配電自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)終端FTU交流采樣通道的設(shè)計(jì)[分析運(yùn)用]

1、配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題 目配電自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)終端FTU交流采樣通道的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名屈璟學(xué)號(hào)201005080315專業(yè)班級(jí)電氣1002班設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1背景FTU是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要設(shè)備，在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。交流采樣通道是FTU的重要部分。FTU交流采樣通道采樣的電氣量為：測(cè)量2個(gè)電壓：、，輸入交流電壓有效值0220V.測(cè)量3個(gè)電流、，輸入交流電流有效值 05A.保護(hù)電流, 交流有效值0100A 精度指標(biāo)為：電壓電流的采樣精度：0.5%有功無(wú)功的采樣精度: 1% 故障電流檢測(cè)范圍：0A100A；故障電流精度：3； 交流電壓：連續(xù)工作120%額定電壓； 交流電流：200%連

2、續(xù)工作，1000%額定電流，可持續(xù)1秒2設(shè)計(jì)要求（1）熟悉電力系統(tǒng)交流采樣電路的工作原理。（2）熟悉FTU的功能和性能。（3）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢選擇各類器件。（4）掌握器件的性能參數(shù)。3設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)以上的電氣量和電氣量的指標(biāo)設(shè)計(jì)FTU交流采樣通道電路。（1） 計(jì)算性能指標(biāo)。（2） 設(shè)計(jì)電路。（3） 根據(jù)計(jì)算的性能指標(biāo)，選擇元器件。（4） 交流采樣算法的和程序框圖。（5） 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告起止時(shí)間2013年 12 月 23 日 至 2013年 1 月 2 日指導(dǎo)教師簽名年 月 日 系（教研室）主任簽名年 月 日 學(xué)生簽名年 月 日 目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1內(nèi)容與要求 3設(shè)計(jì)原理及整體思路3 1、交流采樣通道

3、的組成3 2、交流采樣電路部分原理4 設(shè)計(jì)詳情7 1、器件的選擇82、交流采樣算法 123、交流采樣流程圖 13課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn) 14一、內(nèi)容與要求1.FTU（Feeder Terminal Unit）饋線終端單元是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的重要設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)饋線段的模擬，信號(hào)的測(cè)量控制。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而交流采樣通道是FTU的重要部分。2.要求FTU交流采樣通道采樣的電氣量為：測(cè)量2個(gè)電壓：、，輸入范圍交流有效值0220V.測(cè)量3個(gè)電流、，輸入范圍交流有效值 05A.保護(hù)電流, 交流有效值0100A精度指標(biāo)為：電壓電流的采樣精度：0.5%有功無(wú)功的采樣精度: 1%故障電流檢

4、測(cè)范圍：0A100A；故障電流精度：3交流電壓：連續(xù)工作120%額定電壓交流電流：200%連續(xù)工作，1000%額定電流，可持續(xù)1秒根據(jù)以上的電氣量和電氣量的指標(biāo)設(shè)計(jì)FTU交流采樣通道電路。（1） 計(jì)算性能指標(biāo)。（2） 設(shè)計(jì)電路。（3） 根據(jù)計(jì)算的性能指標(biāo)，選擇元器件。（4） 交流采樣算法和程序框圖。（5） 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)。2、 設(shè)計(jì)原理及整體思路交流采樣是將連續(xù)變化量離散化，用一定的算法號(hào)進(jìn)行對(duì)離散的時(shí)間信分析， 計(jì)算出所需信息?？梢灾苯訉?duì)交流電流、電壓波形進(jìn)行采樣，因此，對(duì)于被測(cè)電量的波形可以進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)性好。對(duì)于有功功率、無(wú)功功率可通過(guò)采取的u、i值進(jìn)行計(jì)算求得。一般處理方法是將連續(xù)時(shí)間的

5、信號(hào)的一個(gè)周期T分為N個(gè)等分點(diǎn)，每隔T/N 時(shí)間進(jìn)行一次采樣，將得到離散時(shí)間信號(hào)，把這些采樣值存放在存儲(chǔ)器中，用軟件處理可得到參數(shù)。1. 交流采樣通道的構(gòu)成及原理圖在IED中，交流采樣通道由中間電壓、電流互感器，濾波器、多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣保持器，A/D 轉(zhuǎn)換，微處理器，頻率跟蹤電路等組成。原理圖如下：模擬量采樣通道（交流采樣）信號(hào)：交流采樣的信號(hào)取自一次互感器的二次回路，電壓信號(hào)的額定值為100V(有效值)或100/V，電流信號(hào)的額定值為5A(1A)，一般將電壓電流通過(guò)二次互感器變?yōu)?.53V 、7.07V的交流電壓。濾波：電氣量包含一定的諧波成份，為了使采樣值符合耐奎斯特采樣定理，一般裝置設(shè)

