电力系统及其自动化第二章.ppt

第二章SCADA EMS系统 SCADA系统 SupervisoryControlAndDataAcquisition 数据采集与监视控制系统 是电网调度自动化系统最基本的功能 SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统 它可以对现场的运行设备进行监视和控制 以实现数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报警等各项功能 SCADA PAS 高级应用软件 EMS能量管理系统 概述 SCADA EMS的系统结构及软硬件配置支撑系统前置机系统画面调用图形操作及浏览器功能Open 2000系统SCADA功能及其技术指标远方终端直流采样及电量变送器交流采样模拟量的采集与处理开关量 数字量和脉冲量的采集 第二章SCADA EMS系统 第一节SCADA EMS功能概述 SCADA最基本的功能 数据采集和监视控制 一 子系统划分1 支撑平台子系统包括 数据库管理 网络管理 图形管理 报表管理 系统运行管理等 是整个系统最重要的基础 用于实现全系统统一平台 数据共享 2 SCADA子系统包括 数据采集 数据传输及处理 计算与控制 人机界面及告警处理等 3 PAS子系统包括 网络建模 网络拓扑 状态估计 在线潮流 静态安全分析 无功优化 故障分析及短期负荷预报等 4 AGC EDC子系统自动发电控制和在线经济调度 AGC EDC 子系统是对发电机出力的闭环自动控制系统 能够保障系统频率合格 系统间联络线的功率符合规定范围 同时使全系统发电成本最低 5 调度员仿真培训系统DTS包括 电网仿真 SCADA EMS系统仿真和教员控制机 6 调度管理信息子系统 DMIS DMIS属于办公自动化的一种业务管理系统 通常不归入SCADA EMS系统 但与调度自动化系统关系非常密切 二 当前的几种主流系统1 南瑞NARI2 电科院3 东方电子4 ABB5 SIEMENS 南瑞OPEN 2000型SCADA EMS系统结构 开放型分布式能量管理系统 OPEN 2000网络及硬件特点 三网机制调度自动化专用双网 MIS网主网为100Mbps平衡负荷双网智能化堆栈式交换机连接系统服务器和主网计算机节点 交换式通道 可扩展双服务器64位机 磁盘阵列 构成热备份系统 具备负荷平衡能力 支持双网访问商用数据库 集成其他符合国际标准的实时数据库 通过MIS服务器或网桥与MIS网连接 通过网络交换机与配电调度自动化系统相连 OPEN 2000主网各节点功能简介1 系统服务器运行商用数据库管理系统负责保存所有历史数据 基础信息 如电网设备基本信息 地理信息 用户信息等 以及其他运行数据 利用数据库引擎进行查询和统计各种数据 双机热备 双机共用磁盘阵列 分别运行数据库管理系统 2 SCADA工作站双机热备 独立运行 运行SCADA软件及AGC EDC软件完成基本SCADA功能和AGC EDC的控制和显示功能通过两组终端服务器接收厂站RTU信息实现双机 双通道的自动 手动切换承担前置系统信息处理 如规约解析 和信息流优化功能 3 PAS工作站运行电力系统高级应用软件 包括 潮流 短路 稳定等计算任务计算结果存入历史数据库 商用数据库 4 调度员工作站承担对电网监控和操作功能 实时显示各种图形和数据人机交互 对电网进行操作控制的权限 5 配电自动化工作站完成配电自动化管理功能6 调度管理工作站负责与调度生产有关的计划和运行设备的管理 7 DTS工作站调度员仿真培训系统 通常包括教员机和学员机8 电量管理工作站实现电能的自动查询 记录 奖惩电量计算等9 网络是分布式计算机系统的关键部件 一般高速双网结构可采用以太网交换机 多数利用可堆迭交换机连接 配有路由器 可与广域网互连 OPEN 2000软件环境1 操作系统各种服务器和工作站均采用Unix操作系统 多用户 多任务的网络操作系统实时性好安全性好网络通信采用TCP IP 2 系统软件采用基于Client Server模式的商用数据库 Oracle和Sybase 基于X Window和Motif的图形界面核心C C 代码网络通信采用TCP IP X 25通信协议集成制表工具多媒体功能 3 系统软件结构大型开放式的分布式系统 