第二章变电站综合自动化系统的间隔层装置 2

第二章-变电站综合自动化系统的间隔层装置PAGEPAGE1第二章变电站综合自动化系统间隔层装置第一节间隔层装置简述一、间隔层装置配置间隔层装置在设计和配置方面，原则上与电气间隔之间存在密切关系。根据间隔层装置按电气间隔配置的原则和站内一次设备规模，可以方便地确定变电站综合自动化系统所需间隔层装置的数量。电气间隔是一个强电即一次接线系统的概念，通常把断路器或电气元件（如主变压器、母线等）作为电气间隔划分的依据。一个典型高压变电站内主要包括线路间隔、母联（分段）间隔、主变压器间隔、电容（电抗）间隔、站用变压器间隔、母线间隔等。其中，主变压器按其绕组涉及的电压等级可分为高、中、低压间隔和本体间隔。一般认为，间隔层装置是指按变电站内电气间隔配置，实现对相应电气间隔的测量、监视、控制、保护及其他一些辅助功能的自动化装置。间隔层装置直接采集和处理现场的原始数据，通过网络传送给站控级计算机，同时接收站控层发出的控制操作命令，经过有效性判断、闭锁检测和同步检测后，实现对装置的操作控制。间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作。间隔层装置通常安装在各继电器小室，测控装置按电气设备间隔配置，各测控装置相对独立，通过通信网互联。间隔层装置具有以下优点：按电气间隔配置的原则使得因间隔层装置故障产生的影响被限定在本间隔范围内，不会波及其他电气间隔；监控对象由整个变电站缩小为某个电气间隔，单个装置所需配备的I／O点数量较少，减小了装置体积的同时也使装置安装方式更加灵活；间隔层装置除具备传统的输入输出功能外，还集成了同期合闸、防误联锁等高级功能，保护测控综合装置更是把监控功能和微机保护功能合而为一，降低了装置成本。二、间隔层装置分类在分层分布式变电站综合自动化系统中，间隔层装置（或称为间隔层单元）,即前面所说的IED，大致可分成以下几类：保护测控综合装置。也可简称为保护测控装置，一般用于中低压（110Kv以下）系统中，例如输电线路保护测控装置、变压器后备保护测控装置、站用变压器保护测控装置、电容器保护测控装置、电抗器保护测控装置等等，它们主要用于完成相应的电气间隔中设备的保护、测量及断路器、隔离开关等的控制以及其它与其对应的电气间隔相关的任务，降低了装置成本并减少了二次电缆使用数量。对于110kV及以上电压等级的高压和超高压间隔，为避免可能受到的干扰，保证保护功能的可靠性，目前仍采用保护和测控功能各自独立配置的模式。所以又有以下（2）、（3）种类的间隔层装置。测控装置。测控装置是变电站自动化系统的必要组成部分，主要完成对某一间隔电气量（如电压、电流、温度、压力等）的测量、控制（包括断路器、隔离开关、接地开关、有载调压变压器分接头调节等）及其它与其对应的电气间隔相关的任务，它面向的对象主要是断路器或变压器本体等。保护装置。主要完成对某一间隔设备的保护保护任务，如输电线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装置、断路器保护装置、短引线保护装置等。公用间隔层装置。在变电站中有一些公共信号及其测量值，如直流系统故障信号、直流屏交流失压、所用电切换信号、所用电失压、控制电源故障、合闸电源故障、控制母线故障、合闸母线故障、通讯故障信号、通讯电源故障、火灾报警控制回路故障信号、火灾报警动作信号、保安报警信号等等，需要一个或几个公共间隔层装置来进行相关信息的采集和处理。对于这类公共间隔层装置，不同的厂家有着不同的配置，可以集中到一个或几个公共测控装置处理，也可分散到其他测控装置中完成。自动装置。如备用电源自动投入装置、电压无功控制装置等。（6）操作切换装置以及其他的智能设备和附属设备。测控装置和微机保护装置实现的功能虽然各不相同，但在输入／输出接口电路和CPU逻辑运算模块等硬件回路设计上存在很多共同点，两者的差异更多体现在软件层面。随着CPU运算能力和超大规模集成电路制造水平的不断提高，保护和测控功能相互融合是大势所趋，随着技术的进步，将来保护测控合一装置也会逐步在高压、超高压电气间隔得到应用。三、间隔层装置箱体如图2－1所示，保护与测控装置采用机箱式结构，每套装置由一个或几个箱体组成。在变电站综合自动化系统中，有的保护装置除了完成保护功能外，还具有其它功能。例如某10KV线路的保护装置具有：10KV线路的保护功能、重合闸功能、故障录波功能，此外还兼有遥测、遥信、遥控及用于切除本线路的低周减载等功能。图2－1保护装置或测控装置不同厂家箱体外观保护与测控装置机箱的正面称为面板，如图2－2(a)所示；面板上一般设置有：液晶显示器、信号灯、键盘、插座和信号复归按钮等。其中：液晶显示器可以用来显示装置的提示菜单、定值清单、事件报告、运行参数、开关状态等信息；信号灯用于运行监视以及发出装置动作、重合闸动作、告警等信号；键盘可以进行参数设定、控制操作、事件查询等操作；信号复归按钮用来复归程序、信号等；面板上的插座是一串行通信接口，用来外接计算机。外接的计算机可以代替本装置的人机对话插件直接同本装置箱体内的各计算机插件通信。机箱背面设有接线端子排。在装置机箱的背面，设有该装置机箱的接线端子排，用于装置机箱与外部的连接。在各装置的端子排上一般设有：交流输入端子、直流电源输入端子、网络接口、跳闸出口、合闸出口、遥信开入、信号输出等端子。图2－2（b）为保护装置的内部结构，装置的内部是由一个个印制电路板组成的,印制电路板上焊接有各种芯片及电子、电路元器件。为了便于调试、检修，在装置不带电的情况下，每个印制电路板一般可以插、拔，因此把每个印制电路板也称为一个插件。(a)面板（b）内部结构图2－2保护与测控装置的面板及内部结构为保证机械强度，提高电磁屏蔽能力和装置散热效果，保护、测控装置机箱一般都采用金属材质。由于铝合金具有重量轻、机械强度高、热传导效率高、成本低等优点，因此成为制造机箱的首选材料。机箱高度通常采用6U或4U（1U＝44.3mm）标准，机箱宽度由装置配置插件的数量多少来决定，一般有1/3、1/2及1/1全宽度（全宽度＝19英寸，即482．5mm）三种规格。机箱内部通常采用前部插拔组合结构设计，强、弱电回路彼此分开，其中弱电回路采用背板总线方式，各CPU插件通过母线背板总线进行连接和通信，而强电回路则直接从插件上引出至机箱外部。这样的设计不仅增强了硬件的可靠性和抗干扰性，而且提高了装置功能组合的灵活性。对于分散安装在开关柜面板上的中低压保护测控合一装置，考虑到一次设备现场运行环境较为恶劣，机箱设计应考虑进一步提高抗振、防尘、耐腐蚀及电磁屏蔽能力等方面的要求。四、间隔层装置典型硬件结构目前，出于可靠性、通用性、经济性和可维护性等诸多因素的考虑，我国厂商生产的间隔层装置（包括保护装置、测控装置等）一般采用模块化的结构设计，不同的产品由相同的功能组件按需要组合配置，这样可实现功能模块的标准化，装置内部各插件做成模块化，相互之间通过内部总线连接，实际应用中可以根据具体应用场合的需要增、减模块。同时软件功能也可灵活配置。图2－3是保护、测控装置典型硬件模件示意图。从图中可以看出保护、测控装置主要由主CPU模件（含通信接口模件）、模拟量输入模件、开关量输入模件、开关量输出模件、人机接口模件（MMI）、电源模件及机箱模件（图中以母板模件表示）组成。CPU模件是装置的核心部分，包含CPU系统、实时硬时钟系统和高速通信系统等；通信模件（COM）主要用于光纤通信及通信扩展，包含光纤收发接口、网络接口、IRIG-B码对时接入（GPS对时的一种同步方式）等；开关量输入/输出模件提供装置的开关量输入及输出，如跳合闸控制、动作及告警信号输出等功能，并起到电气隔离的作用；人机接口模件（MMI）采用内部通信方式与CPU模块进行数据交换，为用户提供对装置的本地操作接口，包括LCD显示屏、LED指示灯、操作按键以及RS232调试端口等；电源模件利用逆变原理将直流220V或110V输入转换为装置工作所需的直流电压，如＋24V、±12V、＋5V等。图2-3保护、测控装置典型硬件模件示意图目前，保护、测控装置基本上按模块化设计。不同的功能模块，其硬件结构基本上是大同小异，小异主要是指硬件模块化的组合与数量不同，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成，所不同的是软件，因为功能是靠软件来实现，不同的功能用不同的软件。