60kV变电站RTU设计课程设计论文

配电系统及其自动化 课程设计（论文）

题目： 60kV变电站RTU设计

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作 者 签 名： 日 期：

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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

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作者签名： 日期： 年 月 日

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作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

注 意 事 项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、

程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错

别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所

有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程

字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装

订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）

年 月 日

教学系意见：

系主任： （签名）

年 月 日

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：新能源学院 教研室：电气工程及其自动化

学 号 学生姓名 专业班级

电气（光伏）121

设计题目 60kV变电站RTU设计

课

程

设

计

（

论

文

）

任

务

该RTU主要实现配电变电所遥测、遥信、遥控、摇调等四遥功能，并将所遥测的电流电

压信息及时上传给主站，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。

设计背景：配电变电所进线为60kV，出线为10kV，每条输电线路最大输出功率为

1600kVA，该RTU监测4回10kV输出线路的电流电压以及线路上断路器隔离开关的运行状

态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受主站发出的遥控遥调等开关量输出命令。

设计内容：

硬件电路设计：

1. 最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）

2. 电流电压检测电路设计

3. 电气设备运行状态检测电路设计

4. 电气设备运行状态控制电路设计

5. RTU与主站通信接口设计

6. 软件设计（程序流程图和程序编写及电流电）

压有效值以及故障识别算法确定

第1天 查阅收集资料

第2天 总体设计方案的确定

第3天 最小系统设计

第4天 电流电压检测电路设计

第5天 电气设备运行状态检测电路设计

第6天 电气设备运行状态控制电路设计

第7天 RTU与主站通信接口设计

第8天 软件设计

第 9 天 设计说明书完成

第10天 答辩

进

度

计

划

指

导

教

师

评

语

及

成

绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：

年 月 日

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

变电站远方终端RTU是变电站自动化的基础控制单元对实现变电站自动化

乃至配电自动化起着十分重要的作用，作为系统的独立工作站点，是监测、监控

及数据处理系统的终端单元，可以实现远程数据采集、设备控制和测量、参数调

节、信号报警以及与监控中心的远程通信等功能。

本次课设设计了一种以通用型8位单片机为核心处理单元、具有高性能价格

比的变电站自动化远方终端(RTU)的硬软件设计。利用AT89C51设计RTU控制器

此控制器包括了单片机最小系统、电压电流测量电路、开关量检测和控制电路、

通信电路等。主要实现配电变电所遥测、遥信、遥控、遥调等四遥功能，并将所

遥测的电流电压信息及时上传给主站，并能接受主站命令，实现遥控遥调功能。

结合RTU在变电站中的实际应用功能，对变电站中特征电参量的采集计算方法进

行分析，并分别对交流测控RTU的总体方案、硬件电路和软件编程进行分析设计。

关键词：AT89C51；RTU；变电站自动化；数据采集

目 录

第1章 绪论 ......................................................................................................... 1

1.1RTU综述 ...................................................................................................... 1

1.2本文研究内容 ............................................................................................. 1

第2章 RTU硬件设计 .......................................................................................... 3

2.1RTU总体设计方案 ..................................................................................... 3

2.2RTU控制核心模块设计 ............................................................................. 4

2.2.1 CPU的选择 .......................................................................................... 4

2.2.2 复位电路设计 ...................................................................................... 5

2.2.3 时钟电路设计 ...................................................................................... 6

2.2.4 RTU控制核心模块原题图 .................................................................. 6

2.3电流电压检测电路设计 ............................................................................. 7

2.4电气设备运行状态检测电路设计 ............................................................. 8

2.5电气设备动作控制电路设计 ..................................................................... 9

2.6报警电路设计设计 ..................................................................................... 9

2.7RTU与主站通信接口电路设计 ............................................................... 10

第3章 RTU软件设计 ...................................................................................... 12

3.1软件实现功能综述 ................................................................................... 12

3.2流程图设计 ............................................................................................... 12

3.2.1 主程序流程图设计 ............................................................................ 12

3.2.2 数据采集流程图设计 ........................................................................ 14

3.2.3 通信流程图设计 ................................................................................ 15

第4章 系统设计与分析 ................................................................................... 17

4.1系统原理图 ............................................................................................... 17

4.2系统原理综述 ........................................................................................... 17

第5章 课程设计总结 ....................................................................................... 19

参考文献 ............................................................................................................. 20

