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UNIT 1A 电路电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说，如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定义这些元件的电特性.就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为:u=iR (1-1A-1)式中 u=电压，伏特；i =电流，安培；R = 电阻，欧姆。纯电感电压由法拉第定律定义，法拉第定律指出：电感两端的电压正比于流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到：U=Ldi/dt 式中 di/dt = 电流变化率， 安培/秒； L = 感应系数， 享利。 电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示为电荷增量dq的和或积分，因此得到的等式为 u= ， 式中电容量C是与电压和电荷相关的比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为i = dq/dt。因此电荷增量dq 等于电流乘以相应的时间增量，或dq = i dt， 那么等式 (1-1A-3) 可写为式中 C = 电容量，法拉。归纳式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和 (1-1A-4)描述的三种无源电路元件如图1-1A-1所示。注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。 有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2所示。分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是：假设有一个电流即所谓的回路电流流过电路中的每一个回 路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。考虑图1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流i ，那么回路总的电压降为 因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。或许在电路中，人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图1-1A-1指出的用积分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7UNIT2 B 晶体管 简单地说，半导体是这样一种物质，它能够通过“掺杂”来产生多余的电子，又称自由电子（N型）；或者产生“空穴”，又称正电荷（P型）。由N型掺杂和P型掺杂处理的锗或硅的单晶体可形成半导体二极管，它具有我们描述过的工作特性。晶体管以类似的方式形成，就象带有公共中间层、背靠背的两个二极管，公共中间层是以对等的方式向两个边缘层渗入而得，因此中间层比两个边缘层或边缘区要薄的多。PNP 或 NPN (图 1-2B-1)这两种结构显然是可行的。PNP或NPN被用于描述晶体管的两个基本类型。因为晶体管包含两个不同极性的区域（例如“P”区和“N”区），所以晶体管被叫作双向器件，或双向晶体管因此晶体管有三个区域，并从这三个区域引出三个管脚。要使工作电路运行，晶体管需与两个外部电压或极性连接。其中一个外部电压工作方式类似于二极管。事实上，保留这个外部电压并去掉上半部分，晶体管将会象二极管一样工作。例如在简易收音机中用晶体管代替二极管作为检波器。在这种情况下，其所起的作用和二极管所起的作用一模一样。可以给二极管电路加正向偏置电压或反向偏置电压。在加正向偏置电压的情况下，如图1-2B-2所示的PNP 晶体管，电流从底部的P极流到中间的N极。如果第二个电压被加到晶体管的顶部和底部两个极之间，并且底部电压极性相同，那么，流过中间层N区的电子将激发出从晶体管底部到顶部流过的电流。在生产晶体管的过程中，通过控制不同层的掺杂度，经过负载电阻流过第二个电路电流的导电能力非常显著。实际上，当晶体管下半部为正向偏置时，底部的P区就像一个取之不竭的自由电子源（因为底部的P区发射电子，所以它被称为发射极）。这些电子被顶部P区接收，因此它被称为集电极，但是流过这个特定电路实际电流的大小由加到中间层的偏置电压控制，所以中间层被称为基极。因此，当晶体管外加电压接连正确（图1-2B-3）后工作时，实际上存在两个独立的“工作”电路。一个是由偏置电压源、发射极和基极形成的回路，它被称为基极电路或输入电路；第二个是由集电极电压源和晶体管的三个区共同形成的电路，它被称为集电极电路或输出电路。（注意：本定义仅适用于发射极是两个电路的公共端时被称为共发射极连接。）这是晶体管最常见的连接方式，但是，当然也存在其它两种连接方法 共基极连接和共集电极连接。但是在每一种情况下晶体管的工作原理是相同的。本电路的特色是相对小的基极电流能控制和激发出一个比它大得多的集电极电流(或更恰当地说，一个小的输入功率能够产生一个比它大得多的输出功率)。换句话说，晶体管的作用相当于一个放大器。在这种工作方式中，基极-发射极电路是输入侧；通过基极的发射极和集电极电路是输出侧。虽然基极和发射极是公共路径，但这两个电路实际上是独立的，就基极电路的极性而言，基极和晶体管的集电极之间相当于一个反向偏置二极管，因此没有电流从基极电路流到集电极电路。要让电路正常工作，当然，加在基极电路和集电极电路的电压极性必须正确（基极电路加正向偏置电压，集电极电源的连接要保证公共端（发射极）的极性与两个电压源的极性相同）。这也就是说电压极性必须和晶体管的类型相匹配。在上述的PNP型晶体管中，发射极电压必须为正。 因此，基极和集电极相对于发射极的极性为负。PNP 型晶体管的符号在发射极上有一个指示电流方向的箭头，总是指向基极。（在PNP型晶体管中，“P”代表正） 。在NPN型晶体管中，工作原理完全相同，但是两个电源的极性正好相反（图1-2B-4）。也就是说，发射极相对于基极和集电极来说极性总是负的（在NPN型晶体管中，“N”代表负）。这一点也可以从NPN型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来，即，电流从基极流出。 虽然现在生产的晶体管有上千种不同的型号，但晶体管各种外壳形状的数量相对有限，并尽量用一种简单码TO（晶体管外形）后跟一个数字为统一标准。TO1是一种最早的晶体管外壳即一个在底部带有三个引脚的圆柱体“外罩”，这三个引脚在底部形成三角状。