課程設(shè)計--rtu的設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 RTU概念及特點………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 概述………………………………………………………………………1</p>

2、;<p>　　1.3 RTU的應(yīng)用……………………………………………………………………1</p><p>　　1.4 國內(nèi)外RTU的發(fā)展與現(xiàn)狀……………………………………………………2</p><p>　　第二章 RTU基本功能……………………………………………………………5</p><p>　　2.1 RTU功能簡介…………………………………

3、…………………………5</p><p>　　2.2 RTU四遙功能……………………………………………………………6</p><p>　　2.3 RTU主要功能……………………………………………………………6</p><p>　　2.4 遙測量的獲取……………………………………………………………7</p><p>　　2.4.1 直流法

4、……………………………………………………………7</p><p>　　2.4.2 交流采樣法……………………………………………………………8</p><p>　　2.4.3 智能調(diào)表……………………………………………………………13</p><p>　　第三章 RTU通信方式……………………………………………………………14</p><p&

5、gt;　　3.1 電話網(wǎng)通信……………………………………………………………14</p><p>　　3.2 載波通信……………………………………………………………15</p><p>　　3.3 微波通信……………………………………………………………15</p><p>　　3.4 光纖通信……………………………………………………………16</p>

6、;<p>　　第四章 智能電表及RTU的結(jié)構(gòu)………………………………………………19</p><p>　　4.1 智能電表的模塊結(jié)構(gòu)……………………………………………………………19</p><p>　　4.2 RTU結(jié)構(gòu)框圖……………………………………………………………19</p><p>　　總 結(jié)………………………………………………………

7、……23</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………24</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 RTU概念及其特點</p><p>　　RTU英文全稱 Remote Terminal Units，中文全稱為遠(yuǎn)程終端單元。 </p>

8、<p>　　RTU具有的特點是： </p><p><b>　　通訊距離較長 </b></p><p>　　用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場 </p><p>　　模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計，便于擴展 </p><p>　　在具有遙信、遙測、遙控、遙信領(lǐng)域的水利，電力調(diào)度，市政調(diào)度等行業(yè)廣泛使用。 </p><

9、;p>　　RTU產(chǎn)品目前與無線設(shè)備，工業(yè)TCP/IP產(chǎn)品結(jié)合使用，正在發(fā)揮越來越大的作用。</p><p><b>　　1.2 概述</b></p><p>　　RTU是SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))的基本組成單元。一個RTU可以有幾個，幾十個或幾百個I/O點，可以放置在測量

10、點附近的現(xiàn)場。RTU應(yīng)該至少具備以下兩種功能：數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)傳輸（網(wǎng)絡(luò)通信），當(dāng)然，許多RTU還具備PID控制功能或邏輯控制功能、流量累計功能等等。</p><p>　　遠(yuǎn)程測控終端RTU作為體現(xiàn)“測控分散、管理集中”思路的產(chǎn)品從20世紀(jì)80年代起介紹到中國并迅速得到廣泛的應(yīng)用。它在提高信號傳輸可靠性、減輕主機負(fù)擔(dān)、減少信號電纜用量、節(jié)省安裝費用等方面的優(yōu)點也得到用戶的肯定。</p><

11、p>　　1.3 RTU的應(yīng)用</p><p>　　除了在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中大量應(yīng)用（例如電廠、鋼鐵廠、化工廠）之外在測控點特別分散的場合，例如在以下行業(yè)中遠(yuǎn)程測控終端RTU得到廣泛的應(yīng)用：城市供水自動化控制系統(tǒng)；城市廢水處理系統(tǒng)；城市煤氣管網(wǎng)綜合調(diào)度系統(tǒng)；天然氣、石油行業(yè)自動化系統(tǒng)；電力遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集控系統(tǒng)；熱網(wǎng)管道自動化控制；大氣/水質(zhì)等環(huán)保監(jiān)測；水情水文測報系統(tǒng)；燈塔信標(biāo)、江河航運、港口、礦山調(diào)度系統(tǒng)。&

12、lt;/p><p>　　1.4 國內(nèi)外RTU的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　1.4.1 國外RTU的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　對于變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，很多國家都做了大量的研究工作，目前各在電網(wǎng)計機監(jiān)控系統(tǒng)方面多采用分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)是把電廠的各項功能，按分層分布處理的原則由功能模塊和接口模塊組成計算機分布系統(tǒng)，整個系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，合理分工，最佳運行管

13、理。因此，這種分布開放式系統(tǒng)完全滿足高效率、高利用率、最大靈活性、良好的兼容性以及安全可靠和抗干擾能力強的要求。</p><p>　　西門子公司于1985年在德國漢諾威正式投運其第一套變電站自動化系LSA678，至1993年已有300多套同類型的系統(tǒng)在德國本土及歐洲其他國家不同電壓等級的變電站投入運行，至1995年，該公司在中國也陸續(xù)得到十幾個工程項目，基本上是110kV城市變電站。LSA678系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有全分散

14、式和集中與分散相結(jié)合兩種類型。</p><p>　　ABB公司的變電站自動化綜合系統(tǒng)SCS100,在芬蘭生產(chǎn)，用于中、低壓變電站。SC200在瑞典生產(chǎn)，用于高壓變電站。還有 GE Harris 的 D10D20m25D200;費希爾-羅斯蒙特(F-RSOEMOUNT)的ROC產(chǎn)品系列包括R0c-300系列通用RTU有ROC306，ROC312；另外MOTOROLA公司也開發(fā)自己的RTU產(chǎn)品，但他們的產(chǎn)品主要為自己

15、公司的SCADA系統(tǒng)提供服務(wù)。</p><p>　　1.4.2 國內(nèi)RTU的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)變電站綜合自動化的研究工作開始于80年代中期。自20世紀(jì)90年代以來，變電站自動化技術(shù)一直是我國電力行業(yè)的熱點技術(shù)之一目前全國已投入運行的35-500kV變電站約20000座，而且每年新增變電站的數(shù)量約為3%~5%.</p><p>　　據(jù)有關(guān)資料獲知，我

16、國開始投運的變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)動系統(tǒng)完全是彼此獨立、互不相關(guān)的，數(shù)據(jù)各自分別采集，信息不能共享，硬件設(shè)備重復(fù)設(shè)置，重復(fù)投資。后來設(shè)計的站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)已把站內(nèi)監(jiān)控與遠(yuǎn)動功能結(jié)合在一起，可向幾個不同級別的調(diào)度中心發(fā)送各自所需的遠(yuǎn)動信息，所有遙測、遙信信息集中采集。其主要發(fā)展階段為:</p><p>　　1.80年代及以前，是以RTU為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)動裝置及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控為代表。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線的基礎(chǔ)

