吳 冬 王 歡

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司2.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司霍林郭勒市供電公司）

0 引言

遠(yuǎn)程終端單元 （RTU） 是SCADA 系統(tǒng) （監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集） 或DA 系統(tǒng) （配電自動(dòng)化） 的一部分[1-2］。它基本上允許對(duì)計(jì)劃/變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程終端單元 （RTU） 的作用是允許網(wǎng)絡(luò)控制中心的操作員管理和操作電力系統(tǒng)， 為故障調(diào)查提供歷史和事件序列（SOE） 數(shù)據(jù)， 為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)， 并監(jiān)控可用于觸發(fā)維護(hù) （基于狀態(tài)的維護(hù)） 的工廠參數(shù)， 以及用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)。

1 規(guī)劃方法分析

配電自動(dòng)化系統(tǒng)在現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)中的作用愈發(fā)重要。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的關(guān)鍵設(shè)備之一。

其設(shè)計(jì)要求及功能包括： 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)， 包括電流、 電壓、 功率等參數(shù)。同時(shí)， 它還應(yīng)該能夠監(jiān)測(cè)設(shè)備的故障情況， 并向操作人員發(fā)送警報(bào)。遠(yuǎn)程控制功能： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端需要具備遠(yuǎn)程控制的能力， 可以通過(guò)遠(yuǎn)程在線操作， 對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制、 調(diào)整參數(shù)等操作。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端需要能夠采集配電設(shè)備的各種參數(shù)數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。這樣可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。通信功能： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端必須能夠與配電自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交互。這樣可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的目的。安全性功能： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端需要具備安全性功能， 包括對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用堋?用戶身份驗(yàn)證等。這樣可以有效保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其設(shè)計(jì)方案包括， 硬件設(shè)計(jì)： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)包括適配不同配電設(shè)備的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊， 以及具備遠(yuǎn)程控制功能的開(kāi)關(guān)控制模塊。同時(shí)， 還需要選擇適合的通信模塊和存儲(chǔ)模塊， 以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)軟件、 通信軟件和控制軟件。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)軟件負(fù)責(zé)采集配電設(shè)備的各種參數(shù)數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。通信軟件負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交互。控制軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。安全設(shè)計(jì)： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端的安全設(shè)計(jì)主要包括對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芎陀脩羯矸蒡?yàn)證。通過(guò)使用加密算法和安全認(rèn)證協(xié)議， 可以確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性。同時(shí)， 還可以通過(guò)用戶身份驗(yàn)證等措施， 限制非授權(quán)人員對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)和操作權(quán)限。

性能需具備以下幾個(gè)要素： 1） 響應(yīng)時(shí)間： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡可能快， 以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的需求。較短的響應(yīng)時(shí)間可以有效降低故障和事故的發(fā)生。2） 穩(wěn)定性： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端應(yīng)具備較高的穩(wěn)定性， 可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行， 避免系統(tǒng)的崩潰和故障。3） 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性： 配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端采集的數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確無(wú)誤， 以保證后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策的準(zhǔn)確性。同時(shí)， 還需要具備數(shù)據(jù)糾錯(cuò)和異常處理的能力， 確保數(shù)據(jù)的可靠性。4） 擴(kuò)展性：配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端應(yīng)具備良好的擴(kuò)展性， 可以適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的配電自動(dòng)化系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)增加采集模塊和控制模塊等方式， 滿足不斷變化的需求?？傊?配電自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的關(guān)鍵設(shè)備。通過(guò)合理的硬件設(shè)計(jì)、 軟件設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)， 可以實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

2 硬件組件選擇

RTU 架構(gòu)包括一個(gè)主板， 該主板具有帶備用電池的電源、 CPU （微控制器-PⅠC16F877A） 、 用于處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的易失性和非易失性存儲(chǔ)器。它還有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 和看門(mén)狗定時(shí)器， 以確保在睡眠狀態(tài)下工作時(shí)重新啟動(dòng)。RTU 通過(guò)通用異步收發(fā)器 （UART） 或串行通信端口與其他設(shè)備通信。圖1顯示了典型RTU配置的框圖。

RTU 硬件的選擇從識(shí)別主電路的所有部件開(kāi)始。硬件由電源、 主板本身 （帶有微控制器） 、 數(shù)字輸入和數(shù)字輸出、 模擬輸入、 UART和串行通信端口組成， 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和附件部分由LED 指示燈、 蜂鳴器和LCD 顯示器組成。

2.1 電源及硬件

電源用于為電子電路提供電力。RTU 電源模塊應(yīng)能夠在標(biāo)稱輸入電壓的+20%和-15%公差的輸入變電站直流電源上運(yùn)行， 并在輸入電源范圍內(nèi)保持完全正常運(yùn)行。

PⅠC 16F877微控制器有40個(gè)引腳， 可編程接受模擬或數(shù)字輸入； 其他輸入輸出引腳用于數(shù)字輸入接口。實(shí)現(xiàn)所提出的以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是將微控制器 （16F877A） 與傳感器、 配件和以太網(wǎng)控制器進(jìn)行接口[3-5］。Ⅰ/O由8個(gè)帶數(shù)字輸入的光耦合器、 8個(gè)開(kāi)集電極數(shù)字輸出 （用于驅(qū)動(dòng)繼電器等） 和4 個(gè)10 位模擬輸入組成。