观看底部时，“三角形”上面的管脚是基极，其右面的管脚（由一个彩色点标出）为集电极，其左面的管脚为发射极。集电极引脚到基集引脚的间距也许比发射极到基集引脚的间距要大 。在其它TO外壳中，三个引脚可能有类似的三角形形状（但是基极、集电极和发射极的位置不一定相同），或三个引脚排成一条直线。使人容易搞乱的问题是同一TO号码的子系列产品其管脚位置是不一样的 。例如，TO92 的三个管脚排成一条直线，这条直线与半圆型“外罩”的切面平行，观看TO92的底部时，将切面冲右，从上往下读，管脚的排序为1，2，3。（注 otherwise circular“can”中的otherwise译为不同的，特殊的。在这里“特殊的圆形外罩”指的应该是普通的圆柱体“外罩”在圆平面上画一条小于等于直径的弦，沿轴线方向切入后形成的半或大半圆柱体，切入后形成的剖面就是文中说的a flat side ，这也是现在很常见的一种晶体管外壳。） 对TO92子系列 a (TO92a): 1=发射极2=集电极 3=基极对TO92子系列 b (TO92b): 1=发射极2=基3=集电极更容易使人搞乱的是一些晶体管只有两个管脚（第三个管脚已在里边和外壳连接）；一些和晶体管的外形很像的外壳底部有三个以上的管脚。实际上，这些都是集成电路(ICs)，用和晶体管相同的外壳包装的，只是看起来像晶体管。更复杂的集成电路（ICs） 用不同形状的外壳包装，例如平面包装。根据外壳形状非常容易识别功率晶体管。它们是金属外壳，带有延长的底部平面，底部平面上还有两个安装孔。功率晶体管只有两个管脚（发射极和基极），通常会标明。集电极在内部被连接到外壳上，因此，与集电极的连接要通过一个装配螺栓或外壳底面。UNIT4 A 功率半导体器件功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：二极管晶闸管或可控硅双向可控硅门极可关断晶闸管双极结型晶体管电力金属氧化物半导体场效应晶体管静电感应晶体管绝缘栅双极型晶体管金属氧化物半导体控制的晶闸管集成门极换向晶闸管二极管电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型的正向导通压降为1.0伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。电力二极管分类如下:标准或慢速恢复二极管快速恢复二极管肖特基二极管 晶闸管闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和N-P-N 两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（dv/dt）、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。在门电流IG = 0时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流IG 的增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流IG= IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。 在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。双向可控硅双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图1-4A-3给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在+工作方式，T2端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在-工作方式，T1端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。由于同样的原因，重复施加的dv/dt 额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的RC 冲器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60赫兹电源频率的固态继电器。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移P-N-P 集电极的电流，因此消除P-N-PN-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。 GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4或5，非常低。这意味着6000安培的GTO 需要1,500安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力MOS场效应晶体管提供非常容易。GTO被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量AC/DC 电源。大容量GTO的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图1-4A-4给出了GTO的符号。电力MOS场效应晶体管与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。图1-4A-5给出了N型MOS场效应晶体管的符号如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。 虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。 MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器。绝缘栅双极型晶体管在20世纪80年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 基本上是混合的MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了MOSFET 和BJT 的优点。它的结构基本上与MOSFET 的结构相似，只是在MOSFET 的N+漏极层上的集电极加了一个额外的P+层。 IGBT有MOSFET 的高输入阻抗和像BJT 的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的N 型沟道受到感应。