第二章--电力系统测控装置的基本原理.ppt

第二章电力系统测控装置的基本原理,第一节概述,电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的也随时可能发生，系统中的设备和运行状态、参数是大量的、多变的。这就要求运行人员时刻掌握系统的运行状态，根据实际情况调整运行方式。因此实时地获取系统运行的各种参数及状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态以及进一步的决策是至关重要的。,运行人员如何实时掌握电力系统的运行状态，并根据实际情况及时调整电力系统的运行？依靠电力系统测控装置及时准确地对各种数据的采集与处理！有了大量来自系统运行的各种参数及状态，的信息，才能实现自动监测、控制。测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，并将采集的数据上送主机，因此，测控装置是自动化系统的基础。,测控装置被称为“信息采集和命令执行子系统”（远动终端RTU）,作用采集各发电厂、变电所中各种表征电力系统运行状态的实时信息，并根据运行需要将有关信息通过信息传输通道传送到调度中心，同时也接受调度端发来的控制命令，并执行相应的操作。,可以实现“四遥”功能：遥测(YC)、遥信(YX)、遥控(YK)和遥调(YT).遥测:采集并传送电力系统运行模拟量的实时信息；遥信:采集并传送电力系统中开关量的实时信息；遥控:指接收调度中心主站发送的命令信息，执行对断路器的分合闸、发电机的开停、并联电容器的投切等操作；遥调:指接收并执行调度中心主站计算机发送的遥调命令，如调整发电机的有功出力或无功出力、发电机组的电压、变压器的分接头等。,一、基本测控单元,为了减少系统的负担，目前的测控装置，都做成了智能式的，测控装置与系统的联系，由数据通信来完成。这样，不但减少了系统的负担，而且还大量地减少了现场至控制室之间的电缆。主机负责系统管理、决策、统计等任务，而测控装置负责测控及将采集的数据上送主机。测控装置虽然要接受主机的控制，但它的测控任务是独立完成的。这就是自动化系统的“分散监控、集中管理”基本模式。,测控单元以功能来划分，可分为集中式测控单元、独立综合式测控单元。集中式测控单元可实现数据采集或控制的某一个单一功能，例如遥测单元、遥控单元。独立综合式测控单元能实现各类信号的测量、控制功能。目前构成测控装置的器件很多，下面以单片机、DSP(DigitalSignalProcessor)器件为例来学习测控单元的基本构成。,1.单片机测控单元,单片机是一种具有CPU和各种不同外部电路的微处理器。利用单片机的电路集成特性，把系统体积压缩到最小。,单片机组成的基本测控单元,单片机系统简单、易于开发，对用户有良好的实用性。,2、DSP器件测控单元,DSP芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它是一种特殊的、专用的微处理器，具有可编程性，实时运行速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构，强大的信息处理能力以及较高的运行速度等特点，在各个领域得到越来越广泛的应用。,串行通讯,电源,DSP组成的基本测控单元,3、通用DSP与单片机的比较,单片机只有单总线，且片外地址、数据线复用;而DSP片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，还有比异步串口(DART)速度高得多的同步串口或通信口，因此，数据输入/输出能力很强。DSP数据位宽，乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时速度快、精度高。DSP有大容量的片内存储器。但单片机的控制接口种类比DSP多，适用于以控制为主的模数混合设计。在其他方面，两者是类似的。,二、需采集的数据信息,电力系统需要采集的信息量大，且具有不同的特征，可把它们分成以下类型。,1、模拟量（是指时间和幅值均连续变化的信号，是连续时间变量t的函数）,电量：交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、直流电压等,非电量：温度、气体、压力、水位等、,3、数字量：数字量是指时间和幅值均是离散的信号，包括BCD码仪表及其他数字仪表的测量值，并行和串行输入/输出的数据等。,2、开关量：开关量是指随时间离散变化的信号，主要反映的是设备的工作状况，包括断路器、隔离开关、保护继电器的触点及其他开关的状态。,4.脉冲量脉冲量是指随时间推移周期性出现短暂起伏的信号，包括系统频率转换的脉冲及脉冲电能表发出的脉冲等。,掌握电力系统状况，采集的信息主要从两个方面着手，一个方面是遥测量，另一方面是遥信量。,遥测量的类型：,遥测量主要是电网中各元件如线路、母线、变压器-发电机等的运行参数，通过收集传送到调度中心去。,(1)母线电压(尤其电压控制点)。(2)各条线路的有功、无功功率或电流。(3)变压器有功、无功功率。(4)发电机/电厂所发有功、无功出力。(5)电站/厂、线路有功、无功电能值。(6)系统频率。(7)变压器分接头位置。(8)水库水位。(9)气象数据等等。,遥测量主要包括以下各种参数：,(1)断路器的合、分状态。(2)隔离开关的合、分状态。(3)各个元件继电保护动作状态。(4)自动装置的动作状态。(5)发电机出力上、下限状态等。遥信量对正确反映电网的安全运行非常重要，任何一条线路的开关状态发生变化，就改变电网拓扑结构的变化，各种参数就可能发生变化。