第一章自动装置及其数据的采集处理.ppt

第一章自动装置及其数据的采集处理 电力系统运行的主要参数是连续的模拟量 而计算机内部参与运算的信号是离散的二进制数字信号 所以自动装置的首要任务是将连续的模拟信号采集并转换成离散的数字信号后进入计算机 即数据采集和模拟信号的数字化 本章主要介绍 电力系统自动装置硬件的基本结构形式及数据的采集和处理的工作原理 第一节自动装置的组成 2 1 1 第一节自动装置的组成 一 硬件构成形式 目前电力系统自动装置的结构形式主要有四种 微型计算机系统 工业控制计算机系统 集散控制系统 DCS 和现场总线系统 FCS 计算机网络系统 对于单一功能的自动装置采集的电气量较少 而微型计算机可以满足运行要求 如自动并列 对于控制功能要求高 软件开发任务重的系统 如励磁系统 大多采用工业控制计算机系统 对于分散的多对象的成套监测控制装置则采用集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 或现场总线系统 FieldbusControlSystem FCS 如发电厂 变电所一些远动装置及热电厂的机炉集控系统等 电力系统调频通过计算机网络系统完成 一 微型计算机系统 定义 把简单的 借助于特定开发平台才能编程的系统定义微型计算机系统 组成 传感器 采样保持器 模拟多路开关 A D转换器 存储器 通信单元 中央处理单元 CPU 及外设等部分组成 图1 1 8页 9页 10页 11页 10页 10页 微型计算机系统的组成 1 传感器传感器作用是把压力 温度 转速等非电量或电压 电流 功率等电量转换为对应的电压或电流量的弱电信号 模拟 能被计算机接口电路接受的信号 叫变送器 电力系统用的较多的为模拟变送器 它输入信号为被测参数 直流接口 输出量为与其输入量成正比 可供微机采样 的直流电压或者电流信号 交流接口 输出量为与输入量参数成比例的 幅度较小的交流电压 即把PT CT的二次侧信号经中间变压器或中间变流器转换成与其成比例的 幅值较低的交流电压 微型计算机系统的组成 2 模拟多路开关 MUX 数据采集装置要对多路模拟量进行采集 在采样速度要求不高的场合 一般采用公共的A D 缩 模拟 数字 转换器 分时对各路模拟量进行模 数转换 在每一个时刻中的一个特定时间内 只允许将一路模拟信号输入到A D转换器 目的是简单电路 降低成本 图 微型计算机系统的组成 3 采样 保持器 S H 功能 A D转换器完成一路转换需要一定的时间 在这段时间内 可以保持输入到A D的模拟信号电压不变 由S H完成 基本电路组成 有模拟开关 保持电容器和缓冲放大器组成 目前采样 保持电路大多集成在单一芯片 图 微型计算机系统的组成 4 A D转换器功能 将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号 A D转换器是影响数据采集速率和精度的主要因素之一 5 存储器功能 用于计算机存储程序 参数和数据 进行缓存 提供进一步的数据处理 6 通信单元 通信单元与上位机通信 包括 通信控制器和通信收发器两个部分 通信控制器 用于控制通信过程 确定通信的数据 地址以及建立 拆除通信的数据链路 通信收发器 用于处理通信的物理层功能 包括物理引线的排列 机械特性和物理电平等 图 7 中央处理单元 CPU 及外设 一般把运算器和控制器合称为中央处理单元 CPU 是自动装置的核心部件 对系统工作进行控制和管理 对采集到的数据作必要的处理 然后根据要求做出判断发出指令 微型计算机系统的特点 1 结构简单2 容易实现3 满足中 小规模自动装置的要求4 环境适应强5 价格低廉 降低系统投资 图 微型计算机系统的组成 二 工业控制计算机系统 工业控制计算机 由稳压电源 机箱和不同功能的总线模板 以及键盘 显示器 等外设接口组成 工业控制计算机系统中的内部总线种类繁多 比较常用的主要有 STD PC104总线等 STD总线共有56根总线 信号之间的隔离消除了大部分总线上的干扰 单元为小模板结构 每块模板具有独立性 实现了板级功能分散 STD总线工业控制计算机结构组成 1 CPU单元 STD总线的主处理单元 包括处理数据 地址和各种控制功能 并且控制其他单元的工作 负责整个工控系统的计算 数据处理和控制等工作一般含有高速的CPU和协处理器 能够与计算机PC XT总线兼容 STD总线工业控制计算机结构组成 2 A D单元 提供模拟 数字转换接口 模数转换和数据读取的时间可由CPU单元控制 也可由外部触发来决定 3 存储器单元 作为通用存储器的扩展卡 含有STD接口 译码 存储器 后备用电池等 可防止失电后数据丢失 STD总线工业控制计算机结构组成 4 系统支持单元为STD PC提供系统支持的单元 包括设置开关 后备电池 实时时钟 看门狗定时器watchdog 上电复位电路 交流掉电电路 