变电站微机监控系统2014

变电站微机监控系统2014第一页，共157页。1SCADA系统概述第二页，共157页。1．1

微机监控系统概述1．1．1

工业自动化与计算机微型计算机的出现，加速了信息社会的进程，并由此而产生了种种令人神往的预测。微电子技术影响较大的领域之一，是自动化技术工具的进步和完善。自动化技术工具的进步和完善促进了自动化技术的进一步发展，工厂（工业生产）自动化、农业自动化、办公室自动化、家庭自动化，即所谓“4A”，已成为国际上的热门话题。

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工业过程控制是计算机的一个很重要的应用领域。工业控制机正是为满足这一特定的工业应用领域而发展起来的。它是现代化工业实现自动化不可缺少的工具。工业控制机是以电子计算机为核心的测量与控制系统。工业测控系统通常是由包括传感器、过程输入／输出设备、计算机以及执行机构等部分组成的。由系统对客观世界的各种工作状态进行实时数据采集、处理并对其实施控制，从而完成自动测控任务。航空、航天、核能、电力、煤炭、石油、化工、冶金、机械、电子、交通、轻工、纺织等，都在努力实现这种测控自动化。第四页，共157页。1．1．2

计算机与微机监控系统

凡有微型计算机参与生产过程的监视、监测和控制管理的系统都可叫做微机监控系统。计算机参与生产过程控制有开环控制和闭环控制两类方式。开环控制（离线控制）：计算机的计算结果仅作为指导生产的参考，生产过程的控制尚须由人工干预实施。闭环控制（在线控制）：系统的输出量对控制作用有直接影响，计算机的计算结果，直接用来控制执行机构，生产过程的控制无需人工干预。第五页，共157页。

对于任何生产活动都应给以科学的管理，为此，首先必须及时掌握生产的实际情况，然后才能作出正确的判断，使生产过程尽可能维持在最佳状态。采集生产过程的实时数据进行监视和控制是科学管理生产的基础。

初级阶段：人工进行；高级阶段：机器承担，按照人的意志自动完成。第六页，共157页。现代生活中有许多的大型工业生产系统，比如电力系统、铁路系统等，组成大型工业生产系统的生产设备及生产部门多，且分散在相距甚远的广阔地区。为了保证系统的正常工作，构成系统的各部分必须在一个调度机构的统一指挥下协调工作。为此，调度机构要随时了解系统各部分在生产过程中的实际情况，并要此基础上作出对生产过程进行指挥的策略。为了使调试工作既满足实时性好，又保证可靠性高，于是便产生了远动，并要综合了自动控制理论、计算机技术和现代通信技术之后迅速发展起来。第七页，共157页。微型计算机技术通信及接口技术智能控制技术检测与转换技术多媒体技术andmore…微机远动技术第八页，共157页。1.1远动技术的概念远动技术是近年来提出的概念，目前对远动技术还没有一个完整的定义，但它包括传统的遥控、遥信、遥测、遥调等技术，所以可以给远动技术下一个粗略的定义：

对物体或各种过程进行远距离测量和控制的综合技术，称为远动(Telecontrol)技术，它具有在人和机器或机器与机器之间远距离交换信息的功能。

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传统远动装置的主要功能为“四遥”—遥控、遥调、遥测、遥信。一、“四遥”功能的定义1.遥控即远程命令(Telecommand):对被控对象进行远距离控制，即应用远和通信技术，使运行设备的运行状态产生变化。被控对象可以是固定的也可以是运动的。这种命令只取有限个离散值，通常只取两种状态命令，例如开关的“分”、“合”指令。2.遥调即远程调节(Teleadjusting):对被控站某些设备的工作状态和参数的远距离调节，即对具有两个以上状态的运行设备进行控制的远程命令。例如在供电系统中遥调常用于有载调压变压器抽头的升、降调节和其它具有分级升降功能的场合。第十页，共157页。3.遥测即远程测量(Telemetering):对被测对象的某些参数进行远距离测量，应用远程通信技术传输被测变量的值。如可以遥测牵引供电系统中变电所、分区亭中的有功和无功功率、电度、电压、电流等电气参数，及接触网故障点等非电气参数。又如在国民经济、科学研究和国防的许多部门，由于一些特殊原因，人们无法接近被测对象，就需要通过遥测来了解和监控被测对象的情况。采用遥测技术，可以提高各部门折自动化程度，改善劳动条件，提高劳动生产率和管理调度质量。4.遥信即远程指示(Teleindication;Telesignalization):将被控站的设备状态信号远距离传送给调度端，即对诸如告警信号、开关位置这样的状态信号的远程监视。第十一页，共157页。第十二页，共157页。主要任务：集中控制集中监视正常状态下实现合理的系统远行方式；事故时，及时了解事故的发生和范围，加快事故处理，提高安全经济运行水平实现无人化或少人化，提高运行操作质量，改善劳动条件第十三页，共157页。监视控制和数据采集系统，简称为微机远动系统，即SCDAS系统(SupervisoryControlandDataAcquisitionSystem)。被控端称为远方终端，即RTU(RemoteTerminalUnit)

