ch04数据采集

第四章电力系统数据采集数据采集是电力系统调度自动化的基础。只有实现了系统的运行参数自动采集之后，才能实现调度控制的自动化。数据采集是由厂站端的数据采集设备（或称远动设备RTU、FTU实现的。1电力系统运行控制数据信息一、四遥量1、遥信遥信量主要是反映电网开关状态和元件保护动作信息，包括断路器的分合隔离刀闸的分合元件继电保护动作状态自动装置动作状态一般为2值数字量。2、遥测遥测量主要反映电网各元件如线路、母线、变压器、发电机等的运行参数，包括母线电压、频率线路有功、无功、电流变压器有功、无功、电流发电机有功、无功、机端电压、电流变压器分接头位置水位温度一般为数值连续变化的模拟量，也有把计量电度的脉冲量看作遥测量的。3、遥控遥控是调度中心向下级厂站发送的关于断路器分合发电机投切电容器投切的控制命令。遥控是一种开关量的输出。4、遥调遥调是调度中心向下级厂站发送的关于发电机功率调整发电机机端电压调整变压器分接头位置调整无功补偿容量调整的命令。遥调是一种模拟量的输出。二、数据采集设备的基本结构形式CPUROM通信接口RAM接口接口接口接口接口外设MODEM信道A/D模拟量输入数字量输入数字量输出D/A模拟量输出模拟量信号开关量信号遥控遥调ROM存储程序，RAM存储数据，CPU执行程序，完成采集和控制的功能。方框内是一个功能模块，既可以在一个装置中包括所有模块，也可以在一个装置中只实现一个模块。如果需要与其他设备通信，增加一个通信模块。2数字量输入一、数字量采集子系统的结构计算机总线驱动三态门三态门控制逻辑地址译码去抖电路隔离电路输入信号去抖电路隔离电路输入信号去抖电路隔离电路输入信号去抖电路隔离电路输入信号数字量输入信号经隔离电路和去抖电路消除干扰后进入三态门，三态门的输出经驱动电路送上数据总线，CPU从数据总线上读取数据。当有多路信号时，地址译码逻辑负责选片。二、数据通道抗干扰断路器和隔离刀闸的状态一般取自它们的辅助触点。这些触点通常距离测量装置较远，连线较长。为避免连线上引入干扰，一般信号输入时需采取隔离措施。1、继电器隔离5VJ远动装置J断路器辅助触点断路器断开，辅助触点闭合，使得J动作，低电平0进入远动装置。断路器闭合，辅助触点断开，使得J释放，高电平1进入远动装置。2、光电隔离5V远动装置断路器辅助触点光敏三极管断路器断开，辅助触点闭合，二极管接通，光敏三极管集电极低电平0进入远动装置。断路器闭合，辅助触点断开，二极管不通，光敏三极管集电极高电平1进入远动装置。光电耦合器件体积小，响应速度快，不受电磁干扰影响，是理想的隔离方法，缺点是驱动能力较低。3、去抖电路因为触点闭合时并不是一步到位，而是有一个抖动的过程，这个过程如不处理，会导致采集错误。一般采用双稳态触发器实现。三、数字量的信号采集数字量的采集可以使用三态门。ENBENBENB选通信号输入CPU数字信号经过隔离和去抖后进入三态门的输入。三态门的输出与微机数据总线相连。三态门未被选中时处于高阻状态。CPU读取数据时发出读三态门的命令，三态门被选中，数据传输到数据总线，由CPU读入和处理。可使用三态门芯片如SN74150,74LS244或并行接口芯片如INTEL8255。但是8255与CPU的复位时序有关系，如未适当处理，系统复位时会造成数据采集错误，所以使用三态门可靠性高一些，但是由于元件较多，制板复杂一些。1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G1974LS24474LS244DB07116A116A116A116A116A116A116A116R8AVCC开关表示接入的数字量信号，1G、2G接端口译码的输出信号。四、地址译码当输入数字通道比较多时，需要多片三态缓冲器，这时需要进行地址译码，以确定在某一时刻读取哪一片缓冲器中的数据。常用方法有38译码器或使用数值比较器译码。38译码器最典型的是74LS138。它利用高地址进行译码，如下例A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7774LS138A5A6A7A8A9AENA8、A9，AEN低电平做使能信号，A5、A6、A7做片选，Y0Y7的对应的地址范围为地址总线A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0译码输出地址范围00000Y000001F00001Y102003F00010Y204005F00011Y306007F00100Y408009F00101Y50A00BF00110Y60C00DF00111Y70E00FF如果有多块采集板，可以使用74LS688这样的数值比较器实现板选。