变电站综合自动化第二章

2.1变电站综合自动化系统的典型硬件结构

当前第1页\共有59页\编于星期六\2点一、微机系统

1.CPU——完成控制和运算功能。2.存储器——存储编好的程序和数据。3.定时器/计数器

计时；触发采样信号，引起中断采样；在V/F变换式A/D中，是把频率信号转换为数字信号的关键部件。

4.Watchdog

看门狗监控电路，程序跑飞时，能立即动作使程序重新开始工作。当前第2页\共有59页\编于星期六\2点2.2硬件的数字核心部分核心部分即CPU，CPU还需配备存储器、输入输出设备的接口电路，才能组成计算机工作。最简单的微型机——单片机。一、微处理器的基本工作原理当前第3页\共有59页\编于星期六\2点当前第4页\共有59页\编于星期六\2点二、基于单片机的测控单元

单片机专为实时监测控制而设计，简单、可靠、功能多、性价比高；缺点是抗干扰能力差。当前第5页\共有59页\编于星期六\2点当前第6页\共有59页\编于星期六\2点当前第7页\共有59页\编于星期六\2点三、基于工控机的测控单元

为了适应工业测控要求，将微机中的大主板改为总线插座，插入适合自己总线系统的CPU、存储器、IO、通信及电源模块等，构成一个测控单元，同时又有扩展功能，能与其他工控机、主机构成一个集散控制系统。当前第8页\共有59页\编于星期六\2点当前第9页\共有59页\编于星期六\2点当前第10页\共有59页\编于星期六\2点工控机优点：1、具有丰富的过程输入输出功能。

工控机必须与工业监控系统紧密结合，面向控制应用，与生产工艺过程相匹配，因此除了计算机的基本部分如CPU、存储器外，还必须有丰富的过程输入输出功能的插件板(或称接口板)。在工控机的行业里都说，总线的力量不在其理论上多先进，而在于为这种总线研制的各种输入输出功能模块的数量和种类的丰富程度。2、实时性。3、高可靠性。4、环境适应性。5、丰富的应用软件。6、技术综合性。当前第11页\共有59页\编于星期六\2点当前第12页\共有59页\编于星期六\2点四、基于DSP的测控单元数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessing)，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

当前第13页\共有59页\编于星期六\2点微控制器结构——冯诺依曼结构和哈佛结构冯诺依曼结构：当前第14页\共有59页\编于星期六\2点DSP采用的是哈佛结构：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。当前第15页\共有59页\编于星期六\2点DSP学习板当前第16页\共有59页\编于星期六\2点作业1(奇数/偶数)定时器/计数器的功能是什么？Watchdog的作用是什么？为什么需要把模拟量输入转换为数字量？开关量输入/输出回路有什么作用？当前第17页\共有59页\编于星期六\2点第三节

模拟量的输入、输出原理电力系统中的电流、电压、有功功率、无功功率、频率、水位、温度等均属模拟量。模拟量都是随时间连续变化的物理量。模拟量输入电路的作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换，以便于CPU接口完成数据采集任务。根据模数转换原理不同，模拟量输入电路分两种：一是基于逐次逼近型AD转换方式，直接将模拟量转变为数字量；二是利用电压频率变换（VFC）原理进行模数变换，它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。当前第18页\共有59页\编于星期六\2点2.1基于逐次逼近型A/D转换模拟量输入电路2.1.1模拟量输入通道由以下几部分组成：1.电压形成电路2.低通滤波电路3.采样保持器4.多路模拟开关5.模/数（A/D）转换器当前第19页\共有59页\编于星期六\2点当前第20页\共有59页\编于星期六\2点（二）低通滤波器和采样定理采样过程示意图（1）连续时间信号的采样。当前第21页\共有59页\编于星期六\2点当前第22页\共有59页\编于星期六\2点逐次逼近型A/D转换模拟量输入电路框图变换器电压形成回路电压形成回路低通滤波采样保持低通滤波采样保持多路转换开关A/D总线来自互感器的信号.........当前第23页\共有59页\编于星期六\2点总线绝缘型单独绝缘型当前第24页\共有59页\编于星期六\2点低通滤波滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组合而成的各种复式滤波电路。其中最简单的滤波电路如下：当前第25页\共有59页\编于星期六\2点模拟量输入电压变换原理图（一）、电压形成电路作用：将电压降低到AD转换芯片所需电压，并实现一次设备与微机的隔离。当前第26页\共有59页\编于星期六\2点对模拟量进行采样，就是将一个连续的时间信号f(t)变成离散的时间信号f'(t)。采样周期与采样频率：采样时间间隔由采样控制脉冲f(t)来控制，相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期，用Ts表示。采样频率fs=1/Ts例：被采样信号是工频50Hz，若工频每个周期采样12次，则采样频率fs=50*12=600Hz.当前第27页\共有59页\编于星期六\2点(2)采样定理。采样是否成功，主要表现在采样信号能否真实的反映出原始连续时间信号中所包含的重要信息，采样定理就是回答这个问题。采样频率过低，会引起频率混叠现象当前第28页\共有59页\编于星期六\2点采样频率的选择采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并要从中作出权衡。采样频率越高，要求CPU的运行速度越高。因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向微型机输入数据，微型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低，将不能真实地反映采样信号的情况。由采样(香农)定理可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为fmax，则采样频率fs必须大于fmax的2倍(即fs＞2fmax)，否则将造成频率混叠。当前第29页\共有59页\编于星期六\2点3、采样保持器（S/H）当前第30页\共有59页\编于星期六\2点(3)采样保持器的工作原理图5.12采样保持器的基本组成电路

