远 动 监 控 技 术 西南交通大学电气工程学院

第三章 远动监控执行端 第一节 远动执行端的功能 第二节 远动执行端的硬件构成 第三节 遥信、遥控、遥测与遥调接口与实现 第四节 远动执行端的软件结构

当地监控实景

一、远动执行端(RTU)的功能 五遥功能 (2) 事件顺序记录（SOE） 微机RTU主要实现常规的“四遥”功能，而近年发展起来的“第五遥”——遥视功能由视频监控前端设备完成。一般所说的RTU不包括视频监控前端。 RTU应具有以下基本功能： 五遥功能 即遥信、遥测、遥控、遥调及遥视功能。 (2) 事件顺序记录（SOE） 监控人员需要及时掌握供电线路事故发生时各断路器和继电保护动作状况及动作时间，以区分事件顺序，做出运行对策和进行事故分析。 事件顺序记录SOE的一项重要指标是时间分辨率。分辨率可分为RTU内（即站内）与RTU之间（即站间）两种。

一、远动执行端(RTU)的功能 (3) 系统对时 RTU站间SOE分辨率是一项系统指标，它要求各 (4) 电能采集（PA） 采集变电所各条进线和出线以及主变两侧的电度值，传统作法是通过记录脉冲电度表的脉冲来实现，较先进的作法是通过和智能电度表通信获取电度值。 (5) 自恢复和自检测功能 RTU具有自检功能，以及因停电、故障等原因死机后的自恢复功能。

一、远动执行端(RTU)的功能 (6) 与监控中心通讯 要求RTU能将采集的现场信息上报控制中心，并能控制中心下达的命令。 通讯规约一般有应答式（也称为问询式，POLLING式）、循环式（CDT）两种，目前RTU一般均采用POLLING方式。通讯速率一般用波特率表示，一般为1200bps，2400bps、4800bps和9600bps等。随着光纤技术的发展以及变电所综合自动化系统的采用，要求远动系统具有更高的传输速率，目前有些系统已采用2Mbps或10Mbps的传输速率。 因此，RTU应具有通讯速率可配置的功能，并应具有支持光端机、载波通讯信道等功能。

一、远动执行端(RTU)的功能 (7) 其它功能 以上六项功能为RTU的基本性能要求，除此之外，一般还希望RTU具有下列功能： 1) 当地显示与参数整定输入； 2) 一发多收； 3) CRT显示、打印制表等。

二、远动执行端(RTU)的发展 第一代——布线逻辑式（继电器式、晶体管式、集成电路的远动装置） 特点：所有功能由硬件电路完成。按预定的要求进行设计、使构成装置的各部分电路按固定的时间顺序工作来完成预定的功能。 第二代——软件化的远动装置：功能由计算机硬件和完成指定功能的软件（加工程序）来实现，对程序进行修订，就能够改变系统的功能。 ——几乎所有RTU 第三代——网络化RTU（标准协议） ——正在发展，已有应用

三、远动执行端(RTU)的分类 从体系结构上：变电所内的RTU可以分为集中式 RTU和分布式RTU两大类。 两类。 从结构上：可分作机柜式RTU、机箱式RTU、壁挂 式RTU和单元模块化RTU等几类。

三、远动执行端(RTU)的分类 集中式RTU和分布式RTU 集中式RTU 集中式RTU的典型体系结构如图所示。一般，CPU为系统中唯一的智能模块，它负责管理其他非智能子模块，并通过两个RS-232C串行口，经调制解调器MODEM分别和两个调度中心通讯，另一个RS-232C串行口用于外接CRT实现自检测。

集中式RTU的典型体系结构示意图 SIO AI KB Modem CPU CRT自检 调度所2 DI DOR DG WDT DO1 PA 调度所1 集中式RTU的典型体系结构示意图

三、远动执行端(RTU)的分类 DI：遥信（数字量）输入模块，它可由若干个子模（如DI1、 DI2等）构成； 其中： DI：遥信（数字量）输入模块，它可由若干个子模（如DI1、 DI2等）构成； AI：遥测（模拟量）输入模块，也可以由若干个子模块（如 AI1、AI2等）构成； PA：电能脉冲量采集模块； DO：遥控输出模块，也可以由若干个子模块； DOR：遥调模块； KB：键盘与显示器模块； DG：开关组态模块； WDT：监视定时器模块。 集中式RTU，各模块之间均以并行总线相联系。而并行总线往往不允许传输太长的距离（通常小于50cm），因此，集中式RTU均是集中布置于一个机箱或机柜中的。

