第四章-变电所综合自动化系统硬件原理

1、第二章 变电所综合自动化系统硬件原理,变电所模拟量输入输出原理,变电所开关量输入及输出通道,数字量的输入输出控制方式,单片机控制实例,典型硬件结构,变电站综合自动化系统典型硬件结构图,变电所模拟量输入输出原理,一、模拟量输入及输出电路简述 变电站综合自动化的微机系统所采集的变电站测控对象的电流、电压、有功和无功功率、温度等都属于模拟量。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。 模拟量输入电路有两种方式： （1）逐次逼近型A/D转换方式直接将模拟量转换为数字量的变换方式； （2）利用电压/频率变化（VFC）原理进行模数变换方式将模拟量电压先转

2、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。,变电所模拟量输入输出原理,二、逐次逼近型A/D变换的模拟量输入电路,逐次逼近型模拟量输入电路框图,变电所模拟量输入输出原理,（一）电压形成回路 来自TA、TV的电流或电压量不适应模数变换器的范围，故需要进行变换。,模拟量输入电压变换原理图 （a)电压接口 （b) 电流接口,（a),（b),100V,5A/1A,图中的RC有什么作用？,？,变电所模拟量输入输出原理,电压形成电路作用： 起电量变换 将一次设备的TA、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。 电路中的稳压管V1和V2的作用？ 稳压管V1和V2组成双向限幅，

3、使后面环节的采样保持器、A/D转换芯片的输入电压限制在峰峰值10V（或5V）以内。,变电所模拟量输入输出原理,（二）低通滤波器和采样定理 、低通滤波 电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率，需在采用之前将最高频率分量限制在一定的频带内，以降低采样频率fs,这样一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需要的最高频率信号的采样不至于发生失真。 模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最常用的是RC低通滤波器，阶数根据具体的情况而定。,常用的滤波电路的类型？,变电所模拟量输入输出原理,、采样和采样定理 模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型。 （1）直流采样 直流采样是指将现场不断连

4、续变化的模拟量先转换 成直流电压信号，再送至AD转换器进行转换；即 AD转换器采样的模拟量为直流信号。 （）交流采样 指对交流电流和交流电压采集时，输入至AD转换 器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率， 大小成比例的交流电压信号。如下页图所示。,交流电压电流输入通道结构框图 （a）电压输入通道（b）电流输入通道,变电所模拟量输入输出原理,采样定理 一个随时间连续变化的物理量f(t)，如图2.10（a），经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，被称为采样信号，如图2.10(c) 。 根据香农（Shannon）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为

5、fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么所给出的样品系列就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用f(5-10)fmax。,变电所模拟量输入输出原理,采样过程,变电所模拟量输入输出原理,变电所模拟量输入输出原理,（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。 在t0时，s开关闭合， 电容被迅速充电， ui=uo。t0-t1是采样阶段。 在t1时，s断开，uo为此刻 的输入值，t1-t2 是保持 阶段，供A/D使用。,采样阶段,保持阶段,采样,采样,采样保持示意图,变电所模

6、拟量输入输出原理,（四）多路转换开关（） 以AD7506为例说明多路转换开关的工作原理。,多路转换开关,AD7506,ui0,变电所模拟量输入输出原理,（五）模数(A/D)变换 A/D变换器主要有逐次逼近型、积分型、计数型和并行比较型等几种类型。 逐次逼近型A/D转换的实质是：逐次把设定的SAR 寄存器的数字量经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 最高位开始，逐次的确定各位的数码是“1”还是 “0” 。,逐次逼近型A/D转换器的工作原理,变电所模拟量输入输出原理,三、基于V/F转换的模拟量输入回路 （一）VFC型A/D变换 VFC的原理是将输入的电压模

7、拟量ui线性地变换为数字脉冲式的频率f，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后再固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，使CPU读入，其原理如图所示。,VFC型A/D变换原理框图,变电所模拟量输入输出原理,（二）AD654的结构及工作原理 AD654是单片VFC变换芯片，中心频率为50Hz。在装置中一般采用负端输入方式，如图2-16，AD654只能转换单极性，所以对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。,AD654工作电路图,零漂调整,零漂调整,变电所模拟量输入输出原理,此偏置电压为-5V，其压控震荡频率与网络电阻的关系为 可见输出频率与输入电压呈线性关系。 RP1用来调

8、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。,变电所模拟量输入输出原理,VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系如图2-17。,VFC变换关系图,输入-5V,输入0V,输入+5V,变电所模拟量输入输出原理,当输入电压 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2-18（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2-18（b）。,变电所模拟量输入输出原理,VFC工作原理和计数采样 （

9、a）uin=0 （b）uin为交变信号,250kHz的等幅等宽脉冲,-5V500kHzT小稠密,变电所模拟量输入输出原理,在 至 的这一段时间内计数器计到的脉冲数为 ，如果每个脉冲对应的电压值为Kb系数，则输入电压可用下式表示 式中： 为250kHz中心频率对应的脉冲常数。,瞬时值,2.3 变电站模拟量输入输出原理,四、模拟量输出电路 （一）模拟量输出电路组成,模拟量输出通道结构框图,由于D/A需要一定时间，在转换期间，输入待转换的数字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时间很短，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定。 锁存器：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

