【正文】 在一起使用，所以對(duì)于不同的系統(tǒng)，其相應(yīng)的硬件配置和軟件配置也就不同。 單元電路的設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框架為：傳感器單元：電壓互感器、電流互感器的工作原理與應(yīng)用；信號(hào)調(diào)理單元：電流電壓變換電路、幅值調(diào)理電路、信號(hào)波形調(diào)理（濾波電路） 、極性變換電路；信號(hào)采集單元：多路轉(zhuǎn)換器的選型與應(yīng)用、采樣保持器的選型與應(yīng)用、A/D 轉(zhuǎn)換器的選型與應(yīng)用；監(jiān)控單元：人機(jī)交互模塊（鍵盤(pán)及顯示電路） 、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊（光電隔離） 、通信模塊；其他：直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)等。傳感器能把自然界的各種物理量等精確地變換為電信號(hào)，再經(jīng)電子電路或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而對(duì)這些量進(jìn)行監(jiān)測(cè)或控制 [12]。鐵心電磁式電壓互感器和電流互感器是目前電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)，也是最主要的電壓和電流測(cè)量用傳感器，兩者的原理基本相同。它的工作原理與一般張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)5的變壓器基本相同，僅在結(jié)構(gòu)形式、所用材料、容量、誤差范圍等方面有所差別。當(dāng)變壓器二次側(cè)開(kāi)路時(shí)，它的一次電流全部變?yōu)榧ご烹娏?0.I，對(duì)應(yīng)的激磁磁勢(shì)和交變磁通分別為 10..WIF?（ 為其一次繞組匝數(shù)）和.?，二次繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓即空載電壓 2.U。圖中 yI0.和 w.分別為 0.I的有功分量（即鐵心損耗電流分量）和無(wú)功分量（即產(chǎn)生磁通 Φ 的磁化分量 c1.） ， 0..??。 （a） 變壓器原理圖 （b） 向量圖圖 21 變壓器原理及工作向量圖由于互感器空載時(shí)的二次電壓 為20U (21)??為二次繞組匝數(shù), 為一次側(cè)輸入電壓頻率。電流互感器是一種將供電線路大電流變換為小電流的電氣設(shè)備，用于對(duì)線路和供、用電設(shè)備的測(cè)量與保護(hù)。不同的是，其一次繞組（原邊繞組）串聯(lián)在供電線路（一次回路）內(nèi)，二次繞組（副邊繞組）則與測(cè)量和保護(hù)設(shè)備的電流線圈串聯(lián)。電流互感器副邊繞組的磁勢(shì) 對(duì)原邊繞組的磁勢(shì) 起去磁2.??作用，如果忽略電流互感器的鐵心損耗和線圈損耗，則 和 的大小相等、.2.方向相反，其合成磁勢(shì)為零，所以 （221I?3）由此可得電流互感器原、副邊電流比為 （221WIKi?4）通用電流互感器原邊的工作電流 一般都較大，繞組匝數(shù) 很少，額定工1I 1W作狀態(tài)下，原、副邊電流之比定義為額定電流比。不能提供監(jiān)控單元對(duì)模擬量采樣所需的電壓，需要增加一級(jí)專(zhuān)用電流互感器。專(zhuān)用電流互感器最大的特點(diǎn)是二次繞組可接較高電阻值的負(fù)載，因此可以把二次電流變換成電壓。選取采樣電阻時(shí)，保證電阻承受的功率 小于電阻的額定功率即可。所謂接口電路，即把傳感器與后續(xù)有關(guān)電路相聯(lián)系，構(gòu)成實(shí)用傳感器系統(tǒng) [13]。傳感器輸出為模擬信號(hào)，因此首先要把模擬信號(hào)變?yōu)檫m合 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入的電壓，即 0～5V 電壓，稱(chēng)為信號(hào)的預(yù)處理。雖進(jìn)行了預(yù)處理但還要濾波、采樣保持等，這些一般采用運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)調(diào)理單元的硬件結(jié)構(gòu)包括電流/電壓變換電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、極性變換電路等。由于電流互感器二次側(cè)輸出的總是電流，但是 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端只接受允許幅值的電壓，在使用電流互感器作為現(xiàn)場(chǎng)參量的信號(hào)變換器時(shí)，必須經(jīng)過(guò)電流/電壓（I/V）變換電路將電流變換成與電流成比例的電壓。因此，傳感器輸出常常要接模擬信號(hào)放大器?，F(xiàn)場(chǎng)參量從傳感器輸出到監(jiān)控單元，一般都有相當(dāng)?shù)木嚯x。信號(hào)達(dá)到監(jiān)控單元輸入端口時(shí)，波形往往由于干擾而出現(xiàn)失真，對(duì)檢測(cè)精度帶來(lái)嚴(yán)重的影響。