四遙-西南交通大學課程與資源中心課件

遠動監(jiān)控技術(shù)西南交通大學電氣工程學院

遠動監(jiān)控技術(shù)西南交通大學電氣工程學院1第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能第二節(jié)遠動執(zhí)行端的硬件構(gòu)成第三節(jié)遙信、遙控、遙測與遙調(diào)接口與實現(xiàn)第四節(jié)遠動執(zhí)行端的軟件結(jié)構(gòu)第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能2當?shù)乇O(jiān)控實景當?shù)乇O(jiān)控實景3一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能

微機RTU主要實現(xiàn)常規(guī)的“四遙”功能，而近年發(fā)展起來的“第五遙”——遙視功能由視頻監(jiān)控前端設備完成。一般所說的RTU不包括視頻監(jiān)控前端。

RTU應具有以下基本功能：五遙功能

即遙信、遙測、遙控、遙調(diào)及遙視功能。(2)事件順序記錄（SOE）

監(jiān)控人員需要及時掌握供電線路事故發(fā)生時各斷路器和繼電保護動作狀況及動作時間，以區(qū)分事件順序，做出運行對策和進行事故分析。事件順序記錄SOE的一項重要指標是時間分辨率。分辨率可分為RTU內(nèi)（即站內(nèi)）與RTU之間（即站間）兩種。

一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能微機RTU主4一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(3)系統(tǒng)對時

RTU站間SOE分辨率是一項系統(tǒng)指標，它要求各RTU的時鐘與調(diào)度中心的時鐘嚴格同步。(4)電能采集（PA）

采集變電所各條進線和出線以及主變兩側(cè)的電度值，傳統(tǒng)作法是通過記錄脈沖電度表的脈沖來實現(xiàn)，較先進的作法是通過和智能電度表通信獲取電度值。(5)自恢復和自檢測功能

RTU具有自檢功能，以及因停電、故障等原因死機后的自恢復功能。一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(3)系統(tǒng)對時5一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(6)與監(jiān)控中心通訊要求RTU能將采集的現(xiàn)場信息上報控制中心，并能控制中心下達的命令。通訊規(guī)約一般有應答式（也稱為問詢式，POLLING式）、循環(huán)式（CDT）兩種，目前RTU一般均采用POLLING方式。通訊速率一般用波特率表示，一般為1200bps，2400bps、4800bps和9600bps等。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展以及變電所綜合自動化系統(tǒng)的采用，要求遠動系統(tǒng)具有更高的傳輸速率，目前有些系統(tǒng)已采用2Mbps或10Mbps的傳輸速率。因此，RTU應具有通訊速率可配置的功能，并應具有支持光端機、載波通訊信道等功能。一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(6)與監(jiān)控中心通訊6一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(7)其它功能

以上六項功能為RTU的基本性能要求，除此之外，一般還希望RTU具有下列功能：

1)當?shù)仫@示與參數(shù)整定輸入；2)一發(fā)多收；3)CRT顯示、打印制表等。一、遠動執(zhí)行端(RTU)的功能(7)其它功能7二、遠動執(zhí)行端(RTU)的發(fā)展第一代——布線邏輯式（繼電器式、晶體管式、集成電路的遠動裝置）

特點：所有功能由硬件電路完成。按預定的要求進行設計、使構(gòu)成裝置的各部分電路按固定的時間順序工作來完成預定的功能。第二代——軟件化的遠動裝置：功能由計算機硬件和完成指定功能的軟件（加工程序）來實現(xiàn)，對程序進行修訂，就能夠改變系統(tǒng)的功能?！獛缀跛蠷TU第三代——網(wǎng)絡化RTU（標準協(xié)議）——正在發(fā)展，已有應用二、遠動執(zhí)行端(RTU)的發(fā)展第一代——布線邏輯式（繼電器8三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類從體系結(jié)構(gòu)上：變電所內(nèi)的RTU可以分為集中式RTU和分布式RTU兩大類。分布式RTU又可分為：功能分布式RTU和結(jié)構(gòu)分布式RTU兩大類。在采樣方式上：RTU可分為直流采樣RTU和交流采樣RTU兩類。從組屏方式上：RTU可分為集中組屏和分散布置兩類。從結(jié)構(gòu)上：可分作機柜式RTU、機箱式RTU、壁掛式RTU和單元模塊化RTU等幾類。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類從體系結(jié)構(gòu)上：變電所內(nèi)的RTU9三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類集中式RTU和分布式RTU集中式RTU