这个P-N-P 晶体管正向偏置的基极发射极结使IGBT导通并引起 N区传导性调制，这使得导通压降大大低于MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在IGBT 的等效电路中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数和通过MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了P 区的导通通道。IGBT比BJT 或MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。还有，IGBT的门极集电极电容与门极发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。金属氧化物半导体控制的晶闸管金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT)，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通过在MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。 图1-4A-7 给出了MCT 的符号。它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同的是MCT只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果MCT 的门极电压相对于阳极为负，在P 型场效应晶体管中的P 沟道受到感应，使N-P-N 晶体管正向偏置。这也使 P-N-P 晶体正向偏置，由正反馈效应MCT进入饱和状态。在导通情况下，压降为1伏左右（类似于晶闸管）如果MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶体管饱和并将P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT关断。关断完全是由于再结合效应因而MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率，因此在MCT 变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂，MCT的电流却比电力 MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一个较小的死区。1992年在市场上可见到MCT，现在可买到中等功率的MCT。MCT的发展前景尚未可知。集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由ABB 在1997年推出。图1-4A-8给出了IGCT 的符号。基本上，IGCT是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000安培阳极电流的4,500 V IGCT需要3,000安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、di/dt非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。 门驱动电路内置在IGCT模块内。IGCT内有一对单片集成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率di/dt 、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率dv/dt 均优于GTO 。IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO 更高的开关频率。多个IGCT可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT已用于电力系统连锁电力网安装（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工业驱动。UNIT7B 电力系统自动化概述提高生产力，降低成本，是电力供应商一直以来面对的问题。这就转化为需要管理者，工程师、操作员、计划者、现场人员和其它人员收集并执行决策信息。电力系统供应商遵从这一趋势，使设备变得智能化，这样，它们就可以创造并交流信息。术语“电力系统”描述的是用来产生、传输和分配电能的物理系统的组成设备集合。术语“设备和控制系统”指的是用来监视、控制和保护电力系统的设备集合。电力系统自动化指的是使用I&C 设备执行自动决策并对电力系统进行控制。数据采集：数据采集指的是获取或者采集数据。采集的数据形式为测量的模拟电压或电流值，接触点的开关状态。采集到的数据可以被采集设备使用，发送到同一变电站的其它设备或者从变电站发送到一个或多个数据库供操作人员、工程师、计划人员和管理人员使用。电力系统监视：有了获得的数据，计算机可以处理，人员可以监控电力系统的状况和状态。操作人员和工程师在远程可以通过计算机显示和图形墙显示，或者在现场，通过设备的前面板和笔记本电脑对信息进行监视。电力系统控制：控制指的是对设备发送命令消息，实现对I&C和电力系统设备的操作。传统的监控和数据采集系统依赖于操作人员在主计算机的操控台监视系统并发送命令。现场人员也可以使用前面板按钮或笔记本电脑控制设备。电力系统自动化：系统自动化是通过使用计算机和智能I&C设备的自动化过程而自动控制电力系统的行为。这个过程依赖于数据采集，电力系统监视和控制协调、自动地工作。像操作人员发送命令一样，命令自动生成，并以同样的方式传送。 I&C System IEDs：使用微处理器制造的I&C 设备通常指的是智能电子设备。微处理器是单片机，利用其制造的设备能够像计算机一样处理数据、接受命令和通信。在IED中，可以运行自动过程，像计算机通信端口一样，通过串口处理通信。在变电站和杆顶都能发现IED的身影。电力系统自动化设备电力系统自动化包括很多设备。下面列出主要设备并进行简单描述。仪表（用）互感器：仪表（用）互感器用来检测电力系统电流和电压值。它们和电力系统设备连接在一起，把实际的电力系统信号，包括高电压，电流幅值，转换为小信号水平。变换器：变换器把仪表（用）互感器输出的模拟信号从一种幅值变换到另一种，或者从一种类型变换到另一种，如把交流电流信号转换位直流电压信号。 远程终端单元：如名称所示，远程终端设备，是安装在远端，操作起来像终端点控制现场触点一样的IED。特意安排的一对铜导线用来检测每个触点和变换器的值。这些导体引自电力系统设备，安装在电缆沟或架空电缆盘中，终端连与RTU的面板。RTU可以通过串口把采集到的数据传送给其它设备，并接收来自其它设备的数据和命令。用户可编程RTU指的是智能RTU。通信端口交换机：通信交换机是能按照要求在不同串行口之间转换的设备。远程用户通常用租用线路，或者电话拨号与变电站建立连接，并用端口交换机进行通信。