配電自動化遠動終端FTU交流采樣通道的設計說明

./《配電網(wǎng)自動化技術》課程設計任務書題目配電自動化遠動終端FTU交流采樣通道的設計學生屈璟學號5專業(yè)班級電氣1002班設計容與要求1．背景FTU是配電自動化系統(tǒng)的重要設備,在配電自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。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：測量2個電壓：、,輸入交流電壓有效值0～220V.測量3個電流、、,輸入交流電流有效值0～5A.保護電流,交流有效值0～100A精度指標為：電壓電流的采樣精度：±0.5%有功無功的采樣精度:±1%故障電流檢測圍：0A~100A；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2．設計要求〔1熟悉電力系統(tǒng)交流采樣電路的工作原理?！?熟悉FTU的功能和性能。〔3通過互聯(lián)網(wǎng)查詢選擇各類器件?！?掌握器件的性能參數(shù)。3．設計容根據(jù)以上的電氣量和電氣量的指標設計FTU交流采樣通道電路。計算性能指標。設計電路。根據(jù)計算的性能指標,選擇元器件。交流采樣算法的和程序框圖。撰寫設計報告起止時間20XX12月23日至20XX1月2日指導教師簽名年月日系〔教研室主任簽名年月日學生簽名年月日目錄課程設計任務書……………………1容與要求…………3設計原理及整體思路………………31、交流采樣通道的組成……………………32、交流采樣電路部分原理…………………4設計詳情………………71、器件的選擇…………………82、交流采樣算法……………123、交流采樣流程圖…………13課程設計總結………………………13參考文獻……………14一、容與要求1.FTU〔FeederTerminalUnit饋線終端單元是配電自動化系統(tǒng)的重要設備,可以實現(xiàn)饋線段的模擬,信號的測量控制。在配電自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。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：測量2個電壓：、,輸入圍交流有效值0～220V.測量3個電流、、,輸入圍交流有效值0～5A.保護電流,交流有效值0～100A精度指標為：電壓電流的采樣精度：±0.5%有功無功的采樣精度:±1%故障電流檢測圍：0A～100A；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設計FTU交流采樣通道電路。計算性能指標。設計電路。根據(jù)計算的性能指標,選擇元器件。交流采樣算法和程序框圖。撰寫課程設計。設計原理及整體思路交流采樣是將連續(xù)變化量離散化,用一定的算法號進行對離散的時間信分析,計算出所需信息?？梢灾苯訉涣麟娏?、電壓波形進行采樣,因此,對于被測電量的波形可以進行分析,實時性好。對于有功功率、無功功率可通過采取的u、i值進行計算求得。一般處理方法是將連續(xù)時間的信號的一個周期T分為N個等分點,每隔T/N時間進行一次采樣,將得到離散時間信號,把這些采樣值存放在存儲器中,用軟件處理可得到參數(shù)。1.交流采樣通道的構成及原理圖在IED中,交流采樣通道由中間電壓、電流互感器,濾波器、多路模擬開關、采樣保持器,A/D轉換,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：交流采樣的信號取自一次互感器的二次回路,電壓信號的額定值為100V<有效值>或100/V,電流信號的額定值為5A<1A>,一般將電壓電流通過二次互感器變?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。多路模擬開關：根據(jù)開關的地址選通一路,從多路開關輸出。采樣保持：A/D轉換器,實現(xiàn)A/D轉換需要一定的時間,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實現(xiàn)模數(shù)轉換。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：外部電路和部電路的隔離,外部信號和部信號的匹配。<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,用低通濾波器對二次互感器的輸出信號進行濾波處理,濾去高頻部分,提高采樣精度。作為浪涌過電壓的保護。用有源器件實現(xiàn)前后級的匹配。<3>多路開關：將多個模擬輸入量有選擇地進行切換,為了共用A/D.機械式,繼電器等不用。目前普遍采用集成電路模擬多路開關。模擬開關是一種在數(shù)字信號控制下,將模擬信號接通或斷開的原件或電路,由開關元件和驅動電路組成。構成為：通道地址輸入緩沖寄存器、通道地址譯碼器、開關驅動電路、模擬開關。每個開關控制一個通道的切換,有自己的唯一地址碼,當MUX接收地址總線送來的地址代碼,存入地址緩沖區(qū),再將譯碼器譯出,選通信號通道?？