集中式RTU的典型體系結(jié)構(gòu)如圖所示。一般，CPU為系統(tǒng)中唯一的智能模塊，它負責管理其他非智能子模塊，并通過兩個RS-232C串行口，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器MODEM分別和兩個調(diào)度中心通訊，另一個RS-232C串行口用于外接CRT實現(xiàn)自檢測。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類集中式RTU和分布式RTU10集中式RTU的典型體系結(jié)構(gòu)示意圖SIOAIKBModemCPUModemCRT自檢SIOSIO調(diào)度所2AIDIDORDGWDTDIDO1PADO2調(diào)度所1集中式RTU的典型體系結(jié)構(gòu)示意圖SIOAIKBModemMo11三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類

其中：DI：遙信（數(shù)字量）輸入模塊，它可由若干個子模（如DI1、DI2等）構(gòu)成；AI：遙測（模擬量）輸入模塊，也可以由若干個子模塊（如AI1、AI2等）構(gòu)成；PA：電能脈沖量采集模塊；DO：遙控輸出模塊，也可以由若干個子模塊；DOR：遙調(diào)模塊；KB：鍵盤與顯示器模塊；DG：開關組態(tài)模塊；WDT：監(jiān)視定時器模塊。

集中式RTU，各模塊之間均以并行總線相聯(lián)系。而并行總線往往不允許傳輸太長的距離（通常小于50cm），因此，集中式RTU均是集中布置于一個機箱或機柜中的。

三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類其中：12四遙-西南交通大學課程與資源中心課件13三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類

2)分布式RTU隨著對電力系統(tǒng)自動化要求的提高，變電所無人值守和綜合自動化成為發(fā)展的趨勢，這就要求RTU能夠采集更多的開關量、模擬量和電度信息，并且能夠控制更多路遙控和遙調(diào)；同時往往還要求RTU能夠向更多的調(diào)度中心建立聯(lián)系，所采用的通訊規(guī)約往往也是各不相同的；此外對事件順序記錄（SOE）的站內(nèi)分辨率的要求也有提高的趨勢。集中式的微機遠動裝置因采用單處理器，CPU負荷過重往往不能滿足上述要求，此外采用并行總線的集中式遠動裝置也不便于采集不在同一現(xiàn)場的參數(shù)。針對上述情況，提出了多CPU結(jié)構(gòu)、各模塊間以串行總線相互聯(lián)系的分布式RTU。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類2)分布式RTU14三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類分布式RTU較集中式RTU具有如下優(yōu)點：布置靈活，便于采集地理上分布的信號；聯(lián)線簡單，可靠性高；便于擴容，容量可以很大；便于采用交流采樣方式；便于實現(xiàn)多規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)和一發(fā)多收。

但是分布式RTU的最小配置成本較集中式RTU高，因而在小配置情況下，不如集中式微機遠動裝置經(jīng)濟。分布式RTU的特征為：多CPU、串行總線、智能模板，既可以停中組屏，又可以分散布置。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的不同，分布式RTU又可分為功能分布式和結(jié)構(gòu)分布式兩大類。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類分布式RTU較集中式RTU具有15三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類