SCDAS除了完成常规的“四遥”功能外，还可以完成数据处理和管理功能，编制各种不同的图形、报表，提供复示终端，与其它系统联网等功能，提供操作人员的在线培训、防误操作以及辅助决策等功能。牵引供电SCADA系统是远动系统的一个典型应用第十四页，共157页。§1.2远动技术的发展20世纪30年代用于铁路远输系统40年代用于电力系统。我国的远动技术从20世纪50年代起步，50年代末在电力系统中使用。60年代电气化铁道远动系统在我国开始研制，80年代才得到广泛应用。远动系统经历了继电器、晶体管(分立元件)、集成电路和微机远动系统几个阶段，相应的远动系统也称为第一代、第二代、第三代和第四代远动系统。前三代称为布线逻辑远动系统，第四代即为微机远动系统。目前，广泛应用的电铁远动系统均为微机远动系统。第十五页，共157页。1.3计算机远动的基本组成计算机远动系统的主要任务是对物体和各种过程实时进行远距离监控与调度，因此可以给出一个计算机远动系统组成的基本模式：调度端通信信道被控端1被控端2被控端3被控端4被控端N信号转换装置1信号转换装置2信号转换装置3信号转换装置4信号转换装置N……第十六页，共157页。第十七页，共157页。远程维护MODEM

实时打印机报表打印机GPS系统调度员工作站维护工作站拷贝机通道双切网络服务器WEB工作站大屏系统通信系统UPS变电所的监控变电所的监控变电所的监控变电所的监控远程维护SCADA系统结构第十八页，共157页。1.4远动系统的分类1.按远动功能的实现方式分：

布线逻辑式远动系统计算机远动系统2.按远动装置采用的元件是否有接点分：

有接点远动系统无接点远动系统3.按远动技术的信息传输方式分：

循环式远动系统问答式远动系统第十九页，共157页。4.按远动装置的工作方式分：1：1工作方式远动系统(每个被控端对应一台调度端)1：N工作方式远动系统(调度端一台装置对应N台被控端)M：N工作方式远动系统(调度端M台装置对应N台被控端)5.按遥控、遥测系统传输指令和信息是利用无线信道还是有线信道分：

无线信道远动系统，常用的无线传输手段有无线电、红外线、激光、微波等。有线信道远动系统，常用的有线传输手段有邮电载波、有线载波、同轴电缆、电力线、电话线载波、光纤等。第二十页，共157页。6.按被控对象是分散还是集中分：

分散式远动系统集中型远动系统此外还可根据被控对象是固定还是活动，是链式分布还是辐射分布分为固定目标或活动目标远动系统；链式或辐射式远动系统。第二十一页，共157页。1.5远动系统配置的基本模式远动配置(Telecontrolconfiguration)是指主站与若干子站以及连接这些站的传输链路的组合体。1.点对点配置(Point-to-PointConfiguration)：主站与子站之间通过专用的传输链路相连接的一种配置。2.多路点对点配置(MultiplePoint-to-PointConfiguration)：主站通过各自链路与多个子站相连的一种配置，主站与各子站可同时交换数据。第二十二页，共157页。3.多点星形配置(Multipoint-starConfiguration)：主站与多个子站相连的一种配置。任何时刻只许一个子站向主站传输数据；主站可以选择一个或多个子站传输数据，也可向全部子站同时传输全局性报文。4.多点共线配置(Multi-partylineConfiguration)：主站通过一公共链路与多个子站相连的一种配置。任何时刻只许一个子站传输数据到主站；主站可以选择一个或多个子站传输数据，也可向全部子站同时传输全局性报文。5.多点环型配置(Multipoint-ringConfiguration)：所有站之间的通信链路形成环状，主站可以通过两条不同的路径与每一子站通信。第二十三页，共157页。1.6对计算机远动系统的要求(性能指标)