软件结构通用 开放 模块化 三层结构 数据层 通信管理层 程序层 数据层 分成实时数据库 历史数据库和它们的存储历程实时库 分布在各台机器中 支持数据的实时图形显示历史库 存在于双机热备的系统服务器中 保存历史数据 登录数据和电力系统各种参数通信管理层 用于网络的管理和任务的管理 对上层屏蔽通信细节 程序层 实现电力系统调度的各项功能 如SCADA PAS等 并提供良好的人机接口和管理工具 方便用户使用 第二节SCADA EMS的支撑系统 支撑系统的好坏是衡量一套SCADA EMS系统性能优劣的主要因素 Open 2000系统的支撑系统主要由五大部分构成 数据管理子系统网络管理子系统图形管理子系统报表管理子系统安全管理子系统 一 数据库管理子系统数据的快速存取 必须建立实时数据库管理系统 数据的合理组织 提高数据查找和定位的速度 建立数据之间的关系 测量和采集的数据与数据库中数据的对应关系 建立电网的数据模型 实际对象和系统中数据对应 提供标准的访问接口 对访问实时库和历史库提供所有程序都通用的访问接口 数据透明性 用户或进程 应用程序 只面向数据 不必关心数据具体位置 二 网络管理子系统负责网络各节点信息的互连和互通 为各种进程访问网络上任何位置的数据提供一个透明的访问路径 进程通信 处理底层网络通信中的各种问题 如协议解释 流量平衡 链路监视和故障处理 相当于提供了一条无错误的信息通道 负责处理数据的定位和收发控制 路由 出错处理 相当于透明的数据访问接口 与其他网络进行通信 数据交换 安全控制 隔离功能 升级和维护时 不影响软件正常使用 其他辅助功能 进程监视等 三 图形子系统图形子系统是现代调度自动化系统的基础模块 能方便灵活的切换各种应用的图形 显示各种数据 还能方便地与地理信息系统共享数据 可采用高效的数字化仪等多种图形输入输出设备 1 基本要求全汉化图形管理子系统图形有分层和分平面功能 可方便制作各种地理图 可接收标准的电子地图 支持GIS显示 具备动态着色功能 根据电网拓扑结构自动判断和推理 直观地用颜色区分停电范围 具备图形编辑的各种功能 图形化操作 图形一致性保持 用户制作的图形由系统统一管理并存入服务器中 图库一体化 绘图与数据库录入一次完成 具备各种辅助图制作功能 用户可扩展性 图形的公共访问接口 2 基本组成部分图元编辑器 制作电力系统中各种常用设备的图元 以便制图时使用 并能应付新元件的出现 图形编辑器 利用各种图元 生成电力系统的各种图形 图形显示工具 与应用程序结合在一起 用户可在图形上进行各种操作 如功能调用 信息查询 控制操作等 四 报表管理子系统报表是运行信息最直观的显示形式 报表管理系统也是SCADA EMS必不可少的核心模块 1 特点面向电力系统需求自动数据关联打印功能2 组成部分报表编辑器报表调用和预览报表数据的修改报表打印模块 五 安全管理子系统物理隔离 即通过交换机或网桥与其他系统相连用户级采用权限管理和口令机制 控制不同的用户所能进行的操作 严格的操作审核流程 口令 权限分析 操作确认 超时处理 防火墙技术 第三节SCADA EMS的前置机系统 前置机系统担负厂站RTU及各分局与调度中心之间的数据通信及通信规约解释的任务 是子站数据的信息入口 因此它的容量 稳定性 可靠性和方便灵活性都十分重要 前置系统性能指标 接入容量大通信速度快扩充方便规约丰富 一 综述 二 前置系统的硬件结构结构 前置机终端服务器切换装置通道 1 值班主机与系统服务器及SCADA工作站通信与终端服务器通信及规约处理控制终端服务器的切换动作设置各终端服务器的参数 2 备用主机 监听前置主机的工作情况 主机发生故障时立即自动升格为主机 承担主机任务 监听次要通道的信息 确定该通道运行情况 1 前置机双机配置 一主一备 与各厂站RTU通信与前置机通信1 N的通道接入主备双机配置 2 终端 通信 服务器 3 切换装置电路简洁 掉电也可工作每套切换装置由N路独立切换板组成可完成上行和下行信号的通道切换两种切换模式 选择较好的上行信号同时送给主 备前置机 封锁差通道的上行信号和备用机的下行信号将值班主机与好通道接通 将备用机于差通道连通 4 通道设备由调制解调器 光隔及长线驱动器用于与各种不同的通道信号匹配同步 异步转换 三 前置系统的软件模块 