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远动终端(RTU)
第4章远动终端(RTU)
本章学习目标
本章介绍远动终端RTU的功能、硬件设计方法，RTU的软件结构及各模块的作用和程序框图。通过学习本章，读者应掌握如下内容：
● 开关量、模拟量的输入／输出原理及构造电路 ● 开关量的采集与处理的过程及原理 ● 模拟量的采集与处理的过程及原理 ● 典型电路的分析 ● RTU软件结构及功能
● 遥控与遥调的原理及过程 ● 遥控的可靠性措施
● 通过一些实例的学习以达到对RTU模块的功能的了解。
4．1 RTU的主要功能
RTU是被控端的远动设备，它实际上也是一个微机，用来完成遥控接收、输出执行、遥测、遥信量的数据采集及发送的功能。下面分别介绍一下RTU的主要功能。
1．采集状态量信息
通过一些接口电路，把变电所的断路器、隔离开关的状态转变为二进制数据，存储在计算机的某个内存区。
2．采集模拟量测量值
所谓采集，即把变电所的一些电流量、电压、功率等模拟量，通过互感器、变送器、AID转换器变成二进制数据，存储在计算机的某个内存区。
3．与调度端进行通信
把采集到的各种数据，组成一帧一帧的报文送往调度端，并接收调度端送来的命令报文。通信规约一般有应答式(polling)、循环式(CDT)、对等式(DNP)等十余种，RTU应具备其中的一种。RTU应具备通信速率的选择功能，还应有支持光端机、微波、载波、无线电台等信道通信转换功能。通信中有一个重要的工作，即对发送的数据进行抗干扰编码。对接收到的数据要进行抗干扰译码，如果发现有误则不执行命令。 4．被测量越死区传送
每次采集到的模拟量与上一次采集到的模拟量(旧值)进行比较，若差值超过一定的限度(死区)，则送往调度端，否则，认为无变化，不传送。这可以大大地减少数据的传输量。
5．事件顺序记录(SOE)
当某个开关状态发生变位后，记录下开关号，变位后的状态，以及变位的时刻。事件顺序记录有助调度人员及时掌握被控对象发生事故时各开关和保护动作状况及动作时间，以区分事件顺序，作出运行对策和事故分析。时间分辨率是事件顺序记录的重要指标，分为RTU内与RTU之间两种。
(1)SOE的RTU内分辨率。
在同一RTU内，顺序发生一串事件后，两事件间能够辨认的最小时间称为SOE的站内分辨率。在调度自动化中，SOE的站内分辨率一般要求小于5ms，其大小由RTU的时钟精度及获取事件的方法决定。
(2)SOE的RTU之间分辨率。
SOE的RTU之间分辨率，即站问分辨率，是指各RTU之间顺序发生一串事件后，两事
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件间能够辨认的最小时间，它取决于系统时钟的误差和通道延时的误差、中央处理机的处理延时等，在调度自动化中，SOE的站间分辨率一般要求小于loms，这是一项整个远动系统的性能要求指标。
6．执行遥控命令
调度端发来遥控命令，RTU收到命令，确认无误后，即进行遥控操作，通过接口电路，执行机构，使某个或多个断路器或隔离开关进行“合”或“分”的操作。
7．系统对时
RTU站问SOE分辨率是一项系统指标，因此它要求各RTU的时钟与调度中心的时钟严格同步。采用时钟同步的措施有以下两点：
(1)采用全球定位系统GPS。
利用全球定位系统GPS提供的时间频率同步对时，可确保SOE站间分辨率指标。该方法需要在各站点安装GPS接收机、天线、放大器，并通过标准RS一232口和RTU相连。 (2)采用软件对时
CDT、DNP、Modbos等规约提供了软件对时手段，可采用软件对时。但由于受到通信速率的影响，需要采取修正措施。这种方法的优点是不需要增加硬件设备。 8．自恢复和自检测功能
RTU作为远动系统的数据采集单元，必须保证不问断地完成和SCADA系统的通信，但 除以上功能外，RTU还应有以下功能： 1．当地显示与参数整定输入
在RTU上安装一个当地键盘和LED或LCD显示器，使得RTU的采集量在当地就可以显示到显示器上，也可通过键盘输入遥测量的转换系数和修改保护整定值等。 2．一发多收
有时一台RTU要向不同上级计算机发布信息，或通信规约不相同，需实现多规约转发。 3．CRT显示与打印制表
要求RTU具有当地显示功能，并能将异常事故报告打印出来。
4．2 RTU的硬件构成
4．2．1 RTU的硬件构成方法
传统的远动装置是由晶体管或集成电路，通过逻辑设计构成的，称为布线逻辑远动(或硬件远动)。自从微型计算机应用于远动以来，远动的功能设计主要由软件的设计来实现，所以又称为软件远动。结构如图4．1所示。
微机远动装置的核心是微机，RTU的硬件设计经历了几个不同的阶段：片级设计，模块级设计，系统机级设计。
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1．片级设计
