电力系统自动装置 第1章微机监控系统基础知识

微机监控系统基础知识第一章内容提要微机监控系统的组成模拟量输入/输出通道开关量输入/输出通道干扰及其抑制数字滤波数据预处理交流采样的电量计算图1.1典型自动控制装置工作示意图1.1微机监控系统的组成1.1微机监控系统的组成系统的硬件组成如图1.2所示。整个系统由CPU、存储器、定时器、监视器、输入/输出通道、传感器或变送器以及其他各种外设(外部设备)组成图1.2微机监控系统典型硬件系统结构框图(1)CPUCPU是微机系统自动工作的核心,它是集成在一片大规模集成电路上的运算器和控制器的总成。CPU的运算器由一个或多个累加器AC与算术逻辑部件ALU和一些专门的寄存器组成。可快速进行算术与逻辑加减运算,从而实现各种操作运算。(2)存储器存储器存储指令、程序、数据及中间运算结果,设备的状态也以数据方式存储存储器包括只读存储器(ROM)、紫外线擦除可编程只读存储器(EPROM)、电擦除可编程只读存储器(EEPROM)及随机存储器(RAM)。近年又有非易失性随机存储器(NVRAM)等新型存储器。存储器容量大小和访问时间直接影响整个微机系统的性能(3)定时器/计数器在监控系统中,它是十分重要的部件。微机系统是在规定时刻工作,它还向外设提供触发采样信号,引起中断采样。在图1.2中,定时与逻辑控制即该部件功能的体现。该部件还是将频率变换为数字信号的关键部件(4)监视器监视器即看门狗(Watchdog)。自动装置的工作环境有多种干扰,尤其是在电力系统中,多存在电磁场干扰。当装置受到干扰后,可能导致微机系统运行程序出轨,从而使装置工作瘫痪,为此设置监视器,对微机系统工作进行监视,防止装置受干扰而不能工作(5)变送器或传感器受控设备的被测量经变送器或传感器送入监控系统的A/D转换输入端(6)A/D转换器将模拟量转换为数字信号的部件为A/D转换器。A/D转换模拟量为数字量的精度及速率,是评价数据采集性能的主要依据(7)采样/保持器(S/H)图1.3采样/保持器原理性电路图(8)模拟多路开关(Multiplexer,MUX)在实际的数据采样中,输入模拟量是多路的。在满足采样速率要求下,为节省硬件,往往只用一个A/D转换器(S/H往往也只用一个),如图1.2所示。此时,应使用多路开关与A/D配合,分时轮流切换各被测量与A/D接通。故MUX是数据采集中常用到的一个部件(9)模拟量输出通道模拟量输出通道由D/A转换器与MUX组成当只有一路模拟量输出时,装置输出的一组数字信号经D/A转换成模拟量,经保持器保持并经过低通滤波器后作为输出当装置要输出多个模拟量时,每一组数字信号在规定时刻经过D/A转换成模拟量,经MUX的一路开关输出。由于多组数字量是以串联定时方式经D/A转换,故此时MUX的工作方式为单入多出方式对比于模拟量输入,模拟量的输出工作量模式恰好与输入方式是对偶的(10)并口I/O通道及串口SIO通道装置需要的若干开关量(状态量)或输出的开关量(状态量)均用并行I/O接口接入或输出,而数字量的输入及输出则用SIO(11)通信接口当装置需要与外部联系通信时,通过通信接口发收信息(12)其他CPU的其他外设及人机对话接口、电源1.1.2其他型式的微机监控系统(1)基于单片机的测控单元单片机是专为实时监控而设计并制造的。其CPU比通用的CPU简单,因而更可靠,适合面向实时过程,且对输入、输出处理能力强,而对于事件管理能力则较弱(2)基于工控机的监控系统图1.4工控机监控系统框图(3)基于数字信号处理器(DSP)的测控单元图1.5

DSP微机系统结构图1.1.3集散控制系统(DistributedControlSystem,DCS)图1.6集散控制系统结构框图图1.6表示一个DCS系统。整个系统有一个管理级的上位机(工作站)。上位机进行整个系统的数据集中管理、监视及协调系统内各下位机,即各DDC的工作。图中每一个DDC系统即是一个独立工作的测控系统(或单元,常称为子站)。各DDC完成不同的监控功能。DDC又与管理级工作站进行必要的信息交换,或者通过工作站取得需要的某一DDC系统的信息DCS系统是计算机技术与网络通信技术结合的成果1.1.4软件功能说明(1)信号采集与处理程序(2)运行参数设置(3)系统管理程序(4)通信程序1.2模拟量输入/输出通道