17、上增設(shè)RTU裝置。此類系統(tǒng)稱為集中RTU模式，目前在一些老站改造中仍有少量使用。在這個階段內(nèi)的RTU采用常規(guī)電量變送器方式，各待測模擬量通過變送器模擬運算轉(zhuǎn)換為直流信號，采用直流采樣技術(shù)，對來自變送器的直流信號采樣并進(jìn)行簡單的標(biāo)量/工程量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.90年代初期，單元式微機保護(hù)及按功能設(shè)計的分散式微機測控裝置得以廣泛應(yīng)用，保護(hù)與測控裝置相對獨立，通過通信管理單元能夠?qū)⒏髯孕畔⑺偷胶笈_或調(diào)度端計

18、算機，采用集中方式管理。這個階段內(nèi)的RTU采用微機交流采樣技術(shù)，以微處理器為核心，對電網(wǎng)的電流、電壓進(jìn)行直接交流采樣，經(jīng)軟件運算獲得各種電氣量。其特點是采樣中間環(huán)節(jié)少，精度高，穩(wěn)定性好。目前在電網(wǎng)中投運的RTU基本上都采用了這種技術(shù)。</p><p>　　3.90年代中期，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，采用按間隔為對象設(shè)計保護(hù)測控單元，各種分散式變電站自動化系統(tǒng)相繼研制成功和投入運行。采用分層分布式的

19、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成真正意義上的分層分布式自動化系統(tǒng)。這個階段內(nèi)的RTU是在現(xiàn)有的RTU的基礎(chǔ)上正在研制的新一代的分布式RTU。其特點是融站內(nèi)監(jiān)控功能、信號采集、遠(yuǎn)動功能以及保護(hù)信息為一個統(tǒng)一整體的綜合自動化系統(tǒng)，這也是我國變電站自動化技術(shù)發(fā)展的方向。</p><p>　　目前在我國電力行業(yè)實際使用的RTU有多種類型，但主要有兩類，一是集中式微控制型RTU,另一種為分布式、多CPU的RTU。集中控制式RTU的主要特點是

20、用一個CPU管理所有RTU的工作，價格便宜，但有嚴(yán)重缺陷，如：標(biāo)準(zhǔn)化程度低，很難與其他家的產(chǎn)品兼容；結(jié)構(gòu)單一，擴展性差：CPU重，因而容易造成系統(tǒng)癱瘓，可靠性差；實時響應(yīng)性差，遙信分辨率低；調(diào)試復(fù)雜，維護(hù)困難。由于集中式RTU所存在的上述缺點，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化對實時性、擴展性、準(zhǔn)確性及可靠性的要求，正逐漸被新一代功能分布、多CPU、模塊化的RTU所替代。新一代RTU具有如下一些特點：</p><p>

21、;　　1.采集數(shù)據(jù)對象的不同，將不同的功能(如遙測、遙信、開關(guān)量、脈沖量等)分配在不同的模塊上完成。各個模塊均有單獨的CPU控制，并可通過信道與其他模塊聯(lián)系。</p><p>　　2.功能可以根據(jù)需要進(jìn)行擴展。</p><p>　　3.由于多個CPU共同負(fù)擔(dān)RTU的工作，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，響應(yīng)速度加快，分辨率提高。</p><p>　　4.抗干擾能力提高，可

22、靠性增強，調(diào)試簡單，維護(hù)容易。</p><p>　　總之，功能分布式RTU與集中式RTU相比，在功能和性能上都有質(zhì)的飛躍，但仍有不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：標(biāo)準(zhǔn)化程度低，兼容性差；穩(wěn)定性和抗干擾能力還不夠。</p><p>　　為了解決這個問題，近些年人們提出了總線型結(jié)構(gòu)的RTU。通過引入開放式網(wǎng)絡(luò)總線，將RTU分布在現(xiàn)場的各個模塊聯(lián)系起來。它有以下幾個特點：利用串行總線可以實現(xiàn)測控模塊

23、的就近安裝，減少布線；由于總線的開放性，因而組網(wǎng)靈活，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高可實現(xiàn)方便互聯(lián)，容易與變電站自動化系統(tǒng)組成一體。</p><p>　　另外，由于變電站內(nèi)繼電保護(hù)、監(jiān)測、控制、計量和事故記錄等方面使用基于微處理器的智能電子器件記IED已越來越廣泛，隨著智能電子器件見口在變電站中的普遍使用，使用現(xiàn)場總線連接各IED的變電站自動化也就是必然趨勢。只有這樣，才能確保變電站自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備之間地互

24、聯(lián)以及互操作，給用戶帶來極大方便。</p><p>　　第二章 RTU基本功能</p><p>　　2.1 RTU功能簡介 </p><p>　　RTU（Remote Terminal Unit）是一種遠(yuǎn)端測控單元裝置，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，RTU通常要具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度

25、環(huán)境，提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產(chǎn)品在SCADA系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。 </p><p>　　遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測量安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。RTU將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計算機發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設(shè)備的功能控制。 </p><p>　　監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集是一個

26、含義較廣的術(shù)語，應(yīng)用于可對安裝在遠(yuǎn)距離場地的設(shè)備進(jìn)行中央控制和監(jiān)視的系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可以設(shè)計滿足各種應(yīng)用（水、電、氣、報警、通信、保安等等），并滿足顧客要求的設(shè)計指標(biāo)和操作概念。SCADA系統(tǒng)可以簡單到只需通過一對導(dǎo)線連在遠(yuǎn)端的一個開關(guān)，也可復(fù)雜到一個計算機網(wǎng)絡(luò)，它由許多無線遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）組成并與安裝在中控室的功能強大的微機通信。SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備可以用各種不同的硬件和軟件來實現(xiàn)。這取決于被控現(xiàn)場的性質(zhì)、系統(tǒng)的復(fù)雜

27、性、對數(shù)據(jù)通信的要求、實時報警報告、模擬信號測量精度、狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備的調(diào)節(jié)控制和開關(guān)控制。 </p><p>　　變電站是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的安全可靠運行是電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的根本保證。當(dāng)前變電站正以分項自動化向著綜合自動化方向發(fā)展，綜合自動化的近期目標(biāo)是把變電站的保護(hù)、測量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動等融為一體，取得數(shù)據(jù)共享，資源共享，大幅度提高自動化的功效。 </p><p>　　對于電力系

28、統(tǒng)，為了進(jìn)行現(xiàn)代化管理，往往實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化，雖然省、地、縣各級調(diào)度有不同的職能和責(zé)任，但其組成基本相同，一般是由主站和遠(yuǎn)動終端（RTU）組成。遠(yuǎn)動終端就是電網(wǎng)監(jiān)視和控制系統(tǒng)中安裝在發(fā)電廠或變電站的一種遠(yuǎn)動裝置，它負(fù)責(zé)采集所在發(fā)電廠或變電站電力運行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，監(jiān)視并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或變電站的控制和調(diào)度命令。然而，隨著煤礦現(xiàn)代化管理的飛速發(fā)展，實施煤礦安全生產(chǎn)微機監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)已是大勢