对应于前置系统的功能 前置软件可分为五类 主网内部数据通信 front net等规约处理程序 protocal等通信切换处理 front exchange等终端服务器通信 fcomm format all等其他程序 从运行形式可分为两类 常驻内存 启动程序即调入内存 一般是核心应用 如数据通信 规约处理等程序 临时调用 使用临时调用 一般是辅助应用 如报文监听等程序 四 遥测与遥信参数设置 遥测 遥测信息 远程测量 采集并传送运行参数 包括各种电气量 线路上的电压 电流 功率等量值 和负荷潮流等 遥信 遥信信息 远程信号 采集并传送各种保护和开关量信息 遥控 遥控信息 远程控制 接受并执行遥控命令 主要是分合闸 对远程的一些开关控制设备进行远程控制 遥调 遥调信息 远程调节 接受并执行遥调命令 对远程的控制量设备进行远程调试 如调节发电机输出功率 1 遥测参数设置设置基值与系数 将RTU送来的 生数据 经计算后变成实际值设置死区范围 阈值设置 死区范围决定了该遥测量的刷新速度 系统刷新遥测量有两种方式 1 设定死区范围为 0 00 无死区 前置机定时循环发送全部遥测量 2 该死区范围为某一数值 只有当遥测量的变化量大于死区范围时 才立即以变化遥测的方式发送该遥测量 这种方式被称为遥测量越死区传送 设置归零值 抑制零飘2 遥信参数设置 1 表示合闸 0 表示分闸根据不同RTU上送的信息设置极性 第四节画面调用及浏览器功能 一 画面调用功能 1 实时数据及状态画面实时画面5s刷新一次遥信变位及事故变位立即反映用颜色区分不同状态2 历史数据及状态画面可调用任一时段的历史数据根据历史数据刷新画面3 事故追忆画面调出任一事故断面进行事故反演 某厂站实时数据及状态画面 4 网络拓扑着色表达电网结构信息表达运行状态5 调度员操作调度员在画面中完成各种调度操作6 应用切换同一画面可以切换不同的应用对象 二 SCADA的图形操作 参数检索遥控p36遥信对位变位检索遥信封锁设置标志牌SOE检索 SequenceOfEvent 电力设备发生遥信变位如开关变位时 电力保护设备或智能电力仪表会自动记录下变位时间 变位原因 开关跳闸时相应的遥测量值 如相应的三相电流 有功功率等 形成SOE记录 以便于事后分析 1 鼠标操作 弹出菜单2 操作选项 三 历史告警浏览 1 告警信息首先实时显示 同时存入历史数据库 2 分类遥信变位其他 四 历史数据浏览 五 图形浏览器 历史数据查询 第五节Open 2000系统SCADA功能及其技术指标 一 数据采集功能 SCADA系统实时采集各厂站RTU遥测 遥信 电能 数字量等数据 同时向各厂站RTU发送各种数据信息及控制命令 1 模拟量采集功能 遥测 2 状态量采集功能 遥信 3 脉冲量采集功能4 继电保护及变电站综自信息采集5 时间信息6 前置机系统的数据采集性能 第五节Open 2000系统SCADA功能及其技术指标 一 数据采集功能 1 模拟量采集功能 遥测 1 模拟量采集的内容主变压器及输电线有功 无功功率 主变及输电线电流 10kV配电线电流 各种母线电压U 主变油温 系统频率等 2 模拟量的采集方式扫描方式 扫描周期为3 8s 将系统所有模拟量采集更新一次 并存入数据库 越阈值方式 设定每个模拟量的死区 仅把变化显著 与上次测量值只差大于死区的测量值传送 显示并存入数据库 第五节Open 2000系统SCADA功能及其技术指标 一 数据采集功能 2 状态量采集功能 遥信 1 状态量采集的内容断路器位置信号 继电保护事故跳闸总信号 预告信号 隔离开关位置信号 有载调压变压器分接头位置信号 自动装置动作信号 发电机组运行状态信号 事件顺序记录等 2 状态量的采集方式状态变化 系统实时状态变化时间驱动 有变化立即输出响应 读入系统并存入数据库 扫描方式 将所有厂站全部遥信状态按一定周期逐个扫描 读入系统并更新数据库 第五节Open 2000系统SCADA功能及其技术指标 一 数据采集功能 3 脉冲量采集方式脉冲量采集的内容是各厂站RTU送来的脉冲电能量等 按设定的扫描周期进行采集 4 继电保护及变电站综合自动化信息的采集对已安装微机保护或已实现变电站综合自动化的变电站 除采集保护开关状态量外 还需采集保护测量 保护定值 保护故障 保护自检和保护信号复归等信息 5 