配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计.docx
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配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计
《配电网自动化技术》
课程设计任务书
题目
配电自动化远动终端FTU交流采样通道的设计
学生XX
屈璟
学号
5
专业班级
电气1002班
设
计
容
与
要
求
1．背景
FTU是配电自动化系统的重要设备，在配电自动化系统中得到了广泛的应用。
交流采样通道是FTU的重要部分。
FTU交流采样通道采样的电气量为：
测量2个电压：
、
，输入交流电压有效值0～220V.
测量3个电流
、
、
，输入交流电流有效值0～5A.
保护电流
交流有效值0～100A
精度指标为：
电压电流的采样精度：
±0.5%
有功无功的采样精度:
±1%
故障电流检测X围：
0A~100A；故障电流精度：
3％；
交流电压：
连续工作120%额定电压；
交流电流：
200%连续工作，1000%额定电流，可持续1秒
2．设计要求
（1）熟悉电力系统交流采样电路的工作原理。
（2）熟悉FTU的功能和性能。
（3）通过互联网查询选择各类器件。
（4）掌握器件的性能参数。
3．设计内容
根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。
（1）计算性能指标。
（2）设计电路。
（3）根据计算的性能指标，选择元器件。
（4）交流采样算法的和程序框图。
（5）撰写设计报告
起止时间
2013年12月23日至2013年1月2日
指导教师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
课程设计任务书……………………………………………………………………1
内容与要求…………………………………………………………………………3
设计原理及整体思路………………………………………………………………3
1、交流采样通道的组成……………………………………………………3
2、交流采样电路部分原理…………………………………………………4
设计详情………………………………………………………………………………7
1、器件的选择…………………………………………………………………8
2、交流采样算法……………………………………………………………12
3、交流采样流程图…………………………………………………………13
课程设计总结………………………………………………………………………13
参考文献……………………………………………………………………………14
一、内容与要求
1.FTU（FeederTerminalUnit）馈线终端单元是配电自动化系统的重要设备，可以实现馈线段的模拟，信号的测量控制。
在配电自动化系统中得到了广泛的应用。
而交流采样通道是FTU的重要部分。
2.要求FTU交流采样通道采样的电气量为：
测量2个电压：
、
，输入X围交流有效值0～220V.
测量3个电流
、
、
，输入X围交流有效值0～5A.
保护电流
交流有效值0～100A
精度指标为：
电压电流的采样精度：
±0.5%
有功无功的采样精度:
±1%
故障电流检测X围：
0A～100A；故障电流精度：
3％
交流电压：
连续工作120%额定电压
交流电流：
200%连续工作，1000%额定电流，可持续1秒
根据以上的电气量和电气量的指标设计FTU交流采样通道电路。
（1）计算性能指标。
（2）设计电路。
（3）根据计算的性能指标，选择元器件。
（4）交流采样算法和程序框图。
（5）撰写课程设计。
二、设计原理及整体思路
交流采样是将连续变化量离散化，用一定的算法号进行对离散的时间信分析，计算出所需信息。
可以直接对交流电流、电压波形进行采样，因此，对于被测电量的波形可以进行分析，实时性好。
对于有功功率、无功功率可通过采取的u、i值进行计算求得。
一般处理方法是将连续时间的信号的一个周期T分为N个等分点，每隔T/N时间进行一次采样，将得到离散时间信号，把这些采样值存放在存储器中，用软件处理可得到参数。
1.交流采样通道的构成及原理图
在IED中，交流采样通道由中间电压、电流互感器，滤波器、多路模拟开关、
采样保持器，A/D转换，微处理器，频率跟踪电路等组成。
原理图如下：
模拟量采样通道（交流采样）
信号：
交流采样的信号取自一次互感器的二次回路，电压信号的额定值为100V（有效值）或100/
V，电流信号的额定值为5A（1A），一般将电压电流通过二次互感器变为3.53V、7.07V的交流电压。
滤波：
电气量包含一定的谐波成份，为了使采样值符合耐奎斯特采样定理，一般装置设置低通滤波器，截止频率按照工程要求决定，4倍以上截止频率。
多路模拟开关：
根据开关的地址选通一路，从多路开关输出。
采样保持：
A/D转换器，实现A/D转换需要一定的时间，采样保持器是在逻辑电平的控制下，使其处于采样或保持状态。
A/D实现模数转换。
微处理器。
频率跟踪电路。
2.交流采样电路部分原理
（1）二次互感器：
外部电路和内部电路的隔离，外部信号和内部信号的匹配。
（2）滤波环节：
二次互感器，输出0-±5V的变化的模拟量，为了消除高频干扰和提高后续采样处理的精度，用低通滤波器对二次互感器的输出信号进行滤波处理，滤去高频部分，提高采样精度。
作为浪涌过电压的保护。
用有源器件实现前后级的匹配。
（3）多路开关：
将多个模拟输入量有选择地进行切换，为了共用A/D.机械式，继电器等不用。
目前普遍采用集成电路模拟多路开关。
模拟开关是一种在数字信号控制下，将模拟信号接通或断开的原件或电路，由开关元件和驱动电路组成。
构成为：
通道地址输入缓冲寄存器、通道地址译码器、开关驱动电路、模拟开关。