29、所趨，該系統(tǒng)通過設(shè)置在礦調(diào)度室的主計算機能實時地監(jiān)視煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境安全參數(shù)和全礦重要機電設(shè)備的工況，從而對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)的指揮管理和控制融為一體，成為礦井生產(chǎn)的中樞。 </p><p>　　由于礦調(diào)度室遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場，因此，礦井上下需要設(shè)置多個遠(yuǎn)動分站。毋庸置疑，煤礦變電站是企業(yè)生產(chǎn)的核心和動力源泉，它關(guān)系著安全生產(chǎn)和人體安危。變電站的安全管理也是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。通常變電站與煤礦生產(chǎn)

30、調(diào)度中心往往相距較遠(yuǎn)，必須采用遠(yuǎn)動技術(shù)，在變電站設(shè)置遠(yuǎn)動終端即RTU，與調(diào)度中心計算機通過信道相連接，RTU與調(diào)度中心之間通過遠(yuǎn)距離信息傳輸完成RTU的遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。</p><p>　　2.2 RTU四遙功能</p><p>　　RTU與主站配合可以實現(xiàn)四遙功能，即：遙測、遙信、遙控、遙信。</p><p>　　遙測(遙測信息)：遠(yuǎn)程測量,采集并傳送運行參數(shù)，包

31、括各種電氣量和負(fù)荷潮流等。遙測信息是RTU采集到的電力系統(tǒng)運行的實時參數(shù)，如發(fā)電機出力，母線電壓，系統(tǒng)中的潮流，有功負(fù)荷和無功負(fù)荷，線路電流，電度量等測量量信息。 </p><p>　　遙信(遙信信息)：遠(yuǎn)程信號,采集并傳送各種保護(hù)和開關(guān)量信息.遙信信息是RTU采集到的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的動作信息，斷路器的狀態(tài)信息，告警信號等狀態(tài)量信息。</p><p>　　遙控(遙控信息)：遠(yuǎn)程控制,接受

32、并執(zhí)行遙控命令，主要是分合閘.遙控信息是指從電力系統(tǒng)調(diào)度控制中心發(fā)出的對斷路器執(zhí)行分合閘操作的狀態(tài)量信息。 </p><p>　　遙調(diào)(遙調(diào)信息)：遠(yuǎn)程調(diào)節(jié),接受并執(zhí)行遙調(diào)命令，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率.遙調(diào)信息是指從電力系統(tǒng)調(diào)度控制中心發(fā)出的對發(fā)電機有功和無功出力進(jìn)行調(diào)整的測量量信息。</p><p>　　2.3 RTU的主要功能</p><p>　　(1)采集狀態(tài)量

33、并向遠(yuǎn)方發(fā)送，帶有光電隔離，遙信變位優(yōu)先傳送； </p><p>　　(2)采集數(shù)據(jù)量并向遠(yuǎn)方發(fā)送，帶有光電隔離； </p><p>　　(3)直接采集系統(tǒng)工頻電量，實現(xiàn)對電壓、電流、有功、無功的測量并向遠(yuǎn)方發(fā)送 ，可計算正反向電度； </p><p>　　(4)采集脈沖電度量并向遠(yuǎn)方發(fā)送，帶有光電隔離； </p><p>　　(6)接收并執(zhí)

34、行遙控及返校； </p><p>　　(7)程序自恢復(fù)； </p><p>　　(8)設(shè)備自診斷(故障診斷到插件級)； </p><p><b>　　(9)設(shè)備自調(diào)； </b></p><p>　　(10)通道監(jiān)視； </p><p>　　(11)接收并執(zhí)行遙調(diào)； </p><

35、p>　　(12)接收并執(zhí)行校時命令(包括GPS對時功能 選配)； </p><p>　　(13)與兩個及兩個以上的主站通訊； </p><p>　　(14)采集事件順序記錄并向遠(yuǎn)方發(fā)送； </p><p>　　(15)提供多個數(shù)字接口及多個模擬接口； </p><p>　　(16)可對每個接口特性進(jìn)行遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)卦O(shè)置； </p>

36、;<p>　　(17)提供若干種通信規(guī)約,每個接口可以根據(jù)遠(yuǎn)方/當(dāng)?shù)卦O(shè)置傳輸不同規(guī)約的數(shù)據(jù)； </p><p>　　(18)接受遠(yuǎn)方命令,選擇發(fā)送各類信息； </p><p>　　(19)可轉(zhuǎn)發(fā)多個子站遠(yuǎn)動信息； </p><p>　　(20)當(dāng)?shù)仫@示功能，當(dāng)?shù)亟涌谟懈綦x器； </p><p>　　(21)支持與擴頻、微波、衛(wèi)星

37、、載波等設(shè)備的通訊； </p><p>　　(22)選配及多規(guī)約同時運行，如DL451-91 CDT規(guī)約，同進(jìn)應(yīng)支持POLLING規(guī)約和其他國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約（如DNP3.0、SC1801、101規(guī)約）； </p><p>　　可通過電信網(wǎng)和電力系統(tǒng)通道進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)置。 </p><p>　　2.4 遙測量的獲取</p><p>　　遙測量主要包括電

38、流，電壓，功率，頻率，相角</p><p><b>　　2.4.1 直流法</b></p><p>　　直流法是先將交流信號變換成與交流電量值成正比關(guān)系的直流信號，然后對直流信號進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換，然后通過計算得到原交流電量值，即直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，軟件設(shè)計簡單，計算方便。</p><

39、;p>　　采用變送器的直流采樣法存在下列問題：</p><p>　　遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受變送器穩(wěn)定性的影響</p><p>　　遙測數(shù)據(jù)的實時性受變送器響應(yīng)速度的影響</p><p>　　變送器的維護(hù)工作比較大</p><p>　　通常一個變電站需要大量的變送器</p><p>　　測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)

40、定性的影響，整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形</p><p><b>　　因素影響較大</b></p><p>　　用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來了誤差。</p><p>　　因此，要獲得髙精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。&l

41、t;/p><p>　　2.4.2 交流采樣法</p><p>　　交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測量的測量方法。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。目前，髙速單片機、DSP及高速A／D轉(zhuǎn)換器的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強有力的硬件支持。

