本文就柱上开关智能化数据采集与远程传输系统的部分功能进行设计的总结,重点介绍了硬件设计和软件设计的方法与过程，并且对设计结果进行了分析。
1.2 配电自动化终端FTU及开关量
1.2.1 FTU系统的概念
FTU指的是馈线终端单元，特指实现馈线段的模拟、信号量的测量、控制、的设备。配电网馈线远方终端单元FTU，一般根据其安装应用场合的不同,分为柱上FTU，环网柜FTU(DTU)。不同的FTU监测的馈线回路数据不一样，但基本功能一样，包括遥信、遥调、遥控和故障电流检测等功能。
配电网馈线终端单元FTU, 安装在柱上开关处，完成对柱上开关的监控。 FTU的工作电源来自FTU自身携带的免维护蓄电池；开关的操作电源以及蓄电池的充电电源来自柱上开关两侧的电压互感器。一般的FTU采用高性能单片机，具有带光电隔离的多路开关量输入，多路交流采样，可远方或就地控制一个或多个对象，具有重合闸功能，可选配过流、速断保护，具有对时功能和定值远方下装和召唤功能；具有故障报告功能；能在恶劣环境（高温、严寒、防雷、防尘、防雨等）下运行。
1.2.2 FTU的基本功能及选配功能
1 FTU的基本功能：
1、遥信功能：采集遥信变位、事故遥信并向主站或子站发送状态量。
2、信号检测：
（1） 模拟量检测：实时高速采集线路中的交流电压、电流信号，计算出电压、电流的有效值、有功、无功、功率因数计算以及各交流量的2-15次谐波分量及谐波总量等数据；综合测量精度0.2级。
（2） 开关量检测：实时监测开关量状态，记录开关的变位信息并向主站传送，24V光电隔离，可检测断路器状态、隔离开关状态、接地开关状态、储能状态、小车工作位置、闭锁信号和重合闸闭锁信号等。
（3）遥控功能：接收并执行遥控命令或当地控制命令，进行返送校核，与各种类型重合器、断路器和负荷开关配合执行操作。
（4）保护闭锁功能：具有三段式过流保护、三相一次重合闸、过负荷保护、零序过电流保 护等多种保护功能，可实现线路故障定位、隔离、记录故障发生的时间等功能。
（5）事件顺序记录（SOE）及上报功能：（事件顺序记录功能是将个厂站的开关及继电保护结点动作顺序及时间记录下来，供事后分析用，其主要指标是动作分辨率，共分为两类，即站内动作分辨率和站间 动作时间分辨率。）
（6）显示功能: 液晶显示器。
（7） 通信功能：通过RS485或RS232接口与上级站或馈线监控单元（主站）通信。上报开关量变位顺序事件记录、当前监测数据、存储的历史数据，开关变位优先传 送；接收命令，实现远方控制、参数设置与校时；通信规约采用DL/T 667 －1999（IEC60870－5－101）、Modbus，SC1801、Poling等。
2 FTU的选配功能：
（1）采集交流电压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量并有互感器的异常报警。
（2）能够储存顶点的电流量并按照召唤向子站或主站传送。
（3）接收并执行对时命令。
（4）具有与两个及以上主站通信的功能。
（5）采集事件顺序记录并向远方传送。
（6）具有设备自诊断或远方诊断。
（7）具有通道监视功能。
（8）具有当地显示功能。
（9）采集电能表脉冲或多功能表数据。
（10）可具有继电保护和重合闸功能。
1.2.3 开关量
开关量主要包括：由电力设备的继电器触点提供，反映各种开关开合的状态设备的工作状态。
具体信息为：
（1）短路器：刀闸的状态
（2）继电保护动作信息
（3）设备的运行信息，断线，缺相，运行，停运，正常，故障等
（4）门禁等状态信息，压力超限，油温超限等
以上信号，均取自现场设备的继电器的辅助触点。其中提供给IED装置的辅助触点信息有两种：有源触点和无源触点。有源触点，通过一个电压反映设备开关量信息。无源触点，相当一个开关，输入IED装置时，无论反映的是“合”还是“分”，触点两端均无电位差。断路器、隔离刀闸的信息，均是无源触点。
图1.1 有源触点与无源源触点示意图
1.3 设计目标与方案
本次设计的内容是实现柱上开关智能化数据采集与远程传输系统的一部分，即FTU开关量采样。设计的主要目的是对现场设备的继电器辅助触点的开关信号进行采集，并且由单片机进行相应的处理，最终能够显示处理的结果。
本设计的要求是实现FTU馈线终端系统的部分功能。根据设计任务的要求，本次设计的最终设计目标是模拟工业现场FTU的开关量输入。根据这个目标，设计系统将进行开关量信号的采集，并且进行滤波消抖，光电隔离等一系列电气处理后，最终将处理之后的信号发送到单片机，并且由单片机进行最终的处理，通过液晶显示出处理结果。根据设计要求，本次设计的主要设计指标如下：
（1）模拟现场开关量输入：10个 （2）系统的分辨率：10ms
（3）光电隔离部分：耐压1000V
经过分析，本设计的流程如下图所示：
图1.2 系统设计的总流程图
其中的各个部分的功能为：
(1)信号转换环节：将现场的开关量信号（无源、有源）装换成计算机可接 收的逻辑电平信号。
(2)信号调理：将逻辑电平信号进行滤波和消抖处理。例RC滤波器。同时对整个系统做一些处理，实现数据更加安全的传输等。
(3)信号隔离:实现现场信号和单片机的隔离，保护人身安全。
(4)接口电路:实现现场信号和单片机处理信号之间的转换，将现场信号发送到单片机。
（5）单片机：根据接收到的信号进行相应的处理，比如进行液晶显示当前开关量的状态，遇到危险信号进行报警等等。
（6）液晶显示：将单片机处理的结果通过液晶显示出来，使得设计的效果一目了然。
1.4 本章小结
配电自动化在人们日常生活中的地位越来越高，人们需要更加稳定的配电自动化操作系统。FTU作为这样的系统有着很高的研究设计价值，所以本次设计是很有意义的。
在正式进行硬件和软件设计之前，通过查阅资料，对FTU及开关量有了大概的了解。FTU馈线终端系统是一个自动化程度很高的系统，它的自动化操作大大提高了整个配电自动化系统的稳定性以及安全性。
在对FTU有了详细了解后进行设计方案的总结可以正确指导下面的硬件软件设计工作。通过严密的设计，我们可以了解FTU以及自动化控制的基本过程。FTU功能强大，了解和熟悉这种配电自动化的控制系统，可以更好的理解自动控制的含义，为毕业设计以及以后的工作打好基础。
第2章 硬件设计
2.1 单片机最小系统设计
2.1.1 AT89C52单片机
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。它的比较重要的功能有：
兼容MCS51指令系统 ，8K可反复擦写(>1000次）Flash ROM
32个双向I/O口，256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz
2个串行中断 可编程UART串行通道
2个外部中断源，共6个中断源
2个读写中断口线，3级加密位
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