总线终端网络及通信口 外设单元 包括 5 定时器单元 6 I O单元 7 键盘显示板电源板 8 通信单元等 用于与外部信号和设备接口和操作 5 定时器单元STD总线的独立外设 具有可编程逻辑电路 选通电路和输出信号 完成定时 记数 实现 看门狗 功能 STD总线工业控制计算机结构组成 6 I O单元实现开关量输入输出的功能单元 电平输出 功率输出 各种信号均具有锁存功能 7 键盘显示板键盘输入 显示输出 打印机接口等部分 8 通信单元承担计算机对外的通信任务 工控机电源技术性能要求 输入电压 输出电压 输入电流等 要求 输入侧带交流滤波 输出侧具备过电压与过电流保护 较高的可靠性和抗干扰能力 低功耗等 优点 工控机较微机系统完善 可靠性实时性也提高 易实现板级的分散 配有实时操作系统 过程中断系统等 具有丰富的过程输入 输出功能和软件系统 有众多的选配件和组态软件支持 工业控制计算机的特点 1 系统功能强大2 可靠性和实时性强3 实现板级的分散4 实时操作系统 过程中断系统5 丰富的人 机界面6 众多的软件 硬件支持 三 集散控制系统和现场总线系统 DCS FCS DCS FCS 数据采集测控站上位机 现场总线主节点现场总线从节点路由器 NorthChinaElectricPowerUniversity 20 43 2020 3 22 1 集散控制系统DCS 集散控制系统 计算机网络技术与工业控制计算机系统相结合 由若干数据采集测控站和上位机及通信线路组成 数据采集测控站 由单片机数据采集控制装置组成 位于设备附近 独立采集数据和预处理 传输信号至上位机 接收上位机控制信号执行控制命令 上位机 采用工业控制机或工作站 配置打印机和其他外设 采用双机热备用方式 分析处理上传数据 数据存储 系统协调 集中显示 打印报表 最重要的是根据数据处理结果确定控制参数和方法 将结果下达给数据采集测控站 通信接口 数据结构采用串行方式 访问方式为令牌形式 集散控制系统特点 系统适应性强系统分散性并行结构 解决大型 高速 动态系统的需要实时性能好对上位机具有一定的技术要求 准分布式控制 NorthChinaElectricPowerUniversity 22 43 2020 3 22 2 现场总线系统FCS 现场总线系统 将分散在现场的测控设备转变为网络节点 以现场总线为纽带 连接成为可以相互沟通信息共同完成自控任务的网络型控制系统 现场总线主节点 整个系统协调者 完成信息的发起功能 完成显示 输出 打印和数据存储等功能 现场总线从节点 系统终端设备的执行者 不能发起信息 可以完成接收 查询等 路由器 主要完成路由 中继 数据交换等功能 现场总线系统FCS结构 组成 现场总线主节点 也称为主设备 主站 整个现场总线的协调者 完成信息发起的功能 还可以通过一些接入设备与计算机局域网相连 主节点也可以通过接入设备到外部设备 完成显示 输出 打印 数据存储等功能 即提供人机接口 现场总线从节点 又称为从设备 从站 是现场总线系统终端设备运行的执行者 它不主动发起通信 可以完成接收 查询功能 对测控目标而言 所有测控的工作都可以下放到从节点中使现场总线成为完全的分布控制系统 路由器 路由 中继 数据交换作用 现场总线系统特点 FCS系统是个全数字化开放系统 即同类总线具有相同的协议和行业标准 具有良好的可互操作性和可互用性 即同类产品可替代性 它是全分布控制系统 故可形成更大的控制系统 其现场设备具有高智能化和自治性 即具有很强的控制能力 分布式控制 NorthChinaElectricPowerUniversity 25 43 2020 3 22 典型测量控制系统 Rockwell测控系统 NorthChinaElectricPowerUniversity 26 43 2020 3 22 典型测量控制系统 AOCT与保护一体化系统 NorthChinaElectricPowerUniversity 27 43 2020 3 22 典型测量控制系统 研华工控机系统 NorthChinaElectricPowerUniversity 28 43 2020 3 22 典型测量控制系统 研翔PC104系统 四 计算机网络系统 电力系统采用了以光纤为介质主干的计算机专用通讯网络 它是电力系统各级调度中心连接其所属发电厂 变电所 配电站中心各监测装置 自动装置和控制器的纽带 结合电力系统能量管理系统EMS软件等实现远程自动化功能 如 四摇 自动调频等 电网调度控制中心计算机网络应用系统示意图如图1 6所示 二 软件 1 信号采集与处理程序 采集信息包括数字信号和模拟信号两种 数字信号可直接进入计算机储存 而模拟信号需经处理 模拟信号采集与处理程序的主要功能是 对模拟信号进行采集 标度变换 滤波处理及二次数据计算 并将数据存入相应地址的存储单元 2 运行参数设置程序 对系统运行参数进行设置 包括采样通道信号