时间信息的采集SCADA系统在后台接入标准天文时钟信息 向全网广播 以统一全网时间 并定时与各厂站RTU进行对时 对于RTU未带时标的信息 如果需要可以由系统后台时钟为其加入时标 第五节Open 2000系统SCADA功能及其技术指标 一 数据采集功能 6 前置机系统的数据采集性能1 可接收不同传输速率的RTU信息 2 可接收不同类型 不同通信规约的RTU信息3 可接收不同通信方式同步方式或异步方式的RTU信息4 可接收不同信道的信息5 前置机人机界面友好 可通过软件设置各厂站RTU的参数6 无论RTU是以双信道 还是以单信道与调度中心通信 系统双前置机以热备用方式接收信息 主备机实现自动切换 切换过程中数据不会丢失 二 数据处理功能 1 模拟量处理YC 标度变换 消零飘 越限检查 积分计算和平均值计算 最大值 最小值计算 入库 2 状态量处理YX 1 监视电网及设备的突然变化 遥信变位类型确认 判断是事故变位还是正常变位 确定告警方式 2 处理后的信息表 包括图形显示 文字显示 语音信息系统 实时及历史数据库 事故追忆 变位打印及表格显示 模拟盘显示 3 标牌设置 对所有设备均可进行挂牌操作 提供警示信息 如 检修 接地 故障 危险 并列等 存入数据库 4 脉冲量处理YM 计算本周期电量 积分电度计算 计算分时电量 信息入库 三 数值计算功能 在数据采集与监视控制系统中 除设置了大量实测点以外 还有大量的计算点 计算功能在系统启动时随之启动 按照数据变化及规定的周期 时段 不停地处理各种计点 1 总加计算 关口功率 电量总加 2 限值计算 计算越限总时间 合格率 3 累加计算 按时间计算总和 一般是电量 4 功率因数计算 计算各线路 主变及一个地区的功率因数 5 平衡率计算 分线路 变电站或区域进行进出功率平衡的比较 网损 四 电网控制功能 1 遥控操作 开关量输出的结果 可在调度中心实时地对远方厂站开关进行合 分操作 无功补偿设备的投 切 改变有载调压变压器分接头 可靠性要求极高 有严格的遥控反送校核程序 2 遥调操作 以数字量方式输出 有时也以模拟量方式输出 类似于遥控操作 有严格反校程序 遥控反送校核程序 五 告警功能 告警发生后 告警信息被分类归档送入数据库 1 告警类型 事故报警 越限报警 2 工况变化报警 各厂站RTU通信中断或主站故障时 3 正常变位报警 系统发生正常变位时 4 报警方式 图形 文字 语音 打印 短信等 5 告警信息入库 带时标存入历史库 1 全图型显示 可实现全电网一次系统的完整图形显示 包括接线图 潮流图 地理图 曲线 棒图 饼图等 2 高分辨率显示 3 多窗口显示 4 快速直接鼠标控制 5 快速响应 6 具有动态着色功能 可根据电网网络拓扑结构 自动进行判断和推理 能直观地用颜色区分带电和停电范围 7 操作功能灵活 六 人机界面显示功能 七 制表打印功能 八 其他辅助功能 制表 1 定义表格格式和数据 可制作任何形式的表格 2 可显示实时数据 3 表格内数据有计算功能 4 制表操作可在线进行 打印 1 定时打印 2 事件驱动打印 3 召唤打印 厂站RTU容量 系统实时总容量 历史数据库文档记录资料保存容量 事故追忆能力 可靠性 时钟精度 SOE分辨率 CPU负荷率 主站测数据精度等 九 系统规模和技术指标 第六节远方终端RTU 远方终端 RTU 又称远动终端 是电网监视和控制系统中安装在发电厂或变电站的一种远动装置 检测并传输各终端 发电厂或变电站 的信息 并执行调度中心发给厂 所的命令 是电网调度自动化系统在基层的 耳目 和 手脚 四遥功能是RTU的基本功能 一 远方终端 RTU 概念 二 远方终端的任务 数据采集数据通信执行命令其他功能 1 数据采集 1 模拟量 P Q U I 2 数字量 电厂坝前 坝后水位等 3 脉冲量 YM 脉冲电能表的输出脉冲 4 开关量 断路器 隔离开关 继电保护的状态 YC YX 2 数据通信 向调度中心发送采集的本厂 站数据接收调度端下达的各种命令送给厂站执行 3 执行命令 根据接收的命令 完成YK YT操作YK YXYT YC 4 其他功能 本地功能 显示 打印 告警 事故记录等自诊断功能 死机自动恢复 自动监视主 备用通信信道及切换功能 个别插件损害诊断报告等功能 三 RTU的结构 一 RTU的硬件结构 