对任何一种远动系统而言，可以用远动系统的性能指标来衡量其优劣或作为设计选型的要求，一般来说有以下几个方面：1.可靠性远动设备中每个设备的可靠性一般用平均故障间隔时间(MTBF)即两次偶然故障的平均间隔时间来表示。而整个系统的可靠性通常可以用“可用率”来表示：式中停用时间包括故障和维修时间。影响系统可用率的重要因素有：设备的质量、维护检修情况、环境条件、电源供电可靠性及其备用程度。第二十四页，共157页。远动信息在传输过程中，会因为干扰出现差错。传输可靠性是用信息的差错率来表示的。差错率包括误编比特率、误码率、误字节率，常用误码率表示。在通常情况下，差错率要求在信噪比大于15dB时，误码率小于10-5。2.容量与功能3.实时性强4.数据准确第二十五页，共157页。5.设计合理6.可维护性好7.信道混用8.设备多样化9.兼容性强10.使用方便11.抗干扰能力强第二十六页，共157页。牵引供电、电力、SCADA系统结构示意图铁路通讯网络调度中心局域网调度中心通讯设备通讯设备牵引供电电力供电ＳＣＡＤＡ开闭所牵引变电所牵引变电所分区所分区所AT所AT所AT所AT所地方电源变配电所地方电源变配电所地方电源变配电所车站箱变区间负荷车站车站……贯通线贯通线箱变区间负荷箱变区间负荷箱变区间负荷第二十七页，共157页。2调度端及RTU第二十八页，共157页。§2.1调度端功能调度端装设以微机为基础的主监控机，它监控所选定的远方终端装置(RTU)，远方终端由微处理器和接口电路等组装而成。这种计算机的远动装置具有体积小、可靠性高、易于扩展、价格比较便宜的特点。第二十九页，共157页。1.数据收集调度端收集各RTU发送来的数据，在终端上显示有关数据。2.数据处理对RTU送来的数据进行处理、运算、判断。3.控制与调节实现人—机对话，形成命令与下发命令到RTU实现遥控操作。4.人—机联系在调度端收集整理与处理RTU上送数据，显示有关数据，发送遥控、遥测命令校对命令。在人—机联系的另一方面就是制表打印，定点打印负荷、电能、日、月运行报表，召唤打印，操作报表打印，异常及事故打印，画面拷贝等。第三十页，共157页。第三十一页，共157页。第三十二页，共157页。§2.2

调度端的硬件结构调度端远动设备是以单机或多机为基础的计算机系统，完成遥控命令的发送和遥测、遥信数据的接收、输出执行等功能。

目前主要用微机作为主机，另配上大屏幕彩色显示器、打印机、鼠标或光笔等外部设备构成。主机完成大量的数据处理、人机联系、画面曲线显示等工作。为减轻主机的负担，加快运算速度，满足实时控制的要求，系统一般还配置前置机，来承担远动信息的收集与处理(通信)。集中式（单机、冗余）分布式第三十三页，共157页。调度端结构框图如下图所示。第三十四页，共157页。新一代调度管理系统是分布式网络化系统，共享一套数据库管理系统,人机交互系统和分布式支撑环境.系统各网络功能节点可以集成在同一节点上,也可分散驻留于不同节点,配置灵活,每个单独的系统都可独立运行.

分布式SCADA系统调度端一般为局域网系统，其主要系统为数据服务器，WEB服务器，调度员工作站，维护工作站，通信前置机及打印机，模拟屏（大屏幕显示器）等外设组成第三十五页，共157页。第三十六页，共157页。§2.3

软件软件从层次上来分，可分为三大类，即系统软件、支持软件和应用软件。系统软件由计算机公司提供，面向机器本身，其算法和功能不依赖于特定的用户。它的主要任务是使硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用户的应用软件的运行并提供恰当的服务。操作系统是微机最基本的系统软件，由它来管理内存分配，键盘操作，屏幕显示，驱动软盘，硬盘等外设。操作系统有一部分固化在主机内存中，大部分是在开机后，从软盘或硬盘调入内存。第三十七页，共157页。UNIX+WINDOWS系统特点UNIX操作系统具备高稳定性、可靠性及高实时响应的特点UNIX操作系统具备强大的网络管理能力及较强的抗计算机病毒侵染的能力UNIX系统软硬件成本高，运营维护欠直观。UNIX+WINDOWS系统实现服务器采用UNIX操作系统，其余均采用WINDOWS操作系统UNIX+WINDOWS系统优势保留了UNIX系统可靠、安全、高实时响应的特点，又具备WINDOWS系统操作直观、简便、易维护，维护成本低的特点第三十八页，共157页。支持软件对于远动系统来说主要包括：数据库管理系统和监控图形生成系统，数据库管理系统包括建立数据库、修改数据、提取数据和存储数据。应用软件应用软件包括：数据收集软件、模拟屏接口软件、同后台机通信的软件、计算软件等。第三十九页，共157页。第四十页，共157页。

1、客户/服务器(C/S)模式

2、分布式数据库结构分散到各个节点独立的数据处理能力通过网络可构成整体数据库第四十一页，共157页。第四十二页，共157页。2.4RTU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、A／D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)等。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。

第四十三页，共157页。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。事件顺序记录有助于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。第四十四页，共157页。

(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，即站间分辨率，是指各RTU之间顺序发生一串事件后，两事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，SOE的站间分辨率一般要求小于10ms，这是一项整个远动系统的性能要求指标。第四十五页，共157页。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站间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：

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(1)采用全球定位系统GPS。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-232口和RTU相连。

(2)采用软件对时。

CDT、DNP、Modbus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。第四十七页，共157页。8．自恢复和自检测功能

RTU作为远动系统的数据采集单元，必须保证不间断地完成和SCADA系统的通信，但RTU的工作环境恶劣，具有强大电磁干扰，运行中难免发生程序受干扰，或通信瞬时中断等异常情况，有时也会发生电源瞬时掉电，这都会造成RTU死机，而使系统无法收到该被控对象的信息。因此要求RTU在遇这些情况时，能在最短时间内自动恢复，重新从头开始运行程序，为了维护方便，通常要求RTU含有自检程序。

