配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计

《配电网自动化技术》

课程设计任务书

题目配电自动化远动终端FTU交流采样通道口勺设计

学生姓名屈璟学号专业班级电气1002班

1.背景

FTU是配电自动化系统的重要设备，在配电自动化系统中得到了广泛的应

用,交流采样通道是FTL•的重要部分。

FTU交流采样通道采样的I电气量为：

测量2个电压：6、U"输入交流电压有效值0〜220v.

测量3个电流/〃、人、输入交流电流有效值0〜5A.

保护电流/加，Ihhh交流有效值0-1OOA

精度指标为：

电压电流的采样精度：±0.5%

设

有功无功H勺采样精度：±1%

计

故障电流检测范畴：0.C100A：故障电流精度：3%；

内交流电压：连续工作120%额定电压；

容交流电流：200%连续工作，1000舟额定电流，可连续1秒

与2.设计规定

要（1）熟悉电力系统交流采样电路的工作原理。

求（2）熟悉FTU日勺功能和性能。

（3）通过互联网查询选择各类器件。

（4）掌握器件的性能参数。

3.设计内容

根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。

（1）计算性能指标。

（2）设计电路。

（3）根据计算的性能指标，选择元器件。

（4）交流采样算法日勺和程序框图。

（5）撰写设计报告

起止时间12月23日至1月2日

指引教师署名年月日

系（教研室）主任署名年月日

学生署名年月口

目录

课程设计任务书............................................1

内容与规定................................................3

设计原理及整体思绪.........................................3

1、交流采样通道的构成..................................3

2、交流采样电路部分原理................................4

设计详情...................................................7

1、器件的选择..........................................8

2、交流采样算法........................................12

3、交流采样流程图......................................13

课程设计总结..............................................13

参照文献..................................................14

一、内容与规定

1.FTU（FeederTerminalUnit）馈线终端单元是配电自动化系统的重要设备，可以实现

馈线段的模拟，信号的测量控制。在配电自动化系统中得到了广泛的应用。而交流采样

通道是FTU日勺重要部分。

2.规定FTU交流采样通道采样的电气量为：

测量2个电压：U.、Ueb,输入范畴交流有效值0〜220V.

测量3个电流/“、/八输入范畴交流有效值。〜5A.