P02P14P26P38P411P513P615P717Q03Q15Q27Q39Q412Q514Q616Q718G1PQ1974LS68812345678161514131211109SWSWDIP812345678161514131211109RRESPACK4VCCG是控制端，P0P7接高位地址线，Q0Q7接板选拨码开关，PQ时输出低电平，否则为高，该输出信号即可作为板内选片的控制信号。五、采集程序数字量采集一般定时扫查的方式。首先设置定时中断，定时中断可以由CPU自己产生，也可以使用专门的定时器/计数器芯片如INTEL8253等。定时中断发生时，在定时中断处理程序内依次读每个三态缓冲器端口，将读入数据放到指定的数据区存放，并进行变位判断等。3数字量输出一、系统结构计算机总线驱动锁存器锁存器控制逻辑地址译码隔离电路输出继电器输出信号隔离电路输出继电器输出信号隔离电路输出继电器输出信号隔离电路输出继电器输出信号二、输出过程地址译码和输出隔离的原理同输入相同。输出通道的主要特点在于由于微机输出的数据只能在总线上存在很短时间，必须利用锁存器保持信号电平，常用的锁存器有74LS273,74LS373,74LS573等。CPU收到输出指令后，向输出端口送出状态字，地址线上的地址信号选通相应的锁存器，状态字被锁存器保持并通过隔离电路和输出继电器输出。4模拟量输入一、系统结构电力生产传输过程传感器变送器信号处理传感器变送器信号处理多路开关采样保持器A/D转换器微型计算机模拟量输入通道由以下部分组成1、传感器、变送器传感器将非电量物理量转换为电量物理量。如热电阻、热电偶可以测量温度，压敏电阻可以测量压力等。变送器将电量物理量转换为计算机可以处理的电压电流范围。一般一次PT将高压电转换为0100V的次级电压，一次CT将大电流转换为05A的二次电流。电压、电流变送器将这些范围的信号转换为05V的电压信号或420MA的电流信号。功率变送器的输出为双极性5V5V的电压范围。2、信号处理电路一般A/D转换器的输入有025V,05V,010V,单极性有05V,010V,020V。如果输入信号不在此范围内，需要电路将信号调整到此范围内。同时，为减少干扰影响，需要增加低通滤波电路滤除高频干扰信号。一般用RC低通滤波即可，也可使用带放大器的有源滤波电路。3、多路转换开关一般一个测量模块都会测量多路模拟信号而共用一个A/D转换芯片，需要一个多路转换开关进行切换。4、采样保持器由于A/D转换芯片完成转换需要一定时间，而输入信号又在不断变化，所以转换过程中需要一个采样保持电路保持一个采样值，使得A/D转换期间信号保持不变。5、A/D转换器这是模拟量采集的关键部件。它将模拟量转换为数字量，供计算机进行处理。二、A/D转换器1、原理电力系统数据采集要求比较高的速度，因此一般使用逐次逼近型的A/D转换器。逐次逼近的原理类似与天平称重。它由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器以及时序和控制逻辑电路组成。首先，转换前将SAR清0。转换开始后，先将SAR最高位置1，此值由D/A转换器转换成电压UC，与输入电压UX比较，若UXUC，则该位保留，否则清0。然后在对次高位进行同样过程。直至全部位完成。2、特点1、转换速度快。2、转换时间固定。3、抗干扰能力较差。需要附加抗干扰电路。3、A/D转换器的主要技术指标1分辨率RESOLUTION分辨率反映A/D转换器对输入微小变化的能力，通常用数字输出的最低位LSB所对应的模拟输入电平值表示。如8位的A/D转换器对模拟量输入满量程的1/28的增量作出反应。所以一般也用A/D转换器的位数来表示。2精度绝对精度对应于一个数字量的实际模拟输入电压与理想的模拟输入电压之差。通常以数字量的最小有效位LSB的分数值表示，如1/2LSB等。相对精度指在整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。3转换时间转换时间指完成一次A/D转换需要的时间，即由发出启动转换命令到转换结束信号开始有效的时间间隔。4电源灵敏度电源灵敏度指A/D芯片的供电电源电压发生变化时产生的转换误差。一般用电源电压变化1时相当的模拟量变化的百分数表示。5量程量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分单极性、双极性两种。6输出逻辑电平多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL兼容。