第4章智能电子设备的基本原理

1、第四章智能电子设备的基本原理4.1 引言4.2 智能电子设备的结构和功能4.3 模拟量的采集与处理4.4 常用交流采样算法4.5 模拟量采样处理方法4.6 开关量采样与处理4.7 遥控通道与信息处理4.1引言 计算机技术、网络与通信技术、自动控制技术的发展。 分布在一定地域的自动化系统，普遍采用了分散分布式的结构。 配电网自动化系统：馈线自动化系统，变电站自动化系统、电力用户用电信息系统，均为分散分布式的结构。 完成现场层任务处理的装置，目前均为微机式的装置。这种装置统称为智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）。 定义：智能电子设备是由一个或多个微处理

2、器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。 配电网中的智能电子设备包括TTU、FTU、无功补偿装置、电子式电能表等，最主要的组成部分之一。 定义：智能电子设备是由一个或多个微处理器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。 配电网中的智能电子设备包括TTU、FTU、无功补偿装置、电子式电能表等，最主要的组成部分之一。 教学内容： IED的组成结构与基本工作原理。 掌握IED的组成原理、信息处理方法与设计实现方法。4.2 智能电子设备的结构和功能4.2.1 组成、结构4.2.2 主要功能 主要负责配电网电气参数、配电设备运行状态、配电网二次设

3、备（包括IED自身)的工作状态的数据采集与处理，对配电网实施调节控制，是配电网自动化系统的“耳目”和“手脚”。 具有数据通信的功能，与配电子站和主站通信，将采集、生成的实时信息上报，同时接收上位设备下达的控制和调节命令，对配电网实施控制调节。 具体功能1.数据采集（Data Acquisition） 2.调节控制（Regulation and Control） 3.数据加工处理（Data Processing） 4.数据通信（Data Communication） 5.人机交互接口（Man Machine Interface） 通信是为了与其它设备实现数据交换。功能： (1)通信接口配置 (2

4、)信息表(数据对象)配置 (3)命令接收与解帧处理 (4)组帧与响应帧发送 4.3模拟量的采集与处理 主要是完成配电网运行参数的采样，实现智能电子设备的遥测功能。 采用A/D转换器，将模拟量信号转换成CPU能识别的数字量。 为了给A/D转换器提供符合其输入规范的电压信号，用信号调理电路对输入信号进行变换。 采样方式：直流采样、交流采样两种。 （1）交流采样 直接对输入的交流电压、交流电流进行采样，CPU对A/D转换生成的数字量按照一定的算法进行计算，获得I、U、P、Q全部电气量信息。 （2）直流采样 非电气量采用直流量采样方法采样，传感器将非电气量变成直流信号，由直流模拟量采样通道进行采样。

5、4.3.1模拟量的采样原理1. A/D1. A/D转换的工作过程转换的工作过程（1 1）采样保持（）采样保持（Sample HolderSample Holder） 原理图原理图 波形图波形图 采样过程采样过程采样保持电路工作原理采样-保持电路工作原理 （2 2）量化与编码）量化与编码(a)只舍不入方式 (b)四舍五入方式 量化过程的近似方式 2. A/D2. A/D转换器（转换器（Analog to Digit ConverterAnalog to Digit Converter）（1 1）工作原理）工作原理 逐次逼近型模数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等

6、几部分组成。 逐次逼近型A/D（2 2）性能指标）性能指标 a a）分辩率分辩率 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。 分辩率通常用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，则转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05 V，输出八位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2-8 =20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2-12 1.22mV。 b b）精度）精度 精度是指转换结果对于实际值的准确度。 绝对精度和相对精度两种。 绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，

7、分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的最大偏差作为转换误差的指标。绝对精度通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示绝对精度，例如：1LSB。 相对精度：一般来说，相对精度采用相对误差来表示，为绝对误差与理想输入值之比的百分数。 IED量测领域，相对误差分为两个级别：S级和F级。所谓S级误差和相对误差概念一致，而F级误差为绝对误差与满量程值之比的百分数。 例如，1V电压值经过满量程为10V的A/D转换器转换后，测得输入值为0.99V，其S级误差=(1-0.99)/1=1%S，F级误差=(1-0.99)/10=0.1%F。F级误差也称为引用误差。 S级

