變電站綜合自動化系統(tǒng)的硬件原理

變電站綜合自動化系統(tǒng)的硬件原理典型硬件結(jié)構(gòu)硬件的數(shù)字核心部分變電站模擬量的輸入輸出原理開關(guān)量數(shù)字量脈沖量輸入電路Page12.1變電站綜合自動化系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)Page1一、微機系統(tǒng)CPU——完成控制和運算功能。存儲器——存儲編好的程序和數(shù)據(jù)。定時器/計數(shù)器計時；觸發(fā)采樣信號，引起中斷采樣；在

V/F變換式A/D中，是把頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部件。Watchdog看門狗監(jiān)控電路，程序跑飛時，能立即動作使程序重新開始工作。Page12.2硬件的數(shù)字核心部分核心部分即CPU，CPU還需配備存儲器、輸入輸出設(shè)備的接口電路，才能組成計算機工作。最簡單的微型機——單片機。一、微處理器的基本工作原理Page1Page1二、基于單片機的測控單元單片機專為實時監(jiān)測控制而設(shè)計，簡單、可靠、功能多、性價比高；缺點是抗干擾能力差。Page1三、基于工控機的測控單元為了適應(yīng)工業(yè)測控要求，將微機中的大主板改為總線插座，插入適合自己總線系統(tǒng)的CPU、存儲器、IO、通信及電源模塊等，構(gòu)成一個測控單元，同時又有擴展功能，能與其他工控機、主機構(gòu)成一個集散控制系統(tǒng)。Page1Page1Page1工控機優(yōu)點：1、具有豐富的過程輸入輸出功能。工控機必須與工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，面向控制應(yīng)用，與生產(chǎn)工

藝過程相匹配，因此除了計算機的基本部分如CPU、存儲器外，

還必須有豐富的過程輸入輸出功能的插件板(或稱接口板)。在工

控機的行業(yè)里都說，總線的力量不在其理論上多先進，而在于為

這種總線研制的各種輸入輸出功能模塊的數(shù)量和種類的豐富程度。2、實時性。3、高可靠性。4、環(huán)境適應(yīng)性。5、豐富的應(yīng)用軟件。6、技術(shù)綜合性。Page1Page1四、基于DSP的測控單元Page1

數(shù)字信號處理器DSP(Digital

Signal

Processing)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。

它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。第三節(jié)

模擬量的輸入、輸出原理Page13電力系統(tǒng)中的電流、電壓、有功功率、無功功率、頻率、水位、溫度等均屬模擬量。模擬量都是隨時間連續(xù)變化的物理量。模擬量輸入電路的作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便于CPU接口完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換原理不同，模擬量輸入電路分兩種：一是基于逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換方式，直接將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量；二是利用電壓頻率變換（VFC）原理進行模數(shù)變換，它是將模擬量電壓先轉(zhuǎn)換為頻率脈沖量，通過脈沖計數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換方式。2.1

基于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換模擬量輸入電路Page14模擬量輸入通道由以下幾部分組成：電壓形成電路低通濾波電路采樣保持器多路模擬開關(guān)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換模擬量輸入電路框圖電壓形成回路低通濾波采樣保持多A/D總線來自互感器的信號變換.........路轉(zhuǎn)器換電壓形成回路低通濾波采樣保持開關(guān)Page15（一）、電壓形成電路模擬量輸入電壓變換原理圖作用：將電壓降低到AD轉(zhuǎn)換芯片所需電壓，并實現(xiàn)一次設(shè)備與微機的隔離。Page16（二）低通濾波器和采樣定理采樣過程示意圖（1）連續(xù)時間信號的采樣。Page17對模擬量進行采樣，就是將一個連續(xù)的時間信號f(t)變成離散的時間信號f"(t)。采樣周期與采樣頻率：采樣時間間隔由采樣控制脈沖f(t)來控制，相鄰兩個采樣時刻的時間間隔稱為采樣周期，用Ts表示。采樣頻率fs=1/Ts例：被采樣信號是工頻50Hz，若工頻每個周期采樣12次，則采樣頻率fs=50*12=600Hz.Page18(2)采樣定理。