第1章 绪论

1.1 RTU综述

变电站自动化是一种以计算机为主、将变电站的一、二次设备(包括测量、

信号、 控制、保护、自动、远动等)经过功能组合形成的标准化、模块化、网络

化的计算机 监控系统。随着计算机技术、通讯技术和电子技术的迅猛发展，电

力系统自动化程度也日益提高。变电站在电能的生产、传输、应用过程中，占有

非常重要的地位，因此，变电站自动化系统在变电站的改造和新建中得到了普遍

的应用。

RTU(Remote Terminal Unit)是构成企业综合自动化系统的核心装置，通常

由信号输入/输出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成，由

微处理器控制，并支持网络系统。它通过自身的软件(或智能软件)系统，可理想

地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调

等功能。

RTU是一种耐用的现场智能处理器，它支持SCADA控制中心与现场器件间的

通讯。它是一个独立的数据获取与控制单元。它的作用是在远端控制控制现场设

备，获得设备数据，并将数据传给SCADA系统的调度中心。

变电站自动化的RTU直接监测和控制变电站的一次设备，它具有监测量大，

工作环境恶劣，要求可靠性高等特点，随着技术的进步及变电站自动化系统本身

发展的需要，现有的RTU用交直流实时采样和计算代替了传统的变送器的测量方

式，测量精度和可靠性方面都有根本性的提高；现有的RTU还采用少量的通信电

缆(或光缆)取代了大量的信号电缆，控制室内和现场之间的联系变成了通信联

系，这样不仅节约了电缆和用地，还大大减少了施工、安装和调试的工作量，提

高了可靠性和可维护性，但同时对系统装置的通信方式提出了更高的要求。进入

新世纪以来，由于一批新兴的高新技术产业的出现与发展，这种状况正日益得到

改善。

1.2 本文研究内容

本次课程设计中，该配电变电所进线为60kV，出线为10kV，每条输电线路

最大输出功率为1600kVA，该RTU监测4回10kV输出线路的电流电压以及线路

上断路器隔离开关的运行状态，并将电流电压的有效值上传给主站，同时能接受

主站发出的遥控遥调等开关量输出命令，实现遥控遥调功能。

实现对硬件电路设计：

1. 最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）

2. 电流电压检测电路设计

3. 电气设备运行状态检测电路设计

4. 电气设备运行状态控制电路设计

5. RTU与主站通信接口设计

6. 软件设计（程序流程图和程序编写及电流电压有效值以及故障识别算法

确定）

第2章 RTU硬件设计

2.1 RTU总体设计方案

RTU的总体设计方案如图2.1所示。

模拟量输入

A/D

CPU

通信接口

开关量输入

程序存储器

数据存储器

开关量输出

人机对话接口

图2.1 AT89C51RTU总体设计方案框图

本RTU总体设计方案以CPU为核心，外加模拟量输入模块及A/D转换器，它

的功能主要将线路中的电压电流信号的采集来转换成单片机可以识别的数字信

号。通信接口主要负责与主机的通信将检测到的一些数据及时送到主站。开关量

输入模块和开关量输出模块主要是检测线路上断路器、隔离开关的状态，完成断

路器、隔离开关的投切。当线路发生故障时快速切断故障区段对非故障区段及早

恢复供电提高供电的可靠性，由于单片机存储不能满足实际的要求所以要外加个

外部数据存储和数据存储器用以储存数据采集模块传来的重要数据信息。人机对

话模块主要是向系统输入一些命令或数据来控制RTU的设置模式和设置状态信

息，可以实现远程数据采集、设备控制和测量、参数调节、信号报警以及与监控

中心的远程通信等功能等。

2.2 RTU控制核心模块设计

2.2.1 CPU的选择

本次课设RTU设计采用AT89C51单片机作为系统的CPU。AT89C51是面

向八位的CPU。它的价格低廉，工作可靠，另外扩展功能也很强，AT89C51采

用电擦除和电写入，擦写方便，保密性能好，因此作为此次设计的首选CPU。

89C51单片机为EPROM型，在实际电路中可以直接互换8051单片机或8751

单片机，不但和8051单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储

器是FLASH工艺的，它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦

除的程序ROM的八位CMOS单片机，从使用方便与简化电路以及其性价比等角

度来考虑，AT89C51比较合适的 。

AT89C51有40个引脚，其中是接地端，是电源端接+5V电源，外界晶体引

脚XTAL0和XTAL1接时钟电路，RST是复位信号输入端，在此引脚上出现两

个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位。P0口接地址锁存器，是片内

片外ROM选择端，是外部ROM的读选通信号，是读允许信号，是写允许信号，

引脚结构图如图2.2所示。

图2.2 AT89C51 引脚结构图

2.2.2 复位电路设计

AT89C51单片机的复位是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，

只

要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡周期以上的高电平，单片机

就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引

脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。

单片机的复位状态：单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。

单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的。在时钟电路工作后，只要在单片机

的RESET引脚上出新24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。

为了保证单片机可靠复位，再设计电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上

的高电平。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行。

在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高电平。89C51进入复位状态后，21

个特殊功能寄存器复位后的状态位确定值，除SP为07H，P0-P3为FFH,其余为

0.简单的复位电路有上电复位和手动复位。本次课设采用按键式复位电路。

由于RTU在恶劣的温度和湿度环境工作，为了保证它能安全可靠的工作所

以得设计个复位电路以便在CPU处于死机的状态下能及早复位，本次设计采用

看门狗复位电路，利用电容的充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电

流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充

满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。充电的时间决

定了复位的时间。此外，还可以通过按键实现复位，按下键后，通过和构成回路，

使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间。具体复位电路如图2.3

所示。

图2.3 复位电路

2.2.3 时钟电路设计

时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本

身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时

钟信号的控制下严格的按时执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和

稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。

我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。AT89C51内部有一个用

于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL0和XTAL1，

他们跨接在晶体振荡器的用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。

电路中的C1,C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率，稳定

性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ~12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，

但对存储器要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用

晶振频率为12MHZ。电路如图2.4所示。

图2.4时钟电路图

2.2.4 RTU控制核心模块原题图

由于RTU 主要在潮湿高温等恶劣环境下工作，因此，需在核心模块中加一

个复位电路以便在CPU发生死机的情况下能迅速复位。CPU正常工作需要定时恒

频率的脉冲，所以需要外加个晶振电路 。RTU具有电流电压采集记录等功能，

而且 AT89C51内部的数据存储器的存储空间比较小不能储存大量的电流电压信

息，所以要外扩一个数据存储器。根据上文所述，将所选择的CPU、数据存储器

扩展电路、时钟电路和复位电路等连接在一起从而构成完整的RTU控制核心模

块，具体的连接方式如图2.5所示。

RESET20

SW-PB722

VCC

.40

821

623

524C

425

326

227.

128

3210C1

3311C8

3412

3513

3614

3716C2

3815

3917C9

3129

1930

918

P1.7P2.0(A8)

P1.6P2.1(A9)

P1.5P2.2(A10)

P1.4P2.3(A11)

P1.3P2.4(A12)

P1.2P2.5(A13)

P1.1P2.6(A14)

P1.0P2.7(A15)

P0.7(AD7)RXD/P3.0

P0.6(AD6)TXD/P3.1

P0.5(AD5)INTR0/P3.2

P0.4(AD4)INTR1/P3.3

P0.3(AD3)T0/P3.4

P0.2(AD2)WR/P3.6

P0.1(AD1)T1/P3.5

P0.0(AD0)RD/P3.7

EAPSEN

XTAL1ALE

RSTXTAL2

89C51

VCC

VSS

R1

200Ω

22uF

30pF

R2Y?