三、远动执行端(RTU)的分类 2) 分布式RTU 随着对电力系统自动化要求的提高，变电所无人值守和综合自动化成为发展的趋势，这就要求RTU能够采集更多的开关量、模拟量和电度信息，并且能够控制更多路遥控和遥调；同时往往还要求RTU能够向更多的调度中心建立联系，所采用的通讯规约往往也是各不相同的；此外对事件顺序记录（SOE）的站内分辨率的要求也有提高的趋势。 集中式的微机远动装置因采用单处理器，CPU负荷过重往往不能满足上述要求，此外采用并行总线的集中式远动装置也不便于采集不在同一现场的参数。 针对上述情况，提出了多CPU结构、各模块间以串行总线相互联系的分布式RTU。

三、远动执行端(RTU)的分类 分布式RTU较集中式RTU具有如下优点： 布置灵活，便于采集地理上分布的信号； 联线简单，可靠性高； 便于扩容，容量可以很大； 便于采用交流采样方式； 便于实现多规约转发和一发多收。 但是分布式RTU的最小配置成本较集中式RTU高，因而在小配置情况下，不如集中式微机远动装置经济。 分布式RTU的特征为：多CPU、串行总线、智能模板，既可以停中组屏，又可以分散布置。 根据结构上的不同，分布式RTU又可分为功能分布式和结构分布式两大类。

三、远动执行端(RTU)的分类 ① 功能分布式RTU 功能分布式RTU是按功能划分各模块，RTU可由智能遥信模块（IYX）、智能遥测模块（IYC）、智能电度模块（IPA）、智能遥控模块（IYK）、智能遥调模块（IYT）和CPU模块等构成。KB为键盘与显示器，M为调制解调器。 CPU 主 从 IYX1 IYX2 IYC1 IPA IYK IYT 内部串行总线 KB M 主站1 主站2 主站3

三、远动执行端(RTU)的分类 因为各模块间采取串行通讯方式，使得模块间联线非常简单（往往只有两条线），而且串行通讯较并行通讯可以传输更远的距离，因而各模块之间可相距很远，甚至不在一个机柜内，构成适应采集不同地点信号的分布式体系结构。 分布式RTU的各个模块均为智能模块，专门有一个CPU独立管理本模板，使得该CPU功能专一，负荷较轻，因而可靠性高。 分布式RTU的各模块可以任意组合，扩容十分方便。CPU模块可选用一个或多个，以满足向多个调度端通讯的要求，每个CPU模块均可选配不同的通讯规约。

三、远动执行端(RTU)的分类 按功能分布的RTU，仍延用集中式RTU的配置思想，把一定数量的相同功能采集或控制单元布置在一块模板上，各功能模板通常都采用单片机构成，但是CPU模块则可采用i8086、i80386等高档CPU。 内部串行总线，早期的分布式产品采用RS-232C标准，目前大都采用RS-485协议或现场总线，如CANBus、Lonworks、FrofBus等现场总线，传输媒介采用双绞线或光纤。 随着工业以太网的发展，分布式RTU内部总线采用工业以太网已成为一种发展趋势。

三、远动执行端(RTU)的分类 ② 结构分布式RTU 功能分布的RTU，虽然相对于集中式RTU具有灵活和功能性强的优点，但由于需要众多的模板类型，不利于制造厂大批量生产。另外，虽然功能分布化的RTU具有一定的分布布置灵活性，但它只能按功能分布布置，而变电所实际情况是，希望将同一台设备或同一面柜子所需的四遥量布置在一个单元模块中，这就是结构分布式RTU，也即面向设备对象设计的RTU。 结构分布式RTU可以将单元模块分散地布置在开关柜等中，而不必单独组屏，不仅节省了空间，也使二次连线大大减少，因为RTU单元模块和现场的联接在屏内就完成了，各RTU单元模块之间只需通过几条RS-485或现场总线连线就可以联通了。值得一提的是，为了做到将RTU单元模块安装到开关柜中，往往需要将RTU单元模块设计成单板结构，否则开关在动作过程中的振动会造成含总线插槽结构的产品接触不良，导致设备失灵。

