矿区变电站“三遥”RTU的研制

矿区变电站“三遥”RTU的研制

张冬梅（青岛建筑工程学院） 孟祥忠 曹 娜（山东矿业学院济南分院）

摘 要：根据煤矿生产调度系统的发展，提出了矿区变电站遥测、遥信、遥控，即“三遥”RTU系统的设计思想，并将其付诸实践，可有效地节能降耗，提高矿山电网的安全运行水平，缩短故障时间，减小故障范围。

关键词：变电站；远动；微机监控；三遥

一、概述

变电站是电力系统的一个重要组成部分，它的安全可靠运行是电网安全经济运行的根本保证。当前变电站正以分项自动化向着综合自动化方向发展，综合自动化的近期目标是把变电站的保护、测量、监控、远动等融为一体，取得数据共享，资源共享，大幅度提高自动化的功效。

对于电力系统，为了进行现代化管理，往往实现电网调度自动化，虽然省、地、县各级调度有不同的职能和责任，但其组成基本相同，一般是由主站和远动终端（RTU）组成。远动终端就是电网监视和控制系统中安装在发电厂或变电站的一种远动装置，它负责采集所在发电厂或变电站电力运行状态的模拟量和状态量，监视并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在发电厂或变电站的控制和调度命令。然而，随着煤矿现代化管理的飞速发展，实施煤矿安全生产微机监控调度系统已是大势所趋，该系统通过设置在矿调度室的主计算机能实时地监视煤矿井下生产环境安全参数和全矿重要机电设备的工况，从而对各生产环节进行控制和调节，使生产的指挥管理和控制融为一体，成为矿井生产的中枢。

由于矿调度室远离生产现场，因此，矿井上下需要设置多个远动分站。毋庸置疑，煤矿变电站是企业生产的核心和动力源泉，它关系着安全生产和人体安危。变电站的安全管理也是煤矿监控系统的一个重要环节。通常变电站与煤矿生产调度中心往往相距较远，必须采用远动技术，在变电站设置远动终端即RTU，与调度中心计算机通过信道相连接，RTU与调度中心之间通过远距离信息传输完成RTU的远方监控功能。RTU与主站配合可以实现三遥功能，即：遥测、遥信、遥控。

二、“三遥”功能的实现

1、遥测

即远程测量，它是将采集到的被监控变电站的主要参数及时编码成遥测信息，按通信规约传送给调度室。遥测量是指变电站的变压器、母线、馈电线路的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数及变压器油温等模拟量的采集与处理。模拟遥测量编码过程如图1所示。

图1　遥测量编码过程原理图

2、遥信

即远程信号，它是将采集到的被监控变电站的设备状态信号，按规约传送给调度中心。这些设备状态可能是断路器、隔离开关的位置状态，继电保护与自动装置的动作状态，漏电保护装置的运行状态，模拟操作中模拟开关器件位置等。这些位置状态，动作状态和运行状态都只取两种状态值。如开关位置只取“合”或“分”；设备状态只取“运行”或“停止”。因此，可用一位二进制数即码字中的一个码元就可以传递一个遥信对象的状态。

遥信信息采集的输入电路如图2所示。

图2　遥信信息采集的输入电路

3、遥控

即远程命令。它是从调度中心发出改变运行设备状况的命令。这种命令包括操作变电站各级电压回路的断路器、投切补偿电容器和电抗器，因此，这种命令只取两种状态命令，如断路器的“合”或“分”命令。一台RTU可以实现对几十个设备的远方操作。

遥测和遥信是变电站向调度室传送信息，遥控则是调度室向变电站端下达的操作命令，直接干预供电系统的运行。所以，遥控要求有很高的可靠性。在遥控过程中，通常采用“返送校核”的方法，实现遥控命令的传送。在遥控过程中，调度室发往变电站RTU的命令有三种，即遥控选择命令、遥控执行命令和遥控撤消命令。遥控选择命令包括两个部分：一是选择的对象，用对象码指定对哪一个对象进行操作；另一个是遥控操作的性质，用操作性质码指示是合闸还是分闸。遥控执行命令指示RTU按接收到的选择命令，执行指定的开关操作。遥控撤消命令指示RTU撤消已下达的选择命令。

RTU端返校内容：①校核遥控选择命令的正确性，即检查性质码是否正确，检查遥控对象号是否属于本站；②检查RTU遥控输出对象继电器和性质继电器是否能正确动作。遥控信息的传送过程如图3所示。