单CPU结构 采集和处理的数据过多 分CPU 总线 选通 RTU的结构 多CPU 二 RTU的功能和软件结构 RTU的各种功能软件一般固化在只读存储器ROM中 通常包括以下几种 1 数据采集软件 模拟量采集 开关量采集 数字量采集和脉冲量采集等 2 数据处理软件 数字滤波 越限判断 BCD码转换等 3 控制软件 对收到的遥控 遥调等命令付诸执行 4 通信软件 按约定的通信规约与调度中心相互通信 5 人机联系软件 键盘 屏幕显示及制表打印等 6 其它软件 如事件顺序记录 事故追忆 自检及调试等 各种实时软件要完成的任务可由定时触发或用中断服务程序完成 为此RTU软件包括一个主程序和若干个中断服务程序 见图 主程序框图 RTU厂站远动终端 故障检测及故障诊断 采用微处理器和数字信号处理技术 连续对各母线电压 主变压器各侧电流 各线路电流进行采样 同时采集变电站内相应开关和刀闸状态 变压器挡位 保护信号 电度量脉冲信号和数字量信号以及控制命令的状态信息 实现遥测 遥信 电度量和BCD码等的采样接收并向上级传送 同时接受上级的指令完成遥控 遥调输出的功能 变电站中的RTU细部 第七节直流采样及电量变送器 采样 是将现场连续不断变化的模拟量的某一瞬间值 作为 样本 采集下来 供计算机系统计算 分析和控制之用 采样分为 直流采样 和 交流采样 两种 进行直流采样需要通过一种叫做变送器的设备 变送器是一种物理量变换器件 可以把输入的某种形式物理量按比例准确地变换为同一种形式或另外一种形式的物理量 除电量 电流 电压 功率 变送器外 还有温度变送器 压力变送器等非电量变送器 非电量变送器一般被称为传感器 将u i等交流模拟量 经过电量变送器整流 变为相应的直流电压信号 再由模 数 A D 转换器转换成相应的数字量 就是直流采样 因为对于A D来说 是对直流模拟信号进行采样和变换 优点 1 直流采样对A D转换器的转换速率要求不高 2 直流采样后可方便得到被测值 使得采样程序简单 3 直流采样经过了变送器的整流 滤波等环节 抗干扰能力较强 一 直流采样及其优点 二 变送器的性能指标 变送器性能好坏对电网调度自动化系统的影响是非常大的 有时甚至成为电网调度自动化系统能否正常运行的关键问题 因此对其性能必须给予足够的重视 准确度和响应速度是对变送器的最基本技术要求 此外还有抗干扰能力 性能稳定 运行可靠 调试方便等 1 准确等级 目前使用的有0 2级和0 5级 其含义是在标准条件下 变送器最大误差不超过0 2 和0 5 允许有一定的附加误差 2 抗干扰性能 主要指抗磁场干扰能力 当变送器选用0 5V直流电压输出时 受磁场干扰影响较大 而选用5mA恒流输出时 抗干扰能力较强 3 响应时间 响应时间T反映了变送器的时间性能 它与时间常数既有联系又有区别 4 线性指标 变送器输出与输人应当是成正比的 亦即线性的 但实际上总存在非线性误差 用非线性度表示 5 输出性能与负荷能力 变送器有直流恒压输出与直流恒流输出两种方式 对负荷的要求也有所不同 三 交流电流变送器 交流电流变送器串接于电流互感器的二次回路中 将互感器二次侧交流电流 0 5A 变换成直流电压或直流电流输出 交流电流变送器按其构成原理可分为简单型和需要辅助电源的改进型两种 一 简单型下图为FS 13型交流电流变送器原理图及其外部接线 非线性补偿支路 电阻R 和与之串联的四个二极管构成了非线性补偿支路 输入小电流时对应TA铁芯磁化曲线的OA段 则此时的输出电压有较大的负误差 此时二极管受到电压低 使其内阻变大 这就使补偿支路所分流的电流更加减少 输出直流电压 或电流 稍有增大 刚好补偿了TA铁芯非线性引起的额外负误差 二 改进型下图为改进型交流电流变送器原理框图 高性能中间电流互感器的铁芯具有线性磁化曲线 从根本上克服了非线性误差 并可以采用运算放大器构成恒流输出电路 或恒压输出电路 精密的交 直流转换电路是由线性整流电路和平滑滤波器两部分构成的 线性整流电路是在二极管整流器基础上加人了由运算放大器构成的反馈系统 使二极管整流产生的非线性畸变大大减小 全波线性整流电路 当Ui为正半周时 A1输出为正 D1导通 VD2截止 A1成为增益为1的跟随器 当Ui为负半周时 A1输出为负 VDl截止 VD2导通 A2输出为 Ui 精密交流一直流转换电路 