第二章-变电站综合自动化系统的装置原理课件

第二章变电站综合自动化系统的装置原理变电站综合自动化技术及应用第二章变电站综合自动化系统的装置原理变电站综合自动化技术及应12.1变电站综合自动化装置概述2.2模拟量输入/输出系统2.3开关量输入/输出系统2.4人机联系系统及电源插件2.5本章小结以及课后习题第二章变电站综合自动化系统的装置原理2.1变电站综合自动化装置概述第二章变电站综合自动化系统的22.1变电站综合自动化装置概述2.2模拟量输入/输出系统2.3开关量输入/输出系统2.4人机联系系统及电源插件2.5本章小结以及课后习题第二章变电站综合自动化系统的装置原理2.1变电站综合自动化装置概述第二章变电站综合自动化系统的32023/8/9

变电站综合自动化装置概述2.12.1.1基本测控单元2.1.2采集的数据信息2023/8/1变电站综合自动化装置概述2.1242023/8/9

变电站综合自动化装置概述2.1.1变电站综合自动化系统均按模块化设计。也就是说对于成套的综合自动化系统，微机保护系统、监控系统、自动控制系统等装置都是若干模块组成的，它们的硬件结构都是大同小异，所不同是软件及硬件模块化的组合与数量不同。一个变电站综合自动化系统中各种子系统的典型硬件结构主要包括：模拟量输入/输出回路、微机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源。2023/8/1变电站综合自动化装置概述2.1.52023/8/9

变电站综合自动化装置概述2.1.12023/8/1变电站综合自动化装置概述2.1.62023/8/9

采集的数据信息2.1.2电力系统需要采集的信息量大，且具有不同的特征，可以把他们分成以下的类型：模拟量。模拟量是指时间和幅值均连续变化的信号，是连续时间变量t的函数，包括交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、直流电压等。开关量。开关量是指随时间离散变化的信号，主要反映的是设备的工作状况，包括断路器、隔离开关、保护继电器的触点及其他开关的状态。数字量。数字量是指时间和幅值均是离散的信号，包括BCD码仪表及其他数字仪表的测量值，并行和串行输入/输出的数据等。脉冲量。脉冲量是指随时间推移周期性出现短暂起伏的信号，包括系统频率转换的脉冲及脉冲电能表发出的脉冲等。非电量。非电量包括变压器油温、空气开关气体压力等。掌握电力系统状况，主要从两个方面着手：遥测量：测量主要是将电网中各元件如线路、母线、变压器、发电机等的运行参数，通过收集传送到调度中心去。遥测量大多为模拟量。遥信量：主要是反应电网开关状态的量和元件保护状态的信息。它主要包括断路器的状态、隔离开关的状态、各个元件继电保护动作状态、自动装置的动作状态、发电机出力上、下限状态等。2023/8/1采集的数据信息2.1.2电力系统72.1变电站综合自动化装置概述2.2模拟量输入/输出系统2.3开关量输入/输出系统2.4人机联系系统及电源插件2.5本章小结以及课后习题第二章变电站综合自动化系统的装置原理2.1变电站综合自动化装置概述第二章变电站综合自动化系统的82023/8/92.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入/输出通道2.2.3模拟量输出通道

模拟量输入/输出系统2.22.2.2基于V/F转换的模拟量输入回路2023/8/12.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入/输9模拟量的输入电路隔离规范输入电压模数变换逐次逼近型A/D转换方式（ADC）利用电压/频率变换（VFC）

模拟量输入/输出系统2.2模拟量的输入电路隔离规范输入电压模数变换逐次逼近型A/D转换10实线框1内为直流采样的模拟量输入通道虚线框2内为模拟量输出通道模拟量输入输出通道（直流采样）框图

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1实线框1内为直流采样的模拟量输入通道模拟量输入输出通道（直流11电压形成回路

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1电压形成回路基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道212通常A/D转换器的输入有以下几种电压等级：双极性的为0～±2.5V、0～±5V、0～±10V;单极性为0～5V、0～l0V、0～20V等。电压形成电路除了起电量变换作用外，另一个重要作用是将一次设备的TA、TV的二次回路与微机A/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1通常A/D转换器的输入有以下几种电压等级：双极性的为0～±13消除干扰，提高输入信号的信噪比，可采用一级或二级硬件R/C低通滤波器。R/C电路又可作为过电压保护，防止浪涌电压进入通道内部损坏各种芯片元件。不同变送器或传感器输出的电信号各不相同，因此需经信号处理环节将其放大或处理成后面A/D转换器所能接受的电压范围。滤波及信号处理