(1)采样1实际采样过程

图1.7采样过程示意图图1.8

采样信号及其频谱图1.2.2量化与编码图1.9

量化与编码过程示意图

(2)编码量化后的数字信号用某种码制表示,即为编码。若是二进制编码,则其量化与编码同时完成1.2.3

A/D转换原理

图1.10逐次逼近A/D转换器工作原理示意图(1)D/A转换

图1.11

T形解码网络型D/A转换原理接线示意图

图1.11中,D0~D2为数字信号由低位到高位的输出。D0~D2为“1”时,受控开关K0~K2接通右侧;D0~D2为“0”时,则接通左侧

(2)逐次逼近式A/D转换工作过程逐次逼近式的寄存器与其D/A均为N位长(二进制数长)逐次逼近式A/D的技术参数包括分辨率、绝对精度、相对精度、转换时间、电源灵敏度、工作温度量程等。具体含义不再做进一步介绍目前,还有基于电压-频率变换(VFC)方式的A/D转换器,且已得到较多应用1.2.4模拟量输出通道

(1)D/A转换及保持器1)电阻网络型D/A与保持器实现数模转换的工作原理图1.12数模转换过程示意图其他类型的D/A转换简介①基于电阻网络的D/A可以构成双极性模拟量输出通道②一类D/A转换是应用脉宽调制(PWM)技术来实现的(2)平滑滤波器的作用经过零阶保持器或一阶保持器输出的模拟量x'(t)都是非平滑信号,即其中含有大量谐波成分,故实际上在保持器之后,均加上一低通滤波器平滑输出信号。滤波器的通带截止频率应根据实际信号类别来确定1.3开关量输入/输出通道图1.13

开关量输入电路结构框图1.3.1消抖滤波电路当输入开关量信号时,因干扰或其他原因,可能会使接点抖动或给出的状态信号不稳定而发生错误,故应设置消抖滤波电路消除噪声。消抖电路的基本原理是在输入信号路径上加一积分电路,只当输入信号达到规定门槛值并经积分延时,才以稳定的状态作为输入,送到下一个环节。1.3.2电隔离门现场开关量所处的是电压较高的环境,而计算机系统是低压系统,故应加电隔离,以免高压串入计算机而使之受损。加电隔离还可限制地回路电流因地线可能的错接而带来的干扰。在每个回路都加隔离还可避开多个输入电路的影响。当今的电隔离方法有继电器隔离与光电隔离两种(1)继电器隔离现场设备的辅助接点作为开关量要输入计算机时,通过辅助继电器实现隔离,其原理接线如图1.14(a)所示。S为现场设备(如断路器等)的辅助接点。KA为中间辅助继电器,S'的接点通过与计算机配合的弱电电源Uc接入计算机回路,实现电隔离图1.14

电隔离电路原理(2)光电隔离光电隔离的原理接线如图1.14(b)所示。当现场设备辅助接点动作时,发光二极管导通,产生光束,使光敏三极管饱和导通。图1.14所示为射极输出器方式,射极有输出电平U0。根据要求不同,输出也可接成集电极输出方式1.3.3地址译码与驱动控制的说明监控装置中,输入开关量(信号源)均引入总线,输出开关量(视为负载)均由总线引出。此时,因接入I/O为多组,以及总线工作方式、驱动方式等问题必须解决1.4干扰及其抑制

图1.15

信号及常模干扰示意图1.4.1常模干扰及其抑制（1）常模干扰的形式及干扰源常模干扰也称为常态干扰或串模干扰,是在有用信号上叠加了干扰噪声信号。图1.15示出了信号(设为一交流信号)受干扰(设为谐波)后的波形畸变。干扰噪声也可能是直流或其他随机形式(2)抑制方法①信号源输入端串入输入滤波器,滤除高频干扰②对于弱信号,应采用屏蔽线,并使强弱信号线分开布线,减少电磁干扰;信号线采用双绞线,以抵消同一电磁干扰源的干扰③加必要的用程序实现的数字滤波(下一节专门介绍)④设计合理的接地系统1.4.2共模干扰及抑制图1.16

共模干扰形成原理说明图(2)抑制方法要减小Unm的方法是:减少Ucm,加大Zc,尽量使电路平衡对称,即减小Z2-Z11.5数字滤波

递推平均滤波

(2)中位值法中位值法是一种很简单的滤波方式。对被滤波量每一次滤波计算是以连续采样3次的值进行比较,取中值作为有效采样值(3)惯性滤波

1.5.2电信号的滤波方法

(1)离散傅立叶变换(1)离散傅立叶变换对于一个含有谐波的电量,已知可写成傅立叶级数表示式:式中

x(t)—被分析处理的电压或电流;ω1—基波频率

式中

k—谐波次数令k=1,则得出基波分量,类推可求出其他分量

1.6数据预处理

1.6.2极性处理若A/D转换是单极性的,设输入模拟量是双极性的,则输入时,要加一偏置量,使输入变为单极性量。经A/D转换后,应去除偏置量,使极性还原1