交流信号采集与变换PPT课件.ppt

.,1,电力系统调度自动化,第二章交流数据采集与处理,.,2,生产实践中是通过何种设备完成交流数据采集？,电压表电流表功率表万用表？工作原理是什么？,.,3,交流数据采集的目标是什么？,通过提取交流量的特征信息进行交流量的表征幅值（有效值）频率相位,.,4,交流数据采集与变换中需要解决的问题？,硬件：电流电压的幅值特点（变换器）微处理器处理能力问题（采样方式）不同类型的变送器路数问题成本问题（多路开关）转换精度（采样保持、AD转换器）频率问题（测频）信号干扰问题(模拟滤波电路)软件：针对不同采样方式，所采取的方式直流采样交流采样,.,5,第二章交流数据采集与处理,第一节电量变送器第二节模拟交流量的变换第三节微机变送器与交流采样第四节电力系统数据预处理第五节标度变换,.,6,模拟量,三种模拟量（在时间上或数值上都是连续的物理量）快速变化的交流量：如交流电压、电流、功率等。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。缓慢变化的非电量：如温度、压力、水位等。,.,7,电量变送器的采样方式,直流采样直流电量：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。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。非电量：利用专用的温度变送器、压力变送器,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。,.,8,电量变送器的采样方式,直流采样的特点对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。经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。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。需要变送器屏。,.,9,电量变送器的采样方式,交流采样的特点实时性好。能反映实际波形。可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。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。采样和计算的程序比较复杂。,.,10,第一节电量变送器,电量变送器是一种将被测量参数(交流电流、交流电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率、相位、功率因数、直流电压、直流电流等)按线性比例转换成直流电流或电压(电能脉冲输出)的测量仪表。它广泛应用于电力、石油、煤炭、冶金、铁道、市政府等部门的电气测量、自动控制以及调度系统。,.,11,电量变送器样本,单相交流电流/电压变送器三相交流电流/电压变送器三相四线有功、无功功率变送器档位变送器直流电压变送器,.,12,第二节模拟交流量的变换,交流信号转换成直流信号，直流信号的值为交流信号的有效值或者是平均值。,电流变送器与电流互感器的连接图,电流变换器,.,13,交流电流变送器,转换过程中需要解决的问题输入信号大小中间互感器（作用）交流直流全波线性整流（重点：电路、工作原理）平滑滤波，整形,.,14,一、交流电流变送器,大电流变为小电流电气隔离,经电阻变为电压信号,精密交-直流变换电路将交流电压变为05v的直流电压,恒流输出电路得到01mA或420mA直流输出信号。,.,15,全波线性整流电路图,.,16,恒压输出电路,.,17,二交流电压变送器,.,18,三、电能变送器,.,19,三、电能变送器,1、功率与电能的关系三相电路的瞬时功率为P（t），则该电路的有功电能W就是P（t）的时间积分。设在时间t0t1内的平均功率为Pav则在时间t0t1之间的电能量等于该时间内平均功率与时间的乘积。三相有功功率变送器输出电压U0与有功功率P成正比，U0=K1P,.,20,若将U0进行电压频率（U/f）变换，使之成为与U0成正比，频率为f的脉冲信号，即f=K2U0在时间t0t1内，计得以f为频率的脉冲数为N，则N/（t1-t0）代表在时间t0t1内频率f平均值fav。因此可求得相应时间内U0的平均值U0av，即,计数脉冲与电能的关系,.,21,第三节微机变送器与交流采样,交流采样电路,.,22,模拟量输入通道,信号处理电路多路转换开关采样保持器A/D转换器,.,23,信号处理-低通滤波,无源低通滤波有源低通滤波,.,24,多路转换器（多路开关）,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。常见的多路开关有：CD4051B（8路），AD7506（16路）等。,.,25,多路转换器,模拟量多路开关由三部分组成地址输入缓冲和电平转换使得输入端对TTL，CMOS逻辑电平兼容译码和驱动把地址译为通道号代码模拟开关，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。,.,26,多路转换器,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。,.,27,采样保持的含义,.,28,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。,.,29,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：,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。,.,30,A/D转换器,逐次逼近型的A/D转换器工作原理逐次逼近寄存器SARD/A转换器比较器时序和控制逻辑电路,.,31,A/D转换器,逐次逼近型的A/D转换器特点转换速度快。转换时间固定。抗干扰能力较差。需要附加抗干扰电路。,.,32,A/D转换器,A/D转换器主要技术指标分辨率精度转换时间电源灵敏度量程输出逻辑电平工作温度范围,.,33,A/D转换器,A/D转换器AD57412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。,.,34,单极性接法,.,35,双极性接法,.,36,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。