第4章智能电子设备基本原理

Uref
000 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 1 ×8 A
000 3/15 7/15 11/15 1 5/15 9/15 13/15 ×8 A
△A
△A
(a)只舍不入方式
(b)四舍五入方式
量化过程的近似方式
2. A/D转换器（Analog to Digit Converter）
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。
具体功能
1.数据采集 （Data Acquisition） 2.调节控制 （Regulation and Control） 3.数据加工处理 （Data Processing） 4.数据通信 （Data Communication） 5.人机交互接口 （Man Machine Interface）
（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。
比较器
UC
D/A
SAR
START
时序及控制逻辑
UX
URef
数 字 量 输 出
EOC
电压比较 Ux
Uc1
Uc2
Uc6
Uc4 Uc5
Uc7 Uc8
Uc3
10111011 SAR中的结果
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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（Sample Holder）
原理图
百度文库
采样过程
波形图
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
D
输入
D
输入
111
输出 111
输出
110
110
101
101
100
100
011
011
010
010
LSB 001
Uref LSB 001
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。
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。
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
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。
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。
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。
0
t
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0～5 V，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。
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 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（Intelligent Electronic Device）。
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。