在考虑数字量输出与计算机总线接口时，需要考虑是否三态输出，输出是否需要锁存等。7工作温度范围一般A/D转换器的温度范围在070，军品在55125。4、典型A/D转换芯片AD574AAD574A是非常常用的A/D芯片，它是12位逐次逼近型A/D转换芯片，有片内输出数据锁存和三态输出功能，可进行12位或8位转换，进行12位转换时可以一次读出12位数据，也可先读低8位，再读高4位，输入可接单极性或双极性，有片内时钟。VCC1REFIN10LSBDB016DB117ANGND9DB218DB319DB420BPLROF12DB521DB622DB72310VSPN13DB824DB92520VSPN14DB1026MSB1127REFOUT8STATUS28CE6CS3VS7A0/SC4R/C5VS1112/82AD574AR2100R1100KR3100KR4100K15V15V010V020V5V15V15VVCC1REFIN10LSBDB016DB117ANGND9DB218DB319DB420BPLROF12DB521DB622DB72310VSPN13DB824DB92520VSPN14DB1026MSB1127REFOUT8STATUS28CE6CS3VS7A0/SC4R/C5VS1112/82AD574AR1100R21005V10V15V15V5V12脚电路调整零点，8、10脚电路调整满量程。CE为高，CS为低时芯片工作。R/C为低时启动转换，为高时读出数据。A0为低，启动12位转换，A0为1启动8位转换。12/8接5V则一次输出12位结果，接地则先读高8位，后读低4位，A0为0读高8位，A0为1读低4位。三、多路转换器A/D转换芯片价格较高，如AD574A在400600元间，甚至超过CPU的价格，所以多路模拟量采集通常共用一个A/D转换通道，这要求各个模拟量在多路转换开关的控制下分时地逐一经A/D转换器转换，每次只选通一路。对多路开关的要求是断开时开路阻抗无穷大，导通时阻抗为0，切换速度快，工作可靠。目前常见的多路开关有CD4051B，AD7506等。以AD7506为例，它是16路输入，一路输出的模拟量多路开关CMOS芯片。模拟量多路开关由三部分组成1地址输入缓冲和电平转换使得输入端对TTL，CMOS逻辑电平兼容。2译码和驱动把地址译为通道号代码3模拟开关，对应通道的模拟开关导通，将该通道的输入模拟电压引至输出端。若输入模拟通道数目超过16，需多片AD7506，这时需要增加译码器进行片选。AD7506导通时导通电阻约400，由于不接近0，所以负载电阻一定要比较大，一般在输出后增加一级电压跟随器以提高输入阻抗。四、采样保持器A/D芯片完成一次转换需要时间，对于变化较快的模拟量，如不采取措施会引起转换误差，一般增加一级采样保持器，在转换期间保持输入A/D的模拟信号基本不变。对于变化缓慢的模拟量，可以不设置这一级。采样保持电路由保持电容和输入输出缓冲放大器和控制开关组成。原理图为CHA1A2SAINAOUT采样期间，S闭合，A1通过S向CH充电，使输出随输入变化而变化。保持期间，S断开，由于A2的高输入阻抗，使得输出保持充电时的最高值。一般采样保持电路都集成在一个芯片中，如LF398等，但通常不封装电容，电容由电路设计者自行选配。五、集成化的数据采集芯片A/D转换器、多路转换开关、采样保持器是模拟量输入通道中的关键部分，已经由一些公司开发出集成了以上三个部分的集成化的数据采集芯片。如MAXIM的MAX197，它是一个多量程的12位数据采集芯片，只需一个5V电源供电，片内含8路模拟通道，5MHZ带宽的采样保持器和12位的A/D转换器。这说明构成一个模拟量采集电路可以采用的芯片是非常灵活的，完全可以由设计者根据采集电路的需求进行选择。六、采样方式电力系统中的模拟量有三种类型1快速变化的交流量如交流电压、电流、功率等。2缓慢变化的直流量如控制母线的直流电压、操作母线的直流电压。3缓慢变化的非电量如温度、压力、水位等。针对不同的模拟量采取不同的采样方式。1、直流采样直流采样是将现场连续变化的模拟量转换为直流电压信号送至A/D转换器进行转换。1直流电量对于发电机的励磁电压、电流，控制电源或操作电源的直流电压、电流，利用直流电量变送器将实际的电压电流值转换为05V的直流电压。2交流电量采用交流电压、电流和功率变送器将相应原始信号转换为05V或05V的直流电压信号。3非电量利用专用的温度变送器、压力变送器。2、交流采样只针对交流信号的采集。