上图为接入了有源低通滤波器的精密交流一直流转换电路 有源低通滤波器由运放A3构成 A3输出电压全部直接反馈到它的同相输人端 输出端纹波成分被大大减少了 恒流输出与恒压输出 恒流输出比恒压输出有更好的抗干扰能力 因此变送器还有恒压一恒流转换电路 当运放放大倍数K很大时 可以证明 UF UT 此时输出电流为 四 交流电压变送器 交流电压变送器将100V左右的交流电压变换成直流电压或直流电流输出 也分为简单型和改进型两类 一 简单型 图为为FS 14型电压变送器原理图和外部接线图 电力系统的电压互感器二次侧电压 变动范围一般仅为100V士20V以内 所以 中间电压互感器 TV 铁芯磁化曲线的起始部分导致的非线性误差问题 可不考虑了 下图所示为改进的交流电压变送器原理框图 由中间电压互感器 精密交 直流转换电路和恒流输出电路构成 二 改进型 功率变送器用来测量交流电路中的有功功率和无功功率 单相有功功率测量元件是功率变送器的基本元件 在单相有功功率测量元件的电压回路中加一个90O移相电路 就变成了无功功率测量元件 用两个或三个这样的基本元件 就可以构成三相功率变送器 四 功率变送器 一 单相有功功率的测量 在交流电路中 有功功率的定义是瞬时功率在一个周期内的平均值 由于瞬时功率的第二项为余弦函数 故积分为 U I分别为电压 电流有效值 为电流滞后于电压的相位角 即功率因数角 可见 如果先由一个乘法电路求出瞬时功p t u t i t 然后用积分电路或者用低通滤波器滤掉其第二项2倍工频分量UIcos 2t 就可得到有功功率UIcos 了 二 用采样乘法器测量功率 传统的功率变送器时间常数较大 难以满足快速检测的需要 随着新技术的发展 现已出现多种以新方法构成的功率变送器 用采样乘法器测量功率 必须在电压峰值那一瞬间 采样电压和电流 一 转盘式转盘式电能变送器是在感应式电能表的基础上附加一个转数脉冲转换装置构成的 转数脉冲转换装置可采用光电法 在转盘上对称的开有小孔或涂以反光条等标记 光源发出的光线透过小孔或经反光条反射到光敏三极管使其导通 就可以得到与转盘转数成正比的一串脉冲 经计数器累计后即可得到电能数 精度不高 电能变送器就是把被测电路的有功功率转换成脉冲数 对脉冲数的累计就正比于该时段内消耗的电能 六 电能变送器 静止式电能变换器原理图 二 静止式静止式电能变换器原理图中 乘法电路就是交流功率测量的基本电路 其输出电压正比于有功功率 再经U f变换将电压变换成正比于功率的频率值 在经脉冲整形 定宽输出 最后送计数器计数 脉冲数累计就是电能值 江阴长江斯菲尔电力仪表有限公司 如图所示的半导体薄片两端通以控制电流I 在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场 那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势 的大小正比于控制电流I和磁感应强度B 这一现象称为霍尔效应 利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器 测出即可求出B 七 霍尔模块实现电气量测量 由磁动势平衡有I1N1 I2N2由此推出I1 I2N2 N1 霍尔元件可以实现非接触式的电气量测量 霍尔模块优点 1 响应速度快2 测量范围广 精度高3 过载能力强4 一二次电路完全绝缘5 可测电流 电压和功率 第八节交流采样 交流采样不采用以整流为基础的变送器 仅仅将二次交流电压 电流信号经交流变换器 小TV和小TA 隔离和降低幅值后 仍以交流模拟信号供A D进行采样 然后通过计算得到被测量的有效值等参数 交流采样特点 1 实时性好 微机继电保护也必须采用交流采样 2 能反映原来电压 电流的波形及其相位关系 可用于故障录波 3 免去了大量常规变送器 占用空间和投资均可减小 4 采样点数需较多 如每周波要采样12 16 20 24点 甚至采样32点 分析高次谐波需要 从电压互感器 TV 和电流互感器 TA 输出的电压和电流 首先经过交流变换器转换成士5V 峰值 的交流电压 为了排除干扰 变换器一次侧相间和相地间应接上抗干扰电容 同时一 二次侧应有可靠的屏蔽 在送到A D变换器前 还应通过前置滤波器 ALF 将400Hz以上高频成分滤去 