配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计.doc

课程设计任务书题 目配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计学生姓名学号专业班级设计内容与要求1背景FTU是配电自动化系统的重要设备，在配电自动化系统中得到了广泛的应用。交流采样通道是FTU的重要部分。FTU交流采样通道采样的电气量为：测量2个电压：Uab、Ucb，输入范围交流有效值0220V.测量3个电流Ia、Ib、Ic，输入范围交流有效值 05A.保护电流Ibha, Ibhb 交流有效值0100A 精度指标为：电压电流的采样精度：0.5%有功无功的采样精度: 1% 故障电流检测范围：0A100A；故障电流精度：3； 交流电压：连续工作120%额定电压； 交流电流：200%连续工作，1000%额定电流，可持续1秒2设计要求（1）熟悉电力系统交流采样电路的工作原理。（2）熟悉FTU的功能和性能。（3）通过互联网查询选择各类器件。（4）掌握器件的性能参数。3设计内容根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。（1） 计算性能指标。（2） 设计电路。（3） 根据计算的性能指标，选择元器件。（4） 交流采样算法的和程序框图。（5） 撰写设计报告起止时间 年月 日 至 年月 日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日前 言 电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的也随时可能发生，系统中的设备和运行状态，参数是大量的、多变的，这就是要求运行人员时刻掌握系统的运行状态。根据实际情况调整运行方式，因此实时地获取系统运行的各种参数及状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态，以及进一步的决策是至关重要的，而这一切的实现就依赖于电力系统测控装置对各种数据的采集与处理，有了大量来自系统的信息，才能实现自动监控、控制、测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，并将采信的数据上送主机，因此，测控装置是自动化系统的基础，在运动技术中涉及了大量来自系统的信息遥信、遥测、电能，也涉及了大量返回系统的命令遥控、遥调，本次课程设计所涉及的主要内容是：配电自动化运动终端FTU交流采样通道的设计。一、 课程设计的目的和意义：馈线远方终端单元FTU 馈线远方终端单元FTU在电力系统中占有举足轻重的作用，对配电网自动化具有重大的意义。FTU一般根据其安装应用场合的不同,分为柱上FTU，环网柜FTU(DTU)。不同的FTU监测的馈线回路数据不一样，但基本功能一样，包括遥信、遥调、遥控和故障电流检测等功能。 馈线终端单元FTU, 安装在柱上开关处，完成对柱上开关的监控。FTU的工作电源来自FTU自身携带的免维护蓄电池；开关的操作电源以及蓄电池的充电电源来自柱上开关两侧的电压互感器。一般的FTU采用高性能单片机，具有带光电隔离的多路开关量输入，多路交流采样，可远方或就地控制一个或多个对象，具有重合闸功能，可选配过流、速断保护，具有对时功能和定值远方下装和召唤功能；具有故障报告功能；能在恶劣环境（高温、严寒、防雷、防尘、防雨等）下运行。 本次课程设计的目的是通过对配电自动化的运动终端FTU交流采样通道的设计来熟悉电力系统采样电路的工作原理，该电路在IED中由中间电压、电流互感器，多路模拟开关、采样保持器，A/D 转换，微处理器，频率跟踪电路等组成。，主要了解以上电路或器件的组成及工作原理；熟悉FTU的功能和性能，通过互联网查询选择各类器件，掌握器件的性能参数，通查找资料和总结，掌握FTU各组成元件的型号、参数、功能，了解FTU的整体功能和交流采集原理及过程，知道一些元器件性能指标的计算。二、 课程设计内容FTU是配电自动化系统的重要设备，在配电自动化系统中得到了广泛的应用。交流采样通道是FTU的重要部分。FTU交流采样通道采样的电气量为：测量2个电压：Uab、Ucb，输入范围交流有效值0220V.测量3个电流Ia、Ib、Ic，输入范围交流有效值 05A.保护电流Ibha, Ibhb 交流有效值0100A 精度指标为：电压电流的采样精度：0.5%有功无功的采样精度: 1% 故障电流检测范围：0A100A；故障电流精度：3； 交流电压：连续工作120%额定电压； 交流电流：200%连续工作，1000%额定电流，可持续1秒根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。（6） 计算性能指标。（7） 设计电路。（8） 根据计算的性能指标，选择元器件。（9） 交流采样算法的和程序框图。（10） 撰写设计报告三、设计任务的分析交流采样是将连续变化量离散化，用一定的算法对离散的时间信号进行分析， 计算出所需信息，指直接对交流电流、电压波形进行采样，因此，可以对被测电量的波形进行分析，实时性好。且有功功率，无功功率可通过采取的u,i值进行计算求得，并可以进行谐波分析。一般处理方法将连续时间的信号的一个周期T 分为N 个等分点，每隔T/N 时间进行一次采样，将得到的离散时间信号，把这些采样值存放在存储器中，用软件处理可得到参数。交流采样通道的构成： 在IED 中，交流采样通道由中间电压、电流互感器，多路模拟开关、采样保持器，A/D 转换，微处理器，频率跟踪电路等组成。模拟量采样通道（交流采样）a)说明如下：(1)信号：交流采样的信号取自一次互感器的二次回路，电压信号的额定值为100V(有效值)或100/ V，电流信号的额定值为5A。 (2)滤波：电气量包含一定的谐波成份，为了使采样值符合耐奎斯特采样定理，一般装置设置为低通滤波器，截止频率按照工程要求决定，4 倍以上截止频率。 (3)多路模拟开关：根据开关的地址先选通一路，从多路开关输出。 (4)采样保持：A/D 转换器，实现A/D 转换需要一定的时间，采样保持器是在逻辑电平的控制下，使其处于采样或保持状态。 (5)A/D转换器：实现模数转换。b)交流采样电路中各部分原理:(1)二次互感器：外部电路和内部电路的隔离，外部信号和内部信号的匹配。 (2)滤波环节：二次互感器，输出0-5V 的变化的模拟量，为了消除高频干扰和提高后续采样处理的精度，用低通滤波器对二次互感器的输出信号进行滤波处理。滤去高频部分，提高采样处理精度。作为浪涌过电压的保护。用有源器件实现前后级的匹配。例如：采用RC 滤波器：(3)多路开关 将多个模拟输入量有选择地进行切换，为了共用A/D.机械式，继电器等不用。 目前普遍采用集成电路模拟多路开关。模拟开关:一种在数字信号控制下，将模拟信号接通或断开的原件或电路，由开关元件和驱动电路组成。 构成为：通道地址输入缓冲寄存器、通道地址译码器、开关驱动电路、模拟开关。 每个开关控制一个通道的切换，有自己的唯一地址码，当MUX接收地址总线送来的地址代码，存入地址缓冲区，再将译码器译出，选通信号通道。控制驱动电路使该开关导通，除了以上地址码，还要在MUX使能端加片选信号。 常用芯片：RCA公司 CD4502 双4选一 AD 公司 AD7502 双4选一 CD4051 AD7501 7503 8选一 CD4067 AD7506 16 选一(4) 采样保持器 A/D转换完成需要一定的时间，在这段时间内，模拟量不能发生变化。在状态指令的控制下，“采样”和“保持”，在采样时刻，把模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的A/D转换时间准确地保持一段时间。工作过程是：当控制逻辑置高电平时，S闭合，C快速充电，完成采样，然后断开S,采样得到的电平被保持。 常用芯片：LF198/298/398 AD583 ADS 585AQ图1所示为采样保持器的基本组成原理电路。 （a） (b)图一采样保持器的基本组成原理电路(a) 基本电路 (b) 采样保持波形（6）模/数转换器（A/D）在测控装置中最常用的模/数转换器是利用逐次逼近型原理实现的，其原理框图如所示。（a） 图2-11 逐次逼近型原理A/D转换器工作原理（a）原理框图 （b）逐次逼近过程它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。它的实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到的电压Uc与待转换的模拟电压Ux进行比较。比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”，其工作过程如下：在进行转换时，先将SAR寄存器各位清零。转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余各位为“0”，此试探值经D/A转换成电压UC，然后将UC与模拟输入电压UX比较。如果，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果，说明SAR该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。逐次比较过程结束后，状态线EOC改变状态，表明已完成一次转换。最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容就是与输入模拟量Ux相对应的二进制数字量。显然A/D转换器的位数n决定于SAR的位数和D/A的位数。转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A的位数。位数越多，越能准确逼近模拟量但转换所需的时间也越长。假设,D/A为8位，Uref为参考电压5V,为D/A转换器的输出电压：UC=Uref/28(D727+D626+D525+D424+D323+D222+D12+D0)取Uref=5V当：输入数字量为：100000002.5010000001.25001000000.625000100000.3125000010000.15625000001000.078125000000100.039063000000010.019531Ux=3.66V 2.5+0+0.625+0.3125+0.15625+0+0.029063+0.019531=3.642344目前，常用的A/D转换芯片有8位的ADC0801、0804、0808、0809，10位的AD7570、AD573、AD575、AD579，12位的AD574、AD578、AD5782等。四、 详细设计（设计电路见附录一）根据配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计要求，组成交流采样通道我们要选择设计互感器、采样保持器、多路开关、A/D转换器。根据设计要求测量2个电压：Uab、Ucb，测量3个电流Ia、Ib、Ic，保护两个电流Ibha, Ibhb 总共七个互感量，所以我们设计七路交流采样通道，七路采样通道我们选择8路多路开关，即可满足要求，同时也知需要8路A/D转换器即可。而对于设计要求的采样精度，我们知道交流采样通道是由互感器、多路开关、采样保持器、AD转换器等设备组成，每个设备都会存在一定的误差率，如果各个设备的采样精度不够，那么通过采样均方根算法算出来的精度达不到设计的要求，就会造成设计的失败。