直接将交流信号变送为05V的交流电压信号送至A/D转换器进行转换，即采集交流信号的瞬时值，然后采用算法计算电压、电流的有效值及利用电压电流计算功率。3、2种采样方式的比较1直流采样的特点A、对A/D转换器转换速率要求不高，软件算法简单，程序可靠性高。B、经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。C、直流采样输入回路常采用RC电路滤去整流后的纹波，采样实时性差，无法反映被测量的波形，因此不适用于微机保护和故障录波。D、需要变送器屏。2交流采样的特点A、实时性好。B、能反映实际波形。C、可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。D、对A/D转换器和采样保持器要求较高，要求一个周期内必须有足够的采样点数，要求A/D转换器转换速度高。E、采样和计算的程序比较复杂。七、模拟量采集的处理信号经A/D转换完成后，需经过CPU的处理才能存放到数据区中。一般需经过的处理包括数字滤波、标度变换、二十转换、越限判别。1、数字滤波为减小干扰的影响，一般在模数转换前有一级RC低通滤波，为提高滤波效果，一般在模数转换后还要再做一次数字滤波，滤除干扰的影响。数字滤波可分为递归滤波和非递归滤波。A、非递归滤波非递归滤波的一般形式为0INXYKI滤波因子IKK个采样间隔Y输出X输入非递归数字滤波的输出只与当前和过去的输入值有关，与过去的输出值无关。常用的有差分滤波器YNXNXNK设信号频率为F，采样频率为FS，谐波频率为MF，则可滤除的谐波频率为KNLFMSN是每周波采样点数。此滤波器可完全滤除直流分量。加法滤波器YNXNXNK可滤除的谐波频率为KNLFLMS21积分滤波器YNXNXN1XNK可滤除的谐波频率为1KNLFLMS非递归数字滤波器是有限冲击响应滤波器，优点是设计比较灵活，可以实行理想的线性相位，缺点是计算量比较大。B、递归数字滤波递归数字滤波的一般形式为LIKIINYBNXAY00K是采样间隔数，L是数字滤波器的阶。最常用的是一阶递归数字滤波，其方程为YNXN1YN1递归数字滤波相当于引入了反馈，是无限冲击响应滤波器。它的优点是运算量比较小，缺点是相频特性非线性，功率、方向计算误差较大。2、标度变换对于不同的模拟量，它的满量程是不同的，但A/D转换出的满量程结结果总是同一个值，如12位A/D转换器满量程转换结果为2047，为了将2047变为实际物理量的满量程值，需要乘以一个系数，该过程称为标度变换。标度变换原理很简单，但有两点需要注意。一是每个模拟量的满量程都不相同，所以每路通道对应一个系数，该系数可以统一存放在数据区中。二是要避免系数有效位数减少，尽量保证系数1，如果无法保证，可以10倍，100倍放大物理量的满量程，计算完成后在除10，100等，即小数点前移1到2位。还可以先将系数左移N位，计算完成后再右移回来。小数点移动的位数和左移的位数可以和系数一起存放在同样位置。3、二十转换转换完成与标度变换后的结果仍是二进制数，为符合习惯需要转换为10进制数。这里介绍两种方法。A、连续减法，适用于二进制整数某一二进制数B可表示为012301DD连续减法实质是试探法，首先减1000，若够减则D3加1，否则进行下一级判断，最后余数为D0。B、乘十取整法，适用于二进制小数某一二进制数B可表示为NNDDB1010221等式两侧乘10后得11201203NNBBAA取整数部分可求出D1，再乘10可求出D2，依次类推。4、越限判断模拟量越限应报警。可以将每一通道得限制保存在内存区中，计算得到模拟量值后与限值比较，若越限可在数值中置标志位，恢复则清除标志位。为了避免数值在限制附近波动时频繁报警，可设置一个判断死区。八、交流采集算法由于交流采样采集的是瞬时值，所以必须通过计算得到交流电量的有效值和功率。1、单点采样算法此方法需要对三相电压电流同时采集一点，可计算出有效值。BCABCAACBCAABIUIQIUPIII3193122没有滤波作用，要求三相对称。2、两点采样算法设SINTIMTUUMSIN若相隔/2采集2点，有TUUMCOSI21平方相加得有效值21同理可得21IIQUIIUPSINCO12优点简单快速。缺点无滤波作用，输入信号有谐波分量会影响计算精度。3、全周波傅立叶算法按照傅立叶级数理论，一个周期为T的函数UT，若在上满足狄里赫利条件，2,T那么在上就可以展开为无穷级数2,T1SINCOSNXRTUTUTN1，2，3DTNTUTRN2COSN1，2，3TTXN2I将上式离散化后得NKXNKRNKU12SI2CON是每周波采样点数。一般采用每周波12点采样。最后，对于基波，有效值，电流类似