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1消除干扰，提高输入信号的信噪比，可采用一级或二级硬件R/C低14在实际的数据采集模块中，被测量往往可能是几路或几十路，对这些回路的模拟量进行采样和A/D转换时，为了共用A/D转换器而节省硬件，可以利用多路开关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。在模拟输入通道中，其各路开关是“多选一”，即输入是多路待转换的模拟量，但每次只选通一路，输出只有一个公共端接至A/D转换器。多路选择开关MUX

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1在实际的数据采集模块中，被测量往往可能是几路或几十路，对这些15多路选择开关MUX

各种型号的模拟量多路开关集成芯片的功能基本相同，即按要求接通某一路开关，只在切换的开关数、开关接通时的电阻和断开时的漏电流以及输入的模拟量电压值等方面有所差别。下面以AD7506为例，介绍一下模拟量多路开关的工作原理，如图所示。

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1多路选择开关MUX各种型号的模拟量多路开关集成芯片的16由于计算机只能对数字信号进行处理，因此需要对输入的模拟信号进行采样，以获得用数字量表示的时间序列。此过程即为量化过程。量化包括两个过程：时间取量化和幅值取量化。时间取量化的过程称之为采样，即在给定的时刻对连续信号进行测量。采样是将一个连续的时间信号变成离散的时间信号。采样及采样保持器

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1由于计算机只能对数字信号进行处理，因此需要对输入的模拟信号进17异步采样：即采样周期或采样频率永远地保持固定不变。这种采样方式下，采样频率不随模拟输入信号的基波频率变化而调整，人为地认为模拟输入信号的基波频率保持不变。同步采样：采样周期不再恒定，使采样频率始终跟踪系统实际运行频率，保持固定的比例关系，采样频率随系统运行的频率的变化而实时调整。这种同步采样方式通常可利用硬件测频设备或软件计算频率方法来配合实现。采样及采样保持器采样方式异步采样（定时采样）同步采样（跟踪采样）

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1异步采样：即采样周期或采样频率永远地保持固定不变。这种采样方18

下图为采样保持器的基本组成原理电路。其核心是高速电子采样开关和保持电容，运算放大器、在其输入和输出端起缓冲和阻抗匹配的作用。采样及采样保持器

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1下图为采样保持器的基本组成原理电路。其核心是19模拟信号必须经过模/数转换器转换成数字量后方能进入计算机。实现模/数转换的基本方法有积分法和逐次逼近法等。积分法对输入信号进行积分，取其平均值，能较好地滤去信号中的噪声干扰，但积分式的转换时间较长，一般需几十毫秒。逐次逼近式抗干扰能力较差，但转换速度较快，完成一次转换大约需要几十微秒，电力系统采集装置中一般采用逐次逼近式模/数转换器。模/数转换器

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1模拟信号必须经过模/数转换器转换成数字量后方能进入计算机。实20模/数转换器

逐次逼近式A/D转换器的工作原理如图所示。其主要包括逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比较器及控制逻辑部分等。

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1模/数转换器逐次逼近式A/D转换器的工作原理如图所21模/数转换器

AD574A是常用的12位逐次逼近式A/D转换器，芯片内是三态输出缓冲器，可与8位或16位微机的数据总线直接相连。与16位微机的数据总线相连时，12位转换结果可一次读出；与8位微机的数据总线相连时，先读高8位，后读低4位和补零的其余4位。输入的模拟电压可以是单极性0～+10V，0～+20V，也可以是双极性-5V～+5V，-10V～+10V。单极性时输出为原码，双极性时输出为偏移二进制码。

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.1模/数转换器AD574A是常用的12位逐次逼近式A/222.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道模/数转换器

AD574A转换的全过程分为数据转换过程和读出过程。在控制信号、、、12/8、的作用下，AD574A完成了数据的转换。A/D转换控制过程分为转换启动过程和数据读出过程。转换启动过程数据读出过程

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.12.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道模/数转换器232.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道模/数转换器