42、完成模擬信號數(shù)字化的關(guān)鍵是選擇適合于被測信號的采樣方式。有兩種基本的數(shù)字化采樣方式：實時采樣和等效時間采樣。實時采樣是指數(shù)字化一開始就對信號采樣，經(jīng)過一定采樣間隔后再進(jìn)行第二次采樣，這樣直至整周期信號采樣完，它是一種時間上連續(xù)的采樣方式。實時采樣的優(yōu)點是適用于任何波形的信號，由于按時間順序采樣，易于實現(xiàn)波形重現(xiàn)功能。缺點是所有采樣、變換以及數(shù)據(jù)的存儲都要求在采樣間隔內(nèi)完成，因此要求有較高的采樣速率。實時采樣又可以分為定時采樣和變步長采樣

43、。定時采樣又稱等間隔采樣，它是指不管信號頻率如何變化，每次采樣時間不變。變步長采樣是指不管信氣頻率如何變化，一個信號周期內(nèi)采樣點數(shù)固定為N個，因此又稱為等點采樣。等點采樣既能滿足測量精度的要求又能合理使用內(nèi)存，實際中有變換采樣速率可</p><p>　　根據(jù)采樣定理，采樣頻率為輸入信號最高頻率的至少兩倍時，才能復(fù)原輸入信號，否則將產(chǎn)生失真，而在對數(shù)據(jù)進(jìn)行類似于FFT變換時要求數(shù)據(jù)長度為2的整數(shù)倍。因此對于高精度數(shù)

44、字化測量系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的整周期采樣，尤其是2的整數(shù)倍周期采樣對于以后數(shù)據(jù)的分析乃至整個系統(tǒng)的精度都至關(guān)重要。要求實現(xiàn)采樣信號與輸入被測信號同步，也就是要求采樣脈沖必須與輸入信號實現(xiàn)同步。同步實質(zhì)上是指采樣間隔乃與信號周期T滿足T=NTs，N為正整數(shù)，為計算方便，通常取2的整數(shù)倍。本文中采用每基波周期(50HZ)采樣27(128)個點。如只是近似滿足T=NTs則為準(zhǔn)同步，在對數(shù)據(jù)處理時，采用同步采樣的數(shù)據(jù)處理方法來處理準(zhǔn)同步采樣得到的數(shù)據(jù)

45、，則會帶來較大的誤差，對這種情況的解決方法是多周期采樣或其它的數(shù)據(jù)處理方法。</p><p>　　實現(xiàn)同步采樣的方法有多種，可以用軟件編程實現(xiàn)同步采樣，也可以接用硬件電路實現(xiàn)。實現(xiàn)軟件同步采樣的最簡單的方法是采用軟件定時，即將基波信號N倍頻后產(chǎn)生定時輸出以控制A／D轉(zhuǎn)換，由于我國電網(wǎng)頻率變化范圍為50Hz±(0.2~0.5Hz),實際上它屬于準(zhǔn)同步采樣，由于電路簡單控制方便，以這種方法產(chǎn)生的同步采樣脈沖

46、在輸入信號頻率較為穩(wěn)定或在測量要求不高的情況下具有一定的使用價值。而在對采樣要求嚴(yán)格同步時或輸入信號基波頻率波動較大的情況下，由于采樣脈沖不能及時跟蹤輸入信號的變化，對采樣精度影響較大。要實現(xiàn)精確的軟件同步，必須采用一定算法首先取出所采樣信號基波分量，整數(shù)倍頻后產(chǎn)生同步采樣脈沖。這樣雖然精度有所提高，但所需的時間較長，存儲容量較大，增加了 CPU的開支。硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖，它能克服軟件同步采樣法

47、存在截斷誤差等缺點，測量精度高。</p><p>　　根據(jù)以上分析，本文采用了硬件電路實現(xiàn)同步實時采樣，此方法使微處理器擺脫了同步采樣的干擾，且能實時地跟蹤采樣，提高了采樣精度和實時性。</p><p>　　(一)采樣點數(shù)的選擇</p><p>　　要獲得精確的測量結(jié)果，就要選擇合適的采樣點數(shù)。每周波的采樣頻率的大小很重要。如果采樣頻率選擇得過高，即采樣間隔過小，則

48、每個周期里采樣點數(shù)過多，從而造成數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間太長；另一方面，如果采樣頻率過低，則快速傅立葉FFT運算乃在頻域?qū)霈F(xiàn)混淆現(xiàn)象，從而造成頻譜失真，使之不能真實反映原來的信號。</p><p>　　因此，對連續(xù)信號的采樣頻率需大于奈奎斯特頻率，即采樣頻率Fs至少應(yīng)等于或大于信號所含有的最高頻率的兩倍，即：</p><p>　　Fs≥2Fh

49、 （2-1）</p><p>　　而實際應(yīng)用中，F(xiàn)s常取為4Fh～10Fh.</p><p>　　在本系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到DSP的計算速度、采樣定理以及快速傅立葉變換要求采樣點數(shù)為2的冪次方等因素，選用每周波每路采樣128點。高采樣點數(shù)的FFT算法能將采集的電壓、電流中的干擾化為高次諧波處理，這樣，就避免了增加模擬低通濾波這一部分硬件，從而以“軟件換硬件”的方式為提高系

50、統(tǒng)的測量精度奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　（二）基于快速傅立葉變換FFT的電量測量原理</p><p>　　假設(shè)無噪聲的輸入信號是頻率為w的正弦波電壓：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>

51、<b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，是初相位，是電壓相角變化，A是幅值。</p><p>　　可用矢量U的虛部表示：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　

52、　若將看作的復(fù)數(shù)振幅，</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　對信號每周波采樣N次，產(chǎn)生采樣序列{}，</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　其中，T0/N是采樣間隔。 </p><p>　　對{}進(jìn)行離散傅里葉變換

53、得到基波分量的頻譜系數(shù)，</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>

54、;　　和分別在表達(dá)式中是余弦項之和及正弦項之和。</p><p>　　對正弦輸入信號可以證明：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　是輸入信號的基波頻譜系數(shù)，由式（2-8）、（2-10）、（2-13）、（2-14）可

55、得出與的關(guān)系。</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　可見，和都是表示基波分量的復(fù)數(shù)振幅，和分別為復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部。</p><p><b>　　頻率的測量：</b></p><p>　　電壓信號經(jīng)過低通濾波器濾除掉高次干擾成分后，送入到比較器得到與電壓信號頻率相

56、同的方波信號輸出，再送入到測控DSP的中斷輸入端。DSP的中斷程序中記錄下輸入方波信號相臨負(fù)跳變的時刻，從而計算出頻率f。</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　其中，data為兩次負(fù)跳變的計數(shù)值之差；data1和data2分別為相鄰兩負(fù)跳變時DSP的計數(shù)值。采用此方法測量，使得周期的測量誤差為DSP的時間50ns。</p>