8、误差：如果测量值在0值附近，由于分母太小，测量误差不容易标定，一般由测量标准指定一个最小的参考值作为分母。例如，A/D的满量程为10V，在测量小于等于0.5V的电压时，S级误差的理想输入值统一都用0.5V替代。 c）转换速率）转换速率 是指完成一次模拟量到数字量转换所需时间的倒数。 d d）量程）量程 A/D转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：05V, -5V+5V, 010V, -10V+10V。 （3 3）选型原则）选型原则 a a）遵循整体设计要求的原则）遵循整体设计要求的原则 b）较高性价比的原则）较高性价比的原则 c）接口方便的原则）接口方便的原则 3. 模拟多路开关（模拟多路开关

9、（Multiplexer） AD7506模拟多路开关工作原理框图 地址输入缓冲区及电平转换译码和驱动UDD(+15V)GNDUSS(-15V)OUT S1 S15 S16EN A3 A2 A1 A0 AD公司： AD7506 16路模拟开关,Ron 为300450欧,稳定时间700ns1000ns ton=1.5mS,toff=1 mS 速度较低. 快速：接通时间7nS,中速 00700nS, Ron=100280欧。 接通电阻和电压有关， CD4051 Ron为100280欧，当Vdd=5V，为280欧， 当Vdd 10时，Ron为100欧 常用芯片：CD4502 双4选一 AD 公司 AD

10、7502 双4选一 CD4051 AD7501 7503 八选一 CD4067 AD7506 16 选一4.采样定理 CPU只能处理离散的数字信号，而模拟量都是连续变化的物理量. 采样是将一个连续的时间信号函数x(t)变成离散信号x(t)的过程。 采样定理: 在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的34倍。 奈奎斯特定理是模拟量数据采集的理论基础。 4.3.2 IED和电力系统连接 电网中除低压配电网电压较低外，其余部分的电压

11、均为高电压。二次智能电子设备属于弱电设备，不可能直接接入高压电网。 高压 低压 IED二次设备一次设备 电压互感器TV（PT）/电流互感器TA（CT）1.电压互感器 一次侧的额定电压为高压电网的额定电压，二次侧的额定电压为100V或100/V。 （1）电压互感器的主要参数： 1) 额定一次电压额定一次电压Upn: 电压互感器性能基准的一次电压值。电压互感器的额定一次电压取电力系统的额定电压等级的线电压或相电压。 2) 额定二次电压额定二次电压Usn：电压互感器性能基准的二次电压值。电压互感器的二次侧电压为：100V(57.7)V 3)电压误差（比误差）电压误差（比误差）:互感器在测量电压时出现

12、的误差。它是由实际电压比不等于额定电压比而造成的。电压误差以百分数表示如下： 式中：Up-实际一次电压，US-实际二次电压，Kn-额定一次电压和二次电压之比。 4)准确级准确级：对电压互感器所给定的等级，互感器在规定的使用条件下的误差应在规定的限值内。100%nspVpK UUU(2) 电压互感器的接线(a)Y0/Y0形接线 (b)Y0/Y0/（开口三角形）形接线 (c)V/V形接线2.电流互感器（1）电流互感的主要参数 1) 额定一次电流Ipn 2) 二次额定电流Isn 3) 额定电流比Kn 4) 负荷： 二次回路所接的阻抗Zb,用欧姆和功率因数表示。 负荷可用视在功率和伏安值表示，它是在额