A/D转换器的主要性能指标分辨率转换精度电源灵敏度转换时间输出逻辑电平工作温度范围量程

为保证模拟量数据的准确性、实时性及传输的通畅性，CPU需对A/D采样的模拟量数据进行以下方面的处理：数据合理性检查零漂抑制及越阈值传送越限判断越限死区值设定

基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道2.2.12.2.1基于逐次逼近型的模拟量输入输出通道模/数转换器24

电压-频率变换技术(VFC)的原理是将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供CPU读入。CPU每隔一个采样间隔时间，读取计数器的脉冲计数值，并根据比例关系算出输入电压对应的数字量，从而完成了模/数转换。其原理框图如图所示。

基于V/F转换的模拟量输入回路2.2.2电压-频率变换技术(VFC)的原理是将输入的电压模25VFC的基本工作原理将模拟电压转换成频率（即等幅方波脉冲信号的频率）的方法很多，下面介绍一种电荷平衡式V/F转换电路的工作原理。工作原理的示意图如图（a）所示。

基于V/F转换的模拟量输入回路2.2.2VFC的基本工作原理基于V/F转换的模拟量输入回26典型的VFC芯片AD654的结构及工作原理

AD654芯片的工作方法可有两种方式，即正端输入和负端输入方式。在自动化装置上大多采用负端输入方式。因此4端接地，3端输入信号

基于V/F转换的模拟量输入回路2.2.2典型的VFC芯片AD654的结构及工作原理AD654芯片的工27典型的VFC芯片AD654的结构及工作原理

VFC的工作原理如图所示。当输入电压时，由于偏置电压-5V加在输入端3上，输出信号是频率为250kHz的等幅等宽的脉冲波，见图（a）。当输入信号是交流信号时，经VFC变换后输出的信号是被交变信号调制了的等幅脉冲调频波，见图（b）

基于V/F转换的模拟量输入回路2.2.2典型的VFC芯片AD654的结构及工作原理VFC的工作原理如28

模拟量输出通道的作用是把微机系统输出的数字量转换成模拟量输出，这个任务主要由数/模（D/A）转换器来完成。由于D/A转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微机系统输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此在微机系统与D/A转换器间必须用锁存器来保持数字量的稳定。经过D/A转换器得到的模拟信号，一般要经过低通滤波器，使其输出波形平滑，同时为了能驱动受控设备，可以采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。在模拟量输出通道中，常用隔离放大器实现微机系统和被控对象之间的电气隔离。常用的隔离放大器常基于三种基本原理，即变压器隔离、光电隔离和电容隔离。

模拟量输出通道2.2.3模拟量输出通道的作用是把微机系统输出的数字量292.1变电站综合自动化装置概述2.2模拟量输入/输出系统2.3开关量输入/输出系统2.4人机联系系统及电源插件2.5本章小结以及课后习题第二章变电站综合自动化系统的装置原理2.1变电站综合自动化装置概述第二章变电站综合自动化系统的302023/8/92.3.1开关量输入/输出的基本概念2.3.3开关量输入通道

开关量输入/输出系统2.32.3.2CPU对输入/输出的控制方式2.4.4开关量输出通道2.3.5脉冲量输入电路2023/8/12.3.1开关量输入/输出的基本概念2.3312023/8/9

开关量输入/输出的基本概念2.3.1输入／输出信息的组成：在变电站智能电子设备的输入/输出操作中(简称I/O)，需要直接与外界联系进行信息交换。一般来说，这些信息可分为三种不同信号。数据信息状态信息控制信息输入/输出的传送方式：CPU的数据总线都是并行的，但由于I/O设备有并行和串行之分，或为了远距离传输的需要，输入/输出数据的传送除了有并行传送方式外，还有串行传送方式。这两种传送方式各有各的特点和不同的应用场合.并行传送方式串行传送方式2023/8/1开关量输入/输出的基本概念2.3322023/8/9

开关量输入/输出的基本概念2.3.1输入/输出典型接口：一个典型的I/O接口电路，包括有数据端口、状态端口和控制端口，如下图所示：2023/8/1开关量输入/输出的基本概念2.3332023/8/9

CPU对输入/输出的控制方式2.3.2同步传送方式查询传送方式直接存储器访问方式中断控制输入输出方式CPU与外部设备交换数据控制方式2023/8/1CPU对输入/输出的控制方式2.342023/8/9