10、再发生变化不影响输出端状态。,变电所模拟量输入输出原理,（二）D/A转换器 输出电压为： 式中： 是按代码的权组合起来表示的数字量 ，某位B为“0”时，相应的这项为0。 为基准电压。,变电所开关量输入及输出通道,开关量：断路器和隔离开关的辅助触点，某些数值的限内或越限以及人机联系的功能键的状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压变压器分接头位置，装置上连接片位置、轻瓦斯、重瓦斯继电器接点。 开关量输入电路的基本功能：将测控对象需要的状态信号引入微机系统。 开关量输出电路的基本功能：将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节。 开关量的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

11、路、隔离电路组成。如图2-21所示。,变电所开关量输入及输出通道,开关量输人电路配置图,变电所开关量输入及输出通道,消抖电路说明 （a）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,一、滤波消抖电路与信号调节电路 开关量在长距离或空间产生干扰会导致状态发生错误（如1-0或0-1），为此，需要增加滤波消除噪声电路。,变电所开关量输入及输出通道,变电所开关量输入及输出通道,二、电隔离技术的应用 采用隔离的原因： 使低压输入电路与大功率的电源隔离； 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的错接而带来的干扰； 多个输入电路之间的隔离。,变电所

12、开关量输入及输出通道,（1）光电隔离,光电耦合器原理接线图 （a）输出为低电平 （b）输出为高电平,（a）,（b）,光电耦合器的作用？,变电所开关量输入及输出通道,（2）继电器隔离 断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和变压器分接头开关位置等开关信号，输入至微机时，可通过继电器隔离。,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,二极管的作用？,变电所开关量输入及输出通道,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，某些数值的限内或越限以及人机联系的功能键的状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压变压器

13、分接头位置，装置上连接片位置、轻瓦斯、重瓦斯继电器接点。 （1）安装在装置面板上的接点 （2）从装置外部经过端子排引入装置的接点,变电所开关量输入及输出通道,图2-25 开关量输入电路原理图 （a）装置内接点输入电路 （b）装置外接点输入电路,变电所开关量输入及输出通道,（二）开关量输出电路 开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号。,装置开关输出回路接线图,0,1,0,变电所开关量输入及输出通道,设置反相器B1和与非门H1的作用？ 设置反相器B1和与非门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，另一方面是因为采用与非门后要满足两个条件才

14、能使K动作，增强了抗干扰能力。,数字量的输入输出控制方式,一、典型的数字量输入/输出接口电路 外部设备与CPU交换信息必须通过输入/输出接口电路。输入/输出的信息有数据、状态和控制三类不同的信息，为了区别不同类型的信息需设置不同的端口。 因此一个典型的数字量输入/输出接口电路必须包括数据端口、状态端口和控制端口,如图2-27所示。,数字量的输入输出控制方式,典型的数字量输入/输出接口电路,选通不同端口,选择某个外设,决定信息读写,数字量的输入输出控制方式,二、CPU对数字量输入/输出的控制方式 同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和直接存储器访问方式 （1）同步传递方式（无条件程序控制方式

15、） 这种控制方式只适合于CPU与比较简单而且其数据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交换信息时采用。如：7段码显示、开关、隔离开关、断路器、继电器、发光二极管等。 CPU与外设传送数据时必须保证同步，即执行输入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作时，外设一定是空的。,数字量的输入输出控制方式,同步传递输入方式,同步传递输出方式,数字量的输入输出控制方式,（2）查询传递方式（条件传递方式） 一些数据变化不规则的外设，如果传送数据时，CPU不与外设同步，则传送数据便要出错，为此采用查询传送方式。查询传送方式能使CPU能与各种速度的外设配合工作。 查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传送数据

16、更加准确，控制程序容易编制。 缺点：CPU需要不断的查询外设的状态，占用了CPU 的工作空间。 适用于CPU与单个或较少外设交换信息。,数字量的输入输出控制方式,查询式输入接口电路,查询式输入程序流图,数字量的输入输出控制方式,数字量的输入输出控制方式,查询式输出程序流图,数字量的输入输出控制方式,查询式输出接口电路,数字量的输入输出控制方式,（3）中断控制方式 能提高CPU工作效率和及时处理外设的请求，可与多个外设同时工作。 中断：指CPU暂时中止其正在执行的程序，转至执行请求中断的某个外部设备或事件的服务、程序，待处理完毕后再返回原来中止的程序顺序进行（程序在执行过程中由于外界的原因而中间打断的情况）称中断。,数字量的输入输出控制方式,当CPU需要与外设交换信息时，若外设要输入CPU的数据已准备好，存放于寄存器中，或在输出时，若外设已把数据取走，即输出寄存器已空，则由外设向CPU发出中断请求，CPU接到外设的申请后，若没有更重要的处理，CPU就暂停当前执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（称中断服务），待输入或输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序