2.2 數(shù)字及模擬輸入

數(shù)字輸入子系統(tǒng)應(yīng)由模塊和端接組件組成， 通過(guò)感應(yīng)狀態(tài)觸點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備和報(bào)警器的狀態(tài)。RTU 將以兩種方式提供感應(yīng)電壓。為了感測(cè)數(shù)字輸入， 它們是通過(guò)感測(cè)跨數(shù)字輸入點(diǎn)的電壓來(lái)提供的， 并且是公共的。其次， 它是通過(guò)使數(shù)字輸入點(diǎn)之間的接觸和它的公共性來(lái)提供的。

RTU 必須能夠檢測(cè)任何事件的過(guò)程， 持續(xù)時(shí)間至少為5ms。持續(xù)時(shí)間小于5ms 的任何事件應(yīng)被視為接觸反彈或虛假信號(hào)。RTU 應(yīng)具有可編程反跳濾波器，該濾波器可配置為以1ms 的步長(zhǎng)拒絕寬度為5ms 至25ms的脈沖。對(duì)于這種應(yīng)用， 數(shù)字濾波器是優(yōu)選的。

模擬輸入模塊可以提供瞬時(shí)值。A/D 轉(zhuǎn)換的最小分辨率應(yīng)為10 位， 加上雙極轉(zhuǎn)換的符號(hào)位， 總范圍為-1024至+1024。直流模擬輸入子系統(tǒng)從輸入端到數(shù)字值的整體精度應(yīng)優(yōu)于電流輸入的±0.1%和電壓輸入的±0.05%。對(duì)于4-20mA 直流模擬輸入， 4mA 將對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)0。20mA 將對(duì)應(yīng)最大計(jì)數(shù)， 而0mA 將給出相應(yīng)的 負(fù) 計(jì) 數(shù)。對(duì) 于10 位ADC， 4mA 將 對(duì) 應(yīng)0 計(jì) 數(shù)，20mA至1024， 而0mA將給出-1024計(jì)數(shù)的讀數(shù)。

2.3 串行通信端口

選 擇PⅠC16F877A 通 過(guò) 帶 有MAX232 轉(zhuǎn) 換 器 的RS232 電纜與GSM 調(diào)制解調(diào)器之間的連接。該系統(tǒng)采用GSM 調(diào)制解調(diào)器， 由AT 命令控制進(jìn)行各種操作。為了將信號(hào)傳輸?shù)紾SM 調(diào)制解調(diào)器， 它必須使用MAX232。它允許通過(guò)RS232 電纜進(jìn)行傳輸。MAX232 設(shè)備是一個(gè)雙驅(qū)動(dòng)器/接收器， 包括從單個(gè)5Ⅴ到EⅠA-232 電壓電平的電容式電壓發(fā)生器。MAX232 芯片用于接收器模塊 （Rx 模塊） 和GSM 調(diào)制解調(diào)器之間的接口電路。MAX232還可以作為緩沖驅(qū)動(dòng)器， 通過(guò)將數(shù)字邏輯0-5Ⅴ接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)-12至12Ⅴ。它需要五個(gè)額外的1uF電容器， 用于產(chǎn)生12Ⅴ和-12Ⅴ擺動(dòng)。

2.4 軟件電路設(shè)計(jì)

奧卡德是一款用于測(cè)試和設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字電路以及設(shè)計(jì)印刷電路板的電子模擬器。具有以下功能， 可實(shí)現(xiàn)高速精確的設(shè)計(jì)：

快速簡(jiǎn)便的原理圖編輯； 庫(kù)可以從頭開(kāi)始編輯或設(shè)計(jì)； 使用其他CAD 應(yīng)用程序； 用于設(shè)計(jì)不同設(shè)備的文件可以用于將信息上傳到設(shè)備中； 設(shè)計(jì)完整的印刷電路板 （PCB）， 包括自動(dòng)布線。

使用奧卡德的第一步是選擇正確的組件， 如果所需的組件沒(méi)有包含在it 庫(kù)中， 則可以按照規(guī)范設(shè)計(jì)組件并保存它們。然后在雙層板上打印之前， 正確排列組件并布線組件。

3 實(shí)驗(yàn)分析

RTU 提供監(jiān)測(cè)故障的操作、 控制、 功能和數(shù)據(jù)收集以供分析。RTU 將啟動(dòng)與數(shù)字和模擬輸出模塊的交易。該系統(tǒng)的主機(jī)是RTU， 所有信息都可以在主站進(jìn)行監(jiān)控。RTU 在故障檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用， 并被指派立即提供數(shù)據(jù)和信息。

圖2顯示了一個(gè)完整開(kāi)發(fā)的RTU電路， 設(shè)計(jì)的RTU已準(zhǔn)備好進(jìn)行測(cè)試。RTU 的功能是可以在實(shí)時(shí)操作中檢測(cè)故障類型。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)， RTU 板上的LCD顯示器將顯示數(shù)據(jù)， 繼電器將斷開(kāi)， LED 亮起以指示故障。之后， 數(shù)據(jù)/信息將被發(fā)送到主站。這樣， 操作員就可以知道哪個(gè)變電站發(fā)生了故障， 并可以立即采取行動(dòng)。主站的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 RTU電路

圖3 來(lái)自變電站A和變電站B的數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文致力于遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU） 的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)， 以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作的故障檢測(cè)。該RTU是本地設(shè)計(jì)和制造的， 其特點(diǎn)是成本低， 易于安裝、 控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)， 可用于有線或無(wú)線應(yīng)用。