一套保护、测控装置功能模块的典型硬件结构主要包括：模拟量输入/输出回路、微型机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源等。如图2－4所示。微处理器（CPU）微处理器（CPU）存储器WATCHDOG定时器人机交互接口打印机接口通用数字接口模拟量输入变换模/数变换放大驱动数/模变换调制解调器开关量输入信号处理开关量输出电路光电隔离并行接口本地操作人员模拟量输入/输出回路打印机人机对话回路至其他微机系统通信信息远传通信接口微型机系统来自TA、TV的电流、电压变电站测控对象开关量输入/输出回路开关量输入去执行元件220V接口硬件电源＋——＋5V＋15V＋0V—15V＋24V图2－4保护、测控装置典型硬件结构图（一）微型机系统是保护、测控装置硬件系统的数字核心部分，目前电力自动化装置市场上呈现是多种多样、各不相同，但它们具有一定的共性，一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog、外围支持电路、输入输出控制电路组成。主要完成数据采集及计算、数据处理、控制命令的接收与执行、逻辑闭锁、GPS对时、MMI接口通信等。1、CPU（中央处理器）CPU是微机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。当前应用于电力系统中的自动化装置所采用的CPU多种多样，其中16位CPU以80C196系列使用最为广泛。随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，新一代32位的CPU伴随着大规模/超大规模集成电路的广泛应用而被新一代自动化装置中普遍采用。这一类CPU品种较多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用较多的一类。另一方面，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用，自动化装置采用DSP来完成装置功能、实现装置功能算法已成为一种发展趋势，逐步应用于实际。2、存储器计算机利用存储器把程序和数据保存起来，使计算机可以在脱离人的干预下自动地工作，它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能。在自动化装置中，常见的存储器包括EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）、EEPROM（电擦除可编程只读存储器）、SRAM（静态随机存储器）、FLASH（快擦写存储器）以及NVRAM（非易失性随机存储器）等等。自动化装置运行程序和一些固定不变的数据通常保存在EPROM中，这是由于EPROM的可靠性较高，通常只有紫外线长时间照射才可以擦除保存在EPROM中的内容。由于EEPROM可以在运行时在线改写，而且掉电后又可以保证内容不丢失，因此在自动化装置中通常用来保存整定值。SRAM主要作用是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据。NVRAM和FLASH都是近几年来迅速发展的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，在自动化装置中通常将它们用来保存故障数据，以便事后分析事故用。还有一些新的自动化装置将FLASH替代EPROM作为保存运行程序和固定参数用。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展，半导体存储器的集成度成倍地提高，现在已有不少CPU将SRAM、FLASH、EPROM等集成在一起，一方面降低了CPU外围电路的复杂性，另一方面也加强了整个系统的抗干扰能力。3、定时器/计数器定时器/计数器在自动化装置中十分重要，除计时作用外，它还有两个主要用途：一是用来触发采样信号，引起中断采样；另一是在V/F变换式A/D中，定时器/计数器是把频率信号转换为数字信号的关键部件。4、Watchdog我们知道，电力自动化装置通常运行在强电磁干扰的环境中。当自动化装置受到干扰导致微机系统运行程序出轨后，装置可能陷入瘫痪。Watchdog的作用就是监视微机系统程序的运行情况，若自动化装置受到干扰而失控，则立即动作以使程序重新开始工作。Watchdog的工作原理如图2－5所示。图中可被清除的定时脉冲发生器通常由单触发器或计数器构成。若无CLR清除脉冲信号，则定时脉冲发生器按一定频率输出脉冲。通常将此输出脉冲引到微机系统的复位端。当程序正常运行时，不断发出CLR清除脉冲信号，使脉冲发生器没有输出。当运行程序受到干扰失控后，无法按时发出CLR清除脉冲信号，于是脉冲发生器产生输出，自动复位微机系统，使微机系统重新开始执行程序，进入正常运行轨道。定时脉冲定时脉冲发生器CLROUT图2－5Watchdog原理在微型计算机系统中，CPU微处理器执行放在EPROM中的程序，对由数据采集环节输入至RAM区的原始数据进行分析处理，以完成各种相应的功能。（二）、模拟量输入/输出回路来自变电站测控对象的电压、电流信号等是模拟量信号，即随时间连续变化的物理量。由于微机系统是一种数字电路设备，只能接受数字脉冲信号，识别数字量，所以就需要将这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字脉冲信号。同时，为了实现对变电站的监控，有时还需要输出模拟信号，去驱动模拟调节执行机构工作，这就需要模拟量输出回路。（三）、开关量输入/输出回路开关量输入/输出回路由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，主要用于人机接口、发跳闸信号等的告警信号以及闭锁信号等。（四）、人机对话接口回路人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。其中，界面设置的RS－232串口主要用于本装置调试过程中的参数配置文件下装、历史／实时信息数据读取及故障在线诊断等操作。（五）、通信回路保护与测控装置可分为多个子系统，如监控子系统、微机保护子系统、自动控制子系统等，各子系统之间需要通信，如微机重合闸装置动作跳闸，监控子系统需要知道，即子系统间自动化装置需要通信。同时，有些子系统的动作情况还要远传给调度（控制）中心。所以通信回路的功能主要是完成自动化装置间通信及信息远传。（六）、电源供电电源回路提供了整套保护与测控装置中功能模块所需要的直流稳压电源，一般是利用交流电源经整流后产生不同电压等级的直流，以保证整个装置的可靠供电。第二节模拟量的采集与处理变电站的模拟量主要有三种类型：①工频变化的交流电气量，如交流电压、交流电流等；②变化缓慢的直流电气量，如直流系统电压、电流等；③变化缓慢的非电气量，如温度等。这些模拟量都是随时间连续变化的物理量。由于CPU只能识别数字量，因此模拟量信号必须通过模拟量输入模件转换成相应的数字量信号后才能输入到CPU中进行处理。一、模拟量输入电路原理简述间隔层装置采集变电站测控对象的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都属于模拟量。模拟量的输入电路是自动化装置中很重要的电路，自动化装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。根据模数变换原理的不同，自动化装置中模拟量输入电路有两种方式，一是基于逐次逼近型A/D转换方式（ADC），是直接将模拟量转变为数字量的变换方式；二是利用电压/频率变换（VFC）原理进行模数变换方式，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形式。另外，计算机输出的信号是以数字的形式给出的，而有的执行元件要求提供模拟的电流或电压，故必须采用模拟量输出通道来实现。下面分别说明上述问题。二、基于逐次逼近式A/D变换的模拟量输入电路一个模拟量从测控对象的主回路到微机系统的内存，中间要经过多个转换环节和滤波环节。典型的模拟量输入电路的结构框图如图2－6所示。主要包括电压形成电路、低通滤波电路、采样保持、多路转换开关及A/D变换芯片五部分。下面分别叙述这些部分的工作原理及作用。