根據(jù)采樣信號(hào)的不同，采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類(lèi)，直流采樣算法簡(jiǎn)單、便于濾波，但維護(hù)復(fù)雜、延時(shí)較長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用比較受到限制。變電站運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流參量基本上是交流的，在經(jīng)過(guò)各種變換后，輸出仍然是交流的，極性正負(fù)交替。此外，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中，如果 A/D 轉(zhuǎn)換器損壞，檢測(cè)和控制的功能就不能實(shí)現(xiàn)，出于安全考慮，還要在 A/D 轉(zhuǎn)換器前采用限幅措施，以保障系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器安全。圖 22 為采用有源器件構(gòu)成的電流/電壓變換電路，該電路由一個(gè)帶有負(fù)反饋電阻 R 的集成運(yùn)算放大器組成的基本變換電路與一個(gè)同相輸入的比例放大器級(jí)聯(lián)，電流 直接通過(guò)反饋電阻，輸出 。其輸出電壓為 （221RiuINOUT????5）圖 22 電流電壓變換電路在模擬量輸入通道中，幅值調(diào)理電路就是各種電壓放大器。本設(shè)計(jì)中采用的同相比例運(yùn)算放大器如圖 23 所示，其電壓放大倍數(shù)為 。此外，還有正、負(fù)電源供電端，外接補(bǔ)償電路端、調(diào)零端、相位補(bǔ)償端、公共接地端及其他一些附加端。常用濾波器有無(wú)源和有源兩種。在智能電器及開(kāi)關(guān)設(shè)備監(jiān)控單元中，用做信號(hào)調(diào)理的無(wú)源濾波器基本是電阻電容（RC）一階濾波器。由于輸出電壓相對(duì)輸入電壓會(huì)產(chǎn)生滯后的相位移，在監(jiān)控單元要采用被測(cè)電壓和電流來(lái)計(jì)算功率和功率因數(shù)時(shí)，若電壓、電流輸入通道中有這種濾波器，會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。在這種場(chǎng)合下，電阻和電容的值都很小，不會(huì)使輸出產(chǎn)生可以影響計(jì)算精度的相位移。這種濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)不同的濾波要求，可以有不同的電路設(shè)計(jì)。根據(jù)頻率特性，有源濾波器可以分為低通、高通和帶通三種。在電力系統(tǒng)監(jiān)控單元中，用得最多的是低通濾波器。湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10圖 24 一階低通有源濾波器電路原理圖在運(yùn)算放大器為理想器件時(shí)，電路的頻率特性為 （2CINOUTfj??16）一階低通有源濾波器在 R=1KΩ，C= 時(shí)的 EWB 仿真頻率特性如下圖 25 所示。在這種條件下，輸出相對(duì)輸入的相位移也近似為零。由一階低通濾波器的仿真頻率特性圖可知，其幅頻特性并不理想。圖 26 二階有源低通濾波電路二階有源低通濾波電路如圖 26 所示。其特點(diǎn)是，輸入阻抗高，輸出阻抗低。由電路圖10RAfVF??可得該電路的傳遞函數(shù)為 （2?? 22022nnVFio sQsAsSA?????7）用 s=jw 帶入式（27 ） ，可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達(dá)式，分別為 （2??2201lg2lg2 ?????????????????????QAj nn?8） （2????21????????nnarctg??9）其中 為特征角頻率，而 則稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù)。如果進(jìn)一步增加濾波電路階數(shù)，其幅頻響應(yīng)將更接近理想特性。被測(cè)參量極性變換電路可以采用圖 28 所示的絕對(duì)值電路 [19]。當(dāng)輸入電壓 0 時(shí)，二極管 反相阻斷， 導(dǎo)通，檢波器輸出電壓INu1VD2V （2INuR12??10）張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)13圖 28 絕對(duì)值電路當(dāng)輸入電壓 0 時(shí)，二極管 導(dǎo)通， 阻斷，檢波器輸出電壓 =0。由此得到該電路的輸出電壓1uOUTI? （2INOUT?12）此外，還可用交流電壓串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)直流電壓、整流橋等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)極性變換。通用型集成運(yùn)放是指這A?類(lèi)運(yùn)放具有一般的性能指標(biāo)，主要參數(shù)，通用性比較強(qiáng)，應(yīng)用靈活，價(jià)格便宜，基本上能兼顧到各方面的要求 [20]。A?在參數(shù)的計(jì)算中，運(yùn)放電路電壓增益=20lg| |dB，其中V.