保护电流/曲，/〃帅交流有效值0〜100A

精度指标为：

电压电流的采样精度：±0.5%

有功无功的采样精度：±1%

故障电流检测范畴：0A-100A；故障电流精度：3%

交流电压：连续工作120%额定电压

交流电流：200%连续工作，1000%额定电流，可连续1秒

根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。

（1）计算性能指标。

（2）设计电路。

（3）根据计算的性能指标，选择元器件。

（4）交流采样算法和程序框图。

（5）撰写课程设计。

二、设计原理及整体思绪

交流采样是将连续变化量离散化，用一定日勺算法号进行对离散日勺时间信分析，计算出所

需信息。可以直接对交流电流、电压波形进行采样，因此，对于被测电量的波形可以进

行分析，实时性好。对于有功功率、无功功率可通过采用的u、i值进行计算求得。

一般解决措施是将连续时间的信号的一种周期T分为N个等分点，每隔T/N时间进行一次采样，将

得到离散时间信号，把这些采样值寄存在存储器中，用软件解决可得到参数。

1.交流采样通道的构成及原理图

在IED中，交流采样通道由中间电压、电流互感渊，滤波器、多路模拟开关、

采样保持器，A/D转换，微解决器，频率跟踪电路等构成。原理图如下：

电C

多P

力

路U

系

开

统

关

IUX

模拟量采样通道（交流采样）

信号：交流采样的信号取自一次互感器H勺二次回路，电压信号的额定值为100V（有效值）

或100/&V,电流信号的I额定值为5A（1A）,一般将电压电流通过二次互感器变为

3.53V、7.07V的交流电压。

滤波：电气量涉及一定的谐波成分，为了使采样值符合耐奎斯特采样定理，一般装置设

立低通滤波器，截止频率按照工程规定决定，4倍以上微止频率。

多路模拟开关：根据开关日勺地址选通一路，从多路开关输出。

采样保持：A/D转换器，实现A/D转换需要一定的时间，采样保持器是在逻辑电平欧I控

制下，使其处在采样或保持状态。

A/D实现模数转换。

微解决器。

频率跟踪电路。

2.交流采样电路部分原理

(1)二次互感器：外部电路和内部电路口勺隔离，外部信号和内部信号日勺匹配。

(2)滤波环节：二次互感器，输出0-±5\，的变化的模拟量，为了消除高频干扰和提高后

续采样解决的精度，用低通滤波器对二次互感器的输出信号进行滤波解决，滤去高频部

分，提高采样精度。作为浪涌过电压日勺保护。用有源器件实现前后级H勺匹配。

⑶多路开关：将多种模拟输入量有选择地进行切换，为了共用A/D.机械式，继电器等不

用。目前普遍采用集成电路模拟多路开关。模拟开关是一种在数字信号控制下，将模拟

信号接通或断开口勺原件或电路，由开关元件和驱动电路构成。构成为：通道地址输入缓

冲寄存器、通道地址译码器、开关驱动电路、模拟开关。

每个开关控制一种通道的切换，有自己的唯一地址码，当MUX接受地址总线送来的

地址代码，存入地址缓冲区，再将译码器译出，选通信号通道。控制驱动电路使该开关

导通，除了以上地址码，还要在MUX使能端加片选信号。

重要参数：导通电阻，稳定期间，接通时间，关断时间。

(4)采样保持器

采样保持器H勺基本构成原理电路如下所示：

采样保持器的基本构成原理电路

(a)基本电路(b)采样一保持波形

A/D转换完毕需要一定的时间，在这段时间内，模拟量不能发生变化。在状态指令

日勺控制下，“采样”和“保持”，在采样时刻，把模拟信号的I瞬时值记录下来，并按所

需的A/D转换时间精确地保持一段时间。

输入/输出缓冲放大器，A1A2采样开关S,保持电容G构成。

以上电路中，核心是高速采样开关和保持电容G，A1A2作用是阻抗匹配。

工作过程是：当控制逻辑置高电平时，S闭合，C迅速充电，完毕采样，然后断开S,

采样得到的电平被保持。

A/D转换器完毕一次完整的转换需要一段时间，在这段时间里，模拟量不能变化，否

则就不精确了。特别对变化较快的模拟量来说，就必须引入采样/保持电路，将瞬间采集

的模拟量“样本”冻结一段时间，以保证A/D转换的精度。

(6)模/数转换器(A/D)：实现A/D转换日勺措施诸多，有逐次逼近型、双积分型、计数-

比较型、并行比较型等。在测控装置中最常用口勺模/数转换器是运用逐次逼近型原理实现

时，它重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构成。

它的实质是逐次把设定H勺SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到的电压〃与待转换日勺

模拟电压力进行比较。比较时，先从SARH勺最高位开始，逐次拟定各位的数码是“1”

还是“0”，其工作过程如下：

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

寄存器口勺最高位为“1”，其他各位为“0”，此试探值经D/A转换成电压然后将〃

与模拟输入电压4比较。假如力2%,阐明SAR最高位时T'应予保存；假如外＜〃，

阐明SAR该位应予清零。然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述措施进行D/A转

换和比较。如此反复上述过程，直至拟定SAR寄存器的最低位为止。逐次比较过程结束

后，状态线EOC变化状态，表白己完毕一次转换。最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容

就是与输入模拟量相柞应的I二进制数字量.显然A/D转换器的I位数〃决定于SAR的J位

数和D/AH勺位数。转换成果能否精确逼近模拟信号，重要取决于SAR和D/AW9位数。位

数越多，越能精确逼近模拟量但转换所需的时间也越长。

假设,D/A为8位，Uref为参照电压5V,为D/A转换器日勺输出电压：

x765432

t/c=t/re/'/2(D7x2+D6x2+D5x2+D4x2+D3x2+D2x2+DIx2+Z)(1)

^LUref=5V

当输入数字量为:

100()000()2.5

010000001.25

001()000()0.625

000100000.3125

000010000.15625

000001000.078125

000000100.039063

000000010.019531

UxA=3.66V2.5+0+0.625+0.3125+0.15625+0+0.029063+0.019531=3.642344

三、设计详情

根据基本设计任务，交流采样通道日勺实际规定和构成原理，需要选择互感器、采样

保持器、多路开关、A/D转换器。

规定测量2个电压：Uab.Ucbf测量3个电流/〃、/6、J保护两个电流。帅总

共七个互感量，因此需要设计七路交流采样通道，七路采样通道可以选择8路多路开关一

则选择8路A/D转换器即可。

1.器件的选择

(1)互感器的选择

根据本次课程设计的规定是设计七路采样通道共用到七个互感器，其中测量电路日勺

互感器3个，保护用的互感器2个，测量电压用的互感器2个。A.设计测量3个电流Ta、1b、

Ic,输入范畴交流有效值0〜5A.选择电流电压双用互感器

型号输入电流线性度相移

TR4108-15优于0.1V5'

TR41175优于0.1V5'

TR41515优于0.1V5'

设计保护电流Ibha,Ibhb交流有效值0〜100A.选择单相电表用电流互感器

型号输入负载精度相位差线性范畴

TR2178D20(100)AW200.1<5，5k500%

TR2167D10(100)A(200.1<5，5%~500%

测量2个电压：Uab,Ucb,输入范畴交流有效值0〜220V。选择检测用电压输出型电压

互感器

型号精度相位差额定输入额定输出

TR1101-1C<0.1%<5'（补偿后）200V7.07V

TR1102-1C<0.1%<5'（补偿后）220V3.53V

电流转换电压精密电阻计算:

Rl=5V/2mA=2.5kQ.