图2－6逐次逼近式模拟量输入电路框图（一）电压形成电路自动化装置常从电流互感器（TA）和电压互感器（TV）取得信息，但这些互感器的二次侧电流或电压量不能适应模数变换器的输入范围要求，故需对它们进行变换。其典型原理图如图2－7所示。图2－7模拟量输入电压变换原理图（a）电压接口原理图（b）电流接口原理图一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧引来的电压进一步降低，将一次设备电流互感器二次侧引来的电流变成交流电压。再经低通滤波器及双向限幅电路将经中间变换器降低或转换后的电压变成后面环节中A/D转换芯片所允许的电压。一般模数转换芯片要求输入信号电压为±5V或±10V，由此可以决定上述各种中间变换器的变比。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电流互感器TA、电压互感器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。图2－7电路中的稳压管组成双向限幅，使后面环节的采样保持器、A/D变换芯片的输入电压限制在峰－峰值±10V（或±5V）以内。图2－8所示为典型的间隔层保护装置电压形成回路三相电流、三相电压、零序电流及线路抽取电压等的输入。Ux为重合闸中检无压、检同期元件用的线路侧电压输入。如重合闸不投或无同期问题时，该电压可以不接。图2－8典型的保护线路保护装置电压形成回路接线（二）低通滤波器与采样定理（1）连续时间信号的采样。大家知道，微机处理的都是数字信号，必须将随时间连续变化的模拟信号变成数字信号，为达到这一目的，首先要对模拟量进行采样。采样是将一个连续的时间信号x(t)变成离散的时间信号x’(t)，采样过程可用图2－9所示。图2－9采样过程示意图采样时间间隔由采样控制脉冲s(t)来控制，相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期，通常用Ts表示。采样仅是每隔Ts时间就取一次模拟信号的即时幅值，显然它在各个采样点上（0，Ts，2Ts，……）的幅值与输入的连续信号x(t)的幅值是相同的。在自动化装置中，对电压、电流量的采样是以等采样周期间隔来表示的。采样周期Ts的倒数就是采样频率fs。即（2－1）输入模拟信号x(t)经过理想采样变成x’(t)后可以用下式表示： （2－2）在自动化装置中，被采样的信号主要是工频50Hz信号，通常以工频每个周期的采样点数来间接定义采样周期Ts或采样频率。例如若工频每个周期采样点数为12次，则采样周期是Ts＝20/12＝5/3（ms），采样频率＝50×12＝600Hz。（2）采样定理。采样是否成功，主要表现在采样信号x’(t)能否真实的反映出原始的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。我们先观察图2－10所示的波形。设被采样的信号的频率为，其波形如图2－10（a）所示。对其进行采样，图2－10（b）是对每周采一点，即＝，采样后所看到的为一直流量（见虚线）；图2－10（c）中，当略大于时（这里＝1.5），采样后所看到的是一个差拍低频信号；又由图2－10（d）可见，当＝2时，采样所看到的是频率为的信号。不难想象，当>2，采样后所看到的信号更加真实地代表了输入信号。由此可见，当<2时，频率为的输入信号被采样之后，将被错误地认为是一低频信号，我们把这种现象称为“频率混叠”现象。显然，在≥2后，将不会出现频率混叠现象。因此，若要不丢掉信息地对输入信号进行采样，就必须满足≥2这一条件。若输入信号含有各种频率成分，其最高频率为，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，采样频率必须不小于2，即≥2，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，这就是乃奎斯特采样定理的基本思想。图2－10采样频率选择示意图举例来说，小电流接地系统检测装置，要采样的信号是5倍频的电流信号，即＝5×50＝250Hz，采样频率至少应选≥2×250Hz才能保证采样的5倍频电流信号不失真地还原。（3）低通滤波器的设置电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率成分，如果要对所有的高次谐波成分均不失真地采样，那么其采样频率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，目前大多数自动化装置原理都是反映工频分量的，或者是反映某种高次谐波（例如5次谐波分量），故可以在采样之前将最高信号频率分量限制在一定频带内，即限制输入信号的最高频率，以降低采样频率，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真。要限制输入信号的最高频率，只需要在采样前用一个模拟低通滤波器（ALF），将/2以上的频率分量滤去即可。模拟低通滤波器可以做成无源或者有源的。图2－7示意的是常用的RC低通滤波器，滤波器的阶数则根据具体的要求来确定。模拟低通滤波器的幅频特性的最大截止频率，必须根据采样频率的取值来确定。例如，当采样频率是1000Hz时即交流工频50Hz每周期采20个点，则要求模拟低通滤波器必须滤除输入信号大于500Hz的高频分量；而采样频率是600Hz时，则要求必须滤除输入信号大于300Hz的高频分量。（三）采样保持器连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上，把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要求准确地保持一段时间，供模数转换器A/D使用。对于采用逐次比较式模数转换器A/D的数据采集系统，因模数转换器A/D的工作需要一定的转换时间，因此，需要使用采样保持器。（四）模拟量多路转换开关（MPX）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”，即其输入是多路待转换的模拟量，每次只选通一路，输出只有一个公共端接至A/D转换器。下面以常用的16路多路转换开关芯片AD7506为例，说明多路转换开关的工作过程。AD7506的内部结构示于图2－11，其引脚的功能分述如下：A0、A1、A2、A3：通道数选择，由CPU赋值，赋于不同的二进制码可选通16路中对应电子开关SA，当某一路被选中，此路的SA闭合，将此路输入接通到输出端。…………：输入端共16路，可以接入16个输入量。:输出端。：使能端，只有当为高电位时，AD7506才能工作。图2－11多路转换开关芯片AD7506内部结构各引脚的配合见表2－1，其中，“×”表示取任意值。表2－1AD7506内部结构图A0A1A2A3选通通道选中开关输出100000SA0＝100011SA1＝┇┇┇┇┇1111115SA15＝0××××禁示无无输出从功能表可看出，当CPU按顺序赋于不同的二进制地址，多路转换开关通过译码电路选通相应的地址时，就将相应路径接通，使输出电压等于相应路径的输入量。在实际中，采用的多路开关有双四选一模拟开关，如美国RCA公司的CD4052、AD公司的AD7052；有八选一多路开关，如CD4051、AD7051、AD7053等；有16路选一路开关如CD4067和AD7506等。目前已有不少贴片的多路模拟开关芯片，体积很小，用于变电站自动化系统可使装置的体积减小，尤其适合分散式的单元模块。（五）模/数变换（A/D）微机型系统只能对数字量进行运算或逻辑判断，而电力系统中的电流、电压等信号均为模拟量。因此，必须用模数变换器（ADC）将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便微机系统或数字系统进行处理、存储、控制和显示。由于应用特点和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D变换器。A/D变换器主要有以下几种类型：逐次逼近型、积分型、计数型、并行比较型等。在选用A/D变换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素而决定选用哪种类型。