1、第二章 變電所綜合自動化系統(tǒng)硬件原理,變電所模擬量輸入輸出原理,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,單片機(jī)控制實例,典型硬件結(jié)構(gòu),變電站綜合自動化系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)圖,變電所模擬量輸入輸出原理,一、模擬量輸入及輸出電路簡述 變電站綜合自動化的微機(jī)系統(tǒng)所采集的變電站測控對象的電流、電壓、有功和無功功率、溫度等都屬于模擬量。模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)變換，以便與CPU接口完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 模擬量輸入電路有兩種方式： （1）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換方式直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的變換方式； （2）利用電壓/頻率變化（VFC）原理進(jìn)行模數(shù)變換方式將模擬量電壓先轉(zhuǎn)

2、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。,變電所模擬量輸入輸出原理,二、逐次逼近型A/D變換的模擬量輸入電路,逐次逼近型模擬量輸入電路框圖,變電所模擬量輸入輸出原理,（一）電壓形成回路 來自TA、TV的電流或電壓量不適應(yīng)模數(shù)變換器的范圍，故需要進(jìn)行變換。,模擬量輸入電壓變換原理圖 （a)電壓接口 （b) 電流接口,（a),（b),100V,5A/1A,圖中的RC有什么作用？,？,變電所模擬量輸入輸出原理,電壓形成電路作用： 起電量變換 將一次設(shè)備的TA、TV的二次回路與微機(jī)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。 電路中的穩(wěn)壓管V1和V2的作用？ 穩(wěn)壓管V1和V2組成雙向限幅，

3、使后面環(huán)節(jié)的采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓限制在峰峰值10V（或5V）以內(nèi)。,變電所模擬量輸入輸出原理,（二）低通濾波器和采樣定理 、低通濾波 電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓和電流含有較高的頻率，需在采用之前將最高頻率分量限制在一定的頻帶內(nèi)，以降低采樣頻率fs,這樣一方面降低了對硬件的速度要求，另一方面對所需要的最高頻率信號的采樣不至于發(fā)生失真。 模擬低通濾波器可以做成有源或無源的，最常用的是RC低通濾波器，階數(shù)根據(jù)具體的情況而定。,常用的濾波電路的類型？,變電所模擬量輸入輸出原理,、采樣和采樣定理 模擬量的采樣可分為直流采樣和交流采樣兩種類型。 （1）直流采樣 直流采樣是指將現(xiàn)場不斷連

4、續(xù)變化的模擬量先轉(zhuǎn)換 成直流電壓信號，再送至AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；即 AD轉(zhuǎn)換器采樣的模擬量為直流信號。 （）交流采樣 指對交流電流和交流電壓采集時，輸入至AD轉(zhuǎn)換 器的是與電力系統(tǒng)的一次電流和一次電壓同頻率， 大小成比例的交流電壓信號。如下頁圖所示。,交流電壓電流輸入通道結(jié)構(gòu)框圖 （a）電壓輸入通道（b）電流輸入通道,變電所模擬量輸入輸出原理,采樣定理 一個隨時間連續(xù)變化的物理量f(t)，如圖2.10（a），經(jīng)過采樣后，得到一系列的脈沖序列f*(t)，它是離散的信號，被稱為采樣信號，如圖2.10(c) 。 根據(jù)香農(nóng)（Shannon）定理：如果隨時間變化的模擬信號（包括噪聲干擾在內(nèi)）的最高頻率為

5、fmax，只要按照采樣頻率f2fmax進(jìn)行采樣，那么所給出的樣品系列就足以代表（或恢復(fù)）f(t)了，實際應(yīng)用中常采用f(5-10)fmax。,變電所模擬量輸入輸出原理,采樣過程,變電所模擬量輸入輸出原理,變電所模擬量輸入輸出原理,（三）采樣保持器 連續(xù)時間信號的采樣及其保持是指在采樣時刻上，把輸入模擬信號的瞬時值記錄下來，并按所需的要求準(zhǔn)確地保持一段時間，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D使用。 在t0時，s開關(guān)閉合， 電容被迅速充電， ui=uo。t0-t1是采樣階段。 在t1時，s斷開，uo為此刻 的輸入值，t1-t2 是保持 階段，供A/D使用。,采樣階段,保持階段,采樣,采樣,采樣保持示意圖,變電所模

6、擬量輸入輸出原理,（四）多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（） 以AD7506為例說明多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作原理。,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),AD7506,ui0,變電所模擬量輸入輸出原理,（五）模數(shù)(A/D)變換 A/D變換器主要有逐次逼近型、積分型、計數(shù)型和并行比較型等幾種類型。 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的實質(zhì)是：逐次把設(shè)定的SAR 寄存器的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的電壓Uc與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓Ux進(jìn)行比較。比較時，先從SAR 最高位開始，逐次的確定各位的數(shù)碼是“1”還是 “0” 。,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理,變電所模擬量輸入輸出原理,三、基于V/F轉(zhuǎn)換的模擬量輸入回路 （一）VFC型A/D變換 VFC的原理是將輸入的電壓模