图3　遥控信息的传送过程

三、RTU系统硬、软件设计

1、系统指标

根据煤矿35kV或110 kV变电站的容量及供配电线路路数的设计，RTU的三遥达到如下指标即能满足基本配置要求。

（1）遥测量：模拟量64路，电能脉冲量32路；

（2）遥信量128路；

（3）遥控量16路。

2、RTU系统的硬件组成

一般地，RTU除具有上述“三遥”远动功能外，对于有人值班的变电站，RTU还具有当地功能。RTU的当地功能是指RTU通过自身或连接的显示、记录设备，就地实现对供电系统的监视和控制功能。所以在变电站就要设置一台计算机与RTU相连接。可以显示所在变电站的电气主接线图，实时显示电气设备运行状态，断路器的位置状态等重要遥信量；也可以在线显示变电站的实时运行参数，以及显示事故变位遥信和越限报警遥测信息。计算机将数据信息打印记录，存档以备查索，完成定时制表打印、召唤打印、事件记录打印，绘制打印负荷曲线及柱状统计图等。同时，RTU还配有人机对话单元，即功能键盘和LED显示器。通过操作功能键，在显示器上显示有关信息，以实现巡测、定测、选测、显时等功能。一个完整的变电站RTU系统结构原理如图4所示。

图4　RTU系统硬件结构原理

系统中采用了多CPU串行总线结构，各功能板均有其独立的CPU协同工作，通信板负责管理各功能板及调度中心的通信，同时也肩负与当地计算机通信的任务。由于系统采用先进的开放式结构，原理上系统容量不受限制，可任意扩展。

3、软件设计思想

（1）RTU软件

RTU的CPU选用8031或80196单片微机，因此，这部分软件可以采用最常用的汇编语言或C语言编写程序，以实现远动调度及SCADA功能（微机采集与监控）。

（2）就地计算机软件

这部分软件采用WINDOWS 95作为平台的VB           5.0进行设计，它是以面向对象进行程序设计的，一改过去面向过程设计的复杂性。其界面友好，图形显示直观、报表灵活，易于实现多媒体监控功能，易于用户掌握，便于用户操作。

四、设计中的几个要点

1、变送器的选择

在电网监控系统中，电量变送器是将一种电量变换为另一种供测量用的电量的仪器，它在电网监控系统中属首要环节，起着十分重要的作用，它的精度直接影响着RTU的系统误差。

目前，在变电站中，从输入方式看，国内外监控系统一般都采用传统的模拟变送器输入，即将各种交流电量经过降压、整流、滤波、非线性校准等各种电子电路变为相应大小的直流电量，如输出DC           1～5 V,4～20           mA。如果输入几百个电量，就要配备各种相应的变送器几百个，需要组成很多变送器屏，投资大，占空面积大，精度也相对较低。

同时，由于常规电量变送器以直流模拟信号输出，其电路的滤波时间常数较大，动态响应速度可长达几百毫秒。但是随着单片微机在电力系统中的广泛应用，目前国内外已研制出采用单片微机组成的微机变送器，为提高变送器的性能开辟了一条新的途径。微机变送器在输入端去掉了模拟变送器，只保留降压、变流这部分模拟元件，其他功能均由单片机直接采集交流输入量，通过一定的算法，算出各输入变流电量的有效值。由于一台微机变送器可代替多台常规变送器，从而大大降低了监控系统所占的成本。

另外，由于计算机计算更精确，因而，还提高了测量精度。根据RTU处理信号任务、速度的要求，也可设计多CPU的RTU。

2、遥信输入的形式

（1）采用定时扫查方式的遥信输入；

（2）采用中断方式的遥信输入；

（3）采用中断触发扫查方式的遥信输入。

3、电能量信息的采集

电能量信息主要来自两个方面：一是脉冲电度表，另一是电能变送器。不论采用哪种方式，都是将电能量转换成相对应脉冲数。即累计的脉冲个数与电能量成正比，脉冲计数芯片主要采用8253可编程定时器／计数器，因此，电能量信息的采集电路就是对脉冲电能表或电能变送器输出脉冲的计数电路。可以采用两种方式：

（1） 检测电能脉冲跳变采集电能量；          　　（2）扫描电能脉冲电平采集电能量。

如果变电站中还具有有载调压变压器，也可以设置遥调功能，但一般煤矿不具备此条件。

五、结语

综上所述，一个现代化煤矿，为了实现生产调度综合自动化，在现代化变电站中设计远动终端RTU，从而对变电站实行“三遥”管理，对煤矿的供电系统实现SCADA功能是十分必要的。随着电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，像电力系统那样，建立无人值班的企业变电站已是大势所趋，本系统就可以起到减员增效、降低煤炭生产成本，减少人员参与，使变电站更加安全、经济、可靠地运行。那么，“三遥”RTU的设计，在现代变电站中就具有更重要的意义。