13、定电流和功率因数下所吸收的视在功率Sb。 5) 额定负荷：确定互感器准确级所用的负荷值。 6) 电流误差（比误差）：互感器在测量电流时所出现的误差，它是由于实际电流比与额定电流比不相等造成的。 式中，Kp-额定变比， IS-测量条件下通过一次电流Ip时的二次电流方根均值，A； Ip-实际一次电流方根均值，A。 100%p spIpK III6）相位差：一次电流与二次电流的相位之差。若二次电流相量超前一次电流相量时，取正值。相位差通常用min(分)或crad(厘弧度)表示。7）复合误差：在稳态条件下，一次电流瞬时值与二次电流瞬时值乘以Kn两者之差的方根均值。复合误差的百分值表示如下：2011()

14、100%npTcspKITiidt8）额定准确限值一次电流Ipal： 在稳态情况下，电流互感器能满足复合误差要求的最大一次电流值。9）准确限值系数(accuracy limit factor)：额定准确限值一次电流与额定一次电流之比。 Kalf=Ipal/Ipn 8、9参数仅适用于保护用互感器。（2）电流互感器的接线 (a) 两元件接线 三线制:电流互感器安装在A、C相上，每相二次侧2个绕组，分别为测量计量绕组和保护绕组。 (b) 三元件接线方式，A、B、C三相均接有二次侧为2个绕组的互感器分别测量计量绕组和保护绕组。两元件接线方式三元件接线方式(b)(a)4.3.3交流信号采样通道的构成交流

15、信号采样通道的组成 二次TV/TA互感器信号调理电路模拟多路开关采保与AD转换与CPU接口电路电网频率跟随与倍频电路将信号源提供的信号变换为模拟器件可以接受的信号 控制AD进行模数转换，读取A/D转换的结果，以及控制模拟多路开关进行通道切换 实现滤波、IV转换和信号统一化处理 主要完成模拟信号的量化，即模数转换。 4.3.5交流采样电路设计时需要注意的关键技术交流采样电路设计时需要注意的关键技术 （1）同时）同时采样采样 （2）对一个完整周期等间隔）对一个完整周期等间隔采样采样 测频问题。测频问题。 交流采样算法，要求将连续信号在一个周期内按照等间隔进行采样，实际工频交流量周期不是恒定值. 因

16、此为了保证，工频量计算的准确性，必须进行测频。 硬件测频，采用锁相环方式，软件测频跟踪周期量的过零点时刻。（3）时钟）时钟 微机、单片机的时钟为其时钟周期的整数倍。时钟周期T又称为状态周期，是时序中最小的时间单位。具体计算就是1/fosc。也就是说如果晶振为1MHz，那么时钟周期就为1uS；6MHz的话，就是1/6uS。 例如：机器时钟1MHz，测定的被测信号频率为49.4Hz, 每一周期采样20点。 每一次采样时间 1000000/49.4/20=1016.26uS 1016.26/1=1016.26个机器时钟周期 每一点采样取1016个机器时钟周期。按1016采样，每采4个点，少算0.26

17、*4=1.05 uS，按1016采样，每采20个点，慢0.2620=5.4个时钟周期。矫正方法为及时调整采样点的时间。采样时间10161016101610171016101610161017101610161017本次采样误差-0.26-0.26-0.26+0.74-0.26-0.26-0.26+0.74-0.26-0.260.74累计误差-0.26-0.52-0.78-0.04-0.30-0.56-0.82-0.08-0.34-0.60+0.14（4）交流交流采样的实时采样的实时性性（5）抗干扰问题抗干扰问题4.4常用交流采样算法4.4.1 一点采样算法一点采样算法 对采样没有定时要求，不需

18、要设置定时器也可以进行数据采集。其缺点是算法中没有滤波作用，且要求三相对称，当系统有高次谐波或三相不对称时会产生误差。 算法中要求输入同一时刻三相电流与电压，这对大型设备是不成问题的，但对一般的10KV线路则不具备这种条件。22213ABBCACUuuu22231CBAiiiIACCACBBCBAABiiuiiuiiuP91BCAABCCABiuiuiuQ331计算原理如下：2323222132221313 3sin()sin()sin()1()()()9( )abmbcmcamabbccaabcaababbcbccacaab cbc aca buUtuUtuUtUuuuIiiiPuiiuii