刂乞寗与娐肥乖撻_關導通,除了以上地址碼,還要在MUX使能端加片選信號。主要參數(shù)：導通電阻,穩(wěn)定時間,接通時間,關斷時間。<4>采樣保持器采樣保持器的基本組成原理電路如下所示：〔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轉換完成需要一定的時間,在這段時間,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",在采樣時刻,把模擬信號的瞬時值記錄下來,并按所需的A/D轉換時間準確地保持一段時間。輸入/輸出緩沖放大器,A1A2采樣開關S,保持電容組成。以上電路中,核心是高速采樣開關和保持電容,A1A2作用是阻抗匹配。工作過程是：當控制邏輯置高電平時,S閉合,C快速充電,完成采樣,然后斷開S,采樣得到的電平被保持。A/D轉換器完成一次完整的轉換需要一段時間,在這段時間里,模擬量不能變化,否則就不準確了。尤其對變化較快的模擬量來說,就必須引入采樣/保持電路,將瞬間采集的模擬量"樣本"凍結一段時間,以保證A/D轉換的精度?！?模/數(shù)轉換器〔A/D：實現(xiàn)A/D轉換的方法很多,有逐次逼近型、雙積分型、計數(shù)-比較型、并行比較型等。在測控裝置中最常用的模/數(shù)轉換器是利用逐次逼近型原理實現(xiàn)的,它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉換器、比較器以及時序和控制邏輯等部分組成。它的實質是逐次把設定的SAR寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉換后得到的電壓與待轉換的模擬電壓進行比較。比較時,先從SAR的最高位開始,逐次確定各位的數(shù)碼是"1"還是"0",其工作過程如下：在進行轉換時,先將SAR寄存器各位清零。轉換開始時,控制邏輯電路先設定SAR寄存器的最高位為"1",其余各位為"0",此試探值經(jīng)D/A轉換成電壓,然后將與模擬輸入電壓比較。如果,說明SAR最高位的"1"應予保留；如果,說明SAR該位應予清零。然后再對SAR寄存器的次高位置"1",依上述方法進行D/A轉換和比較。如此重復上述過程,直至確定SAR寄存器的最低位為止。逐次比較過程結束后,狀態(tài)線EOC改變狀態(tài),表明已完成一次轉換。最后,逐次逼近寄存器SAR中的容就是與輸入模擬量相對應的二進制數(shù)字量。顯然A/D轉換器的位數(shù)n決定于SAR的位數(shù)和D/A的位數(shù)。轉換結果能否準確逼近模擬信號,主要取決于SAR和D/A的位數(shù)。位數(shù)越多,越能準確逼近模擬量但轉換所需的時間也越長。假設,D/A為8位,Uref為參考電壓5V,為D/A轉換器的輸出電壓：取當輸入數(shù)字量為：100000002.5010000001.25001000000.625000100000.3125000010000.15625000001000.078125000000100.039063000000010.019531三、設計詳情根據(jù)基本設計任務,交流采樣通道的實際要求和構成原理,需要選擇互感器、采樣保持器、多路開關、A/D轉換器。要求測量2個電壓：、,測量3個電流、、,保護兩個電流,總共七個互感量,所以需要設計七路交流采樣通道,七路采樣通道可以選擇8路多路開關,,則選擇8路A/D轉換器即可。1.器件的選擇〔1互感器的選擇根據(jù)本次課程設計的要設計七路采樣通道共用到七個互感器,其中測量電路的互感器3個,保護用的互感器2個,測量電壓用的互感器2個。A.設計測量3個電流Ia、Ib、Ic,輸入圍交流有效值0～5A.選擇電流電壓雙用互感器型號輸入電流線性度相移TR4108-15優(yōu)于0.1＜5'TR41175優(yōu)于0.1＜5'TR41515優(yōu)于0.1＜5'設計保護電流Ibha,Ibhb交流有效值0～100A.選擇單相電表用電流互感器型號輸入負載精度相位差線性圍TR2178D20〔100A≤200.1<5ˊ5%~500%TR2167D10〔100A≤200.1<5ˊ5%~500%測量2個電壓：Uab,Ucb,輸入圍交流有效值0～220V。選擇檢測用電壓輸出型電壓互感器型號精度相位差額定輸入額定輸出TR1101-1C<0.1%<5ˊ<補償后>200V7.07VTR1102-1C<0.1%<5ˊ<補償后>220V3.53V電流轉換電壓精密電阻計算：R1=5V/2mA=2.5kΩ.R2=5V/2mA=2.5kΩ.R3=5V/2mA=2.5kΩ.R4=5V/0.5mA=10kΩ.R5=5V/0.5mA=10kΩ.〔2濾波器的選擇根據(jù)電路的性能要求轉換為0-5V電壓的考慮,我們選擇RC濾波電路。工頻為50Hz,1/150=〔3～4τ=〔3～4RC。選擇R=150kΩ,C=0.01uf?？芍?R的阻值大于精密電阻阻值的10倍,滿足要求?！?多路開關的選擇由于要測量的參量只有7個,所以選擇帶八路的多路開關即可。這里我們選擇CD4051多路開關的芯片。多路選擇開關CD4051的8路輸入輸出信號既可以是模擬信號,也可以是數(shù)字信號。CD4051是CMOS電路,最高工作電壓18V。CD4051相當于一個單刀八擲開關,開關接通哪一通道,由輸入的3位地址嗎ABC來決定,當VEE=-5V時,只要對此模擬開關施加0-5V的數(shù)字控制信號,就可控制幅度為-5V—+5V的模擬信號。INH為禁止端,INH=0時各個通道導通。