当前第31页\共有59页\编于星期六\2点采样保持器的作用

（1）保证转换时的误差在A/D转换器的量化误差内（2）实现多个模拟量的同步采样当前第32页\共有59页\编于星期六\2点4、多路转换开关多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。它一般有多个输入端，一个输出端和几个控制信号端。在实际的数据采集系统中，被模数转换的模拟量可能是几路或十几路，利用多路开关(MUX)轮流切换各被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。在微机保护中，各个通道的模拟电压是在同一瞬间采样并保持记忆的，在保持期间各路被采样的模拟电压依次取出并进行模数转换，但微机所得到的仍可认为是同一时刻的信息(忽略保持期间的极小衰减)，这样按保护算法由微机计算得出正确结果。

当前第33页\共有59页\编于星期六\2点多路开关的作用和要求图2-13多路转换开关芯片AD7506内部结构当前第34页\共有59页\编于星期六\2点1）逐次逼近式A/D转换器

5、模数转换器(A/D转换器，或简称ADC)当前第35页\共有59页\编于星期六\2点逐次逼近型模数转换器工作流程1）6.3.2.1逐次逼近型AD转换器的工作模式逐次逼近型AD转换器属于直接型AD转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。逐次比较的过程可以用图加以说明，图中的模拟电压为673mV。DA转换器的输出，即电压砝码可以按二进制的规律变化，也可以按BCD8421码的规律变化，此例中是按BCD8421码的规律变化。上述比较过程如同用天平称重的过程一样，只不过所加的是电压砝码。转换开始前先将寄存器清零，所以加给DA转换器的数字量全为0。转换控制信号uL为高电平时开始转换。此时送出一个800mV的电压砝码与输入电压比较，由于ui＜800mV，将800mV的电压砝码去掉，加400mV的电压砝码，ui＞400mV，于是保留400mV的电压砝码。再加200mV的砝码，ui＞400mV+200mV，200mV的电压砝码保留，如此一直进行下去，可获得一组二进制码

0110

0111

0011按照BCD8421码划分，相当673mV。

当前第36页\共有59页\编于星期六\2点A/D转换器的主要技术性能（1）分辨率：分辨率反映A/D转换器对输入模拟信号微小变化响应的能力，通常以数字量输出的最低位（LSB）所对应的模拟输入电平值表示。N位A/D转换能反映1/2n满量程的模拟量输入电压。一般用A/D转换器输出数字量的位数来表示分辨率。

A/D位数分辨率

8101214161/28=1/2561/210=1/10241/212=1/40961/214=1/163841/216=1/65536当前第37页\共有59页\编于星期六\2点（2）精度：①绝对精度：对应一个数字量的实际模拟量的值和模拟量的理论值之差，为绝对误差。用数字量的最小有效位表示。例如：±1/2LSB,±1LSB②相对精度：(相对误差/满量程的模拟量）×100%（3）转换时间：完成一次A/D转换所需的时间。例如：AD574A的转换时间为25～35μsAD1674A的转换时间为10μsMAX125的转换时间为3.5～13μs（4）量程：A/D转换器所能转换的模拟输入电压的范围①单极性：0～＋5V，0～＋10V，0～＋20V，②双极性：－2.5～＋2.5V,－5～＋5V,－10～＋10V