6、置低通濾波器，截止頻率按照工程要求決定，4 倍以上截止頻率。多路模擬開(kāi)關(guān)：根據(jù)開(kāi)關(guān)的地址選通一路，從多路開(kāi)關(guān)輸出。 采樣保持：A/D 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，采樣保持器是在邏輯電平的控制下，使其處于采樣或保持狀態(tài)。A/D實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 微處理器。 頻率跟蹤電路。 2. 交流采樣電路部分原理 (1)二次互感器：外部電路和內(nèi)部電路的隔離，外部信號(hào)和內(nèi)部信號(hào)的匹配。 (2)濾波環(huán)節(jié)：二次互感器，輸出0-5V 的變化的模擬量，為了消除高頻干擾和提高后續(xù)采樣處理的精度，用低通濾波器對(duì)二次互感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾去高頻部分，提高采樣精度。作為浪涌過(guò)電壓的保護(hù)。用有源器件實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的

7、匹配。(3)多路開(kāi)關(guān)：將多個(gè)模擬輸入量有選擇地進(jìn)行切換，為了共用A/D.機(jī)械式，繼電器等不用。 目前普遍采用集成電路模擬多路開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)是一種在數(shù)字信號(hào)控制下，將模擬信號(hào)接通或斷開(kāi)的原件或電路，由開(kāi)關(guān)元件和驅(qū)動(dòng)電路組成。 構(gòu)成為：通道地址輸入緩沖寄存器、通道地址譯碼器、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、模擬開(kāi)關(guān)。 每個(gè)開(kāi)關(guān)控制一個(gè)通道的切換，有自己的唯一地址碼，當(dāng)MUX接收地址總線送來(lái)的地址代碼，存入地址緩沖區(qū)，再將譯碼器譯出，選通信號(hào)通道?？刂乞?qū)動(dòng)電路使該開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，除了以上地址碼，還要在MUX使能端加片選信號(hào)。 主要參數(shù)：導(dǎo)通電阻，穩(wěn)定時(shí)間，接通時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間。(4) 采樣保持器 采樣保持器的基本組成原理電路

8、如下所示： （a） (b)采樣保持器的基本組成原理電路 (a) 基本電路 (b) 采樣保持波形A/D轉(zhuǎn)換完成需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，模擬量不能發(fā)生變化。在狀態(tài)指令的控制下，“采樣”和“保持”，在采樣時(shí)刻，把模擬信號(hào)的瞬時(shí)值記錄下來(lái)，并按所需的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間準(zhǔn)確地保持一段時(shí)間。 輸入/輸出緩沖放大器，A1A2 采樣開(kāi)關(guān)S,保持電容組成。 以上電路中，核心是高速采樣開(kāi)關(guān)和保持電容，A1A2作用是阻抗匹配。 工作過(guò)程是：當(dāng)控制邏輯置高電平時(shí)，S閉合，C快速充電，完成采樣，然后斷開(kāi)S,采樣得到的電平被保持。 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間里，模擬量不能變化，否則就不準(zhǔn)確了

9、。尤其對(duì)變化較快的模擬量來(lái)說(shuō)，就必須引入采樣/保持電路，將瞬間采集的模擬量“樣本”凍結(jié)一段時(shí)間，以保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。（6）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）：實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，有逐次逼近型、雙積分型、計(jì)數(shù)-比較型、并行比較型等。在測(cè)控裝置中最常用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是利用逐次逼近型原理實(shí)現(xiàn)的，它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器以及時(shí)序和控制邏輯等部分組成。它的實(shí)質(zhì)是逐次把設(shè)定的SAR寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的電壓與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓進(jìn)行比較。比較時(shí)，先從SAR的最高位開(kāi)始，逐次確定各位的數(shù)碼是“1”還是“0”，其工作過(guò)程如下： 在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，先將SAR寄存器各位清零。轉(zhuǎn)換開(kāi)始

