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变电站远程终端单元的设计与实现

作　者: 蔡勇超
导　师: 全惠敏
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 远程终端单元 STM32F207 交流采样多路模拟开关 MODBUS协议
分类号: TM63
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题背景及研究意义  11-12
  1.2 变电站RTU研究现状及发展趋势  12-14
  1.3 课题来源及本文主要研究内容  14-16
第2章 RTU总体方案设计  16-22
  2.1 变电站RTU的设计需求  16-17
    2.1.1 变电站RTU的功能需求  16-17
    2.1.2 变电站RTU的技术指标  17
  2.2 变电站RTU系统的总体设计方案  17-21
    2.2.1 RTU主控芯片选型  17-19
    2.2.2 RTU硬件总体设计方案  19-20
    2.2.3 软件总体设计方案  20-21
  2.3 本章小结  21-22
第3章 RTU硬件设计  22-37
  3.1 多路模拟开关电路设计  22-23
  3.2 信号调理电路设计  23-25
  3.3 多路开关量输入输出电路设计  25-27
  3.4 电源管理模块设计  27-29
  3.5 通信接口电路设计  29-33
    3.5.1 串口RS232电路设计  29-30
    3.5.2 RS485总线电路设计  30
    3.5.3 CAN总线电路设计  30-31
    3.5.4 以太网接口电路设计  31-33
  3.6 扩展RAM电路设计  33-35
  3.7 本章小结  35-37
第4章 RTU软件设计  37-66
  4.1 软件开发平台和总体设计流程  37-38
    4.1.1 软件开发平台  37-38
    4.1.2 RTU软件总体设计流程  38
  4.2 RTU交流采样程序  38-47
    4.2.1 RTU交流采样的种类  39-40
    4.2.2 RTU交流采样算法原理  40-44
    4.2.3 RTU交流采样程序的实现  44-47
  4.3 多路模拟开关选择程序  47-48
  4.4 IO口扩展程序设计  48-50
    4.4.1 I~2C总线读写数据过程  48-49
    4.4.2 PCF8574读写程序设计  49-50
  4.5 RTU通信程序设计  50-58
    4.5.1 串口通信程序设计  50-52
    4.5.2 CAN驱动程序设计  52-55
    4.5.3 以太网驱动程序设计  55-58
  4.6 RTU通信协议设计与实现  58-65
    4.6.1 Modbus协议介绍  58-60
    4.6.2 Modbus协议在RTU中的应用  60-62
    4.6.3 差错校验控制  62-65
  4.7 本章小结  65-66
第5章 RTU系统搭建及测试  66-78
  5.1 RTU结构设计  66-67
  5.2 功能模块PCB设计  67-69
    5.2.1 主控板PCB设计  67-68
    5.2.2 底板PCB设计  68-69
  5.3 RTU硬件测试  69-72
    5.3.1 电气连接测试  69-70
    5.3.2 硬件电路功能测试  70-72
  5.4 RTU软件调试  72-74
  5.5 测试结果分析  74-77
    5.5.1 RTU采集电力参数测试与分析  74-77
    5.5.2 RTU开关量测试  77
  5.6 本章小结  77-78
总结与展望  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
附录A 攻读学位期间发表的学术论文  85-86
附录B 攻读学位期间参与的科研项目  86-87
附录C 交流采样程序部分代码  87-90

变电站远程终端单元的设计与实现

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