第四十八页，共157页。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。第四十九页，共157页。2.5RTU的硬件构成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。第五十页，共157页。第五十一页，共157页。第五十二页，共157页。1哈大线牵引供电SCADA调度系统项目概况哈大线牵引供电系统管辖全线近950km的复线电气化铁路的17个变电所，供电范围包括哈尔滨、长春、大连、沈阳四个铁路分局。全线在沈阳设置一个总牵引供电调度所，在哈尔滨、长春、大连设置三个分调所。调度端结构组成:哈大线SCADA系统设一个主调度中心，三个分调度中心，是一个基于广域网的调度端（WAN）系统结构。第五十三页，共157页。主控中心内部采用10M/100M自适应局域网连接，主要由主服务器、GPS全球定位系统、调度员工作站、数据维护工作站、通信前置机、网络设备及相应的外围设备组成。各分控中心内部通过10M局域网相连，只配置有调度员工作站及相应的网络和外围设备。主控中心和分控中心间通过路由器和高速MODEM相连。第五十四页，共157页。哈大线SCADA系统调度端结构图第五十五页，共157页。特点:调度端系统可采用广域网结构，在广域网系统中的任何一个工作站上，只要安全权限允许就可以监视和控制整个广域网内的现场数据和设备。三个调度中心的管理权限也可按需要配置，冗余度高可靠性强。第五十六页，共157页。秦沈线SCADA系统调度端项目概况:秦沈客运专线在沈阳分局设牵引供电调度所,该远动系统由设在调度所内的控制站设备、远动数据传输通道、设在沿线各牵引变电所、分区所、开闭所、网上开关站及维修基地远动复示终端设备组成。全线调度划分为两个调度台。第一调度台管辖范围为由山海关至锦州南（含），包括四个牵引变电所、一个开闭所、三个分区所、一个网上开关站；第二调度台管辖范围为由锦州南（不含）至分局界（锦州与沈阳分局），包括三个牵引变电所、四个分区所、一个网上开关站。一个分区所及一个网上开关站纳入既有哈大线沈阳牵引供电调度所。其中分局界分区所采用一机双调方式.第五十七页，共157页。第五十八页，共157页。特点:系统调度端采用计算机局域网结构、分布式控制系统，系统配置了主机、调度员工作站、系统维护工作站、视频监视工作站、前置通信处理机、模拟屏驱动器、复示系统处理机等网络节点设备及相应的人机接口设备，还设置了实时数据、文档管理报表打印机、画面拷贝机及实时监视牵引供电系统概况的模拟屏等外围设备，同时提供完善的软件资源及UPS设备。第五十九页，共157页。京津城际轨道工程，电气化牵引供电、电力远动工程共设置一套远动系统，远动系统的建成开通将实现京津城际工程电力、电牵系统的统一调度管理。全线设调度中心一处，设于北京南临时高度指挥中心，本地控制站2处，设于沿线两变电所内。下设被控站有变电所2所、ATS所7个、开闭所2所、箱式变电站46个、变配电所12个。京津SCADA系统设备主要包括控制中心、本地控制站的计算机、服务器、网络设备及打印机等；被控站的RTU。SCADA系统采用了西门子的VICOSP500软件。京津工程全套引进了西门子公司的VICOS-RTU，本产品主要基于SIMATICS7的标准部件，该产品可以模块化的方式灵活组合。第六十页，共157页。第六十一页，共157页。第六十二页，共157页。采用COSMOS综合调度系统，管辖1000km新干线的运行调度集行车调度、电力调度（牵引供电及电力供电）、通信调度、设备调度于一体第六十三页，共157页。3远动信息的信源编码第六十四页，共157页。遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反映出该设备的工作状态。无源接点：即空接点，这种接点无论是在“开”状态还是“合”状态下，接点两端均无电位差。

有源接点：有源接点在“开”状态时两端有一个直流电压，是由系统蓄电池提供的110V或220V直流电压。一些保护信号提供此类接点。第六十五页，共157页。

第六十六页，共157页。

不论无源还是有源触点，由于它们来自强电系统，直接进入远动装置将会干扰甚至损坏远动设备，因此必须加入信号隔离措施。通常采用继电器和光电耦合器作为遥信信息的隔离器件。

第六十七页，共157页。

下图给出一种适用于有源和无源接点的实用电路。当遥信信源连通(短路)时，输出YX为高电平；当遥信信源悬空或带有直流正电压时，YX为低电平。图中+U的大小选择应根据电力设备的辅助触点与远动装置之间距离的远近来决定，距离远时+U可选大一些。一般+U取+12V或+24V，当然适当提高该电压水平可以增强遥信信息的可靠性和抗干扰能力。第六十八页，共157页。

目前在遥信对象状态的采集方面也有采用双触点遥信的处理方法。双触点遥信就是一个遥信量由两个状态信号表示，一个来自开关的合闸接点，另一个来自开关的跳闸接点。因此双触点遥信需用二进制代码的两位来表示。“10‘’和“01为有效代码，分别表示合闸与跳闸；“11”和“00‘’为无效代码。这种处理方法可以提高遥信信源的可靠性和准确性。第六十九页，共157页。3.1遥信状态的输入电路

