变电站综合自动化系统的硬件原理

变电站综合自动化系统的硬件原理典型硬件结构硬件的数字核心部分变电站模拟量的输入输出原理开关量数字量脉冲量输入电路Page12.1变电站综合自动化系统的典型硬件结构Page1一、微机系统CPU——完成控制和运算功能。存储器——存储编好的程序和数据。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。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。Page12.2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Page1Page1二、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。Page1三、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。Page1Page1Page1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。Page1Page1四、基于DSP的测控单元Page1

数字信号处理器DSP(Digital

Signal

Processing)，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。第三节

模拟量的输入、输出原理Page13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。2.1

基于逐次逼近型A/D转换模拟量输入电路Page14模拟量输入通道由以下几部分组成：电压形成电路低通滤波电路采样保持器多路模拟开关模/数（A/D）转换器逐次逼近型A/D转换模拟量输入电路框图电压形成回路低通滤波采样保持多A/D总线来自互感器的信号变换.........路转器换电压形成回路低通滤波采样保持开关Page15（一）、电压形成电路模拟量输入电压变换原理图作用：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。Page16（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。Page17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.Page18(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。Page19采样频率的选择Page20本思想。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。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内处理完每一组采样值，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。采样定理：如果被采样信号中含有各种频率成分，其最高频率成分为fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，则采样频率fs必须不小于fmax的2倍(即fs＞=2fmax)，也就是说，为了使信号被采样后不失真还原，采样频率必须不小于2倍的输入信号的最高频率，这就是采样定理的基(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Page213、采样保持器（S/H）Page1采样保持器的作用保证转换时的误差在A/D转换器的量化误差内实现多个模拟量的同步采样Page234、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。Page1多路开关的作用和要求Page25图5.12多回路分时共用A/D、D/A转换器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)Page1A/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81/28=1/256101/210=1/1024121/212=1/4096141/214=1/16384Page27（2）精度：Page28①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%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～

35

μsAD1674A的转换时间为10μsMAX

125的转换时间为3.5～

13

μs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～＋5

V，0～＋10

V，0～＋20

V，②双极性：－2.5～＋2.5

V,－5～＋5

V,－10～＋10输出逻辑电平：多数为TTL电平，即0～＋5V工作温度范围：民用品为：0～＋70℃工业级为：－20

～＋85℃军用品为：－55～＋125℃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。Page29第四节变电站开关量输入输出电路消抖滤波信号调节光电隔离门驱动控制CPU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。总线信号输入地址译码图2-21开关量输入电路配置图Page30开关量输入/输出的抗干扰措施一、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；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路电流与地线错接而带来的干扰；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。Page31光电隔离继电器隔离(a)现场开关辅助触点输入电路(b)继电器触点输出三、简单的开关量输入/输出电路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。Page34Page352、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。Page36装置开关输出回路接线图Page37

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。Page38第5节 数字量的输入/输出Page39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。输入/输出信息的组成数字信息状态信息控制信息输入/输出的传送方式并行传送串行传送典型的数字量输入/输出接口电路Page40CPU对输入/输出的控制方式Page41同步传送方式（无条件程序传送方式）见图查询传送方式（条件程序传送方式）中断控制输入/输出方式直接存储器访问方式（DMA方式）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随时对它执行输入指令，就可以把状态读入，不必事先查询；作输出时，因为外设的速度比CPU慢，需加一个锁存器，将输出的数据保存一段时间，外设才能收到稳定的数据。见下页图。Page42

同步传递方式程序简单，硬件接口简单，但必须确保输入指令时，外设是准备好的；输出时，外设一定是空的，即CPU与外设传送数据时必须保证同步。当外设状态变化不规则，与CPU不同步时，就需要采用查询的输入方式。（2）查询传递方式ATEST输入状态信息N准备好？Y输入数据查询式输入程序流程图N输出数据查询式输出程序流程图p0准备输出数据AWAIT输入状态信息Ybusy？

查询方式传送数据，比无条件程序传送更容易实现数据的准确传送，缺点是CPU需要不断查询外设的状态，占用CPU太多时间，CPU真正用在传送数据的时间相对很少，

大部分时间都消耗在查询上。

为了提高CPU的工作效率，及时处理外设的请求，可采用中断传送方式。

中断方式即当CPU需要与外设交换数据时，若外设已准备好，则向CPU发出中断申请，CPU接到中断申请后，若没

有更重要的处理，就暂停当前程序，转去执行中断，执行完后返回继续执行原来的程序。

采取中断方式后，提高CPU效率，并可以与多个外设同时工作。（4）直接存储器访问方式采用中断传送方式时，当CPU与高速外设（如磁盘）在进行大批量数据传输时，会造成中断次数过于频繁，这样不仅传送速度上不去，而且耗费大量CPU时间。为此，采用直接存储器存取方式，使