因此，正确地采集电网的开关量状态信息，是十分重要的。,遥信量主要是反应电网开关状态的量和元件保护状态的信息。它主要包括以下内容:,一、测控装置直流采样与交流采样有些模拟量是快速变化的交流量，如交流电压、交流电流等，有些模拟量是变化缓慢的直流量，如控制母线直流电压和操作母线直流电压，针对不同类型的模拟量可采用不同的采样方式。,第二节模拟量信息采集的硬件构成(遥测量),1、直流采样,直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量通过变送器转换成和被测量成线性关系的直流电压信号，再送至测控单元，测控单元对此直流量进行采样。,直流采样方式原理：,电量变送器交流电压变送器和交流电流变送器有功功率变送器和无功功率变送器有功电能变送器和无功电能变送器频率变送器功率因数变送器直流电压变送器和直流电流变送器微机电量变送器,电量信号,非电量信号,电量变送器/非电量变送器,A/D转换,计算机,直流电信号,非电量变送器温度变送器压力变送器流量变送器水位变送器等,直流电压变送器是一种将电网中的直流电压隔离变送成线性的直流模拟信号的装置。将被测信号变换成一电压，经HCNR200/201线性光耦直接转换成一个与被测信号成线性关系并且完全隔离电压、再经过恒压（流）输出。,直流变送器,电量变送器,05V的直流输出电压,交流电压变送器,交流电流变送器,直流采样电压形成回路,直流采样的特点是:,(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值，因此采样程序简单，软件的可靠性较好。(2)直流采样因经过整流和滤波环节，转换成直流信号，因此抗干扰能力较强。(3)直流采样输入回路，往往采用R-C滤波电路，其时间常数较大(一般几十毫秒-几百毫秒)，因此采样实时性差，而且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合用于微机保护和故障录波中。,直流采样的优点：软件设计简单，计算简便。对采样值只须作一次比例交换，即可得到被测量的数据，因而采样周期短。在微机应用的初期，此方法得到了广泛的应用。直流采样的缺点：采样结果实时性较差；直流采样输入回路，因要滤去整流后的波纹，往往采用R-C滤波回路，其时间常数较大，无法反映被测模拟量的波形，更不能及时反映被测量的突变。测量精确度受直流变送器的精确度和稳定性的影响。设备复杂，增加系统的造价。,是对互感器二次回路中的交流电流信号和交流电压信号直接采样。输入至A/D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。经模/数转换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率等电量值。交流采样是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P、Q值。,2.交流采样,交流采样的特点：,1)实时性好；它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响。2)能反映原来电流、电压的实际波形，便于对所测量的结果进行波形分析；3)设备简单，可以节约投资。有功功率和无功功率是通过采样得到的u、i计算出来的，因此可以省去有功功率和无功功率变送器，可以节约投资并缩小测量设备的体积。,4)对A/D转换器的转换速率和采样保持器要求较高。为了保证测量的精度，一个周期内，必须保证有足够的采样点数，因此要求A/D转换器要有足够的转换速度。,5)测量准确度不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。,根据模/数变换原理的不同，交流采样的输入电路有两种方式:,1)基于逐次逼近型A/D转换方式(ADC)。它是直接将模拟量转变为数字量的变换方式。2)利用电压/频率变换(VFC)原理进行模/数变换方式。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方式。,二、基于A/D变换的模拟量输入电路,图2-4基于A/D转换的模拟遥测量采集原理图,电流,交流采样电路,交流采样是直接对交流电压和电流的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P、Q等值。,（一）电压（电流）形成电路,电压、电流变换器的作用：1、进一步降低电压或电流。2、将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。,（二）滤波及信号处理,但在目前电力自动化系统都是要求反映工频分量，或是反映某种高次谐波。故可在采样之前限制一定频带，以降低采样频率。这样，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于失真。,电力系统中电压、电流频率成分复杂。,限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个低通滤波器将fs/2以上的频率分量滤去即可。,低通滤波（ALF）限制输入信号的最高频率，以降低采样频率。,采样保持器（S/H）的基本原理：采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。,三、采样保持器（S/H）,采样保持器（S/H）的作用：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。