10、時(shí)，控制邏輯電路先設(shè)定SAR寄存器的最高位為“1”，其余各位為“0”，此試探值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓，然后將與模擬輸入電壓比較。如果，說(shuō)明SAR最高位的“1” 應(yīng)予保留；如果，說(shuō)明SAR該位應(yīng)予清零。然后再對(duì)SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和比較。如此重復(fù)上述過(guò)程，直至確定SAR 寄存器的最低位為止。逐次比較過(guò)程結(jié)束后，狀態(tài)線EOC改變狀態(tài)，表明已完成一次轉(zhuǎn)換。最后，逐次逼近寄存器SAR中的內(nèi)容就是與輸入模擬量相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。顯然A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n決定于SAR的位數(shù)和D/A的位數(shù)。轉(zhuǎn)換結(jié)果能否準(zhǔn)確逼近模擬信號(hào)，主要取決于SAR和D/A的位數(shù)。位數(shù)越多，越能準(zhǔn)確逼近模擬

11、量但轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。假設(shè),D/A為8位，Uref為參考電壓5V,為D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：取當(dāng)輸入數(shù)字量為：100000002.5010000001.25001000000.625000100000.3125000010000.15625000001000.078125000000100.039063000000010.019531 三、設(shè)計(jì)詳情根據(jù)基本設(shè)計(jì)任務(wù)，交流采樣通道的實(shí)際要求和構(gòu)成原理，需要選擇互感器、采樣保持器、多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器。要求測(cè)量2個(gè)電壓：、，測(cè)量3個(gè)電流、，保護(hù)兩個(gè)電流, 總共七個(gè)互感量，所以需要設(shè)計(jì)七路交流采樣通道，七路采樣通道可以選擇8路多路開(kāi)關(guān)，則選擇8

12、路A/D轉(zhuǎn)換器即可。1. 器件的選擇（1）互感器的選擇根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的要求是設(shè)計(jì)七路采樣通道共用到七個(gè)互感器，其中測(cè)量電路的互感器3個(gè)，保護(hù)用的互感器2個(gè)，測(cè)量電壓用的互感器2個(gè)。A.設(shè)計(jì)測(cè)量3個(gè)電流Ia、Ib、Ic，輸入范圍交流有效值05A.選擇電流電壓雙用互感器型號(hào)輸入電流線性度相移TR4108-15優(yōu)于0.15TR41175優(yōu)于0.15TR4151 5優(yōu)于0.15設(shè)計(jì)保護(hù)電流Ibha, Ibhb交流有效值0100A.選擇單相電表用電流互感器型號(hào)輸入負(fù)載精度相位差線性范圍TR2178D20（100）A200.155%500%TR2167D10（100）A200.155%500% 測(cè)量2個(gè)

13、電壓：Uab，Ucb，輸入范圍交流有效值0220V。選擇檢測(cè)用電壓輸出型電壓互感器型號(hào)精度相位差額定輸入額定輸出TR1101-1C0.1%5(補(bǔ)償后)200V 7.07VTR1102-1C0.1%5(補(bǔ)償后)220V3.53V 電流轉(zhuǎn)換電壓精密電阻計(jì)算：R1=5V/2mA=2.5 k.R2=5V/2mA=2.5 k.R3=5V/2mA=2.5 k.R4=5V/0.5mA=10k.R5=5V/0.5mA=10 k.（2）濾波器的選擇 根據(jù)電路的性能要求轉(zhuǎn)換為0-5V電壓的考慮,我們選擇RC濾波電路。 工頻為50Hz，1/150=（34）=（34）RC。選擇R=150 k，C= 0.01uf。可知

14、，R的阻值大于精密電阻阻值的10倍，滿足要求。（3）多路開(kāi)關(guān)的選擇由于要測(cè)量的參量只有7個(gè)，所以選擇帶八路的多路開(kāi)關(guān)即可。這里我們選擇CD4051多路開(kāi)關(guān)的芯片。多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051的8路輸入輸出信號(hào)既可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)。CD4051是CMOS電路，最高工作電壓18V。CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址嗎ABC來(lái)決定，當(dāng)VEE=-5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加0-5V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度為-5V+5V的模擬信號(hào)。INH為禁止端，INH=0時(shí)各個(gè)通道導(dǎo)通。 CD4051工作電壓不要超過(guò)15V，否則可能會(huì)不穩(wěn)定。 一般電路用5V即可。 I