以保证采样定理的要求得到满足 一 交流采样接口电路 二 交流采样的算法交流采样得到的是正弦信号的瞬时值 需要通过一种算法把正弦信号的有效值计算出来 一 一点采样算法 单点算法 一点采样算法需同时采集三相电压和电流 计算出信号的有效值 一点采样算法对采样没有定时的要求 不需定时器也可以进行数据采集 其缺点是算法中没有滤波作用 且要求三相对称 当系统有高次谐波或三相不对称时会产生误差 同时 算法中要求输人同一时刻三相电流和电压 一般的10kV线路不具备这种条件 二 两点采样算法 两点采样算法优点是简单快速 缺点是无滤波 谐波分量会影响结果 是根据周期连续函数有效值定义 将连续函数离散化 可以得出电压 电流的表达式为 式中 N为每个周期均匀采样的点数 均匀很重要 否则不准确 ui为第i点电压采样值 ii为第i点电流采样值 三 基于均方根值的多点采样算法 由连续函数的功率定义可得离散表达式为 式中 Uiii为同一时刻电压及电流采样值 均方根算法不仅对正弦波有效 当采样点数较多时 也可较准确地测量畸变波形的电量 这是它的主要优点 当然为减少误差 采样点数N要增多 而这会使运算时间增加 使响应速度降低 如选用12位A D变换器 或N取更大些 精度还可提高 当选用10位A D变换器时 N取20 U I的误差约为0 5 P Q的误差小于0 9 三 交流采样的微机电量变送器 一 常规电量变送器及直流采样的缺点 1 常规变送器本身有误差 因其功耗大 又使TA TV误差增大 综合误差更大 2 变送器长年运行 外加电磁场 温度的影响 使元器件性能变坏 采用运放 二极管等器件会发生0飘 温飘等 性能不稳定 而且谐波分量对于常规变送器的精度影响较大 3 直流采样电路因有RC滤波环节 因而时间常数较大 响应时间有的长达300 400ms 这使采样实时性较差 无法反映被测交变量的波形变化 4 常规变送器分立安装 硬件数量多 接线繁琐 造价高 二 微机电量变送器的基本原理微机电量变送器的结构框图和接线图 微机变送器直接对TV TA输出的交流电压或电流采样 数字化 A D 后经计算得出电压 电流的有效值和有功 无功电量值 电压 电流 隔离变换器包括小TV TA 运算放大器及限幅电路等 采样保持器可将同一瞬间采样得到的电压 电流瞬时值保持一段时间 然后依次通过多路开关进人A D 模 数转换器 进行数字化 微机电量变送器的基本原理 一个工频周期内采样点必须均匀分布 这是计算方法要求的条件 否则会产生计算误差 电压过零检测对工频周期T进行测量 再除以每周期内采样次数N 这样就可计算出采样间隔 T N 上述测得的仅是上一个周期的T 而频率总会有微小变动 为此可改用前几个T的平均值 但用这种方法仍然会有误差 真正能够保证无论频率如何变化 都能使采样点在每个周期内严格均匀分布 则需采用锁相环技术 锁相环 锁相环能使其输出信号的频率紧紧跟踪其输人信号的频率 其原理框图如图 三 微机电量变送器的优点 1 微机变送器的核心是单片机 其工作稳定 可靠性很高 2 响应快 精度高 只要适当提高采样次数N 适当提高CPU主频 即可减小误差 提高响应速度 使测量误差显著减小 3 作为综合测量系统可资源共享 经济性更好 4 性能稳定 不必经常调校 节省了许多工时 5 多功能 一台微机电量变送器相当于几十台常规电量变送器 并且可以选择需量测量 多次谐波测量及多种电量越限控制或报警等综合功能 6 稳定性好 不受谐波干扰 7 结构新颖 配置灵活 8 可分布式安装 交 直流220V电源直接供电 安装更灵活 应用更广泛 第九节模拟量的采集与处理 直流采样的模拟量输入输出通道框图图中虚线框1内为模拟量输入通道 模拟量P Q U I经变送器变换成5V以下 或4 20mA 的直流模拟信号 经模 数 A D 转换器转换成数字量后进入计算机 而虚线框2内为模拟量输出通道 电力系统运行参数u i等经过TV TA输出后 经变送器变成0 5V 或4 20mA 的直流模拟信号 为消除干扰 提高输人信号的信噪比 可采用一级或二级硬件RC低通滤波器 同时RC电路又可作为过电压保护 防止浪涌电压进人通道内部损坏各种芯片元件 不同变送器或传感器输出的电信号各不相同 因此需经信号处理环节将其放大或处理成后面A D转换器所能接受的电压范围 通常A D的输人电压范围 单极性为0 