变电站微机监控系统的硬件组成与原理

硬件是指微机本身的各器件、外部设备及总线。微机系统是通过总线、各种接口及外部设备与监控对象进行通信，并对监控对象实行监视和控制。如图9-3所示，微机监控系统硬件由模拟量输入/输出回路、微型计算机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路及总线等组成。

图9-3　微机监控系统硬件组成结构框图

一、微型计算机系统

变电站微型计算机系统的硬件一般由中央处理器CPU、定时器/计数器、存储器、Watchdog等组成。

1.（CPU）

中央处理器（CPU）又称微处理器是微型计算机系统的核心部件。由控制器、运算器和寄存器组成。CPU的主要任务是取出、解释和执行指令。因此，计算机程序的运行依赖于CPU来实现，CPU的性能好坏在很大程度上决定于计算机系统性能的优劣。微机监控系统所采用的CPU多种多样，CPU的位数不小于32位。伴随着大规模/超大规模集成电路的广泛应用，64位的CPU被新一代变电站微机监控系统普遍采用。

2.存储器

存储器是保存程序、原始和计算数据微型计算机的记忆部件。存储器的存储容量和访问时间直接影响着微型计算机系统的性能。计算机的存储器通常分为内存储器（主存）和外存储器（辅存）两大类。

（1）内存储器。内存储器是指CPU可以直接访问的内存储器，它一般用于存储正在运行的程序、原始数据、中间结果和最终结果。在变电站微机监控系统中，常见的内存储器有EPROM（紫外线电擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电擦除可编程只读存储器）、SRAM（静态随机存储器）FLASH（快擦写存储器）以及NVRAM（非易失性随机存储器）等。

EPROM可靠性较高，通常紫外线长时间照射，才能擦除保存在EPROM中的内容。所以，微机监控系统中的运行程序和一些固定不变的数据保存在EPROM中。

EEPROM可以在运行时在线改写，且掉电后又可以使存储内容不丢失。因此，在微机监控系统中通常用来保存各种类型的整定值或限值。

SRAM主要是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据信息。

NVRAM和FLASH都是近几年来迅速发展的非易失性存储器。它们具有掉电后数据不丢失、读写简单方便等特点，通常用在变电站微机监控系统中，保存故障数据，为事故分析提供技术资料。

变电站微机监控系统将FLASH替代EPROM作为保存运行程序和固定参数用。随着大规模集成电路和存储技术的发展，半导体存储器的集成度成倍地提高，现在已有不少CPU将SRAM、FLASH、EPROM等集成在一起，一方面降低了CPU外围电路的复杂性，另一方面也加强了整个系统的抗干扰能力。

（2）外存储器。由于计算机的内存储器容量有限，所以一般用外存储器作为辅助存储器保存数据。外存储器主要用于存放暂时不用但又需长期保存的程序和数据。外存储器主要有软盘、硬盘、光盘和磁带等。与内存储器相比，外存储器存储容量大、成本低、存储速度慢，可以永久地脱机保存信息。

3.定时器/计数器

定时器/计数器在变电站微机监控系统中除起计时作用外，还有两个主要用途：①用来触发采样信号，引起中断采样；②在电压—频率模数变换方式中，定时器/计数器是把频率信号转换为数字信号的关键部件。

4.看门狗（Watchdog）、掉电保护

当变电站监控系统受到干扰导致运行程序出轨后，程序脱离正常流程进入死循环，整个系统完全处于瘫痪状态。此时看门狗（程序运行监视系统）能自行动作，强制系统复位，摆脱死循环，使程序重新开始工作。

当系统出现电源掉电故障时，为了防止微型计算机系统丢失主要数据，通常采用掉电保护。掉电保护由相应的硬件电路构成，当检测到掉电信号后，该硬件电路启动微型计算机的外部中断，把当时的重要参数、数据、专用寄存器内容和中间结果暂存入计算机内部数据存储器中，以便上电后，系统能从中断点处继续运行。

在微型计算机系统中，CPU微处理器执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集环节输入至RAM区的原始数据进行分析处理，完成各种相应的功能。

二、模拟量输入/输出回路

来自变电站的电压、电流等模拟量是随时间连续变化的物理量。而计算机系统只能接受数字量，所以就需要将来自TA、TV的电流、电压等模拟量转换为相应的计算机系统能接受的数字脉冲量，需要模拟量输入回路。同时，为了实现计算机系统对生产过程的控制，计算机系统要输出模拟量信号，这就需要模拟量输出回路。