采樣是否成功，主要表現(xiàn)在采樣信號能否真實的反映出原始連續(xù)時間信號中所包含的重要信息，采樣定理就是回答這個問題。Page19采樣頻率的選擇Page20本思想。采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs。采樣頻率的選擇是微機保護硬件設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。采樣頻率越高，要求CPU的運行速度越高。因為微機保護是一個實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機輸入數(shù)據(jù)，微型機必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間Ts內(nèi)處理完每一組采樣值，否則CPU跟不上實時節(jié)拍而無法工作。相反，采樣頻率過低，將不能真實地反映采樣信號的情況。采樣定理：如果被采樣信號中含有各種頻率成分，其最高頻率成分為fmax，若要對其不失真地采樣，或者采樣后不產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，則采樣頻率fs必須不小于fmax的2倍(即fs＞=2fmax)，也就是說，為了使信號被采樣后不失真還原，采樣頻率必須不小于2倍的輸入信號的最高頻率，這就是采樣定理的基(3)采樣保持器的工作原理圖5.12采樣保持器的基本組成電路Page213、采樣保持器（S/H）Page1采樣保持器的作用保證轉(zhuǎn)換時的誤差在A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差內(nèi)實現(xiàn)多個模擬量的同步采樣Page234、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器，它是將多個采樣保持后的信號逐一與A/D芯片接通的控制電路。它一般有多個輸入端，一個輸出端和幾個控制

信號端。在實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被模數(shù)轉(zhuǎn)換

的模擬量可能是幾路或十幾路，利用多路開關(guān)

(MUX)輪流切換各被測量與A/D轉(zhuǎn)換電路的通路，

達到分時轉(zhuǎn)換的目的。在微機保護中，各個通道

的模擬電壓是在同一瞬間采樣并保持記憶的，在

保持期間各路被采樣的模擬電壓依次取出并進行

模數(shù)轉(zhuǎn)換，但微機所得到的仍可認為是同一時刻

的信息(忽略保持期間的極小衰減)，這樣按保護算法由微機計算得出正確結(jié)果。Page1多路開關(guān)的作用和要求Page25圖5.12多回路分時共用A/D、D/A轉(zhuǎn)換器1）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC)Page1A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能（1）分辨率：分辨率反映A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號微小變化響應(yīng)的能力，通常以數(shù)字量輸出的最低位（LSB）所對應(yīng)的模擬輸入電平值表示。N位A/D轉(zhuǎn)換能反映1/2n滿量程的模擬量輸入電壓。一般用A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率。A/D位數(shù)分辨率81/28=1/256101/210=1/1024121/212=1/4096141/214=1/16384Page27（2）精度：Page28①絕對精度：對應(yīng)一個數(shù)字量的實際模擬量的值和模擬量的理論值之差，為絕對誤差。用數(shù)字量的最小有效位表示。例如：±1/2LSB,±1LSB②相對精度：(相對誤差/滿量程的模擬量）×100%轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。 例如：AD574A的轉(zhuǎn)換時間為25～

35

μsAD1674A的轉(zhuǎn)換時間為10μsMAX

125的轉(zhuǎn)換時間為3.5～

13

μs量程：A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓的范圍①單極性：0～＋5

V，0～＋10

V，0～＋20

V，②雙極性：－2.5～＋2.5

V,－5～＋5

V,－10～＋10輸出邏輯電平：多數(shù)為TTL電平，即0～＋5V工作溫度范圍：民用品為：0～＋70℃工業(yè)級為：－20

～＋85℃軍用品為：－55～＋125℃電源靈敏度：指AD轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差，一般用電源變化1%時模擬量變化的百分數(shù)來表示。Page29第四節(jié)變電站開關(guān)量輸入輸出電路消抖濾波信號調(diào)節(jié)光電隔離門驅(qū)動控制CPU開關(guān)量以二進制數(shù)字變化為特點的信號，如斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)，數(shù)值的限內(nèi)或越限，斷路器的觸點，人機聯(lián)系的功能鍵的狀態(tài)等等?？偩€信號輸入地址譯碼圖2-21開關(guān)量輸入電路配置圖Page30開關(guān)量輸入/輸出的抗干擾措施一、濾波消抖電路（了解）二、電隔離技術(shù)開關(guān)量與邏輯電路之間要采用電隔離技術(shù)，原因：1.使低壓輸入電路與大功率電源隔離；外部現(xiàn)場器件與傳輸線同數(shù)字電路隔離，以免計算機受損；限制地回路電流與地線錯接而帶來的干擾；多個輸入電路之間的隔離。電隔離方法：光電隔離；繼電器隔離。Page31光電隔離繼電器隔離(a)現(xiàn)場開關(guān)輔助觸點輸入電路(b)繼電器觸點輸出三、簡單的開關(guān)量輸入/輸出電路1.開關(guān)量輸入電路微機保護裝置中一般應(yīng)設(shè)置幾路開關(guān)量輸入電路。開關(guān)量輸入電路主要是將外部一些開關(guān)接點引入微機保護的電路，通常這些外部接點不能直接引入微機保護裝置，而必須經(jīng)過光電隔離芯片引入。開關(guān)量輸入電路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點或跳合閘位置繼電器接點輸入，外部裝置閉鎖重合閘觸點輸入，輕瓦斯和重瓦斯繼電器接點輸入，及裝置上連接片位置輸入等回路。Page34Page352、開關(guān)量輸出電路在微機保護裝置中設(shè)有開關(guān)量輸出電路，用于驅(qū)動各種繼電器。例如跳閘出口繼電器、重合閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等。Page36裝置開關(guān)輸出回路接線圖Page37