①功能分布式RTU功能分布式RTU是按功能劃分各模塊，RTU可由智能遙信模塊（IYX）、智能遙測模塊（IYC）、智能電度模塊（IPA）、智能遙控模塊（IYK）、智能遙調(diào)模塊（IYT）和CPU模塊等構(gòu)成。KB為鍵盤與顯示器，M為調(diào)制解調(diào)器。CPU主CPU從IYX1IYX2IYC1IPAIYKIYT內(nèi)部串行總線KBMMM主站1主站2主站3三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類①功能分布式RTUCPU主16三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類因為各模塊間采取串行通訊方式，使得模塊間聯(lián)線非常簡單（往往只有兩條線），而且串行通訊較并行通訊可以傳輸更遠的距離，因而各模塊之間可相距很遠，甚至不在一個機柜內(nèi)，構(gòu)成適應采集不同地點信號的分布式體系結(jié)構(gòu)。分布式RTU的各個模塊均為智能模塊，專門有一個CPU獨立管理本模板，使得該CPU功能專一，負荷較輕，因而可靠性高。分布式RTU的各模塊可以任意組合，擴容十分方便。CPU模塊可選用一個或多個，以滿足向多個調(diào)度端通訊的要求，每個CPU模塊均可選配不同的通訊規(guī)約。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類因為各模塊間采取串行通訊方式17三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類

按功能分布的RTU，仍延用集中式RTU的配置思想，把一定數(shù)量的相同功能采集或控制單元布置在一塊模板上，各功能模板通常都采用單片機構(gòu)成，但是CPU模塊則可采用i8086、i80386等高檔CPU。內(nèi)部串行總線，早期的分布式產(chǎn)品采用RS-232C標準，目前大都采用RS-485協(xié)議或現(xiàn)場總線，如CANBus、Lonworks、FrofBus等現(xiàn)場總線，傳輸媒介采用雙絞線或光纖。隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，分布式RTU內(nèi)部總線采用工業(yè)以太網(wǎng)已成為一種發(fā)展趨勢。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類按功能分布的RTU，仍延用集18三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類②結(jié)構(gòu)分布式RTU功能分布的RTU，雖然相對于集中式RTU具有靈活和功能性強的優(yōu)點，但由于需要眾多的模板類型，不利于制造廠大批量生產(chǎn)。另外，雖然功能分布化的RTU具有一定的分布布置靈活性，但它只能按功能分布布置，而變電所實際情況是，希望將同一臺設備或同一面柜子所需的四遙量布置在一個單元模塊中，這就是結(jié)構(gòu)分布式RTU，也即面向設備對象設計的RTU。結(jié)構(gòu)分布式RTU可以將單元模塊分散地布置在開關柜等中，而不必單獨組屏，不僅節(jié)省了空間，也使二次連線大大減少，因為RTU單元模塊和現(xiàn)場的聯(lián)接在屏內(nèi)就完成了，各RTU單元模塊之間只需通過幾條RS-485或現(xiàn)場總線連線就可以聯(lián)通了。值得一提的是，為了做到將RTU單元模塊安裝到開關柜中，往往需要將RTU單元模塊設計成單板結(jié)構(gòu)，否則開關在動作過程中的振動會造成含總線插槽結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品接觸不良，導致設備失靈。

三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類②結(jié)構(gòu)分布式RTU19三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類結(jié)構(gòu)分布式RTU的另一個顯著優(yōu)點在于其很容易將微機保護和監(jiān)控功能合二為一，成為集成化的產(chǎn)品，甚至可包含防誤閉鎖等功能，非常有利于實現(xiàn)變電所綜合自動化。但是，在一個RTU單元模塊當中，保護部分和監(jiān)控部分仍應明顯分開，分別采用獨立的微處理器。盡管目前我國電力系統(tǒng)的管理模式是將遠動人員和保護人員分為兩組，采用二合一的RTU單元模塊會帶來一些問題，但隨著技術(shù)和管理的進步，采用結(jié)構(gòu)分布式RTU將是RTU發(fā)展的趨勢之一。三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類結(jié)構(gòu)分布式RTU的另一個顯著優(yōu)20三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類一種典型的結(jié)構(gòu)分布式RTU

三、遠動執(zhí)行端(RTU)的分類一種典型的結(jié)構(gòu)分布式RTU21第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能第二節(jié)遠動執(zhí)行端的硬件構(gòu)成第三節(jié)遙信、遙控、遙測與遙調(diào)接口與實現(xiàn)第四節(jié)遠動執(zhí)行端的軟件結(jié)構(gòu)第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能22遠動RTU的硬件構(gòu)成