57、<p><b>　　電流、電壓的測量：</b></p><p>　　對于電力系統(tǒng)來講，輸入量為周期函數(shù)的電流i(t)、電壓u(t),可以分解為含有直流分量I、 及各諧波的傅里葉級數(shù)：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b>&l

58、t;/p><p>　　式中：k為k次諧波（k=1,2,3…）: 、、、分別為k次諧波的余弦分量、正弦分量的電流、電壓值。</p><p>　　根據(jù)傅里葉級數(shù)，從任一時刻t0積分一周期T，利用正交函數(shù)的特性，可得：　 </p><p>　　假設(shè)每個周期采樣N次，上式分別由離散值表示為：</p>

59、<p>　　其中，、是采樣的離散量，也就是電流、電壓的瞬時值。于是，電流、電壓值以及各自的初始值相位角為：</p><p>　　電功率、功率因數(shù)的測量：</p><p>　　由電工基礎(chǔ)知識可知，有功功率和無功功率分別為：</p><p>　　上式中，由于、、、均已求出，所以代入即可計算出、。</p><p>　　假設(shè)在同一時刻t

60、0對線路上個采集點同時進(jìn)行采樣，不存在相位誤差。在這種情況在，可以采用單相位計算法，即：先求出各項的有功和無功，最后求出三廂的總功率：</p><p>　　由上式可分別求得電流、電壓的初始相位、從而求得功率因數(shù)：</p><p>　　但用此方法求救不大方便。在實際應(yīng)用以及軟件編程的過程中，是采用下面的計算公式：</p><p><b>　　2.4.3智能電

61、表</b></p><p>　　智能電表作為智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展對于智能電網(wǎng)的壯大具有不可替代的作用。所謂智能電表，就是應(yīng)用計算機技術(shù)，通訊技術(shù)等，形成以智能芯片(如CPU)為核心，具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。</p><p>　　目前，國內(nèi)智能電度表從結(jié)構(gòu)上大致可分為機電一體式和全電子式兩大類。</p><p&g

62、t;　　機電一體式，即在原機械式電度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造價且易于安裝，一般而言其設(shè)計方案是在不破壞現(xiàn)行計量表原有物理結(jié)構(gòu)，不改變其國家計量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加裝傳感裝置變成在機械計度的同時亦有電脈沖輸出的智能電表。這類電度表由于其計量原理沒有改動，其計量精度和特性與機械表完全一樣，而成本相對較高，其優(yōu)勢在于能充分利用現(xiàn)已安裝使用中的大量的機械電度表，且其計量原理為大眾所熟悉而容易接受。</p>&

63、lt;p>　　全電子式則從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為核心的電子器件，從而取消了電表上長期使用的機械部件，與機電一體化電度表相比具有電表體積減小，可靠性增加，更加精確，耗電量減少，并且生產(chǎn)工藝大大改善，不必只在原有意義上的專業(yè)電度表廠生產(chǎn)等優(yōu)越性，最終會取代帶有機械部件的計量表。</p><p>　　當(dāng)前電子式電能表對用戶用電采樣方式主要有兩種形式。一種是用互感器采樣，另一種為直接采樣。采用互感器采樣即

64、利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號和電流信號；直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號，而用電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進(jìn)行電流直接采樣。采用互感器采樣，在起動電流、線性范圍、功耗和精度等指標(biāo)皆不如直接采樣，尤其是小電流時更為突出。 例如：額定電流為20A時，直接采樣的啟動電流為20mA，互感器采樣的啟動電流為40 mA。又如：采用專用的錳銅片進(jìn)行直接電流采樣的全電子電能表誤差可調(diào)整到+0.5%，而采用電流互感

65、器采樣，由于激磁電存在，若不采取補償措施，互感器本身誤差就可能超過5%。利用互感器采樣的的優(yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。</p><p>　　第三章 通信方式的選擇</p><p><b>　　3.1 電話網(wǎng)通信</b></p><p>　　電話網(wǎng)是傳遞電話信息的電信網(wǎng)，是可以進(jìn)行交互型話音通信、開放電話業(yè)務(wù)的電信網(wǎng)。電話網(wǎng)包括本地電話

66、網(wǎng)、長途電話網(wǎng)、國際電話網(wǎng)等多種類型。是業(yè)務(wù)量最大、服務(wù)面最廣的電信網(wǎng)。</p><p>　　電話網(wǎng)經(jīng)歷了由模擬電話網(wǎng)向綜合數(shù)字電話網(wǎng)的演變。除了電話業(yè)務(wù)，還可以兼容許多非電話業(yè)務(wù)。因此電話網(wǎng)可以說是電信網(wǎng)的基礎(chǔ)。</p><p>　　數(shù)字電話網(wǎng)與模擬電話網(wǎng)相比，在通信質(zhì)量、業(yè)務(wù)種類、為非話業(yè)務(wù)提供服務(wù)、實現(xiàn)維護(hù)、運行和管理自動化等方面都更具優(yōu)越性?，F(xiàn)在電話網(wǎng)正在向綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、寬帶綜合

67、業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及個人通信網(wǎng)的方向發(fā)展。屆時電話網(wǎng)將不僅能提供電話通信、還能按照用戶的要求，同時提供數(shù)據(jù)、圖像等多種多樣的服務(wù)。在發(fā)展到個人通信網(wǎng)時，還可以向用戶提供在任何地點、任何時間與任何個人進(jìn)行通信的服務(wù)。</p><p>　　電話網(wǎng)是開放電話精力為廣大用戶服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)。最早的電話通信形式只是兩部電話機中間用導(dǎo)線連接起來便可通話，但當(dāng)某一地區(qū)電話用戶增多時要想使眾多用戶相互間都能兩兩通話，便需設(shè)一部電話交換機

68、，由交換機完成任意兩個用戶的連接，這時便形成了一個以交換機為中心的單局制電話網(wǎng)。在某一地區(qū)(或城市)隨著用戶數(shù)繼續(xù)增多，便需建立多個電話局，然后由局間中繼線路將各局連接起來，形成多局制電話網(wǎng)。 </p><p>　　電話網(wǎng)從設(shè)備上講是交換機、傳輸電路(用戶線和局間中繼電路)和用戶終端設(shè)備(即電話機)三分部組成的。 </p><p>　　電話網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本分為網(wǎng)狀網(wǎng)和分級匯接網(wǎng)兩種形式。