经过上述信号处理后，远动装置内的遥信信息为符合TTL电平的“0”、“1”状态信号。每一遥信对象映射到计算机中正好是二进制代码的一位。大量散乱的遥信对象必须通过遥信状态的输入电路的有效组织，才能便于计算机处理。

接收遥信量的输入电路可以采用三态门芯片并行接口芯片数字多路开关芯片

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三态门芯片种类很多，有SN74LS240、SN7413241、SN74LS244、SN74LS245等。以SN74LS244为例说明。遥信量接至输入端，输出端可直接挂在CPU的数据总线上，选通信号由CPU或译码电路提供。当选通信号为低电平时，输出状态跟踪输入状态；当选通信号为高电平时，输出处于高阻状态，输入状态的变化不影响输出。第七十一页，共157页。并行接口芯片有Intel8l55、Intel8255等。如图所示，以Intel8255可编程I/O接口芯片为例说明。

Intel8255芯片共有PA、PB和PC三个口，每口都是8位，可用软件将这三个口设置为输入方式，能实现24路遥信量采集。各口数据状态的读取控制见下表。Intel8255数据读取控制第七十二页，共157页。

在上述两种实现方法中，CPU一次可以直接读取8个遥信状态量。当遥信量较多时，可采用多片三态门芯片或并行接口芯片，也可采用数字量多路开关进行扩展。数字量多路开关有SN74150、SN74151等。

SN74151为8选1的数字量多路开关，如图所示，其功能表见表所示。SN74151有8个输入端D0-D7，两个输出端，Y为非反相输出，W为反相输出，设置数据选择A、B、C，可以确定输出所对应的输入。第七十三页，共157页。图为采用1片SN74LS244和8片SN74151实现64路遥信量输入的例子。8片SN74151共可接64路遥信量，其输出分别接至SN74LS244的8个输入端，SN-74LS244的输出端接至Intel8031CPU的数据总线上。SN74151的数据选择由Intel8031的P1.0-1.2控制，SN74LS244的片选信号由Intel8031的P2.7产生。这样在74LS244的8路输入的基础上，连接8片SN74151实现64路输入量的扩展。第七十四页，共157页。

遥信信息在采集和处理上有两种不同的模式：定时扫查和变位触发。下面以Intel8255为例对8个遥信量输入的简单情况分别加以说明。1．定时扫查模式遥信信息不同于遥测信息，它不是随时随刻都在变化。通常情况下状态是不变化的，而状态的改变往往又是瞬间完成的。因此对遥信量采集时，必须不断地扫查，以捕捉遥信变位。下图给出了一个8路遥信量采集的电路图。第七十五页，共157页。

将Intel8255的A口设置为输入方式，读A口的状态即可得到8路遥信量的状态。

通常系统对遥信采集有一分辨率的指标，即对同一遥信量的前后两次扫查的时间间隔。根据分辨率可以设定遥信扫查的时间间隔，一般将遥信扫查置于实时时钟中断服务程序中，每一个等时间间隔，如1—10ms，都要对全部的遥信量进行一次扫查。第七十六页，共157页。

遥信定时扫查模式方式简单、结构清晰。由于在每一个定时间隔中都要进行全遥信扫查，如果采集的遥信量大，同时要求分辨率高时，则会加重CPU的负荷，影响CPU对其他中断的响应速度，延长程序的执行时间，降低了实时性。这些问题的解决通常采用智能遥信采集，即用一CPU专门负责遥信采集，构成多CPU的RTU系统结构。如果是单CPU结构的RTU系统，要有高的遥信分辨率，同时又有整体的实时性，则可以采用下述遥信变位触发模式加以实现。第七十七页，共157页。2．变位触发模式

在实时扫查模式的基础上，稍加修改则可实现变位触发模式。增加一8位数值比较器74LS688，Intel8255的A口仍接遥信量输入，同时接到74LS688的P口，Intel8255的B口置成输出方式，接到74LS688的Q口，74LS688的比较输出经反向后接至Intel8031的外部中断源INTO上。

第七十八页，共157页。3.2模拟量采集接口一、模拟量采集回路多路模拟量一般共用一路A／D转换器及一路采样保持器，如图所示。多路通道开关对各模拟量分别进行顺序分配，每个模拟量分别送采样保持器，经A／D转换后变成数字量，然后送入并行接口由CPU处理。第七十九页，共157页。A/D转换器

A/D转换器的种类有很多，从数据的精度(分辨率)来分有8位、10位、12位或更高。1.A/D转换原理1）逐位比较式把待转换的直流模拟电压与一组呈二进制关系的标准电压一位一位的由高至低位进行比较，决定每位是去码（0）还是留码（1），从而实现模拟电压到二进制数码的转换。第八十页，共157页。D3D2D1D0VREFS3S2S1S023R22R21R20RRF+-+第八十一页，共157页。第八十二页，共157页。