本次设计要求电压电流的采样精度：0.5%有功无功的采样精度: 1%，所以采样通道的主要设备必须满足精度的要求，我们通过交流采样均方根算法得知，互感器的精度要到达0.1%，A/D转化器精度到达0.05%，采样保持器的精度要0.2%。（一） 互感器的设计根据本次课程设计的要求是设计七路采样通道共用到七个互感器，其中测量电路的互感器3个，保护用的互感器2个，测量电压用的互感器2个。A.设计测量3个电流Ia、Ib、Ic，输入范围交流有效值 05A.我们选择涌纬自控： CT04-5/2 CT04-5/2.5 CT04-5/5 非线性度： 0.1% 0.1% 0.1% 线性范围： 0A15A 0A15A 0A15A 相移 ：5/(补偿后) 5/(补偿后) 5/(补偿后)B.设计保护电流Ibha, Ibhb 交流有效值0100A我们选择涌纬自控的 CT05-5/0.5 CT05-5/0.35 线性范围: 0-150A 0-150A 相移 ：5/(补偿后) 5/(补偿后)满足设计要求的交流有效值0100A的要求。C.测量2个电压：Uab、Ucb，输入范围交流有效值0220V.我们选择涌纬自控的 PT05 PT05线性范围: 0额定120% 0额定120%非线性度： 0.1% 0.1% 相移 ：5/(补偿后) 5/(补偿后)额定输入： 0300V 0300V额定输出： 07.07V 07.07VD.电流电压的转换： 因为无论是测量用的互感器还是保护用的互感器，其输出的都为电流，为了整流滤波输出0-5V的电压,所以我们并联精密电阻，把电流转化为电压。以下为转化电阻的计算：R1、R2、R3、R4、R5都选用华海公司的RX71-0.25（二） 滤波与信号处理我们采用RC的滤波方式，出0-5V 的变化的模拟量，为了消除高频干扰和提高后续采样处理的精度，用低通滤波器对二次互感器的输出信号进行滤波处理。所以要对电路互感器互感出来的电流转变为电压0-5V。 因为基频为50HZ,所以算得滤波的R、C为： 所以取 满足了滤波的要求，并且其电阻远远大于10倍其电流转换电压的精密电阻，保证转换电压的稳定。(三)多路开关的设计此次设计总共有七路采样通道，所以我们选择单八路模拟开关量CD4501，多路选择开关CD4051的8路输入输出信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号。CD4051是CMOS电路。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址吗ABC来决定，当VEE=-5V时，只要对此模拟开关施加0-5V的数字控制信号，就可控制幅度为-5V+5V的模拟信号。INH为禁止端，INH=0时各个通道导通。INH、C、B、A其工作状态的控制过程：INH C B A 接通的通道 0 0 0 0 “0” 0 0 0 1 “1” 0 0 1 0 “2” 0 0 1 1 “3” 0 1 0 0 “4” 0 1 0 1 “5” 0 1 1 0 “6” 0 1 1 1 “7” (四）采样保持器我们选择LF198,LF198是单片集成采样保持电路，采用了BI-FET技术能够得到多种快速的低频直流信号，其中当Tj=250C时采样保持选取，保持在这段时间内，模拟量不能发生变化。LF198的采样精度可以到达0.002%0.005% 信息采集的时间 同时支持TTL、PMOS、CMOS共存的逻辑输入 采样保持的时间10S (五)A/D转化器我们选择单片高速十二位逐次比较AD574，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接组件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。非线性误差：小于1/2LBS 或1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：010V 和020V，05V 和010V 两档四种电源电压：15V 和5V数据输出格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式分辨率为八位：采样精度计算： 相对精度： 0.2% 由于小于1/2LBS所以算出值要比实际值大，在采样精度的允许范围内。AD574A的CE、和A0对其工作状态的控制过程.CEA0工作状态0XXXX禁止x1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101接+5VX12位并行输出有效101接0V0高8位并行输出有效101接0V1低4位并行输出有效（六）交流采样的时间限制CPU我们选择8051，规定每1ms采样1点，在根据乃奎斯特采样定理一次采样两点，频率位50Hz,可知在1ms里，整个通道采样1400点。由CPU发送信号，决定采样保持器哪路开始保持和多路开关谁先被选择开通。这样就涉及了保持的时间和转换的时间，我们不可能把保持的时间和采样的时间总共加起来为1ms,那么CPU将无法进行其他的操作，保证不了采样的顺利进行。因此，我们需要计算一下七路采样所需的时间，和七路转换所需要的时间，并且在1ms中给CPU留有充足的时间去处理其他操作。我们先看我们选择的采样保持器LF198,它的采集时间一般在，如果为七路则是42，因为我们知道我们选定的A/D转换器的转换时间为25所以我们设定我们保持时间应该为30左右，以保证保持的信号能够稳定的传给A/D转换器，那么七路则为210，所以采样保持的总共时间为252左右，而在1ms要给CPU留有足够的时间，所以我们在下1ms时再进行A/D转换。那么A/D转换所需的时间是175，给CPU留有了足够的时间进行其他操作。（七）交流采样的算法交流采样得到是正弦