1KΩ

CRYSTAL

30pF

图2.5 RTU控制核心模块原理图

2.3 电流电压检测电路设计

本设计中，配电变电所进线为60kV，出线为10kV，每条输电线路最大输出

功率为1600kVA，该RTU监测4回10kV输出线路的电流电压以及线路上断路器

隔离开关的运行状态，如上所述，可以确定模拟量检测的路数为12路，分别为

6路电压信号和6路电流信号。

在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和

精度。MAX197是具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供

电，且转换时间很短，约为6us，具有8路模拟转换通道和12位的A/D转换

其转换精度，还提供了标准的并行接口，为8位三态数据I/O口，可以和大

部分单片机直接接口，使用十分方便。根据本设计的要求可知，选用两片A/D

MAX197转换器即可满足本次设计的需要。

由于计算机在任一时刻只能接收一路模拟量信号的采集输入，当有多路模拟

量信号时需通过模拟转换开关，按一定顺序选取其中一路进行采集。当需要对

多个模拟量进行模数变换时，由于A/D转换器的价格较贵，通常不是每个

模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经

过多路转换开关切换。在本设计中，选用型号为的LW18系列的多路转换开

D

1234

关。

综上所述，完整的模拟量检测电路如图2.6所示。

2916

3017MAX197

11

109CLK

PSENWR

ALE/PRD

TXD

RXDRESET

X2

X1

P27WR

P26EA/VP

P25

P24T0INT

P23T1CH0

P22CH1

P21INT0CH2

P20INT1CH3

P07P17D7CH5

P06P16D6CH6

P05P15D5CH7

P04P14D4

P03P13D3

P02P12D2

P01P11D1

P00P10D0

89C51

18

19

3127

1425

1524

1222

1321

832

733

634+

535

436+12V

337

238

139

CS

RD26

CH4-

TA

RET28

1KΩ15KΩ

23

C

B

8

10kΩ

1KΩ15KΩ

2.7所示。

图2.7 电气设备运行状态检测电路图

2.5 电气设备动作控制电路设计

根据电气主接线图和监测回路中的断路器和隔离开关的个数可以确定，所摇

控电气设备的台数为6台，开关量控制输出为6路。选择89C51的PA3口作为六

1234

路开关量的输出口。因此，当PA3口为高电平时经缓冲器反向输出为低电平使继

电器导通，继电开关动作，ZJ带电使其触电闭合输出遥控信号。

由于单片机I/O口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。所以由单片机的

I/O口输出到驱动芯片以驱动继电器，为了防止继电器误动，需要对驱动信号加

以互锁，因此，在电气设备动作控制电路中应采用继电器隔离来隔离强弱电。具

体电路如图2.8所示。

+24V

D

QF

R1R2

VCC

R3

D1

C

YXCPU

去

图2.9 电气设备动作控制电路图

C1

JQ

CPU P1.0

图2.8 电气设备动作控制电路图

2.6 报警电路设计设计

B

本设计采用ACM配电线路监控装置，原理图如图2.9所示。

图2.9ACM配电线路监控装置报警电路图

ACM监控装置和塑壳断路器配合使用，塑壳断路器有单磁和热磁两种，单磁

断路器只具有短路保护功能，无热过载保护，在这种情况下，线路中如有过载现

象，断路器不会动作，ACM监控装置会根据不同过载程度分别发出报警信号，提

醒现场维护人员，也可远传至控制中心。热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有

热过载保护，此时，ACM监控装置仅可作为报警功能作用，当检测到电流达到设

定阈值后，内部继电器动作。

监控装置配套电流互感器使用AKH-0.4型号电流互感器，配电线路的额定电

流为3750A，互感器选用AKH-0.4-10/0.4，该型号互感器监控装置最大可持续测

量电流达到1000A,因此装置最大可监测4倍的过载电流，对于需要监测剩余电

流回路的场合还需加装AKH-0.4L系列剩余电流互感器。如图2.9所示，当配电

线路电流超过1段报警阈值时，继电器闭合，1段报警输出，KA1线圈得电，PGR

灯光报警；当负载程度增大，达到2段报警阈值时，继电器闭合，2段报警输出，

KA2线圈得电，PG声报警。当按下声光报警解除按钮或负载电流降低后，报警状

态解除。

2.7 RTU与主站通信接口电路设计

RTU能将监测到的电流电压信号及时上传到主站，同时利用单片机实现与监

控控制中心计算机的双向数据通信, 使得RTU单元将多种测量结果数据转换为

协议所规定的格式, 并及时送往主站控制中心。本设计采用RS485接口电路来实

现RTU与主站间的通信，RS485接口电路图如图2.10所示。

实际应用中，RS-485总线上经常会遇到雷击、静电、电源波动等情况，由

于传输线对高频信号相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线等同于开路。

瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。一般在切换大功率