， 為輸出開(kāi)路（ ）時(shí)的電壓增益。圖 29 電流電壓變換電路仿真波形圖 圖 210 是同相比例放大器在 R=Rf=1KΩ 時(shí)的輸入輸出波形圖。張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)15圖 210 同相比例放大器輸入輸出波形圖圖 211 絕對(duì)值電路輸入輸出波形圖 信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)與狀態(tài)有模擬量（電壓、電流、功率、流量、溫度……） 、開(kāi)關(guān)量（斷路器位置）等。由此可見(jiàn)，SCADA 系統(tǒng)首要任務(wù)是向操作員提供運(yùn)行信息。自動(dòng)操作與控制包括正常運(yùn)行控制，緊急控制和保護(hù)、恢復(fù)控制，報(bào)警處理，數(shù)據(jù)計(jì)算，監(jiān)控系統(tǒng)的自診斷及自恢復(fù)，人機(jī)聯(lián)系，數(shù)據(jù)通信等 [21]。一是增加 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片數(shù)量，使模擬通道數(shù)等于或大于被測(cè)模擬信號(hào)的數(shù)量。二是在模擬信號(hào)頻率較低，采樣速率要求不是非常高的應(yīng)用中，可采用模擬量多路轉(zhuǎn)換器（也稱(chēng)多選一模擬開(kāi)關(guān)）來(lái)擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道 [22]。當(dāng)然，為了提高電路可靠性，還需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)方面權(quán)衡，選擇合適的采樣方式和采樣頻率，并注意強(qiáng)弱電的隔離和電磁干擾，從而確定最終的軟、硬件設(shè)計(jì)和元器件的選擇?？紤]到 A/D轉(zhuǎn)換器本身的轉(zhuǎn)換時(shí)間和處理器采樣控制程序的執(zhí)行時(shí)間，如果被測(cè)模擬量的幅值變化足夠快，從處理器發(fā)出轉(zhuǎn)換指令開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)完成采樣，被測(cè)模擬信號(hào)的值已經(jīng)不是轉(zhuǎn)換指令發(fā)出時(shí)刻的值，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差，必須在設(shè)計(jì)模擬量采樣環(huán)節(jié)時(shí)充分考慮。如果被測(cè)模擬量信號(hào)變化非常慢，從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到結(jié)束，輸入模擬信號(hào)的大小幾乎沒(méi)有變化，采樣環(huán)節(jié)中就只需 A/D 轉(zhuǎn)換器 [23]。 圖 212 獨(dú)立單通道組成的多模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)(1)由多個(gè)獨(dú)立的單通道組成……傳 感 器信號(hào)調(diào)理 S/HS/HA/DA/D隔 離中央控制模塊模擬輸入量張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)17在這種結(jié)構(gòu)的電路中，每個(gè)通道就是一個(gè)完整的單輸入模擬通道，有獨(dú)立的采樣保持器 S/H 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D，其電路結(jié)構(gòu)如圖 212 所示。因?yàn)槊總€(gè)通道都有采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種電路結(jié)構(gòu)的多模擬量輸入通道價(jià)格較高，與中央控制模塊接口的電路比較復(fù)雜，主要用于高速數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)傳感器后的所有模擬信號(hào)被分別送到多路轉(zhuǎn)換器的各輸入端，其公共輸出端接至共用的信號(hào)調(diào)理電路和 S/H。圖 213 給出了這種多路模擬通道的電路結(jié)構(gòu)。但每次只能采樣一路模擬量，各通道數(shù)據(jù)不能同步，采樣周期較長(zhǎng)，它多用于模擬信號(hào)變化較慢，采樣周期比中央控制模塊處理周期短得多的場(chǎng)合。圖 214 多路模擬信號(hào)共享 A/D 通道結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)比較方便，所有的 S/H 可同時(shí)選中，可使某一時(shí)刻各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的模擬量同時(shí)保持下來(lái)，供單片機(jī)分時(shí)地加以檢測(cè)和處理，以確保檢測(cè)到的數(shù)字…模 擬 信 號(hào)傳 感 器信 號(hào) 調(diào) 理多 路 開(kāi) 關(guān)S/HS/HA/D隔 離中央控制模塊模 擬 信 號(hào)傳 感 器信 號(hào) 調(diào) 理多 路 開(kāi) 關(guān)S/H A/D隔 離中央控制模塊信 號(hào) 放 大湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18量具有時(shí)間上的一致性。