69、網(wǎng)狀網(wǎng)為各端局各個相連，適用于局間話務(wù)量較大情況，分級匯接網(wǎng)為樹狀網(wǎng)，話務(wù)量逐級匯接，適用于局間話務(wù)量較小的情況。 </p><p>　　電話網(wǎng)當(dāng)前的發(fā)展方向為程控數(shù)字網(wǎng)，即各級交換中心的裝用程控數(shù)字交換機，傳輸電路均為數(shù)字電路。程控數(shù)字網(wǎng)通信質(zhì)量優(yōu)良，自動化程度高，故發(fā)展很快。我國目前程控數(shù)字化程度已達(dá)到85%以上。電話網(wǎng)的下一個發(fā)展方向是實現(xiàn)窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(N-ISDN)和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN

70、)。</p><p><b>　　3.2 載波通信</b></p><p>　　電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。在電力線載波通信系統(tǒng)中最基本的一項任務(wù)就是根據(jù)通信通道的不同選擇不同的調(diào)制方式。</p><p>　　按照調(diào)制器輸入信號（基帶信號，也稱為調(diào)制信號）的形式，調(diào)制可分為模擬調(diào)制（連續(xù)

71、調(diào)制）和數(shù)字調(diào)制。</p><p>　　模擬調(diào)制是利用輸入的模擬信號直接調(diào)制載波的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）或調(diào)相（PM）信號。數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位從而得到振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）信號。與模擬調(diào)制相比，數(shù)字調(diào)制有許多優(yōu)點，主要包括抗噪聲能力強、對信道擾動的魯棒性高、容易傳輸不同形式的信息（如聲音、數(shù)據(jù)和圖像）、安全性好等。

72、一個通信系統(tǒng)的質(zhì)量在很大程度上依賴于所采用的調(diào)制方式。調(diào)制是為了使信號特征與信道特性相匹配，因此，調(diào)制方式的選擇是由系統(tǒng)中的信道特性來決定的。顯然不同類型的信道特性，將相應(yīng)存在著不同類型的調(diào)制方式。 電力線載波通信信道的基本特征是：第一，時變衰減較大。對于一般的居民用戶，我國采用的是220 V交流兩線供電。由于電網(wǎng)上負(fù)載的不斷接入和切出，馬達(dá)的停止和啟動，電器開和關(guān)等各種隨機事件，使信道特性具有很強的時變性。另外，電力線本身的阻抗也會產(chǎn)

73、生時變衰減；第二，信號變化復(fù)雜。實際測量表明在電力線上不同位置并聯(lián)的諸多不同性質(zhì)的負(fù)載對信號的傳輸影響很大，隨著負(fù)載在電力線上的連接或斷開，在不同的時刻信號衰減也會表現(xiàn)出不同的特點，即</p><p>　　總之，針對電力線載波通信信道的以上特點，已調(diào)信號應(yīng)具有高的頻譜利用率、抗噪聲和抗干擾能力強、適宜于在衰落信道中傳輸?shù)忍攸c。高的抗干擾和抗多徑衰落性能，要求在惡劣的信道環(huán)境下能很好地工作，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪

74、比（S/N）較大或誤碼率較低。</p><p><b>　　3.3 微波通信 </b></p><p>　　微波通信（Microwave Communication），是使用波長在0.1毫米至1米之間的電磁波——微波進(jìn)行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì),當(dāng)兩點間直線距離內(nèi)無障礙時就可以使用微波傳送。 </p><p>　　利用微波進(jìn)行通信具有容量

75、大、質(zhì)量好并可傳至很遠(yuǎn)的距離,因此是國家通信網(wǎng)的一種重要通信手段,也普遍適用于各種專用通信網(wǎng)。 </p><p>　　我國微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段,K頻段的應(yīng)用尚在開發(fā)之中。由于微波的頻率極高,波長又很短,其在空中的傳播特性與光波相近,也就是直線前進(jìn),遇到阻擋就被反射或被阻斷,因此微波通信的主要方式是視距通信,超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。 </p><p>　　一般說來,由于地球

76、幽面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗,每隔50公里左右,就需要設(shè)置中繼站,將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式,也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。 </p><p>　　微波站的設(shè)備包括天線、收發(fā)信機、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動控制設(shè)備等。為了把電波聚集起來成為波束,送至遠(yuǎn)方,一般都采用拋物面天線,其聚焦作用可大大增加傳送距離。多個收發(fā)

77、信機可以共同使用一個天線而互不干擾,我國現(xiàn)用微波系統(tǒng)在同一頻段同一方向可以有六收六發(fā)同時工作,也可以八收八發(fā)同時工作以增加微波電路的總體容量。多路復(fù)用設(shè)備有模擬和數(shù)字之分。模擬微波系統(tǒng)每個收發(fā)信機可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信,可用于不同容量等級的微波電路。數(shù)字微波系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字復(fù)用設(shè)備以30路電話按時分復(fù)用原理組成一次群,進(jìn)而可組成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并經(jīng)過數(shù)字調(diào)制器調(diào)制于發(fā)射機上,

78、在接收端經(jīng)數(shù)字解調(diào)器還原成多路電話。最新的微波通信設(shè)備,其數(shù)字系列標(biāo)準(zhǔn)與光纖通信的同步數(shù)字系列(SDH)完全一致,稱為SDH微波。這種新的微波設(shè)備在一條電路上,八個束波可以同時傳送三萬多路數(shù)字電話電路(2.4Gbit/s)。 </p><p>　　微波通信由于其頻帶寬、容量大、可以用于各種電信業(yè)務(wù)的傳送,如電話、電報、數(shù)據(jù)、傳真以及彩色電視等均可通過微波電路傳輸。微波通信具有良好的抗災(zāi)性能,對水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等

79、自然災(zāi)害,微波通信一般都不受影響。但微波經(jīng)空中傳送,易受干擾,在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向,因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴(yán)格管理之下進(jìn)行建設(shè)。此外由于微波直線傳播的特性,在電波波束方向上,不能有高樓阻擋,因此城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃,使之不受高樓的阻隔而影響通信。 </p><p><b>　　3.4 光纖通信</b></p><p&g

80、t;　　光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。</p><p>　　光纖通信技術(shù)（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出,已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一,在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù),其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的,也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。

81、</p><p>　　從原理上看,構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。光纖除了按制造工藝、材料組成以及光學(xué)特性進(jìn)行分類外,在應(yīng)用中,光纖常按用途進(jìn)行分類,可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種,而功能器件光纖則指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖,并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。 </p><p><b>　　光纖

82、通信特點</b></p><p>　　(1)通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn);一根光纖的潛在帶寬可達(dá)20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。目前400Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)使用。光纖的損耗極低，在光波長為1.55μm附近，石英光纖損耗可低于0.2dB/km，這比目前任何傳輸媒質(zhì)的損耗都低。因此，無中繼傳輸距離可達(dá)幾十、甚至上百公里。 </p>&l