包括：處理器CPU，只讀存儲器ROM，隨機存儲器RAM，定時器，中斷管理及串、并接口和外圍電路等。遠動RTU的硬件構(gòu)成包括：處理器CPU，只讀存儲器RO23遠動RTU的硬件構(gòu)成

模板包括：CPU板，系統(tǒng)支持板，鍵盤顯示板，開關量輸入板，A/D板，通信板，控制輸出板。遠動RTU的硬件構(gòu)成模板包括：CPU板，系統(tǒng)支持板，鍵24第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能第二節(jié)遠動執(zhí)行端的硬件構(gòu)成第三節(jié)遙信、遙控、遙測與遙調(diào)接口與實現(xiàn)第四節(jié)遠動執(zhí)行端的軟件結(jié)構(gòu)第三章遠動監(jiān)控執(zhí)行端第一節(jié)遠動執(zhí)行端的功能25一、遙信開關量采集接口（1）開關量采集回路開關量：隨時間離散變化的信號。一般具有“開”、“關”兩種狀態(tài)，用1位二進制數(shù)據(jù)表示，一個字節(jié)表示8個開關量。如斷路器的位置狀態(tài)、各種事故與告警信號等。一、遙信開關量采集接口（1）開關量采集回路開關量：隨時間離散26（2）光電隔離電路作用：實現(xiàn)微機與外部電路之間的電氣隔離，消除開關量信號本身的干擾和信號沿途的傳輸?shù)母蓴_。實現(xiàn)：由光電二極管（LED）和光敏晶體管成對（光耦）組成。LED接到信號源一側(cè)，光敏晶體管取開關的作用，LED導通時，開關閉合，實現(xiàn)兩側(cè)間的電隔離。（2）光電隔離電路作用：實現(xiàn)微機與外部電路之間的電氣隔離，消27（3）查詢采集方式和中斷采集方式

查詢方式：CPU以一定的時間周期對并行I/O接口進行掃描查詢。編程簡單。中斷方式：當開關量發(fā)生變化時，接口電路向CPU發(fā)出中斷請求。若CPU處于中斷允許狀態(tài)，則在處理完當前命令周期后，即轉(zhuǎn)入中斷處理過程。注意：不僅要采集當時的開關狀態(tài)，還要進行變位記錄處理。即狀態(tài)變化時，記錄開關序號、變位時間、變位后的狀態(tài)等。稱為事件順序記錄。事件分辨率：事件順序記錄能區(qū)分的最小的時間間隔。查詢方式和中斷方式下事件分辨率？（3）查詢采集方式和中斷采集方式查詢方式：CPU以一定的28工作原理：CPU讀入8位開關量，并將其鎖存到373中，開中斷。一旦開關量狀態(tài)變化，則688的P、Q不同。P=Q端輸出高電平，經(jīng)反向后向CPU申請中斷。CPU響應中斷，讀入變化后的狀態(tài)，鎖存到373，開中斷。8位數(shù)值比較器:當G為低時，若P0-P7與Q0-Q7相同，則P=Q引腳輸出低電平，否則為高。8位鎖存器：OC為輸出控制端,低電平有效.C采樣控制端,為高時,Q隨D變;為低時,Q保持C下跳時D的狀態(tài)。例：中斷方式的8位開關量采集。工作原理：8位數(shù)值比較器:當G為低時，若P0-P7與Q0-Q29例：64路開關量查詢采集。遙信信號輸入接口電路由并行接口、多路開關等組成?？删幊滩⑿蠭/O接口電路：基本輸入輸出方式，PC0~PC3為輸入，PC4~PC7為輸出。16選1多路開關：0-15為開關量輸入，OUT為輸出，輸入ABCD的值（0-FH）決定哪一路輸入的開關量送到OUT。例：64路開關量查詢采集。遙信信號輸入接口電路由并行接口、30遙信掃描查詢程序框圖遙信掃描查詢程序框圖31二、模擬量（遙測）采集接口（1）模擬量采集回路模擬量：在時間和幅值上連續(xù)變化的信號。母線電壓、電流，變壓器的有功/無功功率，系統(tǒng)頻率等。電壓、電流、功率等模擬量通過相應的互感器，輸出0～100V的交流量，再經(jīng)過變送器變換成0～5V的模擬直流量送入模擬量采集電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。二、模擬量（遙測）采集接口（1）模擬量采集回路模擬量：在時32多路開關的作用就是將多路模擬信號逐個分時接入，以便經(jīng)采樣后送入A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。目前多采用無觸點的集成電路開關，優(yōu)點是頻率高、體積小，并可以用程序進行控制，如AD75018路CMOS多路開關、AD750616路CMOS多路開關。