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,从图中可以看出，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。经过对Vi的采样，V0的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的“小平台”电压供A/D转换器进行A/D转换。,A1、A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样保持器的输入阻抗，减小输出阻抗。,K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。,串联型采样保持器的结构,采样保持器应用,电压形成回路,采样保持回路,一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关,（四）多路转换开关（MUX）,例：4051八选一模拟多路开关,当使能端INH为0状态时，CD4051B才能选择导通，由选择输入端A2A1A0三位二进制编码来控制（CH0CH7）八个输入通道的通断。该芯片能实现双向传输，即可以实现多传一或一传多两个方向的传送。,CD4051B采用了CMOS工艺，16脚DIP封装。,多路转换开关应用,电压形成回路,采样保持回路,（五）模/数转换器(A/D),实现A/D转换的方法很多，有逐次逼近型、双积分型、计数一比较型、并行比较型等。在选用A/D变换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素而决定选用哪种类型。,A/D转换器的主要技术性能,1）分辨率(Resolution),2)精度(Accuracy),3）电源灵敏度,4)转换时间,5)输出逻辑电平,7)量程。,A/D转换器的主要技术性能,1）分辨率(Resolution),分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字量输出最低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。,例如，8位A/D转换器能对模拟量输入满量程的1/28=1/256的增量作出反映。n位A/D能反映模拟量满量程的1/2n的增量。由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。,2)精度(Accuracy),例如，8位A/D转换器能对模拟量输入满量程的1/28=1/256的增量作出反映。n位A/D能反映模拟量满量程的1/2n的增量。由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。,(5)输出逻辑电平。多数A/D转换器的输出逻辑电平与TTL电平兼容。故在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。,(3)电源灵敏度。电源灵敏度是指AID转换芯片的供电电源的电压发生变化时产生的转换误差，一般用与电源变化1%时相当的模拟量变化的百分数来表示。,(4)转换时间。转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，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。转换时间的倒数称为转换速率。例如，AD574的转换时间为25s，其转换速率为40kHz。由于该时间的存在，使系统信息的检测出现时间上的滞后，有时会影响系统的动态特性。,(7)量程。量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分单极性、双极性两种类型。单极性量程为0+5V、0+10V、0+20V;双极性量程为-2.5+2.5V、-5+5V、-10+10V。,(6)工作温度范围。由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D转换器的工作温度范围为0-70C，军用品的工作温度范围为-55+125C。,主要指标：分辨率：12位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：单极性0+10V和0+20V，双极性05V和010V电源电压：15V和5V数据输出格式：12位/8位,3.常用的A/D转换芯片AD574A,CS：片选信号，低电平有效。CE：芯片允许信号，高电平有效。只有CS和CE同时有效，AD574A才能工作。RC读出或转换控制信号，用于控制ADC574A是转换还是读出。当为低电平时，启动AD转换；当为高电平时，将转换结果读出。128：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为12位；当为低电平时，数据是作为两个8位字输出。A0:转换位数控制信号。当为高电平是，进行8位转换，为低电平进行12位转换。,单极性输入电路当输入电压为VIN=0V+10V时，应从引脚10VIN输入，当VIN=0V+20V，应从20VIN引脚输入。输出数字量D为无符号二进制码，计算公式为：,式中Vin为输入模拟量（V），VFS是满量程，如果从10VIN引脚输入，VFS=10V，1LSB=10/4096=24(mV)若从20VIN引脚输入，VFS=20V1LSB=20/4096=49（mV),双极性输入电路R1用于调整双极性输入电路的零点。