（1）模数变换器（ADC）的工作原理在微机监控和微机保护中最常用的是逐次逼近型原理实现的，其原理框图如图2－12所示。它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。它的实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到的电压UC与待转换的模拟电压UX进行比较。比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”，其工作过程如下。图2－12逐次逼近型A/D转换器工作原理（a）原理框图（b）逐次逼近过程在进行转换时，先将SAR寄存器各位清零。转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余各位为“0”，此试探值经D/A转换成电压UC，然后将UC与模拟输入电压UX比较。如果UX≥UC，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果UX<UC，说明SAR该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。过程结束后，状态线EOC改变状态，表明已完成一次转换。最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容就是与输入模拟量UX相对应的二进制数字量。显然A/D转换器的位数N决定于SAR的位数和D/A的位数。图2－12（b）表示四位A/D转换器的逐次逼近过程。转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A的位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换所需的时间也越长。逐次逼近A/D转换器的主要特点是：①转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。②转换速度较快，一般在1～100μs以内。分辨率可以达18位，特别适用于工业系统。③抗干扰能力相对积分型的差。例如，对模拟信号采样过程中，若在采样时刻有一个干扰脉冲叠加在模拟信号上，则采样时，包括干扰信号在内，都被采样和转换为数字量，这就会造成较大的误差，所以有必要采取适当的滤波措施。（2）A/D转换器的主要技术性能指标：分辨率：分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。例如，8位A/D转换器能对模拟量输入满量程的1/28＝1/256的增量做出反映。N位A/D能反映1/2n满量程的模拟量输入电压。由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地用数字量的位数来表示分辨率，即N位二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。表2－2列出了几种位数与分辨率的关系。表2－2位数与分辨率的关系位数分辨率（分数）41/24=1/1681/28=1/256101/210=1/1024121/212=1/4096161/216=1/655362）精度：精度有绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）两种表示方法。绝对精度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、、等。绝对误差包括量化误差和其他所有误差；相对精度是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。例如：满量程为10V的10位A/D芯片，若其绝对精度为，则其最小有效位的量化单位ΔE＝9.77mV，其绝对精度为＝4.88mV，其相对精度为。值得注意的是，分辨率与精度是两个不同的概念，不要把两者混淆。精度是指转换或所得结果对于实际值的准确度，而分辨率是指能对转换结果产生影响的最小输入量。即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度等原因而使精度不够高。3）电源灵敏度。电源灵敏度是指A/D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％时相当的模拟量变化的百分数来表示。4）转换时间。转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结果信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如AD574的转换时间为25，其转换速率为40kHz。5）输出逻辑电平。多数A/D转换器的输出逻辑电平为5V，与TTL电平兼容，因为CPU数据通信总线的电平就是5V。故在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。6）工作温度范围。由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D转换器的工作温度范围为0～70℃，军用品的工作温度范围为－55～＋125℃。7）量程。量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分单极性、双极性两种类型。例如，单极性量程为0～＋5V、0～＋10V、0～＋20V；双极性量程为－2.5～＋2.5V、－5～＋5V、－10～＋10V。目前，常用的A/D转换芯片为AD574，是快速12为逐次比较型A/D转换器，由美国模拟器件公司生产，28脚双列直插式标准封装，其内部包括快速12位D/A转换器、高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路及三态输出数据锁存器等。一次转换时间为25，工作电源为±15V和＋5V。三、基于V/F转换的模拟量输入回路通过了解逐次逼近式A/D变换原理可知，这种A/D变换过程中，CPU要使采样保持、多路转换开关及A/D变换器三个芯片之间协调好，因此接口电路复杂。而且ADC芯片结构较复杂，成本高。目前，许多微机应用系统采用电压—频率变换技术进行A/D变换。（一）VFC型A/D变换简述电压—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，使CPU读入，其原理图如2－13所示。图2－13VFC型A/D变换原理框图图中VFC可采用AD654芯片，计数器可采用8031或内部计数器，也可采用可编程的集成电路计数器8253。CPU每隔一个采用间隔时间TS，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。VFC型的A/D变换方式及与CPU的接口，要比ADC型变换方式简单得多，CPU几乎不需对VFC芯片进行控制。装置采用VFC型的A/D变换，建立了一种新的变换方式，为微机系统带来很多好处，其优点可归纳如下：