開關(guān)量輸出主要包括自動裝置的跳閘出口及信號，一般采用并行接口的輸出來控制有接點繼電器。為抗干擾，加一級光電隔離。如圖。

PB0輸出0，PB1輸出1，便可使與非門輸出低電平，光敏三極管導(dǎo)通，繼電器K被吸合。

設(shè)置非門及與非門，而不是將發(fā)光二極管直接與并行口相連，一方面是因為并行口帶負載能力有限，不足以驅(qū)動發(fā)光二極管；另一方面，采用與非門后要同時滿足兩個條件才能使K動作，增加抗干擾能力

為防止拉合直流電源的過程中繼電器K的短時誤動，將

PB0經(jīng)一非門輸出，而PB1不經(jīng)非門輸出。Page38第5節(jié) 數(shù)字量的輸入/輸出Page39概述變電站綜合自動化系統(tǒng)中，要采集的信息有：模擬量、開關(guān)量、脈沖量和廣義讀表數(shù)。輸入/輸出信息的組成數(shù)字信息狀態(tài)信息控制信息輸入/輸出的傳送方式并行傳送串行傳送典型的數(shù)字量輸入/輸出接口電路Page40CPU對輸入/輸出的控制方式Page41同步傳送方式（無條件程序傳送方式）見圖查詢傳送方式（條件程序傳送方式）中斷控制輸入/輸出方式直接存儲器訪問方式（DMA方式）同步傳送方式只適合CPU與簡單的、數(shù)據(jù)變化慢的外設(shè)之間交換信息。例如：數(shù)碼管顯示器、開關(guān)、發(fā)光二極管。作輸入時，認為其數(shù)據(jù)是準備好的，CPU隨時對它執(zhí)行輸入指令，就可以把狀態(tài)讀入，不必事先查詢；作輸出時，因為外設(shè)的速度比CPU慢，需加一個鎖存器，將輸出的數(shù)據(jù)保存一段時間，外設(shè)才能收到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。見下頁圖。Page42

同步傳遞方式程序簡單，硬件接口簡單，但必須確保輸入指令時，外設(shè)是準備好的；輸出時，外設(shè)一定是空的，即CPU與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時必須保證同步。當外設(shè)狀態(tài)變化不規(guī)則，與CPU不同步時，就需要采用查詢的輸入方式。（2）查詢傳遞方式ATEST輸入狀態(tài)信息N準備好？Y輸入數(shù)據(jù)查詢式輸入程序流程圖N輸出數(shù)據(jù)查詢式輸出程序流程圖p0準備輸出數(shù)據(jù)AWAIT輸入狀態(tài)信息Ybusy？

查詢方式傳送數(shù)據(jù)，比無條件程序傳送更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳送，缺點是CPU需要不斷查詢外設(shè)的狀態(tài)，占用CPU太多時間，CPU真正用在傳送數(shù)據(jù)的時間相對很少，

大部分時間都消耗在查詢上。

為了提高CPU的工作效率，及時處理外設(shè)的請求，可采用中斷傳送方式。

中斷方式即當CPU需要與外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，若外設(shè)已準備好，則向CPU發(fā)出中斷申請，CPU接到中斷申請后，若沒

有更重要的處理，就暫停當前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷，執(zhí)行完后返回繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。

采取中斷方式后，提高CPU效率，并可以與多個外設(shè)同時工作。（4）直接存儲器訪問方式采用中斷傳送方式時，當CPU與高速外設(shè)（如磁盤）在進行大批量數(shù)據(jù)傳輸時，會造成中斷次數(shù)過于頻繁，這樣不僅傳送速度上不去，而且耗費大量CPU時間。為此，采用直接存儲器存取方式，使