,.,37,微机变送器硬件,.,38,参考电力自动化设备,2000年06期交流采样的微机电量变送器及其自检技术,.,39,输入信号经相应的TVm或TAm变换成05V交流电压信号；（单极性/双极性）输入到多路模拟电子开关。选择多路信号中一路输出；采样保持器进行采样及保持；AD转换器将采样保持器输出的模拟电压转换成数字量；CPU读AD输出数据；CPU再发地址选择输入信号；,微机变送器的工作过程：,.,40,这种过程在一个交流信号周期内重复CPU对一周期内每路输入信号的N个采样值，进行数据处理，并计算出线路上的各种电气量值。,微机变送器的工作过程,.,41,模拟量采集的处理,数字滤波标度变换越限判别交流采样算法,.,42,数字滤波,非递归滤波一般形式,滤波因子KK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。,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。,.,43,数字滤波,非递归滤波差分滤波器y(n)=x(n)x(nK)设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数，则可滤除的谐波频率为：,.,44,数字滤波,非递归滤波加法滤波器y(n)=x(n)x(nK)设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数，则可滤除的谐波频率为：,.,45,数字滤波,非递归滤波积分滤波器y(n)=x(n)x(n1)x(nK)设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数，则可滤除的谐波频率为：,.,46,举例：设一模拟信号,要求保留基波部分，滤除的谐波（7次）部分。,.,47,若采样频率=3500Hz，则对于基波，每周期有70个采样值；对于7次谐波，则每周期有10个采样值。现将相对于基波一周期的70个采样值分成7组，每组10个采样值求取平均值。令y(k)是x(t)连续10个采样值的平均值，即,滤除高次谐波,.,48,为两个分量组成，因此可有,由于是350Hz的正弦波，采样频率为3500Hz，恰好是每周期10次采样，因而计算式中的第二部分必然等于零。对于50Hz的基波，上述计算可得到7个分组值，每个分组值恰好分别等于对基波进行每周期7次采样的各个采样值，并且不包含任何7次谐波成分。,.,49,数字滤波,递归滤波一般形式,KK个采样间隔L数字滤波器的阶,.,50,数字滤波,递归滤波一阶递归数字滤波y(n)=x(n)+(1)y(n1),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。,.,51,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。注意点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避免系数有效位数减少，尽量保证系数1,.,52,越限判断,模拟量越限应报警。可以将每一通道的限值保存在内存区中，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。,.,53,交流采样算法（对交流信号的假设）,单点采样算法对三相电压电流同时采集一点，可计算出有效值。,没有滤波作用，要求三相对称。,.,54,交流采样算法,两点采样算法,设,若相隔/2采集2点，有,平方相加得有效值,.,55,交流采样算法,两点采样算法,同理可得,简单快速。无滤波作用，输入信号有谐波分量会影响计算精度。,.,56,交流采样算法,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u(t)，若在,上满足狄里赫利条件，那么在,上可展开为无穷级数：,(n=1，2，3),(n=1，2，3),.,57,交流采样算法,全周波傅立叶算法,将上式离散化后得,N是每周波采样点数。一般采用每周波12点采样。,.,58,交流采样算法,全周波傅立叶算法,对于基波：,电流类似。,.,59,如何运用本章知识？,直流采样,交流采样,1）硬件2）软件,.,60,0101011011100101-86.2A,第五节标度变换,.,61,例如被测电流的满量程为1500A，经变换后的满量程结果为2047。当电流在01500A范围内变化时，模/数转换的输出在02047之间变动，两者呈线性比例关系。设遥测量的实际值为S，模/数转换后的值为D，因为S和D呈线性比例关系，所以可以以满量程的对应关系来求出标度变换系数K。对于12位模/数转换器，D=2047，则S/D=S/2047。,第五节标度变换,.,62,例如幅值为1500A的电流，可得各个遥测量都有对应的标度变换系数K，均以确定的形式存储器的遥测系数区中，待需要时读取。标度变换系数K在遥测系数区中以两个字节存放，其格式为F1F2N1N20/1S/D小数点标志、移位标志、正/负、11位标度变换系数500A的电流的遥测系数K=0000010111011100,第五节标度变换,.,63,在经过模/数转换得到某个遥测量的11位二进制数，需乘上系数得到有量纲的实际值，考虑乘法运算后的精度，标度变换系数K应具有11位的有效位。但在某些场合，根据S/D所得的K系数并不具有11位有效位，因此需要预先对K进行处理。例如某电流的幅值满量程为150A，则这一系数的有效位仅有8位，当模/数转换的结果与之相乘后，有效位数减少了。,第五节标度变换,.,64,为了保证有效位数，可以将被测量预放大，例如上例放大10倍，在十进制数显示时相应将小数点向左移1位，即可显示原值。如将150A的满量程值放大10倍后成为1500，系数K即有11位有效位数。在1500转换成二进制数后，与K相乘，并在二十进制转换后，将小数点向左移一位，即为150.0A的表达。遥测量用四位十进制D3D2D1D0显示。用小数点标志F1F2来设定小数点位置，其内容由通信双方约定。例如小数点设在最低位D0之前，把F1F2置为01。例如幅值为150A的电流，可得0100010111011100,第五节标度变换,.,65,F小数标志位,第五节标度变换,.,66,但在S/D小于0.5时，对应的二进制仍会出现有效位数不足11位的情况。例如满量程值为300A的电流实际有效位为9位，而300不能扩大10倍，使S/D1而不符合要求。解决方法是将转换S/D时计算到小数点后13位，然后将S/D左移2位成为0.10010110000B作为标度变换系数的遥测系数部分