逐位比较A/D转换采用二分搜索法让D/A网络的输出电压向待转换电压逼近。因此转换速度快，完成一次转换所需的时间称为转换时间，其倒数称为转换速率。在逐位比较中，转换过程是对某一固定的输入电压经多次比较后得出转换结果。如果在转换过程中出现正常波动或受到干扰，直接会给转换结果带来严重误差。因此在实际应用中需在逐位比较式A/D转换器前加一S/H，以保证转换进行期间输入电压不发生变化。2).双积分式A/D转换采用U/T（电压/时间）转换方式。其工作过程分为三个阶段完成：采样阶段、回积阶段和复零阶段第八十三页，共157页。

对周期等于T1或T1/n的对称交流干扰或尖峰脉冲干扰有很强的抑制作用。

优点：转换精度高，抑制干扰能力强，造价低缺点：转换速度低第八十四页，共157页。3)并行比较式A/D转换又称瞬时比较—编码式A/D转换，是一种转换速度最快，转换原理最直观的转换技术。第八十五页，共157页。并行比较式转换速率极高，常用于数字通信技术和超高速数据采集。但其电路组成复杂，集成度高，一般分辨率较低，价格昂贵。4)U/f转换（略）

直接A/D转换器：输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号。

间接A/D转换器：是将输入的模拟信号先转换成某个中间变量（如时间T、频率F等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。第八十六页，共157页。分辨率=1.分辨率分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。A/D转换器的主要技术指标例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为第八十七页，共157页。2.转换时间转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。第八十八页，共157页。3.转换误差它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差≤。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV（对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择几位的A/D转换器？其转换时间为多少？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需选用13位A/D转换器。转换时间=第八十九页，共157页。AD574的原理结构和使用方法。

1．电路结构

AD574是美国模拟器件公司制造的12位A／D转换芯片，采用逐次逼近转换原理。芯片内部包含与微机接口逻辑及三态输出缓冲电路。可以很方便地与8086、Z80、6800、6502等8位通用微处理器和12位、16位微处理器配接，是应用广泛的一种芯片。

AD574内部由两片大规模集成电路构成，每片都包括模拟和数字两种电路．其中一片为12位D/A转换器AD565，包括电流输出和高速开关电路、激光微调的薄膜电阻网络、低温度系统参考电压源、精密的输人定标电阻及失调补偿电阻．为了减少芯片系统误差，在制造过程中，对输入定标电阻、失调补偿电阻、梯形电阻网络及参考电源作了激光修正。另一片是采用集成注入逻辑工艺制造的逐次逼近寄存器、转换控制电路、时钟电路、总线接口电路和高分辨闩锁比较器。AD574的双片结构较混合结构的多片设计具有更高的可靠性，满足军用产品所需的-55～125℃温度范围内的线性度，在恶劣的环境下亦能稳定地工作。图5--8为AD574的结构框图。第九十页，共157页。第九十一页，共157页。AD574A的非线性误差小于±1LSB，完成一次转换需要25μs。

AD574A有两个模拟量输入引脚10UIN和20UIN都可置成单极性和双极性输入方式，因此其模拟输入量程有四档：0-+10V、0-+20V、-5-+5V和-10-+10V。A／D转换中的零漂调整和增益调整是通过引脚BIPOFF和REFIN外接可调电位器来实现。如图所示，RPl为零漂调整，RP2为增益调整。在进行零漂调整和增益调整时，应先确定模拟输入量是单极性还是双极性，然后按照下表给出的输入模拟量与输出代码的关系进行调整。第九十二页，共157页。AD574A的工作过程是由逻辑控制输入信号CE、CS、R/C、12/8以及A0进行A/D转换的启动以及数据的输出，其逻辑控制真值表见下表。第九十三页，共157页。模拟遥测量输入的接口电路为了进一步了解遥测量采集的各环节，给出32路遥测量采集的实用电路。该电路主要包括三个部分：CPU、译码、程序/数据存贮(a)图；多路转换开关、采样/保持、A/D转换，(b)图。第九十四页，共157页。第九十五页，共157页。

第九十六页，共157页。第九十七页，共157页。

在这个电路中，A/D转换的实现可采用查询方式，也可采用中断方式。查询方式是判断INT0脚电平的高低来决定何时启动转换、何时读数；中断方式则是先启动转换，转换结束后STS的下降沿触发中断，进入中断服务程序，在中断服务程序中读数，或再启动下一次转换。在设置8031的外部中断时，应置为边沿触发而不是电平触发。否则中断响应后，中断源仍不能消除，这一点值得注意。第九十八页，共157页。3.3遥测信息的处理1.数字滤波一阶递归滤波法限幅滤波法算术平均滤波法递推平均滤波法2.死区计算3.越限比较4.标度变换与二-十转换5.事故追忆第九十九页，共157页。5电量变送器第一百页，共157页。