感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，

如果不加以适当防护可能会引起通信接口器件的损坏。通常情况下，会采取旁路

保护方法，如图所示。

图2.10 RS485接口电路图

第3章 RTU软件设计

3.1 软件实现功能综述

软件系统在硬件资源的基础上, 采用模块化结构, 利用89C51单片机语言

编程，在完成系统功能要求的前提下, 力求程序结构简炼、扩充容易、修改方便。

RTU复杂的算法是靠软件来实现的。同样的硬件加上不同的算法，就组成了

不同功能的系统，这给系统设计带来了很大的灵活性并缩短了系统开发周期。因

此，软件设计在AT89C51系统的设计中是非常关键的。根据电力系统实际的需求，

本RTU仍采用传统的程序设计，即采用顺序结构，程序运行中对中断进行响应。

顺序结构软件由一个无限循环的主程序和若干个中断程序构成。为了提高实时

性，要求中断得理程序尽量短，并采用设置标志位的方法。中断程序基本上只完

成基本的工作，大部分工作由主程序完成。主程序循环查询各个标志位以确定是

否发生过中断，是否需要做相应处理。

本装置需要完成的任务有：模拟量的采集；电压，电流有效值的计算；通信

数据的接收、发送和处理；开关量输入信号的采集；开关量输出信号的控制；通

过串口对装置进行参数设置。

3.2 流程图设计

3.2.1 主程序流程图设计

本次课设是用软件系统以实时多任务调度系统为核心，对内部任务和外部任

务调度和管理。整个系统的主程序流程图如图3.1所示。系统上电启动后，上电

复位对整个硬件电路进行复位，先进行初始化和系统自检，然后就启动定时器定

时，之后就进入任务调度程序，检查有没有任务被置位。

系统自检包括RAM自检、ROM自检和开关量输入输出自检。系统自检通过后，

程序进入系统的初始化。系统初始化用以建立起应用软件所需的运行环境CPU初

始化，即对I/O控制寄存器写入控制字，控制定时器的工作方式、选择复用引脚

的功能、确定高速输入/输出口是否允许输入输出、写中断屏蔽寄存器并清除中

断悬挂寄存器、开中断等。

如果有申请任务，则执行该任务；没有申请任务，返回任务调度程序重新

检

开始

系统初始化

系统自珍、参数读取

中断设置

否

等待定时器中断，启动

A/D转换进行采集处理

采集是否完成

是

计算电流参数

判断是否有无

无

有

故障处理

合/分闸命令执行

图3.1主程序流程图

读入开关

电量和状

态量及其

他参数

液晶显示流、开关和

分闸状态及其他参数

查。当一个任务执行完毕后，也返回到调度程序检查有没有任务被置为就绪状态，

有多个任务就绪时，执行优先级高的任务。在执行调度任务和申请任务的过程中，

如果有中断，转去执行中断服务程序，执行完毕返回中断点执行被打断的程序。

系统子程序设计主要有A/D转换子程序，显示子程序，通信子程序 ，键盘扫

描子程序等等。以下介绍其中的A/D转换子程序模块。

AD3.2A/DINT

/转换流程图如图所示。每进行一次转换，则检测一次信号，

若出现低电平，则转换结束，否则继续进行转换，直到最后一个通道转换结

INT

束，系统自动给INT端一个低电平信号，表明转换工作结束，多路转换的顺

A/D

序是固定的，读取数据时也是顺序读取。

否

是

图3.2A/D转换子程序流程图

开始

初始化

启动A/D转换

是否完成

A/D转换

数据输出

延时

结束

3.2.2 数据采集流程图设计

变电站交流测控系统RTU信号数据采集模块主要是对变电站各现场信号进行

实时动态采集，并将各类信号转换成系统相应的特性电参量数据进行显示。

数据采集模块软件功能主要是通过编程实现现场交流信号和运行状态等电

参量数据的实时采集和处理。数据采集流程图如图3.3所示。

开始

图3.3 数据采集流程图

结束

电参量显示与控制模块

电参量计算

系统参数

是否设定

进入初始化界面

3.2.3 通信流程图设计

变电站交流测控系统RTU系统通信主控模块电路是配电网系统的通讯中转

站，主要与总线、PC机、疾控中心以及其他现场智能仪器仪表进行数据通讯。

通信主控模块软件功能主要是通过编程构筑连接当地PC机以及变电站远程

集控中心与各类现场单元信号测量模块间数据通信的纽带。通信流程图如图3.4

所示。

开始

初始化进入界面

参数设定

通讯状态监控模块

图3.4通信流程图

是

结束

否

N

否

通讯任务是否

执行完毕？

第4章 系统设计与分析

4.1 系统原理图

本设计中的基于AT89C51单片机的配电网自动化远方终端RTU的系统原理

电路图如图4.1所示。

.

S?C1

SW SPST10uF

89S51

P1.0VCC

P1.1P0.0CLK

P1.2P0.1

P1.3P0.2RET

P1.4P0.3P3.6WRC3

P1.5P0.4

P1.6P0.5P3.7RDCH0

P1.7P0.6CH1

RESETP0.7P3.2INTCH2-

P3.0E/A/CH3

P3.1ALECH4

P3.2INT0P/S/E/N/CH5C3

P3.3INT1P2.7CH6D7

P3.4P2.6CH7D6

P3.5P2.522pFD5

P3.6WRP2.4D4

P3.7RDP2.3D3

XTAL2P2.2C2D2

XTAL1P2.1D1

VSSP2.0D0

140

239

338C2

437

536

635

734

833

932

1031+TA

1130

1229+12V

1328

1427

1526

1625

1724

1823

1922

2021

VCC

.