（一）模拟量输入回路

模拟量的输入回路是变电站微型计算机监控系统中非常重要的电路，监控系统的动作速度和测量精度等都与其密切相关。模拟量输入回路的主要作用是规范输入电压、强弱电系统相隔离及模/数变换。根据模/数变换原理的不同，模拟量输入回路分为逐次逼近型A/D转换（ADC）和电压/频率变换（VFC）型模/数变换（它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式）两种方式。本节只讲解ADC方式。

基于逐次逼近式A/D变换的模拟量输入回路如图9-4所示。它主要包括电压形成电路、低通滤波电路、采样保持、多路转换开关及A/D变换芯片等。

图9-4　基于逐次逼近式模拟量输入回路组成原理框图

1.电压形成电路

微机监控系统要通过电流互感器和电压互感器采集一次回路的信息，但互感器的二次侧输出的电流、电压量不能满足模/数变换芯片的输入量要求，所以需对电流、电压量进行变换。电压形成电路原理图如图9-5所示。

图9-5　电压形成电路原理图

（a）变换器输出电压；（b）变换器输出电流

一般模/数转换芯片要求输入信号电压为±5V或±10V，所以电流互感器和电压互感器输出的交流量要经变换器进一步变换，再经滤波电路C1、R2和C2及稳压管V1、V2双向限幅电路，使电压形成电路输出电压U限制在±10V（或±5V）以内。

电压形成电路除了起电压变换作用外，另一个作用是将电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与弱电A/D转换回路相隔离，提高抗干扰能力。

2.低通滤波器

电力系统在故障时，故障相电压和电流分量含有较大的高次谐波分量。如果对所有的高次谐波成分均不失真地进行采样，那么将使采样电路的采样频率f0很高，增加采样硬件成本。而微机监控系统一般根据采集的变电站工频分量，或者某种高次谐波（例如5次谐波分量），已经可以掌握变电站的运行状态，没有必要采集全部的高次谐波成分。所以，在保证采样信号不失真前提下，必须降低采样信号的频率f0。

要降低采样信号的频率，在采样前配置一组低通滤波器，将f0/2以上频率的谐波分量滤掉。低通滤波器包括无源和有源两种类型，最常见的是由电阻与电容元件组成的RC低通滤波器。低通滤波器的幅频特性的最大截止频率必须根据采样频率f0的大小确定。例如：当采样频率为1000Hz时，低通滤波器的最大截止频率为500Hz。

3.采样保持器

由于逐次逼近式模/数转换器组成的数据采集系统工作时，需要一定的转换时间，而输入的采样信号是连续变化的。因此，使用采样保持器将输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按A/D转换器的要求，将输入模拟信号保持一段时间，供模/数转换器使用。

图9-6为FL398型采样保持器电路。ui为模拟输入信号，u0为采样保持器输出信号。图9-6（a）中，A1和A3为两个高性能的运算放大器，A2为跟随器，CH为保持电容器，AS为电子采样开关。通过控制保持电容器CH和电子采样开关AS，实现对模拟输入信号ui的采样保持功能。

图9-6　FL398型采样保持器电路

（a）内部接线原理图；（b）电路图

当电子采样开关AS闭合时，电容器CH两端的电压将随模拟输入信号ui的变化而变化。此时电路处于采样阶段。当采样保持器的逻辑输入端有来自微型机发来的控制信号后，控制开关AS瞬时断开，则输入模拟信号的电压值被电容器CH记忆下来。由于输入跟随器的输入阻抗很大，电容器CH上的电压只能保持一段时间。在保持结束后，电子控制开关AS重新闭合，进入下一轮的采样阶段。

由于电容器CH已有一定的电荷，从电子采样开关AS闭合到输入模拟信号的电压值被电容器CH所记忆，需要一定的时间ΔT，即采样时间。该时间的长短受模拟输入信号电压幅值变化量的大小、电容器CH上电荷量的多少及信号源的带负荷能力等因素影响。

4.模拟量多路选择开关

在变电所中存在大量的模拟量，大量的模拟量必须经A/D转换后，输入至微机监控系统。若有一路模拟量信号就配置一组A/D转换器，硬件电路多则增加CPU的负担。现在只用一组A/D转换器，利用多路选择开关来轮流切换输入模拟量与A/D转换器相连；每次A/D转换只选择一路模拟量。

5.模/数变换器（ADC）

微型机系统只能对数字量进行运算或逻辑判断，不识别电力系统中的电流、电压等模拟量信号。所以，必须用模/数变换器（ADC）将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便微型计算机系统进行处理、存储和显示。