5V 0 10V 0 20V 双极性为0 士2 5V 0 士5V 0 士10V 一 滤波及信号处理 也称采样切换器 是一种受CPU控制的高速电子切换开关 由电量变送器送来的多路模拟量公用一套A D转换器 只有被选中的一路才可以通过多路开关进人A D转换器 其余各量则需等候下一次的选择 二 多路开关MUX 采样保持器 S H 的基本原理 A D转换器完成一次完整的转换需要的一段时间里 模拟量不能变化 才能保证准确性 S H可将瞬间采集的模拟量保持一段时间 以保证A D转换的实时性 三 采样保持器S H 采样保持器的基本组成原理图 四 数 模 D A 转换器 数 模 D A 转换器的作用是将二进制的数字量转换成相应的模拟量 因为有的控制执行元件要求控制信号是模拟电压或电流 另外 模 数 A D 转换也需要用D A转换器来产生衡量未知电压的电压祛码 D A转换器主要包括电阻开关网络和运算放大器 放大系数K很大 输入信号电压值很小 两端电压很小 所以 端电位与 端电位很接近 因此在一端接地时 另一端可近似视为接地 即 虚地 此时 输入阻抗很大 那么输入到运放中的电流可近似视为0 因此图中个电流之间有如下关系 一 运算放大器 二 权电阻网络其实质为反相比例求和电路 每个权电阻都与相应电子开关串联 图中权电阻网络的总电流为 若Rf R 则有推广到n位 D A转换的精度 取决于基准电压Us及电阻精度 三 T型电阻解码网络高阻值的高精度电阻制造困难 利用T型电阻解码网络 只需要R和2R 特点 Di为数字量控制双投开关 Di 1 投UE Di 0 投接地 Rf 2R时 特点 Di为数字量控制双投开关 Di 1 投UE Di 0 投接地 Rf 2R时 四 D A转换的实际电路及芯片 数据缓冲器 D A转换需要时间 而在转换期间 数据总线上可能不断向D A送入数据 缓冲器的作用是在D A转换期间暂存总线上不断送入的待转换数据 数据锁存器 类似与采样保持器 保证D A转换期间数据不发生变化 转换完成再从缓冲器中获取新数据 电流开关 一系列电子开关 译码器 将数据信号 高 低电平 转换为相应开关的通断状态 从而使电阻网路的输出总电流与锁存器中的二进制数码相对应 常见的D A芯片 DAC1210 AD588 AD7520等 关键逻辑模块 采样及样本保持 Ux 电压比较 运放 Ux与Uc 逐次逼近SAR 五 模 数 A D 转换器 一 基本原理 实现A D转换的基本方法有积分法和逐次逼近法 积分法对输入信号求积分 取平均值 抗干扰但转换时间长 远动装置中一般采用逐次逼近法 8位逐次逼近型A D转换器工作原理 a 原理框图 b 逐次逼近过程示意 在电压比较器中 先用最高电压砝码Uc与采样得到的模拟电压样本Ux比较 若不足 再添加下一位电压砝码 直至最小砝码 此时 添加的砝码之和即为未知的电压Ux 逐次逼近过程说明 二 量化误差 1 A D转换的精度取决于转换的位数 若为10位A D 则其内部D A必定为10位 即只有10个电压砝码 2 当逼近过程中 用上最小一个电压砝码 仍略小于Ux时 此时只能给出一个近似结果 测量值 0 5Umin 则实际值与转换值之间的误差为量化误差 该误差不会超过最小砝码的一半 三 常见的A D芯片 常用12位逐次逼近A D芯片 AD574A AD1674等 思考问题 1 对于范围为0 10V的A D转换器 10位A D转换器的精度是多少 六 集成数据采集系统 随着大规模集成电路发展 已有将多路开关 采样保持 和A D转换器集成于一个芯片产品 如MAX197 主要有数字滤波 乘系数 BCD码转换及越限判别等 一 数字滤波目的 进一步提高抗干扰的能力 减少误差 形式 本身是一种计算机程序 也被称为数据平滑 分类 非递归滤波和递归滤波 七 模拟量的数据处理 1 非递归数字滤波 如果数字滤波的输出结果仅与当前的和过去的输入值有关 而和过去的输出值无关 就称为非递归数字滤波 以书上的例子 设有模拟信号x f u t z t 有用信号 f1 2Hz干扰信号 f2 100Hz采样频率 fs 500Hz 采样间隔TS 1 500 2ms 得到样本 x 0 x 1 x 2 x n 1 x n 非递归滤波算法 通用表达式 其中 i为加权因子 N为滤波因子长度 滤波原理 干扰一般是高频周期信号 通过