第4章智能电子设备的基本原理

第四章智能电子设备的基本原理4.1引言4.2智能电子设备的结构和功能4.3模拟量的采集与处理4.4常用交流采样算法4.5模拟量采样处理方法4.6开关量采样与处理4.7遥控通道与信息处理4.1引言计算机技术、网络与通信技术、自动控制技术的发展。分布在一定地域的自动化系统，普遍采用了分散分布式的结构。配电网自动化系统：馈线自动化系统，变电站自动化系统、电力用户用电信息系统，均为分散分布式的结构。完成现场层任务处理的装置，目前均为微机式的装置。这种装置统称为智能电子设备IED（IntelligentElectronicDevice）。定义：智能电子设备是由一个或多个微处理器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。配电网中的智能电子设备包括TTU、FTU、无功补偿装置、电子式电能表等，最主要的组成部分之一。定义：智能电子设备是由一个或多个微处理器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。配电网中的智能电子设备包括TTU、FTU、无功补偿装置、电子式电能表等，最主要的组成部分之一。教学内容：IED的组成结构与基本工作原理。掌握IED的组成原理、信息处理方法与设计实现方法。4.2智能电子设备的结构和功能4.2.1组成、结构4.2.2主要功能主要负责配电网电气参数、配电设备运行状态、配电网二次设备（包括IED自身)的工作状态的数据采集与处理，对配电网实施调节控制，是配电网自动化系统的“耳目”和“手脚”。具有数据通信的功能，与配电子站和主站通信，将采集、生成的实时信息上报，同时接收上位设备下达的控制和调节命令，对配电网实施控制调节。具体功能1.数据采集（DataAcquisition）2.调节控制（RegulationandControl）3.数据加工处理（DataProcessing）4.数据通信（DataCommunication）5.人机交互接口（ManMachineInterface）通信是为了与其它设备实现数据交换。功能：(1)通信接口配置(2)信息表(数据对象)配置(3)命令接收与解帧处理(4)组帧与响应帧发送4.3模拟量的采集与处理主要是完成配电网运行参数的采样，实现智能电子设备的遥测功能。采用A/D转换器，将模拟量信号转换成CPU能识别的数字量。为了给A/D转换器提供符合其输入规范的电压信号，用信号调理电路对输入信号进行变换。采样方式：直流采样、交流采样两种。（1）交流采样直接对输入的交流电压、交流电流进行采样，CPU对A/D转换生成的数字量按照一定的算法进行计算，获得I、U、P、Q全部电气量信息。（2）直流采样非电气量采用直流量采样方法采样，传感器将非电气量变成直流信号，由直流模拟量采样通道进行采样。4.3.1模拟量的采样原理1.A/D转换的工作过程（1）采样保持（SampleHolder）原理图波形图采样过程采样保持电路工作原理采样-保持电路工作原理（2）量化与编码(a)只舍不入方式(b)四舍五入方式量化过程的近似方式1/82/83/84/85/86/87/81000001010011100101110111D输入输出AUrefLSB△A3/157/1511/151000001010011100101110111D输入输出AUrefLSB△A5/159/1513/15×8×82.A/D转换器（AnalogtoDigitConverter）（1）工作原理逐次逼近型模数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成。UCUXURefEOC比较器D/ASAR时序及控制逻辑数字量输出START0t电压比较UxUc1Uc2Uc3Uc4Uc5Uc6Uc7Uc810111011D7D6D5D4D3D2D1D0SAR中的结果逐次逼近型A/D（2）性能指标a）分辩率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率通常用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，则转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出八位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2-8=20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2-12≈1.22mV。b）精度精度是指转换结果对于实际值的准确度。绝对精度和相对精度两种。绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的最大偏差作为转换误差的指标。绝对精度通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示绝对精度，例如：±1LSB。相对精度：一般来说，相对精度采用相对误差来表示，为绝对误差与理想输入值之比的百分数。IED量测领域，相对误差分为两个级别：S级和F级。所谓S级误差和相对误差概念一致，而F级误差为绝对误差与满量程值之比的百分数。例如，1V电压值经过满量程为10V的A/D转换器转换后，测得输入值为0.99V，其S级误差=(1-0.99)/1=1%S，F级误差=(1-0.99)/10=0.1%F。F级误差也称为引用误差。S级误差：如果测量值在0值附近，由于分母太小，测量误差不容易标定，一般由测量标准指定一个最小的参考值作为分母。例如，A/D的满量程为10V，在测量小于等于0.5V的电压时，S级误差的理想输入值统一都用0.5V替代。c）转换速率是指完成一次模拟量到数字量转换所需时间的倒数。d）量程A/D转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：0~5V,-5V~+5V,0~10V,-10V~+10V。