每个开关控制一个通道的切换，有自己的唯一地址码，当MUX接收地址总线送来的地址代码，存入地址缓冲区，再将译码器译出，选通信号通道。
控制驱动电路使该开关导通，除了以上地址码，还要在MUX使能端加片选信号。
主要参数：
导通电阻，稳定时间，接通时间，关断时间。
（4）采样保持器
采样保持器的基本组成原理电路如下所示：
（a）（b）
采样保持器的基本组成原理电路
（a）基本电路（b）采样—保持波形
A/D转换完成需要一定的时间，在这段时间内，模拟量不能发生变化。
在状态指令的控制下，“采样”和“保持”，在采样时刻，把模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的A/D转换时间准确地保持一段时间。
输入/输出缓冲放大器，A1A2采样开关S,保持电容
组成。
以上电路中，核心是高速采样开关和保持电容
，A1A2作用是阻抗匹配。
工作过程是：
当控制逻辑置高电平时，S闭合，C快速充电，完成采样，然后断开S,采样得到的电平被保持。
A/D转换器完成一次完整的转换需要一段时间，在这段时间里，模拟量不能变化，否则就不准确了。
尤其对变化较快的模拟量来说，就必须引入采样/保持电路，将瞬间采集的模拟量“样本”冻结一段时间，以保证A/D转换的精度。
（6）模/数转换器（A/D）：
实现A/D转换的方法很多，有逐次逼近型、双积分型、计数-比较型、并行比较型等。
在测控装置中最常用的模/数转换器是利用逐次逼近型原理实现的，它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。
它的实质是逐次把设定的SAR寄存器中的数字量经D/A转换后得到的电压
与待转换的模拟电压
进行比较。
比较时，先从SAR的最高位开始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0”，其工作过程如下：
在进行转换时，先将SAR寄存器各位清零。
转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR寄存器的最高位为“1”，其余各位为“0”，此试探值经D/A转换成电压
，然后将
与模拟输入电压
比较。
如果
，说明SAR最高位的“1”应予保留；如果
，说明SAR该位应予清零。
然后再对SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法进行D/A转换和比较。
如此重复上述过程，直至确定SAR寄存器的最低位为止。
逐次比较过程结束后，状态线EOC改变状态，表明已完成一次转换。
最后，逐次逼近寄存器SAR中的内容就是与输入模拟量
相对应的二进制数字量。
显然A/D转换器的位数n决定于SAR的位数和D/A的位数。
转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于SAR和D/A的位数。
位数越多，越能准确逼近模拟量但转换所需的时间也越长。
假设,D/A为8位，Uref为参考电压5V,为D/A转换器的输出电压：
取
当输入数字量为：
10000000
2.5
01000000
1.25
00100000
0.625
00010000
0.3125
00001000
0.15625
00000100
0.078125
00000010
0.039063
00000001
0.019531
三、设计详情
根据基本设计任务，交流采样通道的实际要求和构成原理，需要选择互感器、采样保持器、多路开关、A/D转换器。
要求测量2个电压：
、
，测量3个电流
、
、
，保护两个电流
总共七个互感量，所以需要设计七路交流采样通道，七路采样通道可以选择8路多路开关，，则选择8路A/D转换器即可。
1.器件的选择
（1）互感器的选择
根据本次课程设计的要求是设计七路采样通道共用到七个互感器，其中测量电路的互感器3个，保护用的互感器2个，测量电压用的互感器2个。
A.设计测量3个电流Ia、Ib、Ic，输入X围交流有效值0～5A.选择电流电压双用互感器
型号
输入电流
线性度
相移
TR4108-1
5
优于0.1
＜5'
TR4117
5
优于0.1
＜5'
TR4151
5
优于0.1
＜5'
设计保护电流Ibha,Ibhb交流有效值0～100A.选择单相电表用电流互感器
型号
输入
负载
精度
相位差
线性X围
TR2178D
20（100）A
≤20
0.1
<5ˊ
5%~500%
TR2167D
10（100）A
≤20
0.1
<5ˊ
5%~500%
测量2个电压：
Uab，Ucb，输入X围交流有效值0～220V。
选择检测用电压输出型电压互感器
型号
精度
相位差
额定输入
额定输出
TR1101-1C
<0.1%
<5ˊ（补偿后）
200V
7.07V
TR1102-1C
<0.1%
<5ˊ（补偿后）
220V
3.53V
电流转换电压精密电阻计算：
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）滤波器的选择
根据电路的性能要求转换为0-5V电压的考虑,我们选择RC滤波电路。
工频为50Hz，1/150=（3～4）τ=（3～4）RC。
选择R=150kΩ，C=0.01uf。
可知，R的阻值大于精密电阻阻值的10倍，满足要求。
（3）多路开关的选择
由于要测量的参量只有7个，所以选择带八路的多路开关即可。
这里我们选择CD4051多路开关的芯片。
多路选择开关CD4051的8路输入输出信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号。
CD4051是CMOS电路，最高工作电压18V。
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址吗ABC来决定，当VEE=-5V时，只要对此模拟开关施加0-5V的数字控制信号，就可控制幅度为-5V—+5V的模拟信号。