模擬信號(hào)通過(guò)采樣/保持電路進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行保持，將保持的信號(hào)通過(guò)由地址控制的多路開(kāi)關(guān)送進(jìn) A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬量變成數(shù)字量， A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送入系統(tǒng)處理 [24]。因此，本設(shè)計(jì)中選用圖 213 所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于測(cè)量溫度和壓力等非電氣參量，可采用 V/F 轉(zhuǎn)換器，以增強(qiáng)抗干擾能力，傳感器輸入信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換與處理，變成電壓模擬量，通過(guò)切換通道選擇一路進(jìn)行壓頻（V/F）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)接至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T1 的引腳，通過(guò)一定時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)器 T1 的數(shù)值得出對(duì)應(yīng)的溫度和壓力 [25]。多路開(kāi)關(guān)通常有 N 個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬量輸出端，并通過(guò)地址線上不同的地址信號(hào)把 N 個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)從公共輸出端輸出，實(shí)現(xiàn)由 N 線到 1 線的接通功能。因此，多路開(kāi)關(guān)通常是一種具有雙向傳輸能力的器件 [26]。當(dāng)然，對(duì)于緩慢變化的模擬量，采樣保持器也可以省去不用。對(duì)于模擬量快慢的判定，既要考慮所用 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間，又要考慮系統(tǒng)所允許的最大采樣時(shí)間。圖 215 采樣保持器原理電路圖張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)19采樣保持器平時(shí)總是工作在采樣狀態(tài)下，開(kāi)關(guān) S 接通，輸出始終跟隨輸入模擬信號(hào)，當(dāng)有采樣控制信號(hào)輸入時(shí)變?yōu)楸３譅顟B(tài)；開(kāi)關(guān) S 分?jǐn)?，電路的輸出保持為采樣控制信?hào)發(fā)出時(shí)刻的輸入模擬信號(hào)值。這樣，A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，就是轉(zhuǎn)換指令發(fā)出時(shí)刻輸入模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。A/D 轉(zhuǎn)換器的品種與類(lèi)型非常多，根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換電路的工作原理可以分為以下幾大類(lèi)型：即雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般具有精度高，抗干擾性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢，廣泛用于數(shù)字化儀表中；逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中；并行 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種用編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。首先，由 CPU 給出啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng) A/D 開(kāi)始轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換芯片都有一根專(zhuān)門(mén)的信號(hào)線表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。最后，當(dāng)判斷轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束時(shí)，由 CPU 執(zhí)行一條指令，從 A/D 轉(zhuǎn)換芯片中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果