如果输入信号VIN在5V5V之间，应从10VI引脚输入；当VI在10V10V之间，应从20VI引脚输入。双极性输入时输出数字量D与输入模拟电压VI之间的关系：D2048（1+2VI/VFS）或:VI(D/2048-1)VFS/2,式中VFS的定义与单极性输入情况下对VFS的定义相同。,AD574A与单片机的接口,AD574A的转换程序段如下：AD574A：MOVDPTR，#0FFF8H；送端口地址入DPTRMOVXDPTR，A；启动AD574ASETBP1.0；置P1.0为输入方式LOOP：JBP1.0，LOOP；检测P1.0口INCDPTR；使R/C为1MOVXA，DPTR；读取高8位数据MOV41H，A；高8位内容存入41H单元INCDPTR；使、A0均为1INCDPTR；MOVXA，DPTR；读取低4位MOV40H，A；将低4位内容存入40H单元.上述程序是按查询方式设计，也可按中断方式设计中断服务程序。,由逐次逼近式A/D的变换原理可知，其变换过程中，CPU要使采样/保持、多路转换开关及A/D转换器三个芯片之间协调好，因此接口电路复杂。而且A/D芯片结构较复杂、成本高。目前，许多微机应用系统采用电压一频率变换技术进行模拟量变换。,三、基于V/F转换的模拟量输入回路,原理：将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供CPU读入。,电压-频率转换模拟量采集原理图,(一)VFC型模拟量变换系统,CPU每隔一个采样间隔时间Ts，读取计数器的脉冲计数值，并根据比例关系算出输入电压Uin对应的数字量，从而完成了模/数转换。,CPU每隔一个采样间隔时间Ts，读取计数器的脉冲计数值，并根据比例关系算出输入电压Uin对应的数字量，从而完成了模/数转换。,四、逐次逼近式和电压-频率转换式两种数据采集方式的特点分析,逐次渐近型A/D转器数字量由逐次渐近寄存器提供。,思路：,从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。,以输出四位数字量a3a2a1a0为例:,1.输入1000到逐次渐近寄存器，以确定a3的值；,2.输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定a2的值；,3.输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定a1的值；,4.输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定a0的值；,可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转换器还要增加两个时钟周期时间。）,在既要求数据长距离传输又要求精确度较高的场合，可使用V/F转换器代替A/D器件。,工作原理：,把V/F转换器输出的频率信号作为计数脉冲，进行定时计数，这样计数器的计数值与V/F转换器输出的脉冲频率信号之间的关系为：,f=D/T,D：计数值，T：计数时间，就可求出V/F转换器的输出频率，从而知道输入电压V，这就实现了A/D转换。,定时/计数器可用单片机内部的，也可使用外部扩展的，用单片机把计数值取入内存即可进行数据处理。,V/F转换器,四、逐次逼近式和电压一频率转换式两种数据采集方式的特点分析,(1)逐次逼近式数据采集方式的模/数转换数字量对应于模拟输入电压信号的瞬时采样值,可直接将此数字量用于数字算法;而电压-频率变换式数据采集系统在每一个采样时刻读出的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间隔的计数器读值之后才能用于各种算法，且此计数器读值对应于在一定时间内模拟输入电信号的积分值。,(2)逐次逼近式数据采集方式，一旦转换芯片选定后，其输出数字量的位数不可变化，即分辨率不能再改变。而对于电压一频率变换式VFC数据采集系统，则可以通过增大计算脉冲时间间隔来提高其转换精度或分辨率。,(3)逐次逼近式数据采集方式，对芯片的转换时间有严格的要求，必须满足在一个采样时间间隔内，快速完成数据采集，以留给微机时间去执行软件程序。而对电压-频率变换式VFC数据采集系统则不存在转换速度的问题，它是利用输入计数器的脉冲计数值来获取模拟输入信号在某一时间内积分值对应的数字量。在使用时应注意到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率。,(4)逐次逼近式数据采集方式中需要由定时器按规定的采样时刻，定时给采样保持芯片发出采样和保持的脉冲信号。而电压频率变换式数据采集系统则只需按采样时刻读出计数器的数值。,模拟量输出通道的任务把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。,五、模拟量输出通道,数/模(D/A)转换器完成模数转换。由于D/A转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微机系统输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此用锁存器来保持数字量的稳定。,模拟量输出通道的作用是把微机系统输出的数字量转换成模拟量输出。,电力系统,12MHz的振荡周期是1/12微秒，一个机器周期=12个振荡周期，一个指令周期包含1-4机器周期.,DAC0832的单缓冲单极性的接线方式，它的选通地址为7FFFH。