83、t;p>　　(2)信號串?dāng)_小、保密性能好 </p><p>　　(3)抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳,電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾 </p><p>　　(4)光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運輸 </p><p>　　(5)材料來源豐富,環(huán)境保護(hù)好，有利于節(jié)約有色金屬銅 </p><p>　　(6)無輻射,難于竊

84、聽,因為光纖傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外 </p><p>　　(7)光纜適應(yīng)性強,壽命長 </p><p>　　(8)質(zhì)地脆，機械強度差 </p><p>　　(9)光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù) </p><p>　　(10)分路、耦合不靈活 </p><p>　　(11)光纖光纜的彎曲半徑不能過?。?g

85、t;20cm） </p><p>　　(12)有供電困難問題 </p><p>　　利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點，光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纖通信． </p><p>　　光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信

86、號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息． </p><p>　　光纖通信的誕生和發(fā)展是電信史上的一次重要革命與衛(wèi)星通信、移動通信并列為20世紀(jì)90年代的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展和音頻、視頻、數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用的增長，對大容量（超高速和超長距離）光波傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)有了更為迫切的需求。 </p><p&g

87、t;　　通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴大通信容量的過程，光頻作為載頻已達(dá)通信載波的上限，因為光是一種頻率極高的電磁波 ，因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標(biāo)，也是通信發(fā)展的必然方向。 </p><p>　　光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域是很廣泛的，主要用于市話中繼線，光纖通信的優(yōu)點在這里可以充分發(fā)揮，逐步取代電纜，得到廣泛應(yīng)用。還用于長途干線通信過去

88、主要靠電纜、微波、衛(wèi)星通信，現(xiàn)以逐步使用光纖通信并形成了占全球優(yōu)勢的比特傳輸方法；用于全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)（如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線）；它還用于高質(zhì)量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線（CATV）系統(tǒng)，用于光纖局域網(wǎng)和其他如在飛機內(nèi)、飛船內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。 </p><p>　　光纖傳輸系統(tǒng)主

89、要由：光發(fā)送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構(gòu)成。要實現(xiàn)通信，基帶信號還必須經(jīng)過電端機對信號進(jìn)行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過程。 </p><p>　　它適合于光纖模擬通信系統(tǒng)中，而且也適用于光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在光纖模擬通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進(jìn)行放大、預(yù)調(diào)制等處理，而電信號反處理則是發(fā)端處理的逆過程，即解調(diào)、放大等處理。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶

90、信號進(jìn)行放大、取樣、量化，即脈沖編碼調(diào)制（PCM ）和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發(fā)端的逆過程。對數(shù)據(jù)光纖通信，電信號處理主要包括對信號進(jìn)行放大，和數(shù)字通信系統(tǒng)不同的是它不需要碼型變換。 </p><p>　　第四章 智能電表及RTU的結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.1智能電表的模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬

91、件選擇及軟件開發(fā)，是在對系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性價比、元器件的可購性等因素進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，對多個方案比較權(quán)衡后確定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖有以下幾個模塊組成：計量模塊、主控模塊、顯示模塊、存儲模塊、看門狗復(fù)位模塊、時鐘模塊、RS-485通信模塊、計量回路選通模塊、后備電源和主電源切換電路等。&

92、lt;/p><p>　　4.2 RTU結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　整個RTU系統(tǒng)分為兩大模塊：信號測量模塊，通信主控模塊。信號測量模塊完成對現(xiàn)場的原始信號的測量并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量(遙測、遙信和遙脈)，同時控制信號輸出端口用以完成遙控輸出。通信主控模塊完成與下位信號測控模塊數(shù)據(jù)通訊；與PC的通訊；與遠(yuǎn)程控制中心(調(diào)度中心)的通訊功能。</p><p>　　圖4.2

93、 RTU的總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　采用在測控領(lǐng)域和電力行業(yè)獲得許多成功運用的CAN總線作為現(xiàn)場總線實現(xiàn)變電站RTU現(xiàn)場數(shù)據(jù)的互連?？紤]到整個RTU系統(tǒng)的通用性和靈活性，通信主控模塊設(shè)有四種通訊端口模式：</p><p>　　1.CAN總線與下位信號測量模塊相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的請求與命令發(fā)布。</p><p>　　2.RS232端口實現(xiàn)與PC的通信，將RTU處理后

94、的數(shù)據(jù)交與PC機作進(jìn)一步的處理或由PC機實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制。</p><p>　　3.遠(yuǎn)方通訊端口用來與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通訊。</p><p>　　4.RS485端口用來實現(xiàn)與傳統(tǒng)的RTU設(shè)備或者其它的下位智能儀表接口相兼容。</p><p>　　遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)是由監(jiān)控中心和分布在各個監(jiān)控點上的遠(yuǎn)程測控終端以及通信介質(zhì)構(gòu)成。遠(yuǎn)程測控終端作為系統(tǒng)的獨立T作站點，是監(jiān)測、

95、監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的終端單元，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和測量、參數(shù)調(diào)節(jié)、信號報警以及與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信等功能。</p><p><b>　　1）系統(tǒng)主要功能</b></p><p>　　第一，遠(yuǎn)程測控終端現(xiàn)場采集各種信號，如電壓．電流、數(shù)字量、頻率等多種信號類型。第二，存儲采集的信號，并根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)條件(如對相應(yīng)設(shè)備的控制)進(jìn)行相應(yīng)的控制。第三，根據(jù)相應(yīng)的通信觸

96、發(fā)條件進(jìn)行與監(jiān)控巾心的通信。</p><p><b>　　2）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)主要南3層組成：上層監(jiān)控機中間層是RS232轉(zhuǎn)換(modem、電臺、GPRS等)以及通信介質(zhì)。下層是具有RS232和RS485以及以太網(wǎng)絡(luò)接口的遠(yuǎn)程測控終端。遠(yuǎn)程測終端由基于ARM的嵌入式系統(tǒng)組成，分布在各個監(jiān)控現(xiàn)場，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場信號。并在監(jiān)控中心發(fā)出請

97、求或達(dá)到現(xiàn)場特殊的觸發(fā)條件控制相應(yīng)設(shè)備以及與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。</p><p>　　遠(yuǎn)程測控終端采用ARM9內(nèi)核的微處理器AT9lRM9200為主CPU．設(shè)汁合理可靠的硬件電路，包括：數(shù)據(jù)采集(包括模擬量、開_關(guān)量，數(shù)字信號)電路．開關(guān)量輸}lj控制電路以及跟蹤通信電路(包括以太網(wǎng)通信、RS232接口電路等)。數(shù)據(jù)采集電路采集現(xiàn)場的各種模擬量(4mA．20 mA。l V一5 V各種信號)、開關(guān)量以及RS485串行