逐次逼近型模/数变换器原理框图如图9-7（a）所示。图中，SAR为寄存器，D/A为八位数模转换器，还有比较器、时序及控制逻辑等。

图9-7　逐次逼近型模/数变换器

（a）原理框图；（b）逐次逼近原理

模/数变换器（ADC）的工作原理：在进行模/数转换时，先将寄存器SAR各位清零；转换开始时，控制逻辑电路将寄存器SAR的最高位设定为“1”，其余各位为“0”，此试探值“10000000”经D/A转换成电压UC，再将UC与模拟输入电压UX比较，若UX≥UC，则SAR最高位“1”保留，若UX≤UC，将SAR最高位清零，再对SAR寄存器的次高位置“1”，此试探值“01000000”经D/A转换成电压UC，再将UC与模拟输入电压UX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状态改变，说明已经完成一次转换过程，此时寄存器SAR中的八位二进制数就是逐次逼近型模/数变换器的转换结果。

图9-7（b）为八位逐次逼近型模/数变换器的逐次逼近过程，其逐次逼近转换最终结果为“01001001”。转换结果能否准确逼近模拟输入信号，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。

（二）模拟量输出回路

计算机系统一般以数字信号的形式输出，而计算机系统对工业生产过程的控制，有时却需要计算机系统输出模拟量。只有通过模拟量输出回路，计算机系统才能实现对工业生产过程的控制。(www.xing528.com)

1.模拟量输出回路的组成

图9-8为模拟量输出回路结构框图。输出回路由输出接口、锁存器、数/模（D/A）转换器和放大驱动回路组成。

图9-8　模拟量输出回路结构框图

锁存器的作用。由于数/模（D/A）转换器工作时，每一转换都需要一定的时间，而计算机系统输出的数字信号在总线上停留的时间却很短，为了使数/模转换器（D/A）在转换过程中输入量始终不变，需要通过锁存器记忆转换过程的输入量，来保证模拟量输出回路的稳定。

放大驱动回路的作用：为了能对工业生产过程的控制，必须将数/模转换器（D/A）输出的模拟量进行功率放大，模拟量输出回路具有一定的输出功率，才能驱动被控设备。

2.数/模转换器（D/A）

图9-9是一个四位数/模转换器的原理接线图。图中，S1～S4为电子开关，B1B2B3B4为四位二进制数字量，A为运算放大器（与电阻RF组成反相器电路）。

图9-9　四位数/模转换器的原理图

当某一位二进制数为“0”时，其对应位电子开关S切至右侧，并与接地相连；而某一位二进制数为“1”时，电子开关切至左侧，与运算放大器A的反相输入端相连。流向运算放大器A的反相输入端总电流I∑的大小，反映四位二进制数字量的大小。运算放大器A的反相输入端的电位实际上也是地电位，因此不论电子开关切至哪一侧，对图9-9中电阻网络的电流分配是没有影响的。

由于a点电位Ua=-UR/2，b电位Ub=-UR/4，c点电位Uc=-UR/8，所以对应图9-9中各电流分别为

而流入运算放大器反相输入端的电流为

式中，D=B12-1+B22-2+B32-3+B42-4是把四位二进制数B1、B2、B3、B4的权进行组合而表示的数字量。

反相器输出模拟电压为

当R=RF时

由式（9-7）可见，数/模转换器输出的模拟电压uD正比于输入的数字量D。

三、开关量输入/输出回路

在变电站中，除数据模拟量外，还有反映一、二次设备运行状态的信号量，如断路器和隔离开关的位置、接地刀闸的位置、保护压板位置、保护跳闸信号、数值越限、闭锁信号、断路器的触点以及人机对话功能键的状态等。上述的状态信号总称为开关量信号。

开关量输入电路的基本功能是将变电站内的状态信号引入微机监控系统中，判别一、二次设备运行状态；开关量输出电路基本功能是将CPU输出的数字信号进行显示或完成控制调节任务等。开关量输入/输出回路结构原理相类似，本接只讲解开关量输入回路。

（一）开关量输入回路

图9-10为开关量输入回路结构框图。开关量输入电路由消抖滤波电路、信号调节电路、隔离电路、逻辑控制电路、驱动电路及地址译码电路等组成。

1.消抖滤波电路

由于长线及空间可能产生干扰信号，会使开关量输入信号的状态发生变化。因此，开关量输入回路要配置消抖滤波电路，消除干扰信号。图9-11（a）为消抖滤波电路。由图9-11（b）与图9-11（c）比较看出，在采用了消抖滤波电路后，其输出波形消除了干扰信号。