CD4051工作電壓不要超過15V,否則可能會不穩(wěn)定。一般電路用5V即可。INH、C、B、A其工作狀態(tài)的控制過程：INHCBA接通的通道0000"0"0001"1"0010"2"0011"3"0100"4"0101"5"0110"6"0111"7"〔4采樣保持器的選擇本次設計選用LF198單片采樣保持器,其特點為：工作電壓圍為；信息采集時間小于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?！?A/D轉換器的選擇根據(jù)電路功能特點,選擇A/D574轉換器。AD574A是美國模擬數(shù)字公司〔Analog推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器,置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片,具有外接組件少,功耗低,精度高等特點,并且具有自動校零和自動極性轉換功能,只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器。下圖是轉換器的原理圖,N位數(shù)字量輸入,經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電源開關、電阻網(wǎng)絡,最后經(jīng)過運算放大器輸出。數(shù)據(jù)緩存器送到數(shù)據(jù)鎖存器,D/A轉換需要一定的時間,此期間待轉換的數(shù)字量不應變化,而計算機輸出的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定的時間很短。因此必須用鎖存器來保持數(shù)字量的穩(wěn)定。要一直鎖存到轉換完畢,又有新的數(shù)據(jù)存入時為主。分辨率：12位非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS轉換速率：25us模擬電壓輸入圍：0—10V和0—20V,0—±5V和0—±10V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：采樣精度計算：相對精度：,由于小于±1/2LBS所以算出值要比實際值大,在采樣精度的允許圍。AD574A有兩部分組成：一部分是比較器、12位逐次逼近寄存器、時鐘電路、三態(tài)輸出緩沖器和控制邏輯電路,另一部分是10V基準電壓、12位數(shù)/模轉換器。其引腳說明如下：[1].Pin1<+V>——+5V邏輯電源。[2].Pin2<12/>——數(shù)據(jù)輸出方式選擇信號,高電平時輸出12位數(shù)據(jù),低電平時與A信號配合輸出高8位或低4位。[3].Pin3<>——片選信號。[4].Pin4<>——字節(jié)地址短周期控制端。與端用來控制啟動轉換的方式和數(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/>——讀轉換控制信號。[6].Pin6<CE>——芯片使能信號。AD574A的CE、、、和A0對其工作狀態(tài)的控制過程.CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止x1XXX禁止100X0啟動12位轉換100X1啟動8位轉換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單片機的選擇本次設計選用8051單片機:lP0.0~P0.7P0口8位雙向口線。lP1.0~P1.7P1口8位雙向口線。lP2.0~P2.7P2口8位雙向口線。lP3.0~P3.7P2口8位雙向口線。P0口有三個功能：①外部擴展存儲器時,當做數(shù)據(jù)總線②外部擴展存儲器時,當作地址總線③不擴展時,可做一般的I/O使用,但部無上拉電阻,作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用：其部有上拉電阻。P2口有兩個功能：①擴展外部存儲器時,當作地址總線使用；②做一般I/O口使用,其部有上拉電阻；P3口有兩個功能：除了作為I/O使用外〔其部有上拉電阻,還有一些特殊功能,由特殊寄存器來設置.2、交流采樣算法：關于采用何種采樣算法的問題,由于我們選擇的是20點采樣算法,所以采用多點采樣法〔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：當采樣點均勻時,能得到較高的采樣精度,20點采樣用10位A/D轉換器,U、I可得到0.5%誤差。采樣間隔均勻用N等分周期,實際電網(wǎng)周期是變化,如何測頻是取得高精度的重要環(huán)節(jié)3、交流采樣流程圖：定時器定時器開始CPU初始化采樣保持器開始保持多路選擇器選通A/D