GND

MAX197

C1

1K

15K

R

10K

R1

10k

Y1

22.1184KHZ

22pF

当线路发生故障时，RTU系统通过故障检测记录相关的故障测量信息和故障

特征信息，并将这一信息及时地传递给主站，同时开关检测电路将回路中的开关

状态再次通过通信通道上传给主站。基于89C51单片机的控制，通过软件运算故

障区段故障信息之后，向RTU发出遥控命令，利用断路器、隔离开关的分断与重

合功能将故障区段切除，对故障区段正常供电，完成RTU的四遥功能，即遥测、

遥信、遥控和遥调功能。

第5章 课程设计总结

变电站远方终端 RTU 是变电站自动化的基础控制单元 对实现变电站自动

化乃至配电自动化起着十分重要的作用。本论文设计了一种以通用型 8 位单片

机为 核心处理单元、具有高性能价格比的变电站自动化远方终端(RTU)的硬软件

设计。

本次课设详细的介绍了变电站自动化的应用现状和发展情况和变电站远方

终端RTU 完成的功能。利用 AT89C51 设计 RTU 控制器 此控制器以CPU为核心，

外加模拟量输入模块及A/D转换器。通信接口主要负责与主机的通信将检测到的

一些数据及时送到主站。开关量输入模块和开关量输出模块主要是检测线路上断

路器、隔离开关的状态，完成断路器、隔离开关的投切。软件系统要求在硬件资

源的基础上, 采用模块化结构, 利用89C51单片机语言编程，RTU的软件功能包

括交流电压、电流信号的高速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计

算，各交流量的高次谐波分量及谐波总量计算，遥信量的采集及上送，遥控返校

及执行等诸多功能。给出了 RTU控制器硬件原理图、元器件清单和软件流程图。

同时焊制了硬件电路板 搭建了实验平台 完成了电压电流的采集实验。实验结果

精度较高 与预期结果相吻合。

参考文献

[1] 陈堂等编著 《配电系统及其自动化技术》 中国电力出版社2004.8

[2] 赵晶 主编《Prote199高级应用》．人民邮电出版社，2000：18-25

[3] 何仰赞等 编著 《电力系统分析》 武汉：华中理科技学出版社，2002.3

[4] 于海生 编著 《微型计算机控制技术》 清华大学出版社2003.4

[5] 王士政主编 《电网调度自动化与配网自动化技术》中国水利水电出版社

2007.3

[6] 梅丽凤等编著《单片机原理及接口技术》清华大学出版社2009.7

[7] 许建安 编著 《电力系统微机继电保护》中国水利水电出版社2003.6

[8] 黄益庄 编著 《变电站综合自动化技术》 北京：中国电力出版社2000.6

[9] 马建明 编著 《数据采集与处理技术》 西安交通大学出版社2005.3

[10] 何立民 编著 《MCS-51单片机应用系统设计》 北京航空航天大学出版社

1990.1

[11] 陈汝全 编著 《微机与单片机接口技术及应用》 电子科技大学出版社

1991.1

[12] 李志忠等 编著 《数据采集和监控中的微机应用》 北京：清华大学出版社

1998.6

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教

师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加

以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研

究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历

而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，

均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期：

指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论

文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电

子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供

目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制

手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分

或全部内容。

作者签名： 日 期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文

不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研

究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完

全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，

同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，

允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位

论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩

印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）

年 月 日

教学系意见：

系主任： （签名）

年 月 日

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所

取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文

不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要

贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声

明的法律结果由本人承担。

学位论文作者（本人签名）： 年 月

日

学位论文出版授权书

本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀

硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文

提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、

《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，

并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中

使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。

论文密级：

□公开 □保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协

议)

作者签名：_______ 导师签名：_______

_______年_____月_____日 _______年_____月_____

日

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的

指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何

其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重

要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）

的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学

校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制

手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立

目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允

许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

致 谢

时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了

很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了

经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕

业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了

很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方

方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。

没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。

首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写

及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对

我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲

人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东

西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。

其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格

要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的

道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。

另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与

他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回

忆。

最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯

中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽

的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所

学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我

孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我

留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，

无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一

直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他

们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思

路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚

的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮

助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢

他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少

的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教

师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加

以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研

究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历

而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，

均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期：

指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论

文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电

子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供

目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制

手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分

或全部内容。

作者签名： 日 期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文

不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研

究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完

全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，

同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，

允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位

论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩

印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格