19、uiiQu iu iu i同理：4.4常用交流采样算法4.4.2 两点采样算法两点采样算法 两点采样值算法是利用一个周期内固定采样间隔的采样值求出信号有效值的方法。两点采样具有简单快速的优点，都能在半周期内完成采集，但是对输入信号要求严格，只适于输入为正弦信号或有预滤波装置的场合。 下面公式 两点相差22221uuU22221iiI221121iuiuP2222PUIPSQ2另一种两点采样算法，能计算出各种电气参数定义： t=t1时 当t=t2=t1+t时0mmuU sintiI sin(t)111111110mmuu (t )U sintii (t )I sin(t)222211111222

20、20110mmmmmmuu (t )U sin t U sin(tt) U sin(t )cos(t)cos(t )sin(t) u cos(t) U cos(t )sin(t)ii (t )I sin(t) i cos(t)I cos(t)sin(t)由原u1 i111110mmus i n (t)Uis i n (t)Icos(t1)和sin(t1)平方及cos(t1-?0)和sin(t1-?0)和得到：21221212212222mmuuc o sNU()us inNiic o sNI()is inN即可得到Um和Im010110110111221221222m mcoscos(tt )

21、 =cos(t)cos(t )sin(t)sin(t )u *iu *i(u *iu *i )cosN =U I sin ()N0m m P=U I cos101010101001cos(t)cos( t )cossin(t )sincos( t) cos( t )cos sin()=sin(t )得：0m m Q=U I sin() 取t =T/N, T为信号周期，N为周期等分数，则有t=2/N，代入u2 ，i2 2212221222211122211010NmNNmNmNNuu cos()Usin()mNNii cos()Isin()uu cos() U cos(t )sin()cos(t

22、 )ii cos()I cos(t)sin()cos(t)4.4.3 均方根算法均方根算法 均方根算法是用于监控系统的交流采样的一种良好的算法。其基本思想是根据周期连续函数的有效值定义，将连续函数离散化，可得出电压、电流有效值的表达式 该算法不仅对正弦波有效，当采样点较多时，可较准确的测量波形畸变的电气量，这是它的主要优点。当然为减少误差，采样点数N要较多，而这会使运算时间增加。NiiuNU121NiiiNI121NiiiiuNP01 2222PUIPSQ U，I有效值，P,Q 有功无功，S视在功率，小写字母u,I,p为瞬时值,N为一个周期采样点数。201( )TUut d tT201( )T

23、Iit dtT2211( )( )11NNkkkku tu tUtN tN21( )1NkkitIN001111 P= ( ) ( ) NTTkkkpdtuidtu t i tTTNP22()UIPQ33ABcppllSUIUIPPPP4.4.4 傅里叶算法傅里叶算法 傅里叶算法是利用连续一个周期的采样值求出信号幅值的方法。傅里叶变换算法计算电压、电流有效值的算法思想如下： 假设交流电气信号的离散表示如下：)kN2sin(2v(k)10)2sin()(2NKskNmkvNX10)2cos()(2NKckNmkvNX10)2sin()(2NKskNkvNX10)2cos()(2NKckNkvNX

24、22scXXX4.4.5 现代交流采样算法现代交流采样算法 半周波绝对值积分法的原理是一个正弦量x(t)在任意半个周期内绝对值的积分为一常数S。 所以在求得正弦波的半波面积S后，就可以利用下式计算正弦波的有效值或幅值：其中，N为每周波采样点数，TS为采样间隔时间，x(0)为K=0时的采样值，x(k)为第K次采样值， x(N/2)为K=N/2时的采样值。XtdtXdttxSTT22sin2)(202022SX 120NKkxTsS4.5模拟量采样处理方法 主要方法一般包括数字滤波、越限判别、标度转换等。4.5.1越限判别及越越限判别及越限呆滞区限呆滞区 告警上限：当模拟量变化超过此值时，进行告警