图9-10　开关量输入回路结构框图

图9-11　消抖滤波电路及原理

（a）消抖滤波电路；（b）未采样消抖滤波电路的输出波形；（c）采样消抖滤波电路的输出波形

2.隔离电路

开关量输入回路与数字电路之间要采取隔离技术。隔离是指数字电路与大功率的电源相隔离；一次回路及设备与数字电路隔离；多个输入电路之间的隔离等。采取隔离技术的目的防止各级计算机系统受到高电压、大电流的冲击而损坏。在微机监控系统中，隔离技术常用光电隔离和继电器隔离两种方法。

（1）光电隔离。利用光电耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件，其原理接线图如图9-12所示。UD为光电耦合器输入端电位，U01为输出端电位，S为开关量输入信号触点。

当有开关量输入信号时，触点S闭合，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，于是输出端U01有电位。在光电耦合器件中，信息的传递介质为光，虽然输入和输出都是电信号，但没有电的直接联系，所以输入信号不受电磁干扰，隔离效果比较好。

（2）继电器隔离。继电器隔离原理接线图如图9-13所示。K1和K2为隔离继电器，V为保护二极管，S1和S2为开关量输入触点。

S1和S2相当于变电站的断路器、隔离开关、继电器的触点和主变压器分接开关位置等开关量信号，当它们要输入至微机监控系统中时，必须要经隔离继电器K1和K2；用K1和K2的触点代替上述开关量信号，与计算机系统相连。

图9-12　光电耦合器原理接线图

图9-13　继电器隔离原理接线图

（a）隔离继电器启动；（b）隔离继电器触点输出

3.驱动控制及端口地址译码器

（1）驱动控制。微处理器在进行系统扩展时，为了正确地进行数据的I/O传送，必须解决总线的隔离和驱动问题。通常总线上连接着多个数据源设备（向总线输入数据）和多个数据负荷设备（向总线输出设备）。但是，在任一时刻只能进行一个源和一个负荷之间的数据传送，此时要求所有其他设备在电性能上与总线隔离，这就是总线隔离问题。此外，由于微处理器功率有限，使每个I/O引脚的驱动能力亦有限。因此，为了驱动负荷，往往采用缓冲器/驱动器。

（2）地址译码器。当微处理器的内部器件不能满足应用系统的要求时，在片外连接相应的外围芯片（并行I/O接口、存储器芯片等）来满足应用系统的要求。而变电站微机监控系统输入/输出信息比较多，需要扩展多块输入/输出接口电路芯片，所以存在地址译码器问题。

四、人机对话接口回路

人机对话接口回路主要功能包括显示（实时运行数据信息、电气主接线画面、越限报警、运行日志、保护定值及事件顺序记录等）、输入（互感器的变比、保护定值、工作方式设定、越限值等）和人工控制操作（断路器及隔离开关的操作、有载调压变压器分接开关操作、保护连接片投入与退出操作、打印机驱动、监控信号试验与复归操作等）。

人机对话接口回路包括键盘响应电路、显示电路、打印机驱动电路、多机通信巡检开关及通信电路。

键盘响应电路完成数据信息的输入、显示操作等任务，包括落键识别、键号识别和落键处理。

显示电路完成变电站实时运行信息的显示任务。信息包括数字、曲线及表格文字和图像信息，使运行值班员及时了解变电站的运行状态。信息显示有CRT显示器和LCD液晶显示器两种显示方式。

打印机驱动电路包括计算机数据线之间联系的接口电路和打印机与微处理器之间的应答控制信号之间的接口电路。

多机通信巡检开关用来协调和指挥微机监控系统中各功能单元间的按串行接口相互通信。当对应各功能单元间的巡检开关在“投入”位置时，人机对话计算机系统轮流对各功能单元CPU发出巡检指令，将变电站实时信息通过串行接口传送至人机对话计算机系统，显示或打印输出。

五、通信回路

同时，各子系统的工作情况还要远传给调度（控制）中心，所以通信回路的功能主要是完成机间通信及远动通信。

六、总线

微机监控系统的总线是各部件之间传送信息的公共通道。根据传送的信息不同，总线分为地址总线、数据总线和控制总线。

地址总线用来传送存储单元或I/O接口的地址信息。地址总线的根数反映计算机系统的最大内存容量。

数据总线用来在CPU与内存或I/O接口之间传送数据。数据总线的位数反映CPU一次可接受数据的能力。

控制总线用来传送控制器的各种控制信号。

微机监控系统的主机板和各种外围功能板（功能板有很多类型，如I/O接口板，A/D、D/A转换板，打印机接口板等）之间通过系统总线联系起来，使系统内各种数据和指令通过总线送到各自部件。系统总线有S-100、STD和BASE等型式的标准总线。另外，变电站微机监控系统与其他自动化系统之间的信息交换，要经通信总线来实现。