通过变送器测量电量的方法是：首先将被测电量经电量变送器变换成直流信号，然后将直流信号送入采样保持器、A／D转换器，CPU从A／D转换器内读出转换后的数字量，经标度变换计算得所测电量值。变送器测量方式中，电量变送器将流互CT、压互PT送来的交流电量变换成与原交流电量值成线性正比关系的直流电量，转换后的直流电量范围一般是直流电压0～5V，直流电流为0—1mA。

CPU读取转换后的数字量经标度变换计算，得到原电量值。第一百零一页，共157页。

电量变送器一般有电压变送器、电流变送器和功率变送器，下面我们分别讲述三种变送器的主要原理。一、交流电流变送器交流电流变送器的主要任务就是将交流电流(由电流互感器CT次边送来)变换成额定值为5V的直流电压，交流电流变送器的原理接线图如图所示。

第一百零二页，共157页。第一百零三页，共157页。第一百零四页，共157页。三、功率变送器我们下图所示的桥式开关电路方案来说明单相功率的测量原理。流过仪表的平均电流I0为:I0=(i

T1-i

T2)/T=i

(T1-T2)/T

如果让这些开关的动作受电压U的控制，使(T1-T2)/T=KU，那末I0=i

(T1-T2)/T=Kui

=KP就和功率成正比了。第一百零五页，共157页。功率变送器是用来测量工频电路中的有功和无功功率，把被测电功率变换成和它成线性关系的直流电压。每个功率测量部件为一个时间差值乘法器。第一百零六页，共157页。第一百零七页，共157页。方波发生器电路第一百零八页，共157页。PWM电路第一百零九页，共157页。开关电路移相电路第一百一十页，共157页。一、采样二、采样定理三、采样方式采样方式大致可分为以下几种：

1、单一通道采样方式

(1)异步采样（或称定时采样）异步采样是保持等间隔的采样周期不变，通常取fs/f0=N(为整数)，其中f0为工频频率，因系统故障时基频f1将产生变化（偏离），这时，采样脉冲和输入信号时间的位置造成异步，将出现误差。4.2交流采样第一百一十一页，共157页。(2)同步采样同步采样一般采用自动跟踪的方法，经常保持fs/f1=N(为常数)，需要由硬件或软件测量基频周期的变化，再动态调整采样周期来实现同步。加一种方式为定位采样：在任可情况下不但要保持fs/f1=N，而且采样点总位于基波中事选确定的固定位置上，即采样过程与被测量的正弦基波的给定相样严格同步。其方法是利用硬件或软件检测基波或其导函数的过零点。由于同步定位的技术比较复杂，故较少使用。2、多通道采样方式计算机保护往往需输入多个信号，如三相电流、电压、零序电流、电压等，在每个采样周期中，对多个通道的输入信号全部采样一次，一般有下列几种。第一百一十二页，共157页。(1)同时采样同时采样是各通道信号在同一时刻都进行采样。同时采样的实施技术有二种：一种是每一个通道都设置A/D转换器，同时采样后同时进行A/D转换，如图6-14。由于A/D转换器的价格贵，功耗大，经济上不合理。广泛采用的是，同时采样依次A/D转换，如图6-15。第一百一十三页，共157页。(2)顺序采样在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及A/D转换后，再开始对下一通道进行采样叫顺序采样。顺序采样方式的采样保持器在多路转换器之后，各通道信号按顺序依次完成采样及A/D转换，从而克服了上述同时采样所存在的缺陷。市场上出售的多通道采样A/D转换板大部分是顺序采样方式。

第一百一十四页，共157页。

顺序采样必然会给各通道采样值带来时间差。由于顺序采样而引起的各通道之间的相角差可如下计算。设单通道采样时间为Ts

，单通道A/D转换时间为TA/D

，需求n个通道间的基频相角差。则第一通道与第n通道的角度差为n，则n=(n-1)(Ts+TA/D)360/T1度

式中，T1为基频周期，T1

、Ts与TA/D单位为s。例：设先对三相电流及零序电流采样后，再对三相电压采样，且同相电压与电流间的各项参数为n=5,T1=20ms，Ts=10，TA/D=30。则

n=0.36(5-1)(10+30)/20=2.88(度)第一百一十五页，共157页。

为了减少角度差，可使采样与A/D转换重迭进行，即对上一通道值进行A/D转换的同时对下一通道进行采样，这在技术上是可行的，此时通道间角度差n的计算公式为n=(n-1)TA/D360/T1度仍用上例，可算得n=0.36(5-1)30/20=2.16(度)第一百一十六页，共157页。(3)分组同时采样将所有输入通道分成若干组，组内各通道同时采样，组间人为地增加一延时再开始采样叫分组采样。第一百一十七页，共157页。4.3交流采样算法的分类现有的算法种类很多，按它们所反映的输入量情况或反映继电器动作情况来分类，可分为：1、正弦函数模型算法它是基于被采样的电压和电流是纯正弦的信号，从而可以利用正弦函数的一系列特性，由采样数字序列计算出电压、电流的幅值（有效值）、相位以及功率和测量阻抗的量值的一种运算方法。第一百一十八页，共157页。2、周期函数模型算法假定被采样的电压和电流信号是不仅含有纯正弦量而且含有高次谐波的周期函数，以此为基础由采样数字序列中计算出电压、电流的幅值（有效值）、相位以及功率和测量阻抗的量值。3、随机模型算法假定被采样的电压和电流信号含有纯正弦量、高次谐波，而且还有衰减的直流分量，以此为基础由采样数字序列中计算出电压、电流的幅值（有效值）、相位以及功率和测量阻抗的量值。第一百一十九页，共157页。4、输电线路物理模型算法假定被采样的电压、电流信号满足输电线路微分方程或积分方程，由此计算出各参量。5、继电器动作直接算法