（3）选型原则a）遵循整体设计要求的原则b）较高性价比的原则c）接口方便的原则3.模拟多路开关（Multiplexer）AD7506模拟多路开关工作原理框图地址输入缓冲区及电平转换译码和驱动UDD(+15V)GNDUSS(-15V)OUTS1···S15S16ENA3A2A1A0···AD公司：AD750616路模拟开关,Ron为300~450欧,稳定时间700ns~1000nston=1.5mS,toff=1mS速度较低.快速：接通时间7nS,中速00~700nS,Ron=100~280欧。接通电阻和电压有关，CD4051Ron为100~280欧，当Vdd=5V，为280欧，当Vdd10时，Ron为100欧常用芯片：CD4502双4选一AD公司AD7502双4选一CD4051AD75017503八选一CD4067AD750616选一4.采样定理CPU只能处理离散的数字信号，而模拟量都是连续变化的物理量.采样是将一个连续的时间信号函数x(t)变成离散信号xˊ(t)的过程。采样定理:在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的3~4倍。奈奎斯特定理是模拟量数据采集的理论基础。4.3.2IED和电力系统连接电网中除低压配电网电压较低外，其余部分的电压均为高电压。二次智能电子设备属于弱电设备，不可能直接接入高压电网。高压低压IED二次设备一次设备电压互感器TV（PT）/电流互感器TA（CT）1.电压互感器一次侧的额定电压为高压电网的额定电压，二次侧的额定电压为100V或100/V。（1）电压互感器的主要参数：1)额定一次电压Upn:电压互感器性能基准的一次电压值。电压互感器的额定一次电压取电力系统的额定电压等级的线电压或相电压。2)额定二次电压Usn：电压互感器性能基准的二次电压值。电压互感器的二次侧电压为：100V(57.7)V3)电压误差（比误差）:互感器在测量电压时出现的误差。它是由实际电压比不等于额定电压比而造成的。电压误差以百分数表示如下：式中：Up-实际一次电压，US-实际二次电压，Kn-额定一次电压和二次电压之比。4)准确级：对电压互感器所给定的等级，互感器在规定的使用条件下的误差应在规定的限值内。100%nspVpKUUU(2)电压互感器的接线(a)Y0/Y0形接线(b)Y0/Y0/△（开口三角形）形接线(c)V/V形接线ABCQSFUUFUabcac(b)VABCQSFUAaFUTVXxz(c)2.电流互感器（1）电流互感的主要参数1)额定一次电流Ipn2)二次额定电流Isn3)额定电流比Kn4)负荷：二次回路所接的阻抗Zb,用欧姆和功率因数表示。负荷可用视在功率和伏安值表示，它是在额定电流和功率因数下所吸收的视在功率Sb。5)额定负荷：确定互感器准确级所用的负荷值。6)电流误差（比误差）：互感器在测量电流时所出现的误差，它是由于实际电流比与额定电流比不相等造成的。式中，Kp-额定变比，IS-测量条件下通过一次电流Ip时的二次电流方根均值，A；Ip-实际一次电流方根均值，A。100%pspIpKIII6）相位差：一次电流与二次电流的相位之差。若二次电流相量超前一次电流相量时，取正值。相位差通常用min(分)或crad(厘弧度)表示。7）复合误差：在稳态条件下，一次电流瞬时值与二次电流瞬时值乘以Kn两者之差的方根均值。复合误差的百分值表示如下：2011()100%npTcspKITiidt8）额定准确限值一次电流Ipal：在稳态情况下，电流互感器能满足复合误差要求的最大一次电流值。9）准确限值系数(accuracylimitfactor)：额定准确限值一次电流与额定一次电流之比。Kalf=Ipal/Ipn8、9参数仅适用于保护用互感器。（2）电流互感器的接线(a)两元件接线三线制:电流互感器安装在A、C相上，每相二次侧2个绕组，分别为测量计量绕组和保护绕组。(b)三元件接线方式，A、B、C三相均接有二次侧为2个绕组的互感器分别测量计量绕组和保护绕组。两元件接线方式三元件接线方式(b)(a)4.3.3交流信号采样通道的构成交流信号采样通道的组成二次TV/TA互感器信号调理电路模拟多路开关采保与AD转换与CPU接口电路电网频率跟随与倍频电路将信号源提供的信号变换为模拟器件可以接受的信号控制AD进行模数转换，读取A/D转换的结果，以及控制模拟多路开关进行通道切换实现滤波、IV转换和信号统一化处理主要完成模拟信号的量化，即模数转换。4.3.5交流采样电路设计时需要注意的关键技术（1）同时采样（2）对一个完整周期等间隔采样测频问题。交流采样算法，要求将连续信号在一个周期内按照等间隔进行采样，实际工频交流量周期不是恒定值.因此为了保证，工频量计算的准确性，必须进行测频。硬件测频，采用锁相环方式，软件测频跟踪周期量的过零点时刻。（3）时钟微机、单片机的时钟为其时钟周期的整数倍。时钟周期T又称为状态周期，是时序中最小的时间单位。具体计算就是1/fosc。也就是说如果晶振为1MHz，那么时钟周期就为1uS；6MHz的话，就是1/6uS。例如：机器时钟1MHz，测定的被测信号频率为49.4Hz,每一周期采样20点。每一次采样时间1000000/49.4/20=1016.26uS1016.26/1=1016.26个机器时钟周期每一点采样取1016个机器时钟周期。按1016采样，每采4个点，少算0.26*4=1.05uS，按1016采样，每采20个点，慢0.26×20=5.4个时钟周期。矫正方法为及时调整采样点的时间。采样时间10161016101610171016101610161017101610161017本次采样误差-0.26-0.26-0.26+0.74-0.26-0.26-0.26+0.74-0.26-0.260.74累计误差-0.26-0.52-0.78-0.04-0.30-0.56-0.82-0.08-0.34-0.60+0.14（4）交流采样的实时性（5）抗干扰问题4.4常用交流采样算法4.4.1一点采样算法对采样没有定时要求，不需要设置定时器也可以进行数据采集。其缺点是算法中没有滤波作用，且要求三相对称，当系统有