INH为禁止端，INH=0时各个通道导通。
CD4051工作电压不要超过15V，否则可能会不稳定。
一般电路用5V即可。
INH、C、B、A其工作状态的控制过程：
INHCBA接通的通道
0000“0”
0001“1”
0010“2”
0011“3”
0100“4”
0101“5”
0110“6”
0111“7”
（4）采样保持器的选择
本次设计选用LF198单片采样保持器，其特点为：
工作电压X围为
；
信息采集时间小于10us；
TTL，PMOS和CMOS兼容逻辑输入；
增益精度
；
；
低噪声的输出模式；采样或保持高抑制比；宽带宽。
（5）A/D转换器的选择
根据电路功能特点，选择A/D574转换器。
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接组件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
下图是转换器的原理图，N位数字量输入，经过数据缓存器、数据锁存器、电源开关、电阻网络，最后经过运算放大器输出。
数据缓存器送到数据锁存器，D/A转换需要一定的时间，此期间待转换的数字量不应变化，而计算机输出的数据在数据总线上稳定的时间很短。
因此必须用锁存器来保持数字量的稳定。
要一直锁存到转换完毕，又有新的数据存入时为主。
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：
25us
模拟电压输入X围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
分辨率为八位：
采样精度计算：
相对精度：
，由于小于±1/2LBS所以算出值要比实际值大，在采样精度的允许X围内。
AD574A有两部分组成：
一部分是比较器、12位逐次逼近寄存器、时钟电路、三态输出缓冲器和控制逻辑电路，另一部分是10V基准电压、12位数/模转换器。
其引脚说明如下：
[1].Pin1（+V）——+5V逻辑电源。
[2].Pin2（12/
）——数据输出方式选择信号，高电平时输出12位数据，低电平时与A信号配合输出高8位或低4位。
[3].Pin3（
）——片选信号。
[4].Pin4（
）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（R/
）——读转换控制信号。
[6].Pin6（CE）——芯片使能信号。
AD574A的CE、
、
、
和A0对其工作状态的控制过程
.
CE
A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效
（6）单片机的选择
本次设计选用8051单片机:
lP0.0~P0.7P0口8位双向口线。
lP1.0~P1.7P1口8位双向口线。
lP2.0~P2.7P2口8位双向口线。
lP3.0~P3.7P2口8位双向口线。
P0口有三个功能：
①外部扩展存储器时，当做数据总线
②外部扩展存储器时，当作地址总线
③不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：
其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
①扩展外部存储器时，当作地址总线使用；
②做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置.
2、交流采样算法：
关于采用何种采样算法的问题，由于我们选择的是20点采样算法，所以采用多点采样法（均方根算法）。
原理根据有效值的定义，将连续的函数离散化：
算法的特点：
当采样点均匀时，能得到较高的采样精度，20点采样用10位A/D转换器，U、I可得到0.5%误差。
采样间隔均匀用N等分周期，实际电网周期是变化，如何测频是取得高精度的重要环节
3、交流采样流程图：
四、课程设计总结
配电自动化系统的实施，能够提高配电系统运行的可靠性、安全性、经济性。
通过这个系统对配电网进行监视，控制，与协调管理。
馈线自动化是配电网自动化的重要组成部分。
要实现馈线自动化，需要合理的配电网结构，具备环网供电的条件；各环网开关、负荷开关和街道配电站内开关的操作机构必须具有远方操作功能；环网开关柜内必须具备可靠的开关操作电源和供FTU、通信设备用的工作电源；具备可靠的、不受外界环境影响的通信系统。
在馈线自动化系统中配电网监控远方终端（FTU）负责对控制对象实时位置信号和测量值的接受以及对控制对象进行遥控。
本次课程设计的目的是通过对配电自动化的运动终端FTU交流采样通道的设计来熟悉电力系统采样电路的工作原理，该电路在IED中由中间电压、电流互感器，多路模拟开关、采样保持器，A/D转换，微处理器，频率跟踪电路等组成。
，主要了解以上电路或器件的组成及工作原理；熟悉FTU的功能和性能，通过互联网查询选择各类器件，掌握器件的性能参数，通查找资料和总结，掌握FTU各组成元件的型号、参数、功能，了解FTU的整体功能和交流采集原理及过程，知道一些元器件性能指标的计算。
通过老师的精心指导及与同学的交流，圆满完成了此次FTU交流采样通道的课程设计。
本次课程设计使我受益匪浅。
通过课程设计，我较为全面地了解了馈线自动化系统终端FTU的功能和作用。
特别是要感谢董老师对于我的指导，令我获益匪浅，使得我顺利的完成了这次课程设计。
五、参考文献
[1].董X卓·教学课件
[2].许克明、熊炜·《配电网自动化系统》·XX大学·2007年5月
[3].王士政.电网调度自动化与配网自动化技术.中国水利水电.2008，6.
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