7、擬量ui線性地變換為數(shù)字脈沖式的頻率f，使產(chǎn)生的脈沖頻率正比于輸入電壓的大小，然后再固定的時間內(nèi)用計數(shù)器對脈沖數(shù)目進(jìn)行計數(shù)，使CPU讀入，其原理如圖所示。,VFC型A/D變換原理框圖,變電所模擬量輸入輸出原理,（二）AD654的結(jié)構(gòu)及工作原理 AD654是單片VFC變換芯片，中心頻率為50Hz。在裝置中一般采用負(fù)端輸入方式，如圖2-16，AD654只能轉(zhuǎn)換單極性，所以對交流電壓的信號輸入，必須有個負(fù)的偏置電壓，它在3端輸入。,AD654工作電路圖,零漂調(diào)整,零漂調(diào)整,變電所模擬量輸入輸出原理,此偏置電壓為-5V，其壓控震蕩頻率與網(wǎng)絡(luò)電阻的關(guān)系為 可見輸出頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系。 RP1用來調(diào)

8、整偏置值，使外部輸入電壓為零時輸出頻率為250kHz,從而使交流電壓的測量范圍控制在5V的峰值內(nèi)，這也叫零漂調(diào)整。各通道的平衡度及刻度比可用電位器RP2來調(diào)整。,變電所模擬量輸入輸出原理,VFC的變換特性與輸入交流信號的變換關(guān)系如圖2-17。,VFC變換關(guān)系圖,輸入-5V,輸入0V,輸入+5V,變電所模擬量輸入輸出原理,當(dāng)輸入電壓 時，由于偏置電壓-5V加在輸入端3上，輸出信號是頻率為250kHz的等幅等寬的脈沖波，見圖2-18（a），當(dāng)輸入信號是交流信號時，經(jīng)VFC變換后輸出的信號是被交變信號調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，見圖2-18（b）。,變電所模擬量輸入輸出原理,VFC工作原理和計數(shù)采樣 （

9、a）uin=0 （b）uin為交變信號,250kHz的等幅等寬脈沖,-5V500kHzT小稠密,變電所模擬量輸入輸出原理,在 至 的這一段時間內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖數(shù)為 ，如果每個脈沖對應(yīng)的電壓值為Kb系數(shù)，則輸入電壓可用下式表示 式中： 為250kHz中心頻率對應(yīng)的脈沖常數(shù)。,瞬時值,2.3 變電站模擬量輸入輸出原理,四、模擬量輸出電路 （一）模擬量輸出電路組成,模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖,由于D/A需要一定時間，在轉(zhuǎn)換期間，輸入待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量應(yīng)保持不變，而數(shù)據(jù)在總線上穩(wěn)定的時間很短，因此必須用鎖存器來保持?jǐn)?shù)據(jù)量的穩(wěn)定。 鎖存器：本質(zhì)是一種觸發(fā)器，具有記憶功能，一經(jīng)觸發(fā)就將輸入信號鎖存輸出端，輸入端

10、再發(fā)生變化不影響輸出端狀態(tài)。,變電所模擬量輸入輸出原理,（二）D/A轉(zhuǎn)換器 輸出電壓為： 式中： 是按代碼的權(quán)組合起來表示的數(shù)字量 ，某位B為“0”時，相應(yīng)的這項為0。 為基準(zhǔn)電壓。,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,開關(guān)量：斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點，某些數(shù)值的限內(nèi)或越限以及人機(jī)聯(lián)系的功能鍵的狀態(tài)，跳合閘位置繼電器接點，有載調(diào)壓變壓器分接頭位置，裝置上連接片位置、輕瓦斯、重瓦斯繼電器接點。 開關(guān)量輸入電路的基本功能：將測控對象需要的狀態(tài)信號引入微機(jī)系統(tǒng)。 開關(guān)量輸出電路的基本功能：將CPU送出的數(shù)字信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、控制或調(diào)節(jié)。 開關(guān)量的輸入電路由信號調(diào)節(jié)電路、控制邏輯電路、驅(qū)動電路、地址譯碼電

11、路、隔離電路組成。如圖2-21所示。,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,開關(guān)量輸人電路配置圖,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,消抖電路說明 （a）消噪聲電路（b）未采用消噪電路的輸出波形（c）采用消噪電路的輸出波形,一、濾波消抖電路與信號調(diào)節(jié)電路 開關(guān)量在長距離或空間產(chǎn)生干擾會導(dǎo)致狀態(tài)發(fā)生錯誤（如1-0或0-1），為此，需要增加濾波消除噪聲電路。,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,二、電隔離技術(shù)的應(yīng)用 采用隔離的原因： 使低壓輸入電路與大功率的電源隔離； 外部現(xiàn)場器件與傳輸線同數(shù)字電路隔離，以免計算機(jī)受損； 限制地回路電流與地線的錯接而帶來的干擾； 多個輸入電路之間的隔離。,變電所