第一百二十页，共157页。假设被采样的电压电流信号都是纯正弦特性，不含非周期分量，又不含高频分量。一、最大值算法与半周积分算法1、最大值算法在每半周期中取其采样值的最大值作为幅值，取其采样值过零点时对应的电角度作为相位值。但由于采样值不一定刚好落在最大值时刻，因此所取值与实际的最大值存在一个误差。幅值的最大误差出现在何处？第一百二十一页，共157页。最大误差为：式中T为采样周期，当一周采样12点时，则

采样频率愈高，采周期愈小，则误差愈小，精度愈高，求解速度需要半个周期的时间，此外幅是由采样值决定，受干扰信号影响较大，可靠性低。

6.7.16.7.2第一百二十二页，共157页。2、半周积分算法重要申明：在以上公式都用T表示采样周期，以下则用Ts表示；用T表示信号的实际周期。若U=Umsinwt则半周积分为———纯正弦量的半周绝对值积分正比于幅值Um，设半周有k个采样点，且第一个采样值的初相角为，则

6.7.3第一百二十三页，共157页。当

6.7.56.7.46.7.6第一百二十四页，共157页。所以二者的误差为可见，在采样值情况相同时，用半周积分算法仅由于值的变化引起的误差就比最大值算法稍大。但由于采用累加法计算值，个别采样值所受的干扰对累加的影响就相对较小。这种算法也有一定的滤波作用，因为在半波积分过程中，谐波中部分正负半周抵消，剩余未被抵消的部分占总和的比重就减小了,但由第一百二十五页，共157页。于它还不能全部滤除所有的谐波分量,因此仍要求另外加入滤波环节.

用上述两方法同样可以得出电流的幅值及相位，由此得到:二、采样值积算法利用几个采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗的幅值和相角等电气参量的方法。1、两采样值算法设电压电流为纯正弦波

第一百二十六页，共157页。6.7.7设电压过零点的时刻采样值为和落后电压一个相角的电流采样值为第一百二十七页，共157页。而另一时刻的采样值为

则由上两式可得

6.7.86.7.9第一百二十八页，共157页。6.7.10若用同一电压的采样值相乘或同一电流的采样值相乘，则相当于上式中，则

6.7.126.7.13第一百二十九页，共157页。由于是已知的常数，所以都为常数，故只要送进相隔的两个时刻的采样值，便可按式上两式计算出、，但运算量较大，运算量为：

两次平方，两次乘法，一次除法，两次加减法和一次开平方，占用计算机的时间较多。

如果则6.7.12、6.7.13可简化为6.7.14第一百三十页，共157页。以式6.7.15去除式6.7.9和6.7.10可得测量阻抗中的电阻和电抗分量

6.7.166.7.156.7.17第一百三十一页，共157页。由上两式可得：

6.7.186.7.196.7.20第一百三十二页，共157页。这种算法受直流分影响较大，当取时，其数据窗为5ms

1、三采样值积算法是利用三个连续的等间隔的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去项以求出u、i的幅值和相位的方法。组合的方式可以有多种，下面是其中的一种。设时刻的采样值为

6.7.21第一百三十三页，共157页。6.7.22取时，上式简化为

6.7.23用代以（或以代以），并取得

6.7.246.7.25将三个采值适当组合可得到

第一百三十四页，共157页。由以上三式可得

三采样值积简化算法与二采样值积算法比较，三采样值算法只需等侍约为3.32ms，速度较快，而二采样值算法需要等待约为5ms；另外三采样值算法运算量要大些。6.7.266.7.27第一百三十五页，共157页。

一、傅里叶算法——周期函数模型算法上节所述的算法是按输入信号为正弦函数考虑的，但电力系统在故障状态下输入继电保护装置的信号不是纯正弦的，其它分量往往相当大，当采用前述算法之前，要求严格的预滤波，将预滤波与算法作统一考虑时，所占的计算机时间与计算容量就比较大。傅里叶算法则是假设输入信号是周期函数，这与输入信号实际情况非常接近。

4.4输入量为周期函数算法第一百三十六页，共157页。如设输入电流信号为、、——分别为直流分量、余弦项和正弦项的n次谐波系数上式也可表示为

1、傅里叶算法的原理假设输入信号是周期函数（含有直流和大量的高次谐波），其周期为T，则可展成傅氏级数。6.