15、NH、C、B、A其工作狀態(tài)的控制過(guò)程： INH C B A 接通的通道 0 0 0 0 “0” 0 0 0 1 “1” 0 0 1 0 “2” 0 0 1 1 “3” 0 1 0 0 “4” 0 1 0 1 “5” 0 1 1 0 “6” 0 1 1 1 “7”（4）采樣保持器的選擇 本次設(shè)計(jì)選用LF198單片采樣保持器，其特點(diǎn)為：工作電壓范圍為；信息采集時(shí)間小于10us；TTL，PMOS和CMOS兼容邏輯輸入；增益精度；, ；低噪聲的輸出模式；采樣或保持高抑制比；寬帶寬。（5）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇根據(jù)電路功能特點(diǎn)，選擇A/D574轉(zhuǎn)換器。AD574A 是美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單

16、片高速12 位逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接組件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。下圖是轉(zhuǎn)換器的原理圖，N位數(shù)字量輸入，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電源開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器輸出。 數(shù)據(jù)緩存器送到數(shù)據(jù)鎖存器，D/A轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，此期間待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量不應(yīng)變化，而計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時(shí)間很短。因此必須用鎖存器來(lái)保持?jǐn)?shù)字量的穩(wěn)定。要一直鎖存到轉(zhuǎn)換完畢，又有新的數(shù)據(jù)存入時(shí)為主。分辨率：12 位非線性誤差：小于1/2LBS 或1LBS轉(zhuǎn)換速率：25us

17、模擬電壓輸入范圍：010V 和020V，05V 和010V 兩檔四種電源電壓：15V 和5V數(shù)據(jù)輸出格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式分辨率為八位：采樣精度計(jì)算： 相對(duì)精度：，由于小于1/2LBS所以算出值要比實(shí)際值大，在采樣精度的允許范圍內(nèi)。AD574A有兩部分組成：一部分是比較器、12位逐次逼近寄存器、時(shí)鐘電路、三態(tài)輸出緩沖器和控制邏輯電路，另一部分是10V基準(zhǔn)電壓、12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。其引腳說(shuō)明如下：1. Pin1(+V)+5V 邏輯電源。2. Pin2(12/)數(shù)據(jù)輸出方式選擇信號(hào)，高電平時(shí)輸出12位數(shù)據(jù)，低電平時(shí)與A信號(hào)配合輸出高8位或低4位。3. Pin

18、3( )片選信號(hào)。4. Pin4()字節(jié)地址短周期控制端。與端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是， 端TTL 電平不能直接+5V 或0V 連接。5. Pin5( R/)讀轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。6. Pin6(CE)芯片使能信號(hào)。AD574A的CE、和A0對(duì)其工作狀態(tài)的控制過(guò)程.CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止x1XXX禁止100X0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換100X1啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換101接+5VX12位并行輸出有效101接0V0高8位并行輸出有效101接0V1低4位并行輸出有效（6）單片機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)選用8051單片機(jī):l P0.0P0.7 P0口8位雙向口線。 l P1.0P1.7 P1口8位雙向口

19、線。 l P2.0P2.7 P2口8位雙向口線。 l P3.0P3.7 P2口8位雙向口線。P0口有三個(gè)功能：外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線 不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 P2口有兩個(gè)功能：擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用 ； 做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； P3口有兩個(gè)功能： 除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置.2、交流采樣算法：關(guān)于采用何種采樣算法的問(wèn)題，由于我們選擇的是20點(diǎn)采樣算法，所以采用多點(diǎn)采樣法（均方根算法）。原理根據(jù)有效值的定義，將連續(xù)的函數(shù)離散化： 算法的特點(diǎn)：當(dāng)采樣點(diǎn)均勻時(shí)，能得到較高的采樣精度，20 點(diǎn)采樣用10位A/D轉(zhuǎn)換器， U、I 可得到0.5%誤差 。采樣間隔均勻用N 等分周期，實(shí)際電網(wǎng)周期是變化，如何測(cè)頻是取得高精度的重要環(huán)節(jié)3、交流采樣流程圖：定時(shí)器開(kāi)始CPU初始化采樣保持器開(kāi)始保持多路選擇器選通A/D轉(zhuǎn)換器選擇結(jié)束四、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，能夠提高配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)