12、開關(guān)量輸入及輸出通道,（1）光電隔離,光電耦合器原理接線圖 （a）輸出為低電平 （b）輸出為高電平,（a）,（b）,光電耦合器的作用？,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,（2）繼電器隔離 斷路器、隔離開關(guān)、繼電器的輔助觸點和變壓器分接頭開關(guān)位置等開關(guān)信號，輸入至微機(jī)時，可通過繼電器隔離。,采用繼電器隔離的開關(guān)原理接線圖 （a）現(xiàn)場開關(guān)輔助觸點輸入電路 （b）繼電器觸點輸出,二極管的作用？,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,三 簡單的開關(guān)量輸入/輸出電路 （一）開關(guān)量輸入電路 開關(guān)量輸入電路包括：斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點，某些數(shù)值的限內(nèi)或越限以及人機(jī)聯(lián)系的功能鍵的狀態(tài)，跳合閘位置繼電器接點，有載調(diào)壓變壓器

13、分接頭位置，裝置上連接片位置、輕瓦斯、重瓦斯繼電器接點。 （1）安裝在裝置面板上的接點 （2）從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,圖2-25 開關(guān)量輸入電路原理圖 （a）裝置內(nèi)接點輸入電路 （b）裝置外接點輸入電路,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,（二）開關(guān)量輸出電路 開關(guān)量輸出主要包括自動裝置的跳閘出口以及信號。,裝置開關(guān)輸出回路接線圖,0,1,0,變電所開關(guān)量輸入及輸出通道,設(shè)置反相器B1和與非門H1的作用？ 設(shè)置反相器B1和與非門H1而不將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方面是因為并行口帶負(fù)載能力有限，不足以驅(qū)動發(fā)光二極管，另一方面是因為采用與非門后要滿足兩個條件才

14、能使K動作，增強(qiáng)了抗干擾能力。,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,一、典型的數(shù)字量輸入/輸出接口電路 外部設(shè)備與CPU交換信息必須通過輸入/輸出接口電路。輸入/輸出的信息有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制三類不同的信息，為了區(qū)別不同類型的信息需設(shè)置不同的端口。 因此一個典型的數(shù)字量輸入/輸出接口電路必須包括數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口,如圖2-27所示。,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,典型的數(shù)字量輸入/輸出接口電路,選通不同端口,選擇某個外設(shè),決定信息讀寫,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,二、CPU對數(shù)字量輸入/輸出的控制方式 同步傳遞方式、查詢傳遞方式、中斷控制方式和直接存儲器訪問方式 （1）同步傳遞方式（無條件程序控制方式

15、） 這種控制方式只適合于CPU與比較簡單而且其數(shù)據(jù)狀態(tài)變化速度緩慢或變化速度是固定的外設(shè)交換信息時采用。如：7段碼顯示、開關(guān)、隔離開關(guān)、斷路器、繼電器、發(fā)光二極管等。 CPU與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)時必須保證同步，即執(zhí)行輸入命令時，外設(shè)一定是準(zhǔn)備好的，執(zhí)行輸出操作時，外設(shè)一定是空的。,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,同步傳遞輸入方式,同步傳遞輸出方式,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,（2）查詢傳遞方式（條件傳遞方式） 一些數(shù)據(jù)變化不規(guī)則的外設(shè)，如果傳送數(shù)據(jù)時，CPU不與外設(shè)同步，則傳送數(shù)據(jù)便要出錯，為此采用查詢傳送方式。查詢傳送方式能使CPU能與各種速度的外設(shè)配合工作。 查詢的優(yōu)點：在簡化硬件接口的情況下，傳送數(shù)據(jù)

16、更加準(zhǔn)確，控制程序容易編制。 缺點：CPU需要不斷的查詢外設(shè)的狀態(tài)，占用了CPU 的工作空間。 適用于CPU與單個或較少外設(shè)交換信息。,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,查詢式輸入接口電路,查詢式輸入程序流圖,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,查詢式輸出程序流圖,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,查詢式輸出接口電路,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,（3）中斷控制方式 能提高CPU工作效率和及時處理外設(shè)的請求，可與多個外設(shè)同時工作。 中斷：指CPU暫時中止其正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)至執(zhí)行請求中斷的某個外部設(shè)備或事件的服務(wù)、程序，待處理完畢后再返回原來中止的程序順序進(jìn)行（程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而中間打斷的情況）稱中斷。,數(shù)字量的輸入輸出控制方式,當(dāng)CPU需要與外設(shè)交換信息時，若外設(shè)要輸入CPU的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，存放于寄存器中，或在輸出時，若外設(shè)已把數(shù)據(jù)取走，即輸出寄存器已空，則由外設(shè)向CPU發(fā)出中斷請求，CPU接到外設(shè)的申請后，若沒有更重要的處理，CPU就暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序（即實現(xiàn)中斷），轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入或輸出操作（稱中斷服務(wù)），待輸入或輸出操作完成后即返回，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序