变电站远程终端单元的设计与实现

摘要

近年来，由于电力网络变得日益庞大和复杂，大量大功率设备、非线性设备和逆变设备的使用，使得电网的稳定性和可靠性受到威胁，所以对变电站的运行状况进行实时监测和控制变得尤为重要。在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，为变电站所有信息的采集、传输实现全智能化处理提供了理论和技术基础，同时对远程终端单元(RTU)的性能要求也越来越高。针对传统的基于单片机的RTU不能满足高速、实时、远距离通讯要求的问题，论文提出了一种基于Cortex-M3内核处理器STM32F207的高速、多通道、通信方式多样的RTU解决方案。采用多路模拟开关选择技术和IO口扩展技术，在有限的硬件资源情况下，增加了RTU的采集通道数。
　　 本文首先介绍了国内外RTU的发展历程和趋势，分析了各种RTU解决方案的优劣，确定了基于STM32F207的远程终端单元的设计方案。然后根据功能需求，设计了RTU的硬件组成模块和硬件总体设计框图，并分析了各个模块电路的工作原理，包括多路模拟开关选择电路、信号调理电路、IO口扩展电路、RAM扩展电路、通信接口电路。接着，在ARM集成开发环境MDK软件平台上按照模块化和层次化的设计思想，设计了各个软件模块，重点介绍了RTU的交流采样算法原理和具体实现，并采用Modbus协议作为RTU与上位机的通信协议。最后搭建了RTU的测试平台，使用专业的RTU测试仪对RTU的各项性能进行了详细的测试，将测试数据和理论数据做了对比，计算出了相对误差，并分析了误差产生的原因。
　　 实际应用中的测试和运行表明，本文设计的基于STM32F207的变电站远程终端单元运行稳定可靠，采样精度较高，响应速度快，具有较好的市场前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 变电站RTU研究现状及发展趋势

1．3 课题来源及本文主要研究内容

第2章 RTU总体方案设计

2．1 变电站RTU的设计需求

2．1．1 变电站RTU的功能需求

2．1．2 变电站RTU的技术指标

2．2 变电站RTU系统的总体设计方案

2．2．1 RTU主控芯片选型

2．2．2 RTU硬件总体设计方案

2．2．3 RTU软件总体设计方案

2．3 本章小结

第3章 RTU硬件设计

3．1 多路模拟开关电路设计

3．2 信号调理电路设计

3．3 多路开关量输入输出电路设计

3．4 电源管理模块设计

3．5 通信接口电路设计

3．5．1 串口RS232电路设计

3．5．2 RS485总线电路设计

3．5．3 CAN总线电路设计

3．5．4 以太网接口电路设计

3．6 扩展RAM电路设计

3．7 本章小结

第4章 RTU软件设计

4．1 软件开发平台和总体设计流程

4．1．1 软件开发平台

4．1．2 RTU软件总体设计流程

4．2 RTU交流采样程序

4．2．1 RTU交流采样的种类

4．2．2 RTU交流采样算法原理

4．2．3 RTU交流采样程序的实现

4．3 多路模拟开关选择程序

4．4 IO口扩展程序设计

4．4．1 I2C总线读写数据过程

4．4．2 PCF8574读写程序设计

4．5 RTU通信程序设计

4．5．1 串口通信程序设计

4．5．2 CAN驱动程序设计

4．5．3 以太网驱动程序设计

4．6 RTU通信协议设计与实现

4．6．1 Modbus协议介绍

4．6．2 Modbus协议在RTU中的应用

4．6．3 差错校验控制

4．7 本章小结

第5章 RTU系统搭建及测试

5．1 RTU结构设计

5．2 功能模块PCB设计

5．2．1 主控板PCB设计

5．2．2 底板PCB设计

5．3 RTU硬件测试

5．3．1 电气连接测试

5．3．2 硬件电路功能测试

5．4 RTU软件调试

5．5 测试结果分析

5．5．1 RTU采集电力参数测试与分析

5．5．2 RTU开关量测试

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 攻读学位期间参与的科研项目

附录C 交流采样程序部分代码