片级设计是早期远动产品，其构成方法是自己选用微机芯片CPU、RAM、I／O口来构成，要进行元件的筛选与参数配合，其构成工作量比较大，费时。
2．模块级设计
由专门的工厂生产各种微机功能模板，这些模板又称OEM模板，由许多芯片与电子元件在一块板上构成，可以完成独特的功能。常用的0EM板有：CPU板，RAM／ROM板，开关量输入板，模拟量输入板，开关量输出板，遥控板等。
硬件设计，根据需要选用适用的多块0EM板，通过总线插槽，相联成一个系统，设计比较灵活。
OEM的生产有国标标准，即总线标准，工业控制常用的有MULTIBUS、STD—BUS。 3．系统机级设计
选用一台系统机作为主机，系统是一个完整的硬件与软件系统，功能齐全。但一般多用于信息处理，工业控制中不适宜。目前，随着微机技术的发展，模块化计算机也具有系统机的功能。
4．2．2 STD总线工业控制机简介
STD总线是美国PROLOG公司于1978年宣布的一种工业标准总线，具有可靠性高，兼容性好，开放式模块化结构，板级功能分散，小板组态灵活，性能价格比高等优点，已成为国际主流总线之一。STD总线定义了8位微处理器总线标准，它容纳各种8位通用微处理器，如8080，8085，6800，6809，Z80，NSC800等。它是56根总线结构，其中包括：6根电源线，8位数据线，16位地址线和22根控制线，4根辅助电源线。采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地址，所以STD是8位／16位兼容的总线。可容纳的l6位微处理器有
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8086，68000，80286，80386，80486等。
1．STD，6-线是引脚定义
STD总线是56条信号线的并行底板总线。 (1)8根双向数据线(引脚7—14)。 (2)16根地址线(引脚l5--30)。 (3)22根控制线(引脚31一52)。
(4)10根电源线(引脚l—6，53--56)±5V，±l2V，逻辑地，辅助地。 2．STD总线的技术特点
(1)小板结构，高度的模块化。
所有模板尺寸为165．1×114．3mm。这种小板结构在机械强度，抗断裂，抗震动，抗老化和抗干扰等方面具有优越性。
STD采用功能模块的概念，即按功能划分模块，如CPU，存储器板，A／D板，D／A板以及开关量I／O板。
STD总线采取开放式系统结构，系统的组成没有固定的模式和标准机型，而提供大量的功能模板，用户可根据自己的需要购置各种功能模块和软件，像搭积木一样，拼装自己的控制系统。
STD总线I／O模块在结构上由三部分组成，即STD总线接口逻辑，I／O功能逻辑和用户接口形成有序的信息流，这对于降低干扰，形成产品内在良好特性很有好处。
(2)严格的标准化，广泛的兼容性。
STD总线具备兼容式总线结构，该总线支持8位，16位，甚至32位的微处理器，总线的所有信号线均有严格定义，用户不得更改它。
(3)面向I／O的设计，非常适合工业控制应用。
VMEBUS，MULTIBUS其总线设计是面向系统性能的提高，即提高系统的参数量或处理能力，而STD总线是面向I／O的。拥有众多的I／O功能支持，这是STD总线的优势之一。 (4)高可靠性。
PROLOG公司生产的STD总线系列产品提供5年的保用期，平均无故障时间(MH谭)已超过50年。
4．3 RTU分类
从体系结构上，变电站内的RTU可以分为集中式RTU和分布式RTU两大类。分布式RTU又可以分为功能分布式RTU和结构分布式RTU两大类。在采样方式上，RTU又可分为直流采样RTU和交流采样RTU两类。从组屏方式上，RTU还可分为集中组屏和分散布置两类。从结构上，还可分作机柜式RTU、壁挂式RTU和单元模块化RTU等几类。
1．集中式微机远动装置
集中式微机远动装置的典型体系结构如图4．2所示。图中，CPU为系统中惟一的智能模块，它负责管理其他非智能模块，并通过两个RS一232C串行口，经调制解调器MODEM分别和两个调度主机通信，另一个RS一232C串行口用于外接CRT实现自检。
SI为遥信模块，它由若干个子模块(即SI1 ，SI2等)构成，AI为遥测模块，它由若干个子模块(即AI1、AI2等)构成，PA为电能脉冲量采集模块，SOC为遥控模块，SOR为遥调模块，KB为键盘与显示器模块，SG为开关组态模块，WDT为监视定时器模块。各模块之间均以并行总线相联系。而并行总线不允许传输太长的距离(通常小于30cm)，集中式RTU均是布置于一个机箱或机柜中。因此集中式RTU主要特征为单RTU、并行总线和集中组屏。 集中式RTU采用的并行总线一般有三种：
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