一旦建立链接，用户可以通过端口交换机与连接的变电站IED进行通信。端口交换机只不过是IED通信的通道。仪表：仪表是用来对电力系统电流、电压和功率进行精确测量的IED。测量值（如需求量和峰值）可以保存在仪表中，用于创建电力系统运行的历史信息。数字故障记录仪：数字故障记录仪，是记录电力系统干扰信息的IED。当检测到电力系统出现情况时，它能以数字形式存储数据。谐波、频率和电压都是能被DRF捕捉到的例子。负载抽头开关转换器：负载抽头开关转换器是用来改变变压器抽头位置的装置。这些设备可以自动工作，或者受控于现场IED或者远程操作人员或过程。自动重合闸控制器：自动重合闸控制器远程控制自动重合闸装置和开关。这些设备监视、存储电力系统状况，决定进行控制操作的时机。它们也接收来自远程人员或过程的命令。 时间同步源：时间同步源是一种智能电子设备，用来产生日历时钟值，并传送给其它IED，使其时钟保持一致。协议网关：IED通过特定语言或协议进行串行通信连接。协议网关把一种通信协议转换为另一种。这个任务通常由PC机的软件完成。人机界面：变电站中作为系统数据和人员控制接口的前端显示面板或按钮或个人电脑。 可编程逻辑控制器：正如其名，PLC是可编程进行逻辑控制的IED。和RTU一样，每个触点和变换器都有一对专用的铜导线连到PLC的面板。熟悉PLC开发环境的人员可以对其进行编程，从传感器数据生成信息，执行自动控制。PLC可以通过串口，将采集到的数据传输给其它设备，也可以从其它设备接收数据和控制命令。保护继电器：保护继电器是一种用来检测电力系统扰动，自动执行I&C系统和电力系统中控制操作，保护人员和设备安全的智能电子设备。继电器拥有现场引出端，因此对应于每个触点的铜导线不必连接到RTU和PLC的终端面板上。由于继电器直接从仪表（用）变压器接收信号，也不必使用变换器。保护继电器产生测量信息，收集系统状态信息和存储电力系统操作的历史记录。通信处理机：通信处理机是变电站控制器，把其它许多I&C设备的功能整合到一台IED中。它具有多个通信端口，支持多种同步通信链接。通信处理机执行数据采集功能，控制其它变电站的IED，并把用于发送的采集数据集中到变电站内部和外部的一个或多个主机上。通信处理机集成了很多IED的特性，包括RTU， 通信交换机，协议网关，时间同步源和有限的PLC功能。通信处理机具有本地终端I/O， 当状态发生改变时，能够进行拨叫，让人员和处理机提高警惕。电力系统自动化电力系统集成：电力系统集成是在I&C系统中的IED和远程用户之间进行数据通信的操作。变电站集成指的是将局部和整个变电站的IED数据进行合成，对于变电站内所有I&C数据，只有一个单一联系点。杆顶设备通常通过无线或光纤连接与变电站进行通信。远程、本地变电站和馈线控制像单一联系点一样通过变电站控制器。一些系统用直接连接与RTU，保护继电器和控制器等杆顶设备进行旁路连接。电力系统自动化：电力系统自动化是通过I&C设备自动控制电力系统的行为。变电站自动化指的是使用IED数据、变电站内部的调节和自动控制能力和来自远程用户的控制命令去控制电力系统设备。由于真正的变电站自动化依赖于变电站集成，这两个术语通常互用。电力系统自动化涵盖电力生产和发送的各个环节。其中一些环节涉及电力传输和分配的各个级别，即电力输送自动化。对于变电站和杆顶电力输送系统的监控能减少断电的发生，缩短断电时间。IED、通信协议和前面描述的通信方法作为一个系统协同工作，实现电力系统自动化。电力输送自动化：尽管各个公共部门不同，但大多数认为电力输送自动化，配电变电站和馈电线路应包括：监控和数据采集操作员监视和控制，配电自动化故障定位，自动隔离，自动分段，自恢复供电，变电站自动化断路器故障（失灵），自动重合闸，电池监视，故障变电站转移和变电站负荷转移，能源管理系统潮流，无功和电压监控，发电控制，变压器和馈电线路负荷平衡，故障分析和设备维护。没有自动控制的系统仍然具有远程监视和操作员控制电力系统设备的优点，包括:远程监控断路器和自动开关远程监视非自动开关和熔丝远程监控电容组合远程监视和电压控制远程电力质量监控电力系统自动化特点前面描述的IED用来执行电力系统集成和自动化。很多设计要求一个IED扮演变电站控制器的角色，执行数据采集和控制其它IED的功能。变电站控制器也要求支持系统自动化任务。通信行业对设备使用术语客户/服务器，主设备或客户从其它设备得到数据，从设备或服务器向其它设备发送数据客户端/服务器动态地收发数据。数据集中器通过收集，集中来自其它设备的动态数据创建变电站数据库。在这种方式下，来自每个IED的重要数据子集通过一次数据转移发送给主设备。数据集中器数据库用于间接连接的IED之间的数据传输。变电站档案客户端/服务器从几个设备收集、存储数据。存档数据可以方便供用户检索。现在变电站的IED寿命差别很大。大多数IED仍然有用但是缺少最新的协议。通过特定波特率和协议与IED通信，通信处理机可以延长每个IED的可用时间。使用通信处理机进行变电站集成可以很容易地适应未来的IED。在变电站升级工程中，弃用所有现存的IED是很少见的。电力系统自动化对公共的益处电力传输的监视，远程控制和自动化的优点包括提高员工和公众安全，推迟购买新设备的花销。同时，运行和维护成本的降低得益于现存设备的使用，通过降低断电造成的损失优化电力系统性能，提高电压分布。信息的收集可以用于进行更好的计划和协调设计，日益增加的客户满意度源自改善的响应性、服务可靠性和供电质量的提高。Part 3 Computer Control TechnologyUnit 1A：Computer Structure and FunctionThe CPU reads and interprets the instructions, reads the data required by each instruction, executes the action required by the instruction, and stores the results back in memory. One of the action that is required of the CPU is to read data from or write data to an external device. This is carried out using the input/output system.CPU 读取并解释指令，读取每一条指令所需的数据，执行指令所需的动作并将结果存储回内存。CPU所必需的一个动作就是从外设读写数据。该动作由输入/输出系统来完成。