当前第38页\共有59页\编于星期六\2点（5）输出逻辑电平：多数为TTL电平，即0～＋5V（6）工作温度范围：民用品为：0～＋70℃工业级为：－20～＋85℃军用品为：－55～＋125℃（7）电源灵敏度：指AD转换芯片的供电电源的电压发生变化时产生的转换误差，一般用电源变化1%时模拟量变化的百分数来表示。当前第39页\共有59页\编于星期六\2点作业二（全做）逐次逼近式模拟量输入电路主要包括哪些组成部分？什么是“频率混叠”现象？画图说明香农定理中的采样频率公式是什么？画出采样保持电路LF398的原理图，说明其工作原理画出多路转换开关AD7506的内部结构图，说明其引脚作用如果输入电压为380V，画出其用BCD码逐次逼近的过程图满量程为10V的8位A/D芯片，若其绝对精度为±1/4LSB，其最小有效位的量化单位是多少，绝对精度是多少？当前第40页\共有59页\编于星期六\2点第四节变电站开关量输入输出电路开关量以二进制数字变化为特点的信号，如断路器、隔离开关的状态，数值的限内或越限，断路器的触点，人机联系的功能键的状态等等。消抖滤波信号调节光电隔离门驱动控制CPU信号输入总线地址译码图2-21开关量输入电路配置图当前第41页\共有59页\编于星期六\2点一、滤波消抖电路（了解）二、电隔离技术

开关量与逻辑电路之间要采用电隔离技术，原因：1.使低压输入电路与大功率电源隔离；2.外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；3.限制地回路电流与地线错接而带来的干扰；4.多个输入电路之间的隔离。电隔离方法：光电隔离；继电器隔离。开关量输入/输出的抗干扰措施当前第42页\共有59页\编于星期六\2点光电隔离当前第43页\共有59页\编于星期六\2点继电器隔离(a)现场开关辅助触点输入电路(b)继电器触点输出当前第44页\共有59页\编于星期六\2点

1.开关量输入电路

微机保护装置中一般应设置几路开关量输入电路。开关量输入电路主要是将外部一些开关接点引入微机保护的电路，通常这些外部接点不能直接引入微机保护装置，而必须经过光电隔离芯片引入。开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点输入，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输入，及装置上连接片位置输入等回路。三、简单的开关量输入/输出电路当前第45页\共有59页\编于星期六\2点当前第46页\共有59页\编于星期六\2点2、开关量输出电路在微机保护装置中设有开关量输出电路，用于驱动各种继电器。例如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障告警继电器等。当前第47页\共有59页\编于星期六\2点装置开关输出回路接线图当前第48页\共有59页\编于星期六\2点开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口及信号，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器。为抗干扰，加一级光电隔离。如图。PB0输出0，PB1输出1，便可使与非门输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。设置非门及与非门，而不是将发光二极管直接与并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管；另一方面，采用与非门后要同时满足两个条件才能使K动作，增加抗干扰能力为防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动，将PB0经一非门输出，而PB1不经非门输出。当前第49页\共有59页\编于星期六\2点第5节数字量的输入/输出1概述

变电站综合自动化系统中，要采集的信息有：模拟量、开关量、脉冲量和广义读表数。2输入/输出信息的组成（1）数字信息（2）状态信息（3）控制信息3输入/输出的传送方式

（1）并行传送（2）串行传送当前第50页\共有59页\编于星期六\2点典型的数字量输入/输出接口电路当前第51页\共有59页\编于星期六\2点

CPU对输入/输出的控制方式

1.同步传送方式（无条件程序传送方式）见图2.查询传送方式（条件程序传送方式）3.中断控制输入/输出方式4.直接存储器访问方式（DMA方式）当前第52页\共有59页\编于星期六\2点同步传送方式只适合CPU与简单的、数据变化慢的外设之间交换信息。例如：数码管显示器、开关、发光二极管。作输入时，认为其数据是准备好的，CPU随时