25、并记录。 告警下限：当模拟量变化低于此值时，进行告警并记录。 上复位限：低于告警上限的一个值，当值低于此值时，认为模拟量恢复正常。 下复位限：高于告警下限的一个值，当值高于此值时，认为模拟量恢复正常。x(t)xxa12bc3d4t0报警上限越上限复位线越下限复位线报警下限越限呆滞区4.5.2 零漂抑制与越死区发送零漂抑制与越死区发送零漂抑制零漂抑制 IED在数据采集过程中，有些测量点对应的一次设备实际处于停运状态，但是IED采集的电气量却并不为0，而是一个很小的数值。 当这样的小数字显示在监控画面上时，容易造成监控人员的视觉误差，误认为对应的一次设备处于投运状态。 产生这种现象的主要原因是模拟

26、量采集通道本身存在一定误差，而且在0值附近，采样误差往往还偏大。在电力系统自动化领域，通俗地将这种现象称之为“零漂”。越死区发送越死区发送 节约通信资源，减少带宽。 减少上传信息点个数，大幅减小报文帧大小，这样可以提高报文帧传送的成功率，节省上位系统报文帧数据处理时间。 变化量传输方法，就是设置一个测点参数变化死区阈值，当该测点参数的当前值和上次传输的变化量大于死区阈值时，就在本周期的上传报文中发送该测点参数，否则不传送。死区阈值大小根据实际情况决定，一般为测点量程的0.1%左右。4.5.3 数字滤波数字滤波 1. 非递归数字滤波非递归数字滤波 2. 递归数字滤波递归数字滤波 3. 基于量测值

27、变化趋势的中值滤波算法基于量测值变化趋势的中值滤波算法 4.5.4 标度转换标度转换 后台机接收的各种模拟量经过多个环节转换，将接收的量变换成实后台机接收的各种模拟量经过多个环节转换，将接收的量变换成实际的物理量，称为标度转换。际的物理量，称为标度转换。 例如：例如：10kV10kV馈线出口电流的测量用馈线出口电流的测量用300/5300/5互感器，互感器，IEDIED接入二次互感接入二次互感器将器将-55A-55A变为变为-3.633.63V-3.633.63V，经，经ADAD转换和计算，装置发送的值为转换和计算，装置发送的值为0204702047。实际值和输出之间关系为线性关系。实际值和输

28、出之间关系为线性关系。 计算接收到计算接收到16001600，实际值是多少？，实际值是多少？4.6开关量采样与处理 开关量： (1) 继电器触点提供（或合成）。 (2) 反映开关开合状态、设备特定工作状态。 如：断路器、刀闸的开合状态。 继电保护动作信息。 设备：运行、停运，正常、断线、故障。 模拟量越线。 其它：门禁，动物进入；压力超限，油温超限等。 在IED开关量采样通道中，采集继电器触点。 开关量：表示触点或虚拟触点的“开”与“关”的状态的量。在数字设备中开关量用“0”或“1”来表示开与关的状态。 忽混淆开关量和数字量数字量和模拟量 给IED装置提供的触点： 有源：有源触点通过电压反映设

29、备开关量信息。 无源：一个开关回路，开入IED装置时，无论反映的是“合”还是“分”，触点两端均无电位差。 断路器、隔离刀闸的信息，均是无源触点。 4.6.1 开关量采集通道的构成开关量采集通道的构成 信号转换、信号调理、光电隔离、与CPU接口电路组成 。1. 信号转换电路无源触点接入IED有源触点接入IED2.信号调理电路 （1）滤波：滤去高频分量。 （2）消抖 消抖电路用于消除开关量输入过程中的抖动现象。机械触点在分合过程中都存在一个抖动的过程，同时开关量输入通道受电磁干扰，导致开关量采集时经常发生瞬间多次连续变位的现象。3. 隔离电路 隔离部分实现强电回路和微处理器（或单片机的隔离）。 目