The memory of computer consists of a set of sequentially numbered locations. Each location is a register in which binary information can be stored. The number of location is called its address. The lowest address is 0. The manufacturer defines a word length for the processor that is an integral number of locations long. In each word the bits can represent either data or instructions. For the Intel 8086/87 and Motorala MC68000 microprocessors, a word is 16 bits long, but each memory location has only 8 bits and thus two 8-bit location must be accessed to obtain each data word.计算机的内存由一组连续编号的单元构成。每一个单元都是一个存储二进制信息的寄存器。单元的编号称为其地址。最低的地址为0。制造商为处理器定义了字长，字长为单元长度的整数倍。每一个字中的位，既可以表示数据也可以表示指令。对于Intel 8086/87或者Motorala MC68000微处理器，一个字的长度为16位，但是每一个内存单元只有8位，因此， 为了得到一个字的数据必须访问两个8位的单元。In order to use the contents of memory, the processor must fetch the contents of the right location. To carry out a fetch, the processor place (enables) the binary-coded address of the desired location onto the address line of the external processor bus. The memory then allows the contents of the addressed memory location to be read by the processor. The process of fetching the contents of a memory location does not alter the contents of that location.为了使用内存的内容，处理器必须读取正确的存储单元的内容。为了完成一个取数操作，处理器将所需的单元的二进制编码的地址放（使能）在外部处理器的地址线上。接着，内存就允许处理器读取所给地址内存单元中的内容。取数操作不会影响存储单元中的内容。In a real instruction set there are many more instructions. There is also a much larger number of memory locations in which to store instructions and data. In order to increase the number of memory locations, the address fields and hence the instructions must be longer than 16 bits if we use the same approach. There are a number of way to increase the addressing range of the microprocessor without increasing the instruction length: variable instruction field, multiword instructions, multiple addressing mode, variable instruction length. We will not discuss them in detail.在实际的指令集中往往有更多的指令。也有更多数量的存储指令和数据的内存单元。如果我们使用原来的方法，为了增加内存的容量，地址段以及指令必须比16位更长。有各种方法在不增加指令长度的前提下增大微处理器的寻址范围。例如：变指令段、多字指令、多寻址方式、变指令长度等。我们对此不作详细讨论。The bus is the most important communication system in a computer system. Under control of the CPU, a data source device and data destination device are “enabled” onto (equivalent to being connected to ) the bus wires for a short transmission.总线是计算机系统中最重要的通信系统。CPU的控制下，数据源器件和数据目的地器件被“使能”（等价于将其连接）至总线用于短暂的传输。The internal processor bus described in Sec.XX is connected to the external processor bus by a set of bus buffers located on the microprocessor integrated circuit.XX节所描述的内部总线通过一组位于微处理器集成电路内的总线缓冲器与外部总线连接。Unit 2 B: The Application of ComputerComputer take over the job s which used to be exclusive for humans with special skill and knowledge, for example, controlling productive process, manipulating machines, inspecting products quality, managing production plans, administering inventory, etc., all on an automatic scale with high efficiency and accuracy. In NC(Numerical control) systems, PID control systems, servo control systems, group control systems, optimal control and adaptive control systems, computer as a