CPU对输入/输出的控制方式2.3.2同步传送方式：同步传送方式又称无条件程序控制方式，这种传送方式只适合于CPU与比较简单而且其数据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外部设备交换信息时采用。查询传送方式：查询传送方式，又称条件程序传送方式或异步传送方式。查询传送方式的特点是CPU在对I/O设备传送数据前，先输入外部设备的状态，并测试其是否准备好，只有在测试到I/O设备已准备就绪后，CPU才对I/O设备传送数据。中断控制输入／输出方式：当CPU需要与外部设备交换信息时，若外部设备要输入CPU的数据已准备好，存放于输入寄存器中；或在输出时，若外部设备已把上一个数据取走，即输出寄存器已空，则由外部设备向CPU发出中断申请，CPU接到外部设备的申请后，若没有更重要的处理，CPU就暂停当前执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（称中断服务），待输入或输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序。直接存储器访问方式DMA：用硬件在外部设备与内存间直接进行数据交换(DMA)而不通过CPU，这样数据传送速度的上限就可以只取决于存储器的工作速度。2023/8/1CPU对输入/输出的控制方式2.352023/8/9

CPU对输入/输出的控制方式2.3.2直接存储器访问方式DMADMA控制器必须具备以下功能：能接受外部设备的请求，向CPU发出总线请求信号HOLD；当CPU发出总线请求认可信号HLDA后，接管对地址线、数据线和控制线的控制，进入DMA方式；发出地址信息，能对存储器寻址及能修改地址指针；能向存储器和外部设备发出读或写等控制信号；能控制传送的字节数及判断DMA传送是否结束；在DMA传送结束以后，能发出DMA结束信号，释放总线使CPU恢复正常工作状态。2023/8/1CPU对输入/输出的控制方式2.362023/8/9

CPU对输入/输出的控制方式2.3.2直接存储器访问方式DMA2023/8/1CPU对输入/输出的控制方式2.372023/8/9

开关量输入通道2.3.3

开关量输入电路的基本功能就是将变电站内需要的状态信号引入微机系统，如输电线路断路器状态、继电保护信号等。输出电路主要是将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节，如断路器跳闸命令和屏幕显示、报警信号等。下图是开关量输入电路的一个配置图。开关量输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路等组成。2023/8/1开关量输入通道2.3.3382023/8/9

开关量输入通道2.3.3消抖滤波电路与信号调节电路光电隔离开关量输入电路2023/8/1开关量输入通道2.3.3消抖滤波392023/8/9

开关量输入通道2.3.3消抖滤波电路与信号调节电路消抖电路未采用消抖电路的输出波形采用消抖电路的输出波形2023/8/1开关量输入通道2.3.3消抖滤波402023/8/9

开关量输入通道2.3.3光电隔离光电耦合器隔离

光电耦合器件是由发光二极管、光敏三极管组成，集成在一个芯片内，它们之间的绝缘电阻非常大(~)，使可能带有电磁干扰的外部回路与微机之间无电的联系。2023/8/1开关量输入通道2.3.3光电隔离412023/8/9

开关量输入通道2.3.3光电隔离继电器隔离对于发电厂、变电站现场的断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和主变压器分接开关位置等开关信号，输入至微机系统时，也可通过继电器隔离，其原理接线图如下图所示（示出两路）。2023/8/1开关量输入通道2.3.3光电隔离422023/8/9

开关量输入通道2.3.3光电隔离继电器和光电耦合器双重隔离

为了提高抗干扰的能力，同时又能消除抖动，在线路比较长、干扰比较严重的场合，还可以同时采用继电器和光电耦合器双重隔离，以加强隔离的效果，即将现场的开关辅助触点先经过继电器隔离，继电器的辅助触点再经过光电耦合器隔离，然后再输入至计算机。这样双重隔离对提高抗干扰能力和消除开关动作时的抖动具有很好的效果。2023/8/1开关量输入通道2.3.3光电隔离432023/8/9

开关量输入通道2.3.3开关量输出电路开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点、跳合闸位置继电器触点、有载调压变压器的分接头位置等输入、外部装置闭锁重合闸触点输入、装置上连接片位置输入等回路，这些输入可分成两大类：安装在装置面板上的触点从装置外部经过端子排引入装置的触点2023/8/1开关量输入通道2.3.3开关量输442023/8/9