1）工作稳定，线性好，电路简单。2）抗干扰能力强，VFC是数字脉冲式电路，因此它不受脉冲和随机高频噪音干扰。可以方便地在VFC输出和计数器输入端之间接入光隔元件。3）与CPU接口简单，VFC的工作不需要CPU控制。4）可以方便地实现多CPU共享一套VFC变换。（二）典型的VFC芯片AD654的结构及工作原理（1）VFC芯片AD654的结构。AD654芯片是一个单片VFC变换芯片，中心频率为50Hz。它是由阻抗变换器A、压控振荡器和驱动输出级回路构成，其内部结构如图2－14（a）所示。压控振荡器是一种由外加电压控制振荡频率的电子振荡器件，芯片只需外接一个简单RC网络，经阻抗变换器A变换输入阻抗可达到50MΩ。振荡脉冲经驱动级输出可带12个TTL负载或光电耦合器件。要求光隔器具有高速光隔性能。图2－14AD654芯片结构及电路图（a）结构图（b）工作电路图（2）AD654的工作电路。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，见图2－14（b）。由于AD654芯片只能转换单极性信号，所以对于交流电压的信号输入，必须有个负的偏置电压，它在3端输入。此偏置电压为－5V，其压控振荡频率与网络电阻的关系如下式（2－3）式中为输入电压，CT为外接振荡电容。可见输出频率与输入电压呈线性关系。RP1用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输出频率为250kHz，从而使交流电压的测量范围控制在±5V的峰值内，这也叫零漂调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器RP2来调整。R1和C1设计为浪涌吸收回路，不是低通滤波器。VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系见图2－15。通常整套微机装置的调整只有RP1和RP2可调，并在出厂时都已调好，一般可以不加调整，需要调整时也只要稍做一些微调即可。图2－15VFC变换关系图（3）VFC的工作原理。当输入电压＝0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2－16（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2－16（b）。由于VFC的工作频率远远高于工频50Hz，因此就某一瞬间而言，交流信号频率几乎不变，所以VFC在这一瞬间变换输出的波形是一连串频率不变的数字脉冲波，可见VFC的功能是将输入电压变换成一连串重复频率正比于输入电压的等幅脉冲波。而且，VFC芯片的中心频率越高，其转换的精度也就越高。在新型的自动装置中采用VFC110芯片，该芯片的中心频率为2MHz，是AD654的8倍，因此变换精度及保护的精工电流都有了较大提高。图2－16VFC工作原理和计数采样（a）＝0；（b）为交变信号（4）采样计数计数器对VFC输出的数字脉冲计数值是脉冲计数的累计值，如CPU每隔一个采样间隔时间TS读取计数器的计数值，并计作…Rk－1、Rk、Rk＋1、…，则在tK－NTS至tK的这一段时间内计数器计到的脉冲数为Dk＝Rk－R（k－N），如图2－16（b）所示。如果每个脉冲数对应的电压值（伏）为Kb系数，则输入电压可用下式表示＝（Dk－D0）×Kb（2－4）式中D0为250kHz中心频率对应的脉冲常数[见图2－15和图2－16（a）]。增大N值可提高分辨率和精度，但也增加了采样时间。数据采集系统可以根据要求，用软件自动改变N值，以兼顾速度和精度。在自动化装置的定值整定清单中，式（2－4）中的Kb常用UP表示电压比例系数，用IP表示电流比例系数。这些系数是厂家给定并已调整好的，用户不比整定调整。值得注意的是，式（2－4）表示的是在tk－2TS～tk极短时间内的瞬时值，并不是有效值。如果要计算有效值还必须对该交变信号连续采样，然后由软件按一定算法计算。（三）逐次逼近式和电压—频率变换式两种数据采集系统的特点分析以上我们介绍了两种数据采集系统的构成及工作原理，通过分析我们可以看出两者都具有各自的工作特点，在使用时，应根据需要加以选择。两种数据采集系统的特点，主要体现在以下几个方面：（1）逐次逼近式数据采集系统的模数转换数字量对应于模拟输入电压信号的瞬时采样值，可直接将此数字量用于数字算法；而电压—频率变换式数据采集系统在每一个采样时刻读出的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间隔的计数器读值之差后才能用于各种算法，且此计数器读值之差对应于在一定时间期内模拟输入电信号的积分值。对于要求动作速度较快的微机型装置应采用逐次逼近式数据采集系统。（2）逐次逼近式数据采集系统，一旦转换芯片选定后，其输出数字量的位数不可变化即分辨率不能再改变。而对于电压—频率变换式VFC数据采集系统则可以通过增大计算脉冲时间间隔来提高其转换精度或分辨率。（3）对于逐次逼近式数据采集系统，对芯片的转换时间有严格的要求，必须满足在一个采样时间间隔内，快速完成数据采集，以留给微型机时间去执行软件程序。而对电压—频率变换式VFC数据采集系统则不存在转换速度的问题，它是利用输入计数器的脉冲的计数值来获取模拟输入信号在某一时间内的积分值对应的数字量。在使用时应注意到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率。（4）逐次逼近式数据采集系统中需要由定时器按规定的采样时刻，定时给采样保持芯片发出采样和保持的脉冲信号，而电压—频率变换式数据采集系统则只需按采样时刻读出计数器的数值。四、模拟量数据的前置处理计算机采集的模拟量种类繁多，通过A/D转换器变换成数字量后送计算机。经过A/D转换读入的数据，以不同的通道号代表不同的物理量，存入指定的存储单元。上述数据还要进行一系列简单处理（即前置处理），然后存入数据库保存。数据前置处理流程如图2－17所示。图2－17数据前置处理流程1．标度变换进入A/D的信号一般是电平信号，但其意义却有所不同、例如同样是5V电压，可以代表90°变压器温度，也可以代表500A电流或110kV电压等。因此，经A/D转换后的同一数字量所代表的物理意义是很不相同的。所以要由计算机乘上不同的系数进行标度变换，把它们恢复到原来的量值。2．数据的有效性检验其目的是判断采入的数据是否有明显的出错或为干扰信号等。可根据物理量的特性来判断；例如：（1）变化缓慢的参数，可用同一参数前、后周期的变化量来判断。如后一周期内的量变化超过一定范围，与规律不符，则可认为该数据是不可信的“坏”数据。（2）利用相关参数间的关系互相校核。例如励磁电压与励磁电流之间有较强的相关性，可以互相校核。当励磁电压升高时，励磁电流必定按一定关系上升，不符合这种情况的数据是不可信的。（3）对于一些重要参数，可以用两个测点或在同一测点上装两台变送器，用它们之间的差值进行校核。差值超过一定数值的数据是不可信的。对于可疑数据，需进一步判别。（4）限制判断。各种数据，当超过其可能最大变化范围时，该数据为不可信的。可见，根据量值的类型，选择合适的判断方法，达到可信目的，是数据有效性检验的任务。3．线性化处理有的变送器的输出信号与被测参数之间可能呈非线性关系，为了提高测量精度，可采取线性拟合措施，以消除传感器或转换过程引起的非线性误差。4．数字滤波输入的信号中常混杂有各种频率的干扰信号。因此，在采集的输入端通常加入RC低通滤波器，用于抑制某些干扰信号。RC滤波器易实现对高频干扰信号的抑制，但欲抑制低频干扰信号（如频率为0.01Hz的干扰信号）要求C值太大，不易实现。而数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进行滤波，弥补了RC滤波器不足。数字滤波就是在计算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据进行数学处理，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这是一种软件方法，对滤波算法的选择、滤波系数的调整都有极大的灵活性，因此在模拟量的处理上广泛采用。五．模拟量数据处理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：1）数据合理性检查。数据合理性检查是剔除个别明显不合理数据的最简单的方法，可以保证后续数据处理的有效性。进行合理性检查的依据是客观事物相互之间的联系规律，有可能是较复杂的函数关系，也有可能只是简单的数学或逻辑关系。例如，某台500kV主变压器额定容量为500MVA，但遥测值却显示主变压器220kV侧输出有功功率为5000MW，显然该遥测值是错误的。数据合理性检查主要是通过软件对每个模拟量信号预先设置有效值范围或与其他信号或定值的函数关系，如果采样值超出有效值范围或与事先设定的函数关系不匹配，那么该遥测值就会被作为无效数据而剔除。2）零漂抑制及越阈值传送。用于抑制零点附近因测量不准确引起的数值波动，以减少CPU的计算量及总线和通道数据传输量。正常情况下，输入测控装置的大多数遥测量随时间的变动不大，如母线电压及恒定负载等。重复传送这些变动极小的遥测量不仅意义不大，而且加重了两端测控装置和主机以及通讯信道的负担。为了提高效率，降低装置运算负荷，压缩需传送的数据量，可为遥测量设置一个阈值。当遥测量的变动未超过规定值时就不再予以发送。