三、远动执行端(RTU)的分类 结构分布式RTU的另一个显著优点在于其很容易将微机保护和监控功能合二为一，成为集成化的产品，甚至可包含防误闭锁等功能，非常有利于实现变电所综合自动化。 但是，在一个RTU单元模块当中，保护部分和监控部分仍应明显分开，分别采用独立的微处理器。尽管目前我国电力系统的管理模式是将远动人员和保护人员分为两组，采用二合一的RTU单元模块会带来一些问题，但随着技术和管理的进步，采用结构分布式RTU将是RTU发展的趋势之一。

三、远动执行端(RTU)的分类 一种典型的结构分布式RTU

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远动RTU的硬件构成 包括：处理器CPU，只读存储器ROM，随机存储器RAM，定时器，中断管理及串、并接口和外围电路等。

远动RTU的硬件构成 模板包括：CPU板，系统支持板，键盘显示板，开关量输入板，A/D板，通信板，控制输出板。

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一、遥信开关量采集接口 （1）开关量采集回路 开关量：随时间离散变化的信号。一般具有 “开”、“关” 两种状态，用1位二进制数据表示，一个字节表示8个开关量。如断路器的位置状态、各种事故与告警信号等。

（2）光电隔离电路 作用：实现微机与外部电路之间的电气隔离，消除开关量信号本身的干扰和信号沿途的传输的干扰。 实现：由光电二极管（LED）和光敏晶体管成对（光耦）组成。LED接到信号源一侧，光敏晶体管取开关的作用，LED导通时，开关闭合，实现两侧间的电隔离。

（3）查询采集方式和中断采集方式 查询方式：CPU以一定的时间周期对并行I/O接口进行扫描查询。编程简单。 中断方式：当开关量发生变化时，接口电路向CPU发出中断请求。若CPU处于中断允许状态，则在处理完当前命令周期后，即转入中断处理过程。 注意：不仅要采集当时的开关状态，还要进行变位记录处理。即状态变化时，记录开关序号、变位时间、变位后的状态等。称为事件顺序记录。 事件分辨率：事件顺序记录能区分的最小的时间间隔。 查询方式和中断方式下事件分辨率？

例：中断方式的8位开关量采集。 工作原理： CPU读入8位开关量，并将其锁存到373中，开中断。 8位数值比较器:当G为低时，若P0-P7与Q0-Q7相同，则P=Q引脚输出低电平，否则为高。 例：中断方式的8位开关量采集。 8位锁存器：OC为输出控制端,低电平有效.C采样控制端,为高时,Q随D变;为低时,Q保持C下跳时D的状态。 工作原理： CPU读入8位开关量，并将其锁存到373中，开中断。 一旦开关量状态变化，则688的P、Q不同。P=Q端输出高电平，经反向后向CPU申请中断。 CPU响应中断，读入变化后的状态，锁存到373，开中断。

例： 64路开关量查询采集。遥信信号输入接口电路由并行接口、多路开关等组成。 可编程并行I/O接口电路：基本输入输出方式，PC0~PC3为输入，PC4~PC7为输出。 16选1多路开关：0-15为开关量输入，OUT为输出，输入ABCD的值（0-FH）决定哪一路输入的开关量送到OUT。

遥信扫描查询程序框图

二、 模拟量（遥测）采集接口 （1）模拟量采集回路 模拟量：在时间和幅值上连续变化的信号。母线电压、电流，变压器的有功/无功功率，系统频率等。 电压、电流、功率等模拟量通过相应的互感器，输出0～100V的交流量，再经过变送器变换成0～5V的模拟直流量送入模拟量采集电路进行模数转换。

（2）多路通道开关 多路开关的作用就是将多路模拟信号逐个分时接入，以便经采样后送入A/D转换器进行转换。 目前多采用无触点的集成电路开关，优点是频率高、体积小，并可以用程序进行控制，如AD7501 8路CMOS多路开关、 AD7506 16路CMOS多路开关。