（2）多路通道開關多路開關的作用就是將多路模擬信號逐個分時接入，以便經(jīng)采樣后送33

開關K閉合，輸入電壓通過電阻R向電容充電，輸出電壓隨著變化，并使兩者趨于相等，此即為采樣狀態(tài)；開關K在時刻斷開時，由于電容具有保持電荷特性而將的電壓值記憶在其上，此即為保持狀態(tài)。

（3）采樣保持電路

當某一模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換時，由于A/D轉(zhuǎn)換過程需一段時間，必須保證此過程中被測參數(shù)值不變，否則會影響轉(zhuǎn)換精度，同理必須保持恒定的輸出。KRCUaUcUa開關K閉合，輸入電壓通過電阻R向電容充電，輸出電壓隨著變34模擬量經(jīng)過多路開關和S/H后，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能送入計算機，這一任務由A/D轉(zhuǎn)換器完成。在A/D轉(zhuǎn)換時，必須用量化單位對其進行整型量化，得到與模擬量相對應的數(shù)字量。經(jīng)編碼后成為能被計算機接受的信息。量化：就是采用有限字長的一組數(shù)碼（如二進制碼）去逼近模擬信號的采樣值。量化和編碼是A/D轉(zhuǎn)換的主要組成部分。（4）A/D轉(zhuǎn)換和模擬量信號的輸入預處理

另外要對信號進行規(guī)格化，如統(tǒng)一地變化為0～5V的電平電壓，這個過程稱為電平變換。這些電平統(tǒng)一的信號通過A/D變換成數(shù)字量后送入計算機，再經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)預處理，最終送入數(shù)據(jù)庫。模擬量經(jīng)過多路開關和S/H后，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能送入計算機35模擬量信號的輸入預處理利用計算機根據(jù)一定的算法用程序來減少噪聲在信號中的比重。常用有算術(shù)平均法、加權(quán)平均法、中位值法等。進入A/D的模擬信號都為統(tǒng)一的電平信號，如10KV的電壓，經(jīng)電壓互感器后變送器輸出為5V；110KV的進線電壓，經(jīng)電壓互感器后變送器輸出也為5V，兩者經(jīng)A/D變換后得到同一數(shù)字量，意義卻不同。判斷采入的數(shù)據(jù)是否有明顯差錯，為偽舍棄。不同類型參數(shù)采用不同方法，如母線電流中的數(shù)據(jù)，用同一參數(shù)前、后周期的變化量判斷，或用限值判斷。有些采集設備，如變送器等，其輸出電信號與被測參數(shù)間成非線性關系，為提高測量精度，采取線性化措施。將非線性函數(shù)進行分段線性化擬合處理，分段數(shù)以誤差滿足精度要求為準。模擬量信號的輸入預處理利用計算機根據(jù)一定的算法用程序來減少噪36死區(qū)：又稱壓縮因子，用VFAC表示。

為了減少向調(diào)度中心的數(shù)據(jù)輸送量，對各遙測量的變化，預先規(guī)定了一個閥值（死區(qū)），對應的遙測量只有在其變化值超過了規(guī)定的閥值，才進行數(shù)據(jù)處理和傳送。否則不傳。死區(qū)計算：比較前一次采集的值（舊值）與現(xiàn)采集的值（新值）之差是否超過壓縮因子。超過，則越死區(qū)，處理；否則，不處理。要求：在編