开关量输出通道2.3.4在变电站中，计算机对断路器、隔离开关的分、合闸控制和对主变压器分接开关位置的调节命令，以及告警都是通过开关量输出接口电路去驱动继电器，再由继电器的辅助触点接通跳、合闸回路或主变压器分接开关控制回路而实现的。不同的开关量输出驱动电路可能不同。下图为开关量输出电路。2023/8/1开关量输出通道2.3.4452023/8/9脉冲量输入电路2.3.5

有些表计（如脉冲电能表或电能变送器）能提供与电量成正比的脉冲数，只要将脉冲数进行累计并乘以相应的系数，就能得到相应的电量值。电能脉冲计量法有两种常用类型的仪表可供选用：①脉冲电能表；②机电一体化电能计量表。调度端在统计电网各电量时，必须将同一时刻的电量值进行总加。如果各关口数据并非同一时刻，则对它们总加没有意义。为了得到同一时刻各“关口”电量，可采用两套电能脉冲计数器。主、副计数器都对输入脉冲进行累计，两者数据一致。当调度端发出“电能量冻结”命令时（为广播命令，即所有RTU均收到并执行），副计数器就停止更新并保持不变（冻结），而主计数器仍照常计数。调度端可随时调取已冻结在副计数器中的电能值进行总加。之后可发出“解冻”命令，副计数器立即与主计数器取得一致并重新对脉冲进行累计。

对电能量的计量，可以采用电能脉冲计量法、软件计算法或采用专门的微机电能计量仪表。电能脉冲计量法，使电能表转盘每转动一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲量代替转盘转动的圈数，并将脉冲量通过计数器计数后输入微机系统，由CPU进行存储、计算。2023/8/1脉冲量输入电路2.3.5462023/8/9脉冲量输入电路2.3.5

下面以某PWS型综合自动化系统脉冲量计数电路图，说明计数电路的工作原理。下图为脉冲量计数电路图。2023/8/1脉冲量输入电路2.3.5472.1变电站综合自动化装置概述2.2模拟量输入/输出系统2.3开关量输入/输出系统2.4人机联系系统及电源插件2.5本章小结以及课后习题第二章变电站综合自动化系统的装置原理2.1变电站综合自动化装置概述第二章变电站综合自动化系统的482023/8/9人机联系系统及电源插件2.42.4.1人机联系系统2.4.2电源插件2023/8/1人机联系系统及电源插件2.42.492023/8/9人机联系系统2.4.1

电力系统采用调度自动化系统后，要求调度人员不断地监视调度自动化系统本身的工作全面、深入并及时地掌握电力系统的运行状况根据系统运行的不同情况，做出相应的决策或发出各种控制命令，以保证电力系统的安全和经济地运行

为了能够完成上述各项任务，调度自动化系统必须能够实现人机对话。调度自动化中的人机联系子系统就是为了实现人机对话而设置的。人机联系子系统将传输到调度控制中心的各类信息进行加工处理，通过各种显示设备、打印设备和其他输出设备，为调度人员提供完整实用的电力系统实时信息。调度人员发出的遥控、遥调指令也可通过此系统输入、传送给执行机构。2023/8/1人机联系系统2.4.1电力502023/8/9人机联系系统2.4.1

人机联系的主要内容包含有以下几个方面显示画面与数据：时间日期、报警画面与提示信息、装置工况状态显示、装置整定值、退出运行的装置的显示以及信号流程图表、控制系统的设定显示等内容。输入数据：运行人员的代码和密码、运行人员密码更改、装置定值的更改、控制范围及设定的变化、报警界限、告警设置与退出、手动/自动设置、趋势控制等。人工控制操作：断路器及隔离开关操作、开关操作排序、变压器分接头位置控制、控制闭锁与允许、装置的投入和退出、设备运行/检修的设置\当地/远方控制的选择\信号复归等。

人机联系子系统中的输出设备主要包括：模拟屏、图形显示器、声光报警装置、记录仪、制表或图形打印设备；输入设备主要由键盘、鼠标和声控设备等。2023/8/1人机联系系统2.4.1人机512023/8/9电源插件2.4.2

每个装置均有一个独立的开关电源，向其他插件供电，此开关电源与插件面板构成电源插件