例如，某线路电流遥测量现值为1000A，其阈值规定为2A，5s后测得该遥测量为999A，则测控装置仍将该遥测量视为1000A，而不向主机发送该遥测刷新数据，主机仍以原有值1000A作为该遥测量值。此后，如测得该遥测量为997A，由于1000－997＞2，测控装置就将该遥测量数据更新为997，发送给主机，并应以新数据997为判断的新标杆值；如测得该遥测量为996A，由于997－996＜2，因此数据不刷新、不上送。在实际参数配置文件中阈值大都以额定值的百分比来表示，阈值也被称为“压缩因子”，因为采用遥测量越阈值传送可有效压缩正常情况下的数据传输量，降低装置、主机和通道负荷。3）越限判断。电力系统的各种运行参数有些因受约束条件的限制不能超过一定的限值。例如受到静态稳定极限的约束，规定某线路的传输功率不能大于某一限值；又如母线电压不允许太高和太低，规定了运行电压的上限值和下限值。这些被设置了限值的运行参数如超越限值，测控装置会马上告警，并记录越限发生时间的时标和数值。当遥测量重新恢复正常时也会记录恢复的时间和数值。4）越限死区值设定。如果运行参数由于某些原因在限值附近来回波动，就会出现越限和复限事件交替产生，频繁告警，这会困扰值班人员。为了缓解这种情况，可设置“越限死区值”，当运行参数超过上限，则判为越上限，可发出越限告警信号；只有当运行参数回落到“死区”以下时，才判为复限。越限死区值是一个重要的参数，合理设定该参数不仅可消除某些运行参数在限值附近波动时频繁告警对值班人员的困扰，而且可有效减少CPU的计算量及总线和通道数据传输量。死区值的大小可根据各遥测量的具体情况而定。第三节开关量的输入与输出在数据采集系统中，除模拟信号外，还有大量的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，某些数值的限内或越限、断路器的触点以及人机联系的功能键的状态等。开关量输入电路的基本功能就是将测控对象需要的状态信号引入微机系统，如输电线路断路器状态等。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光字牌、报警信号等。一．开关量分类开关量输入亦称为状态量输入或数字量输入，其基本原理是将来自被监控对象的各种无源触点信号经过光电耦合电路隔离后变为二进制信号。测控装置采集的开关量信息主要分为以下四种：1、单位置信号。主要指被监控对象产生的一些告警信号，如弹簧未储能、断路器SF6泄露、变压器瓦斯告警、保护装置和自动装置的动作或告警信号、交直流屏的告警信号等。2、双位置信号。双位置遥信就是一个遥信量由两个相反的状态信号表示，一个来自动合触点，另一个来自动断触点，因此双触点遥信需要用两位二进制代码来表示。“10”和“01”为有效代码，分别表示合位和分位；“11”和“00”为无效代码。采用2位比特的双位置信号比采用1位比特的单位置信号多1倍的信息量，增加了信号码元的抗干扰能力，提高了状态信号传输过程中的可靠性，可有效避免单位置信号可能引发的状态信号误判断，从而减少遥信误发概率。目前高压／超高压电气间隔的断路器、隔离开关、接地开关的位置信号均采用双位置触点采集，而在中低压系统中出于成本考虑，除了断路器仍采用双位置信号外，隔离开关和接地开关可采用单位置信号，以节省测控装置须配备的开入点数量。3、编码信号。该类信号在变电站使用较少，一般仅用于变压器或消弧线圈挡位信号的采集。挡位信息多采用BCD编码方式。其中，每位BCD码用4位二进制信号表示。变压器挡位一般不会超过19挡，用5个二进制位即可准确表示挡位数，占用5个开入量，例如6挡、12挡、18挡用BCD编码表示分别为00110、10010、11000。采用编码输入方式，可有效节省采集挡位信号所需开入点数量，缺点是需进行解码。4、脉冲量输入。脉冲量输入一般采集统计电能量，用于接收脉冲式电能表的脉冲输出，并累加后上送至变电站综自的站控层。就测控装置而言，脉冲量输入与信号量输入的原理完全相同，因此很多型号测控装置并没有将信号输入和脉冲量输入做物理上的区分，只需通过参数组态软件把开入量属性改为脉冲量即可。由于存在脉冲易丢失，且丢失后须人工置数校正等诸多缺陷，脉冲量输入方式和脉冲式电能表基本被淘汰，取而代之的是智能型电能表，通过RS－485串行通信方式读取电度量。脉冲信号的特殊应用是脉冲校时。校时方式是广播对时＋分脉冲（秒脉冲）校准，测控装置的CPU模块配有脉冲校时接口，脉冲的上升沿使CPU时钟在毫秒级归零。二．开关量输入电路配置图图2—18开关量输入电路配置图由图1—18可知，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。开关量输出电路与输出电路基本一样。开关量信号都是成组并行输入（出）微型机系统，每组一般为微型机系统的字节，即8、16或32位，对于断路器、隔离开关等开关量的状态，体现在开关量信号的每一位上，如断路器的分、合两种工作状态，可用0、1表示。下面我们介绍开关量输入及输出电路的几个主要问题。1）滤波消抖电路与信号调节电路当开关量作为输入信号，因长线及空间产生干扰信号时，可能会使状态发生错误。为此，需增加滤波消除噪声，图2—19（a）是电路之一。图2—19（b）、（c）为未采用滤波及采用滤波后的输入输出波形，在加入了滤波电路及施密特触发器后，输出消除了干扰信号。图2—19消抖电路说明消噪声电路；（b）未采用消噪电路的输出波形，（c）采用消噪电路的输出波形2）光电隔离技术的应用现场开关量与逻辑电路之间要采用电隔离技术。主要是因为：①使低压输入电路与大功率的电源隔离；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的错接而带来的干扰；④多个输入电路之间的隔离。常用方法有以下两种：（1）光电隔离最常用的是利用光电耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件时，其简单接线原理图如图2—20所示。当有输入信号时，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，于是输出端U0表现一定电位。在光电耦合器件中，信息的传递介质为光，但输入和输出都是电信号，由于信息的传递和转换的过程都是在密闭环境下进行，没有电的直接联系，它不受电磁信号干扰，所以隔离效果比较好。图2—20光电耦合器原理接线图（a）输出为高电平（b）输出为低电平（2）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，其原理接线图如图2—21所示（示出两路）。图2—21采用继电器隔离的开关原理接线图（a）现场开关辅助触点输入电路（b）继电器触点输出利用现场断路器或隔离开关的辅助触点S1、S2接通，去启动小信号继电器K1、K2，然后由K1、K2的触点K1-1、K2-1等输入至微机系统，这样做可起到很好的隔离作用。输入至微机系统的继电器触点，可采用与微机系统输入接口板配合的弱电电源UC。3）、驱动控制与端口地址译码问题微处理器在进行系统扩展时，为了正确地进行数据的I/O传送，必须解决总线的隔离和驱动问题。通常总线上连接着多个数据源设备（向总线输入数据）和多个数据负载设备（向总线输出设备）。但是，在任一时刻只能进行一个源和一个负载之间的数据传送，此时要求所有其他设备在电性能上与总线隔离，这就是总线隔离问题。此外，由于微处理器功率有限，故每个I/O引脚的驱动能力亦有限。因此，为了驱动负载，往往采用缓冲器/驱动器。多数的CPU的I/O指令可以用16位有效地址AB0~AB15，可寻址0~65535个地址单元，简称64KB的地址范围，例如MCS—51系列和MCS—96系列单片机都采用16位多路复用地址总线。但IBMPC系列机的输入/输出指令只用AB0~AB9十位地址来表示输入/输出空间，因此其输入/输出端口地址仅为0~1023，即1KB，其中前512个地址（000~1FFH）被主板上的输入/输出接口使用，其余000~3FFH可以为插在插槽中的输入/输出通道使用，其中又有部分被通用外部设备占用，例如并行打印机、彩色显示适配器都需占用输入/输出端口。若用户需要扩展专用的输入/输出通道，应从尚未使用的端口地址中选择。为减少信息传输线的数目，大多数微机系统中信息输出均采用总线形式，即凡要传输的同类信息都走同一组传输线，且信息是分时传送的。在微机系统中一般有三组总线，即数据总线、地址总线和控制总线。