98、的數(shù)字信號。開關(guān)量輸{}；電路用于控制現(xiàn)場設(shè)備如設(shè)備的扁停、開關(guān)的打開閉合等。通信電路通過以太網(wǎng)接口以及串口轉(zhuǎn)換的modem、電臺、GPRS等實現(xiàn)測控終端與監(jiān)控中心的通信。</p><p>　　1）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)各種現(xiàn)場需求的不同．系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要包括：對壓力、流量、液位、溫度等各種非電量的采集主要通過將非電量轉(zhuǎn)換為4 mA一20 mA．I V一5 V和

99、熱電偶的毫伏信號等標(biāo)準(zhǔn)信號模擬量的采集．設(shè)備的運行狀態(tài)等開關(guān)量信號的采集和具有數(shù)字接口</p><p>　　如RS485的儀器儀表的數(shù)字信號的采集。</p><p><b>　　1.模擬量采集電路</b></p><p>　　多路模擬信號的采集通過電子開關(guān)芯片ADG71l和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7816轉(zhuǎn)換．再通過SPI接口送到微處理器AT91RM9

100、200處理。模擬量采集電路見下圖：</p><p>　　具體的實現(xiàn)過程如下：首先通過AT91RM9200的PIO口線啟動ADG71l選通相應(yīng)的采樣通道，再通過穿行外設(shè)接口的NPCS0引腳SPI啟動ADS78 16來進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后將數(shù)據(jù)讀人SPI_RDR寄存器，然后進(jìn)行相應(yīng)的存儲處理。采用ADS7816通過改變參考電壓可以實現(xiàn)多種電壓范圍的測量，我們設(shè)計了多種測量范嗣的選擇。l V。5 V(可以并聯(lián)250

101、Q精密電阻來實現(xiàn)4mA一20mA電流的測量)和0mV—100mV，0mV一200mV(可以采樣多種熱電偶的輸出信號)、0mV~400mV測量其他類型的毫伏信號。</p><p>　　2.開關(guān)量輸入與輸出電路的設(shè)計</p><p>　　開關(guān)量輸入輸出電路見右圖。開關(guān)量輸入信號包括：設(shè)備的狀態(tài)．一些壓力、流量、液位關(guān)等信號，手動、自動控制切換信號等。開關(guān)量輸入信號是通過ACPL214光電耦合器

102、件隔離輸入的?？梢愿綦x高電壓防止對電路的損壞．CPU通過掃描PIO引腳的高低電平來判斷開關(guān)量輸入的開閉。開關(guān)量輸iI；信號是控制設(shè)備的啟停和報警裝置等的T作，CPU輸H{高或低的控制信號來驅(qū)動ASSRl228光電耦合器隔離后驅(qū)動高電壓控制電路。AT91RM9200并行I／O(PIO)控制器與作為通用數(shù)據(jù)的I／O復(fù)用外設(shè)輸人／車寅j{{口線．以最大限度適應(yīng)器件的配置。每條口線上包含有一個輸入變化中斷、開漏能力及可編程上拉電阻。</p

103、><p><b>　　通信接口的設(shè)計</b></p><p>　　以太網(wǎng)作為一種比較成熟的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其TCP／IP協(xié)議棧已成為互聯(lián)網(wǎng)事實上的標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議遠(yuǎn)程測控終端采用以太網(wǎng)接口作為測控終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信接口。以太網(wǎng)MAC是OSI參考模型物理層(PHY)與邏輯鏈路層(LLC)間MAC子層的硬件工具。它使用以太網(wǎng)IEEE 802．3u數(shù)據(jù)幀格式控制主機與

104、PHY層問的數(shù)據(jù)交換。硬件上還設(shè)計有4個串行接口(包括3個RS232口和一個R5485接口)實現(xiàn)諸如modem、電臺、GPRS等多種通信方式的實現(xiàn)。由于微控制器ATglRM9200具有10／100 Base—T型以太網(wǎng)卡接口和4個通用同步／異步接I附發(fā)送器(USART)。所以通信電路的設(shè)計比較簡單。</p><p>　　遠(yuǎn)程測控單元在工農(nóng)業(yè)各行業(yè)以及市玫公用事業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用，所以我們采用了可組態(tài)的，可采集多

105、種類型信號、多種通信方式、配置靈活的遠(yuǎn)程測控終端。以滿足不同用戶的需求。對于一些環(huán)境惡劣、無人值守的場合進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　RTU英文全稱 Remote Terminal Unit，中文全稱為遠(yuǎn)程終端單元，因為它的一些特點，如通訊距離長，模塊結(jié)構(gòu)化的設(shè)計便于擴展，適用于各種惡劣的環(huán)境，使

106、得它適合與農(nóng)村和一些偏遠(yuǎn)的地區(qū)。</p><p>　　RTU（Remote Terminal Unit）是一種遠(yuǎn)端測控單元裝置，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，RTU通常要具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產(chǎn)品在SCADA系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。</p><p>　

107、　RTU是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測量安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。RTU將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計算機發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設(shè)備的功能控制。</p><p>　　監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集是一個含義較廣的術(shù)語，應(yīng)用于可對安裝在遠(yuǎn)距離場地的設(shè)備進(jìn)行中央控制和監(jiān)視的系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可以設(shè)計滿足各種應(yīng)用（水、電、氣、報警、通信、保安等等），并滿足顧客要求的設(shè)計

108、指標(biāo)和操作概念。SCADA系統(tǒng)可以簡單到只需通過一對導(dǎo)線連在遠(yuǎn)端的一個開關(guān)，也可復(fù)雜到一個計算機網(wǎng)絡(luò)，它由許多無線遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）組成并與安裝在中控室的功能強大的微機通信。</p><p>　　SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備可以用各種不同的硬件和軟件來實現(xiàn)。這取決于被控現(xiàn)場的性質(zhì)、系統(tǒng)的復(fù)雜性、對數(shù)據(jù)通信的要求、實時報警報告、模擬信號測量精度、狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備的調(diào)節(jié)控制和開關(guān)控制。 </p>&l

109、t;p>　　現(xiàn)在中國還沒有完全了解RTU這種產(chǎn)品。　　PLC 一般主要用于工廠車間流水線的控制，而RTU 在國外主要用于室外應(yīng)用，惡劣環(huán)境中，比如在一些無人值守的站點，因為PLC 的工作環(huán)境溫度0~50度，在其他地方不能可靠工作，雖然大家實際應(yīng)用當(dāng)中，又拿PLC 來當(dāng)RTU 來用，但是比較勉強，可靠性不能保證。市場上本來是需要這樣的產(chǎn)品的，只不過大家習(xí)慣于PLC 的概念，接受新的RTU 這樣的概念，大家還需要培育市場和概念?！?/p>