（3）采样保持电路 开关K在时刻断开时，由于电容具有保持电荷特性而将的电压值记忆在其上，此即为保持状态。 当某一模拟量进行A/D转换时，由于A/D转换过程需一段时间，必须保证此过程中被测参数值不变，否则会影响转换精度，同理必须保持恒定的输出。 K R C Ua Uc 开关K闭合，输入电压通过电阻R向电容充电，输出电压随着变化，并使两者趋于相等，此即为采样状态； 开关K在时刻断开时，由于电容具有保持电荷特性而将的电压值记忆在其上，此即为保持状态。

（4）A/D转换和模拟量信号的输入预处理 模拟量经过多路开关和S/H后，必须转换成数字量才能送入计算机，这一任务由A/D转换器完成。在A/D转换时，必须用量化单位对其进行整型量化，得到与模拟量相对应的数字量。经编码后成为能被计算机接受的信息。 量化：就是采用有限字长的一组数码（如二进制码）去逼近模拟信号的采样值。量化和编码是A/D转换的主要组成部分。 另外要对信号进行规格化，如统一地变化为0～5V的电平电压，这个过程称为电平变换。这些电平统一的信号通过A/D变换成数字量后送入计算机，再经过一系列数据预处理，最终送入数据库。

模拟量信号的输入预处理 进入A/D的模拟信号都为统一的电平信号，如10KV的电压，经电压互感器后变送器输出为5V；110KV的进线电压，经电压互感器后变送器输出也为5V，两者经A/D变换后得到同一数字量，意义却不同。 判断采入的数据是否有明显差错，为伪舍弃。不同类型参数采用不同方法，如母线电流中的数据，用同一参数前、后周期的变化量判断，或用限值判断。 利用计算机根据一定的算法用程序来减少噪声在信号中的比重。常用有算术平均法、加权平均法、中位值法等。 有些采集设备，如变送器等，其输出电信号与被测参数间成非线性关系，为提高测量精度，采取线性化措施。将非线性函数进行分段线性化拟合处理，分段数以误差满足精度要求为准。

（5）遥测采集过程与越死区计算 死区：又称压缩因子，用VFAC表示。 为了减少向调度中心的数据输送量，对各遥测量的变化，预先规定了一个阀值（死区），对应的遥测量只有在其变化值超过了规定的阀值，才进行数据处理和传送。否则不传。 死区计算：比较前一次采集的值（旧值）与现采集的值（新值）之差是否超过压缩因子。超过，则越死区，处理；否则，不处理。 要求：在编程中，要设置存储模拟量的旧值、新值、越死区标志等内存空间或内存变量。

遥测量采集过程框图

(6) 模拟量输出通道 主机将运算结果通过并行输出端口输出二进制数据，再经A/D转换器转换成相应的模拟量信号，再经功率放大器后驱动执行机构，以达到预定的控制要求。

三、遥控、遥调输出接口 （1）遥控输出回路 遥控是对变电所的断路器、隔离开关等开关量进行“合”与“断”的两种状态的操作，或者对复归信号的“清除”操作，即开关量的输出。

遥控操作分两步实现： 选择：首先选择对象，使控制对象继电器节点DJ闭合，经返校确认，停止或撤消遥控操作。 实际对变电所中断路器等控制时，将中间出口继电器的节点接入变电所相应的控制回路中，接通或断开相应的控制电器，以启动控制回路中的中间继电器去完成断路器的合、分动作。所以输出继电器节点应具有相应耐压和切断电流能力。 遥控操作分两步实现： 选择：首先选择对象，使控制对象继电器节点DJ闭合，经返校确认，停止或撤消遥控操作。 执行：选择正确，可继续进行合、分操作。

（2）开关驱动电路 自学

（3）遥调输出回路 遥调与遥控类似，也是一种控制输出。 与遥控只输出两种状态不同的是：遥调需要输出连续变化的信号，即输出模拟量信号。

四、遥测量的测量 （一）变送器测量原理 方法：将被测电量经电量变送器变换成直流信号，然后将其送入采样保持器、A/D转换器，CPU从A/D转换器内读出转换后的数字量，经标度变换计算所测电量值。