为防止信息相互干扰，凡挂在总线上的寄存器或存储器等，它的输出端不仅能呈现0、1两个信息状态，而且还应能呈现第三种状态——高阻抗状态（又称高阻状态），即此时好像它们的输出被开关断开，对总线状态不起作用，此时总线可由其他器件占用。另外，微机输出的数据在系统总线上只能存在很短的时间，接口电路必须及时将数据接收并保持，因此常用锁存器。所谓锁存器，就是具有记忆功能的置位/复位触发器。上述的缓冲器，仅在控制端为低电平时，输出与输入同相位，但无记忆功能。锁存器的本质是一种触发器，具有记忆功能，一经触发就将输入信号锁存输出端，输入端信号再发生变化不影响输出端状态。锁存器主要应用于CPU数据输出接口。CPU输出数据线性在总线上存在时间极短，外设工作速度很慢，接口电路中的锁存器必须及时将数据记忆保存，然后再送往外设。常用的锁存器集成芯片有74LS273、74LS373、74LS374、74LS377等，它们都是由8个D触发器组成的，简称8D锁存器。当微处理器内部各功能部件不能满足应用系统的要求时，在片外连接相应的外围芯片，对微处理器的功能扩展以满足应用要求。微机系统扩展主要有程序存储器、数据存储器、并行I/O口、串行口及串行总线扩展等。在变电站综合自动化系统中，往往需要扩展输入/输出接口电路，因此就存在一个地址译码问题。常用的译码器有74HC138、74HC139等。三．简单的开关量输入/输出电路（一）开关量输入电路开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点、跳合闸位置继电器接点、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：（1）安装在装置面板上的接点。这类接点包括在装置调试时用的或运行中定期检查装置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。（2）从装置外部经过端子排引入装置的接点。例如需要由运行人员不打开装置外盖在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他装置和操作继电器等。对于装在装置面板上的接点，可直接接至微机的并行口，如图2—22所示。只要在可初始化时规定图中可编程的并行口的PA0为输入端，则CPU就可以通过软件查询，随时知道图2—22外部接点K1的状态。图2—22开关量输入电路原理图（a）装置内接点输入回路（b）装置外接点输入回路对于从装置外部引入的接点，如果也按图2—22（a）接线将给微机引入干扰，故应经光电隔离如图2—22（b）所示。图中虚线框内是一个光电耦合器件，集成在一个芯片内。当外部接点K1接通时，有电流通过光电器件的发光二极管回路，使光敏三极管导通。K1打开时，则光敏三极管截止。因此，三极管的导通与截止完全反映了外部接点的状态，如同将K1接到三极管的位置一样，不同点是将可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路部分之间无直接电的联系，而光电耦合芯片的两个互相隔离部分的分布电容几个微微法，因此可大大消弱干扰。（二）开关量输出电路开关量输出（简称开出）主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打印机接口等，一般都采用并行接口的输出来控制有接点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离，对于通信接口、打印机接口等装置内部的数字信号，可以采取如图2－23所示（a）的接法。由于不是直接控制跳、合闸，实时性和重要性的要求并不是很高，所以可用一个输出逻辑信号控制输出数字信号。这里光电耦合器的作用是既实现两侧电气的隔离，提高抗干扰能力，又可以实现不同逻辑电平的转换。对于保护的跳闸出口、本地和中央信号等，微机保护装置通过数字量输出的“0”或“1”状态来控制执行回路（如报警信号或跳闸回路继电器触点的“通”或“断”）。开关量输出接口的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在数字式装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全且减少外部干扰。一种典型的使用光电耦合器件的开关量输出接口电路如图2－23所示（b）所示（仅绘出一路）。由软件使并行口输出“0”，发光二极管导通，光敏三极管导通，出口继电器KCO励磁，提供一副空触点输出。继电器线圈两端并联的二极管称为续流二极管。它在CPU输出由“0”变为“1”，光敏晶体管突然由“导通”变为“截止”时，为继电器线圈释放储存的能量提供电流通路，这样一方面加快继电器的返回，另一方面避免电流突变产生较高的反向电压而引起相关元件的损坏和产生强烈的干扰信号。图2－23开关量输出电路（a）数字信号输入/输出接口；（b）使用光电耦合器件的接口电路为了防止因保护装置上电（合上电源）或工作电源不正常通断在输出回路出现不确定状态时，导致装置发生误动。对控制用的光隔导通回路采用异或逻辑控制，其电路如图2－24所示。图2—24装置开关输出回路接线图只要通过软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。在初始化和需要继电器K返回时，应使PB0输出“1”，PB1输出“0”。设置反相器B1及与非门H1而不将发光二极管直接同并行口相连，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，另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使K动作，增加了抗干扰能力。为了防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动，将PB0经一反相器输出，而PB1不经反相器输出。因为在拉合直流电源过程中，当5V电源处于某一个临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成自动装置误动作，特别是自动装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5V电源还是驱动继电器K用的电源E，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器K的接点短时闭合。由于采用上述接法后，两个反相条件的互相制约，可以可靠地防止误动作。四．开关量变位的检测变电站断路器的状态平时一般很少变动。如果终端装置重复发送内容不变的开关量数据给变电站层或调度端就没有多大意义，并且占用了信道和装置的工作时间。但是，一旦变电站故障或其它原因使断路器动作，其状态发生变化，必须及时传向变电站层或调度端，以利于事故的处理。因此，开关量信息一般可采用无变位时不发送；一旦发生变位，则插入传送的方式。开关量信息在采集和处理上有不同的方式：检查设备状态是否变位，常采用软件定时扫查和变位触发。在软件扫查方式中，CPU不断扫查各断路器的状态，如发现有变位就予以处理。在硬件变位触发中断方式中，以专用的硬件对断路器位置状态进行监视，如发现变位就申请中断，由CPU进行处理。1.定时扫查方式开关量信息不同于模拟量信息，它不是随时随刻都在变化。通常情况下状态是不变化的，而状态的改变往往又是瞬时完成的。因此对开关量采集时，CPU定时对开关量扫描，所得数据存入内存的开关量数据区。检查开关量是否变位就是检查开关现在的状态是否和上一次相同。因此CPU必须不断地对开关量扫描，将开关量数据读入后，还必须和内存中原有的相应数据进行对比。如两者相同，开关量无变位，则不作处理。如两者不相同，说明有断路器变位，于是就把内存中相应的开关量数据更新，并对变位开关进行必要的处理。通常系统对开关量采集有一分辨率的指标，即对同一开关量的前后两次扫查的时间间隔。根据分辨率可以设定开关量扫查的时间间隔，一般将开关量扫查置于实时时钟中断服务程序中，每一个等时间间隔，如1～10ms，都要对全部的开关量进行一次扫查，这样构成的扫查方式为定时扫查方式。开关量定时扫查模式在每一个定时间隔中都要进行全开关量扫查，如果采集的开关量大，同时要求分辨率高，则会加重CPU的负荷，影响CPU对其他中断的响应速度，延长程序的执行时间，降低了实时性。