30、的：微处理部分抗干扰能力较弱，解决抗干扰能力。 外部电路，继电器触点容易氧化、锈蚀，提高电压解决外部触点问题。（1）信号继电器中继 （2）光电耦合中继 RS1开关量输入通道中信号继电器中继方式-220V K1RS2K2+220V UCK1-1K2-1计算机 外部无源开关R开关量输入通道中信号继电器中继方式-220V +220V UCGND2U01R1UCUDGND1S1外部无源开关 4.接口电路 开关量经过光隔后的信号，微处理器已可以直接访问。 开关量少，直接接到微处理器IO口。 一般，IED采集的开关量较多，对微控制器的IO不够，采用锁存器方式，对开关量进行分组访问，通过锁存器和总线对开关量

31、进行读取。 接口电路：开关量输入信号和微处理器之间的接口，有限IO口实现多路开关量的访问。 4.6.3 事件顺序记录 电力系统发生事故往往是系统性的，可能有好几个变电所、发电厂的保护装置或开关同时动作，为了便于对事故的分析，需要终端装置记录各种开关量的动作和动作时间。开关量事件记录，称为事件顺序记录。 格式：信号名称，时间，动作性质 主要技术指标：分辨率 站内与站间事件分辨率，即能区分各个开关动作的最小时间间隔。站内分辨率小于4ms（2ms），站间分辨率小于10ms。 装置中，形成事件序列队列，发送到后台。 不能丢失。 装置的时间：通过外部对时，内部守时。 IEEE 1588 以太网；GPS

32、B码对时。当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。4.6.4 开关量信号去抖动处理 继电器接点闭合时常会产生接点抖动，消除接点抖动和其它干扰噪声，可采用施密特触发器电路。 V1为反极性保护二极管，R1为泄露电阻，R2限流电阻，V2为门限二极管，起消除噪声作用.R3为光敏三极管的集电极电阻，R4、C1、D构成消抖电路。1） 开关变位的识别 编程时开关变位识别是开关量采集过程中，一项工作。 假设CPU 从八位锁存器得到开关状态。 1“合”，0“分”， 原开关状态：D7 D6

33、D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 1 0 现开关状态：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 1 0 1 对比：D4 1变0、 D2 0变1、D1 1变0，D0 0变14.6.5 开关量采集的算法 (1) 用原开关状态和现开关状态异或运算发现变位 0 0 0 1 0 1 1 1 (2) 变位位与原开关状态“与”, 发现由1 变0位 原开关状态： 1 0 0 1 1 0 1 0 变位开关状态：0 0 0 1 0 1 1 1 结果： 0 0 0 1 0 0 1 0 表示D4 、D1位，由 1变0。(3) 现状态与变位字节“与”发现由0变1位 现

34、开关状态： 1 0 0 0 1 1 0 1 变位开关状态：0 0 0 1 0 1 1 1 结果： 0 0 0 0 0 1 0 1 表示D2 、D0由0变1。 总结：现运行状态 原运行状态得到变位位。 变位位原状态, 结果是1的位,表示1变0。 变位位现状态，1 位是0变1。(3) 开关状态的检测 连续三次采样，三决二，A*B+B*C+C*A 例一个点，1 1 0 结果为1 YX变位，不仅需要正确测量状态，变位时间非常重要。在一次变位测试过程中，每一路YX应处于下列三个状态之一。 捕捉开关变位，变位消抖状态，变位确认状态。 第一个状态最重要。 (2) YX变位时间的确定 一个装置中，存在多组YX信号。一般按照定时方式扫查方式发现变位信号。对所有的YX信号轮循一周需要的时间称为扫描周期Ts。 确定开关变位时间有两种方法：立即计时法,终了计时法。 立即计时法: 在一个扫描周期中，当读取一组开关变位信号，发现变位时，以发现变位的时刻作为开关的变位时间。终了计时法，为每一个读取周期结束时，进行计算并发现变位。前者，最严重在Ts周