R2=5V/2mA=2.5kQ.

R3=5V/2mA=2.5kQ.

R4=5V/0.5mA=10kQ.

R5=5V/0.5mA=10kQ.

（2）滤波器的选择

根据电路的性能规定转换为0-5V电压日勺考虑,我们选择RC滤波电路。

RC滤波器

工频为50Hz,1/150二（3〜4）T=（3-4）RC。选择R=150kQ,O0.Olufo可知，R

日勺阻值不小于精密电阻阻值日勺10倍，满足规定。

（3）多路开关的选择

由于要测量的参量只有7个，因此选择带八路日勺多路开关即可。这里我们选择CD4051

多路开关的芯片。多路选择开关CD4051的8路输入输出信号既可以是模拟信号，也可以

是数字信号。

CD4051是CMOS电路，最高工作电压18VOCD4051相称于一种单刀八掷开关，开关接

通哪一通道，由输入的3位地址吗ABC来决定，当VEE=-5V时，只要对此模拟开关施加

0-5V的数字控制信号，就可控制幅度为-5V—+5V的模拟信号。INH为严禁端，INH二。时

各个通道导通。

CD4051工作电压不要超过15V,否则也许会不稳定。一般电路用5V即可,

3xLM2

X0

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

6

AHA

B0——

rB

9Q「C

-N

Pr

INH、C、B、A其工作状态的控制过程:

INHCBA接通的通道

0000“0”

00011

0010“2”

0011“3”

0100“4”

0101“5”

0110“6”

0111“7”

(4)采样保持器日勺选择

本次设计选用LF198单片采样保持器，其特点为：

工作电压范畴为±5V〜±18V；

信息采集时间不不小于lgs；

TTL,PMOS和CMOS兼容逻辑输入;

增益精度O.(X)2%<0.005%；3=25"C,Cfl=0.01〃；

低噪声欧I输出模式；采样或保持高克制比；宽带宽.

(5)A/D转换器H勺选择

根据电路功能特点，选择A/D574转换器。AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推

出的I单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，

具有外接组件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只

需外接少量日勺阻容件即可构成一种完整的A/D转换潜。

下图是转换器的原理图，N位数字量输入，通过数据缓存器、数据锁存器、电源开关、电

阻网络，最后通过运算放大器输出。

+V[1]STS

12/8[227]DB11JMSB

CS[326]DB10

AO[425JDBS

R/C[524]DB8

CE[6423]DB7

V+[7X22]DB6

REFOUT[8g21]DB5

AGND[9<20]DB4

REFIN[1019JDB3

V-[1118]DB2

BIPOFF[1217]DB1

10VIN[1316]DBOfl_S0

20VINE1415JDGND

数据缓存器送到数据锁存器，D/A转换需要一定H勺时间，此期间待转换的数字量不

应变化，而计算机输出口勺数据在数据总线上稳定日勺时间很短。因此必须用锁存器来保持

数字量日勺稳定。要始终锁存到转换完毕，又有新日勺数据存入时为主。

辨别率：12位

非线性误差：不不小于±1/2LBS或土1LBS

转换速率：25us

模拟电压输入范畴：0—10V和0—20V,0—±5V和0一±10V两档四种

电源电压：±15V和5V

数据输出格式：12位/8位

芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式

辨别率为八位：-y=—

28256

采样精度计算：△E=5x*=]95小

—AF=9.75/wv

2

相对精度：丝叱=0.195%<0.2%,由于不不小于±1/2LBS因此算出值要比实际值大,

5^^

在采样精度H勺允许范畴内c

AD574A有两部分构成：一部分是比较器、12位逐次逼近寄存器、时钟电路、三态输出缓

冲器和控制逻辑电路，另一部分是10V基准电压、12位数/模转换器。其引脚阐明如下:

[1].Pinl(+V)+5V逻辑电源。

[2].Pin2(12/8)一一数据输出方式选择信号，高电平时输出12位数据，低电平时与A信

号配合输出高8位或低4位c

[3].Pin3(CS)——片选信号。

[4].Pin4(4)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格

式。须注意日勺是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。

[5].Pin5(R/C)——读转换控制信号。

[6].Pin6(CE)——芯片使能信号。

AD574A/、JCE、12/0、CS.和AO对其工作状态『、J控制过程

CECSR/C12/8A0工作状态

0XXXX严禁

X)XXX严禁

100X0启动12位转换

100X1启动8位转换

101接+5VX12位并行输出有效

I01接0V0高8位并行输出有效

101接0V1低4位并行输出有效

(6)单片机时选择

本次设计选用8051单片机：

1P0.0"P0.7P0口8位双向口线。

1P1.0~PL7Pl口8位双向口线。

1P2.0~P2.7P2口8位双向口线。

1P3.0>3.7P2口8位双向口线。

P0口有三个功能：①外部扩展存储器时，当做数据总线

②外部扩展存储器时，当作地址总线

③不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为

输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：①扩展外部存储器时，当作地址总线使用；