这些问题的解决通常采用智能开关量采集，即用一CPU专门负责开关量采集，构成多CPU系统结构。如果是单CPU结构系统，要有高的开关量分辨率，同时又有整体的实时性，则可以开关量变位触发方式加以实现。2.变位触发中断方式用专用硬件来监视断路器变位，其主要特点是反应快，同时也节省了软件扫查方式中CPU用于扫查的时间。当断路器变位时，断路器辅助触点位置发生变化，同时向CPU提供相应的断路器跳闸变位信息或申请中断。8279芯片发现有断路器变位时，就提出中断申请。CPU响应这一中断申请后，从传感器中读取断路器状态数据，并与内存中开关量数据区所存的内容比较以确定发生变位的断路器，更新内存中开关量数据区的内容，同时记下断路器变位的时间，并对变位开关量作必要的处理。第四节人机对话电路在间隔层装置中，人机对话的主要内容有显示画面与数据、输入数据、人工控制操作和诊断与维护等。（1）显示画面与数据：包括时间日期；报警画面与提示信息；装置工况状态显示；装置整定值；控制系统的配置显示，包括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。（2）输入数据：包括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。（3）人工控制操作：包括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。（4）诊断与维护：包括故障数据记录显示；统计误差显示；诊断检测功能的启动。现代的自动化装置普遍采用多微处理器系统来实现其不同的监控功能，同时还具有与电力系统自动化网络相联系的微机系统接口。按功能划分，人机对话的硬件电路主要有指键盘响应电路、显示器电路、打印机驱动电路、通信电路等。一、键盘响应电路键盘响应电路如图2—25所示，该电路采用非编码矩阵式键盘，设有16个按键，按照4行4列构成，在行与列交叉处接入开关式按键。其中按键的行号由并行口8256的P2口的P2.4～P2.7来提供，列号由经过双向数据缓冲器与微处理器数据总线的低四位相连来提供。图2—25键盘响应电路原理图键盘响应处理包括以下三个内容：（1）落键识别：判断图中16个按键是否有按键落下，当有按键落下时，并行口8256芯片的P2口的四根线P2.4～P2.7中有一个为低电位，得到按键的行号，然后，再从双向数据缓冲器74LS245读入按键的列号，从而确定下落按键的位置；当没有按键落下时，D0～D3全是“1”。且并行口8256芯片的P2口的P2.4～P2.7全都是“1”。利用软件识别可有效地消除按键下落时的抖动问题。（2）键号的识别：采用行扫描和列扫描技术可确定出下落按键的位置，并利用查表技术获得该下落按键所对应的操作指令，通知给人机对话的微处理器执行相应的按键功能命令。（3）落键处理：利用软件来实现当按下键释放后，才能接收下一个按键对应的指令。二、液晶显示电路液晶显示器也叫LCD显示器。在变电站综合自动化系统装置屏上，基本都含有液晶显示电路，便于装置的就地操作和控制。（一）LCD的基本结构及工作原理液晶显示器的结构如图2—26所示。在上、下玻璃电极之间封入向列型液晶显示材料，液晶分子平行排列，上下扭曲90°，外部入射光线通过上下偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90°，再通过与上偏振光垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态。当上下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的反射光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。图2—26液晶显示回路液晶显示器（b）液晶显示回路（二）LCD显示电路液晶显示电路以菜单的形式显示出各个键盘操作及执行的结果，给使用人员调试和检修微型机装置提供方便，使人机联系更加直观。液晶显示电路如图2—27所示。该电路主要由多功能异步通信接收发送器芯片的两个并行口控制。图中并行口8256芯片的P1口工作在输出方式，P2.0～P2.7提供液晶显示器的数据，而P1口P1.4、P1.5、P1.6三条线，作为液晶显示器的控制线。图2—27液晶显示模块硬件电路图点阵式液晶显示器具有体积小，功耗小，接口简单，在许多的电子仪器中得到应用。在液晶显示屏上可并列排放着若干点阵的字符显示位，每一位显示一个字符，根据需要将要输出的数据或信息转换成显示符代码后，再通过8256芯片的P2口将需要显示的数据输送给不同的显示位上。三、打印机的接口电路打印机作为一种输出设备，在人机联系构成中发挥着主要的作用。在调试方式下，输入的键盘操作命令，微型机装置可以通过打印机将执行结果打印出来，以便于使用者了解装置是否正常运行，在运行方式下，电力系统发生故障后，打印机可以将有关故障的信息，动作行为和采样报告打印输出，为事故分析提供动作信息，如微机型故障录波装置。打印机的选择可根据需要来选择其型号，打印机与微处理器的联络主要有两个方面的内容：一是数据线之间的联系的接口电路设计；二时打印机与微处理器之间的应答控制信号之间的接口电路设计。接口电路原理图见图2－28所示。图2－28打印机接口电路图 微机系统的数据总线D0~D7经过74LS393锁存后，其输出端经过光电耦合隔离芯片后与打印机的数据输入线相连接。打印机的选通信号由微处理器上的并行口P1口的输出线P1.2经过74LS02或非门及光电隔离芯片后发出。来自打印机的响应控制信号忙经过一光电耦合隔离芯片和电源引入至微处理器并行口的输入线。图中锁存器的选通信号由线和口地址译码器74LS139输出的信号通过74LS02或非门后来提供。当执行向打印机传递数据的命令时，线和口地址译码器输出信号同时为地电平，选通数据锁存器74LS393，则数据锁存器将其锁存的数据送至打印机的数据线上。第五节间隔层装置软件常用算法介绍间隔层装置的硬件系统是软件的工作平台，装置的功能主要靠软件实现。本节以微机保护装置为例描述软件结构及常用算法。微机保护的程序结构微机保护软件是微机保护装置的主要组成部分，它涉及到继电保护原理、算法、数字滤波以及计算机程序结构。典型的微机继电保护程序结构框图如图2－29所示。图2－29微机保护程序结构示意图保护CPU程序的整体结构主要包括主程序、采样中断服务程序和故障处理程序。正常时运行主程序，同时每隔5/3ms采样间隔时间（每周期12点）执行一次采样中断服务程序，在采样程序中进行模拟量采集与滤波、开关量的采集、装置硬件自检、交流电流断线判据的计算，并判断相电流差突变量启动元件是否动作。如果启动元件不动作，采样中断程序执行完后，正常返回主程序。正常运行时，程序中进行采样值自动零漂调整及运行状态检查。运行状态检查包括交流电压断线、检查开关位置状态、重合闸充电等，不正常时发报警信号。报警信号分两种，一种是运行异常报警信号，这时不闭锁保护装置，提醒运行人员进行相应处理；另一种为闭锁报警信号，报警的同时将保护装置闭锁，保护退出。如果启动元件动作，采样中断程序执行完后转入执行故障处理程序，故障计算程序中进行各种保护的算法计算、跳闸逻辑判断以及事件报告、故障报告及波形的整理。在此过程中，依然每隔5/3ms采样间隔时间执行一次采样中断服务程序，直到保护整组复归，返回正常运行的主程序。微机保护装置程序基本工作原理如图2—30所示。图中应用MATLAB对故障进行仿真，得出从正常运行到故障及故障切除的全过程。在图中，对照采样时间序列可以看出正常和故障处理中程序的基本运行过程。图2－30保护装置程序工作过程示意图另外，微机保护装置软件系统除实现各种继电保护功能以外，还具有其他功能，这些功能包括以下几个方面：1）测量功能：包括相电流、零序电流、线电压、相电压、零序电压、频率、有功和无功测量以及电能和功率因数测量。2）控制功能：包括断路器和隔离开关的“就地”和“远方”控制，一次设备的分合控制，可调节设备的状态控制，自动重合闸功能等。3）状态监测：包括操作计数、气体压力监测、断路器跳合闸、电气老化监测、断路器运行时间记录、辅助电压监视等。4）功能模块：具有独立的输入、输出接口。在参数化时，采用图形化方式进行，简单有效；具有强大的PLC功能；可简化接线要求，是高效的编程工具。5）事件记录：包括独立的