central control unit take all relevant calculations involved in the automatic control process and schedule all other working units in the system. The CIMS (computer Integrated Manufacturing System) contains not only a production control system but also production planning and management systems aiming at the integration of factory automation (FA) and an office automation (OA), constituting a computer network for a whole company. The HIMS (Human Integrated Manufacturing System) is a form of high-level computer control. Virtual reality technology is used to create virtual space for human operators through the use of high-performance computer and specific software.计算机取代了过去是需要人的特殊技巧和知识的工作。例如，控制生产过程、操纵机器、检查产品质量、生产计划管理和库存管理等等，一切都是自动的且效率和精度都很高。在数控系统、PID控制系统、伺服系统、群控系统、最优和自适应控制系统中，计算机都是作为一个中心控制单元，进行与过程自动控制有关的各种运算并对系统中的其他单元进行调度。CIMS(计算机集成制造系统)不仅包含生产控制系统而且还包含了生产规划和管理系统，其目标是集成工厂自动化（FA）和办公自动化(OA)并为整个公司构成一个计算机网络。HIMS（人集成制造系统）是计算机控制的一种高层形式。虚拟现实技术通过使用高性能计算机以及特殊的软件来为操作员创立一个虚拟的空间。Virtually computer simulation is based on mathematical models representing the nature of the object under study or examination. The mathematical model comprises a series of equations that depict the inherent process of the object in mathematical terms. A computer simulation program includes algorithms that are derived from those equations. Many computer simulation system have been developed and proved to be cost-effective, because using computer simulation programs, engineers can accomplish iterative process each time by inputting different schemes and parameters into their computer models rather than building many different real model.虚拟的计算机仿真是建立在能够代表要研究或检查的对象的数学模型之上的。该数学模型包含了一组描述了对象内在过程的数学方程。一个计算机仿真程序包含了从以上方程推导出来的算法。许多的计算机仿真系统已经开发出来并且证明是性能价格比高的。之所以这样，是因为通过使用计算机仿真，工程师们可以反复地运行过程，每次输入不同的策略和参数（进入计算机模型）而无须构造真实的模型。The controller in a robot is mostly a computer from microprocessors to minicomputers. NC (Numeric Control) and SC( Servo Control) are widely used. They are re-programmable to produce sequences of instructions for all movements and actions to be taken by the robot, in accordance with the program. For example, a controller sends a series of pulses to a step motor in a joint of a robot arm to rotate it a certain angle exactly as program requires. When all joints driven in the same way, the robot arm reach the designed position and attitude, and it end effector performs its jobs as the controller instructs it. The accuracy of movement is determined by the controller itself.机器人中的控制器大多数情况下都是计算机，从微处理器到小型计算机。数字控制与伺服控制被广泛使用。他们都可以重复编程，以产生一系列的指令用于机器人的动作与行为。例如。控制器将系列脉冲送到机器人手臂关节的步进电机使其转动如程序所要求的角度。当所有的关节都用该方法驱动，机器人就可以达到所希望的位置和姿势。且终端执行机构就如控制器所指示的那样工作。动作的精度由控制器来决定。 CAD is software that can help engineering in their designs for new products building, print circuit boards, civil works like bridge and airports, relieving them from the tedious, back=breaking and time consuming jobs like drafting and drawing. When embarking on their design