实现D/A转换的程序如下：MOVDPTR，#7FFFH；输入0832口地址MOVA，#data；读取数据MOVXDPTR，A；执行D/A转换SJMP$,多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。,电压输出型,举例：基于单片机的模拟量输入系统的设计,程控增益放大器,多路开关,可编程逻辑器件,串行模数转换器,主要包括两个部分:一是交流信号的采样控制软件，二是交流采样的数据处理软件。,一、交流采样软件的构成,第三节交流采样软件,交流采样软件的主流程框图,A/D中断服务程序,数据采集子程序：SMP：MOVR0，#00H；相数选择初始化MOVR2，#80H；u1存放页地址送R2RET：MOVTL0，#00HMOVTH0，#00HSETBTR0MOVA，R0MOVP0，A；选中三相中的一相进入4052MOVR7，#00H；采样点数寄存器初始化MOVR1，21H；当前采样点的页内地址指针AD12：CLRP1.2；选通当前相的电压信号SH：JNB00H，SH；查询S/H标志位CLR00H；准备好，清标志CLRP1.6MOVP2，#DFH；启动A/D转换AD1：JBP1.7，AD1;未完，等待SETBP1.6；R/C置位，准备读LCALLDATA；读入转换结果存入相应页SETBP1.2；切换到电流信号CLRP1.6MOVP2，#DFH；启动A/D转换AD2：JBP1.7，AD2；未转换完，等待INCR2；页地址+1，到存放该相电流的页面SETBP1.6LCALLDATA；读入结果INCR7；下一采样点INCR1INCR1；采样点存放单元地址CJNER7，#10H，AD12；该相未完，继续LCALLFRQCYINCR0；置下一相采样标志INCR2；下一相电压存储页MOVR1，21H；下一相存储页地址指针CJNER1，#03H，RTE；三相未采完ADD21H，#1FH；三相全采完，下次采样各页内地址指针RET,交流采样法是按一定规律对被测交流信号的瞬时值进行采样，再用一定的数学算法求得被测量，用软件功能代替硬件的计算功能。它是用一条阶梯曲线代替一条光滑被测正弦信号。在交流采样的计算中，只要采样点足够多就可以用离散的数字量来代替模拟量。,其原理误差主要有2项：用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差，这主要是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取决于A/D转换器转换速度和CPU的处理时间；将连续的电压和电流进行量化而产生的量子化误差，这主要取决于A/D转换器的位数,连续周期交变电压、电流有效值及平均功率的计算公式为：,交流采样测量装置将电压/电流互感器二次侧测得的电压、电流经高精度的TV、TA隔离、滤波放大电路的整形，变换成计算机系统可测量的连续的交流小信号。经过A/D转换，计算机得到了一系列离散的i、u数值，通过一定的算法，CPU计算U、I值，然后算出P、Q、cos等。,微机处理的是离散化的数字信号，因此需要对公式进行离散化处理，采用均方根算法时，其相对应的离散化公式为：,式中：N每周期均匀采样点数；uk第k点电压采样值；ik第k点电流的采样值。,二、交流采样的数据预处理,各种参数被采集到内存以后，还必须进行一系列的加工和处理，才能成为一个有用的数据。这些工作是通过软件完成的，称为数据预处理。,一)数字滤波,二)合理性检查,三)标度变换,四)BCD码转换,五)越限判别及越限呆滞区,数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行电磁兼容消除干扰的处理。在软件中进行数字滤波的处理，以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰，使采集到的数据能够真实的反映现场的工艺实际情况。,1.死区处理2.算术平均值法3.中值滤波法等,一)数字滤波,二)合理性检查,数字滤波能够剔除部分坏数据，提高检测的准确度。但是如果采集到的数据全部是坏数据，则正常的数字滤波也无能为力。对待这种情况，必须进行合理性检查。例如把采集进来的数据与该数据可能的最大值或最小值比较，如果超过了就表明该数据不可信，应该予以剔除。,另一种检验方法是数据的变化率，即两次采样值之差的绝对值，若超过某一给定值，就认为不合理。,通过一个关系式，用A/D转换得到的数字量，表示出被测物理量的客观值。,比如，测量0至100度的温度。首先，将0至100度的温度信号变成0至5伏的电压信号；然后，A/D再将0至5伏的电压变成00H至FFH的数字量；最后，由CPU将00H至FFH的数字量再还原成0至100度的温度值。这就是标度变换的过程。如，当前的温度是50度，经传感器输入变成了2.5伏的电压（0度对应0伏，100度对应5伏，所以50度对应2.5伏），A/D又将它变成80H（约是FFH的一半，即128）。我们不能拿80H或128直接进行显示，而必须将它变成50，与被测值相等后才可以拿去显示，那么，我们怎样将80H变成50呢？这是很简单的直线方程求解问题，大家一定都会，只须将80H乘以一因子即可。,三)标度变换,数据在内存中都是以二进制形式存放的，因此还必须把它转换成十进制(BCD码)方能送去显示和打印。BCD码是用二进制编码的十进制码，又叫做二十制代码，主要用于数据处理，BCD码用于显示数据比较方便。BCD码是把十进制数的每一位0，1，2，9，都用4位二进制数来编码表示。这4位二进制数分别具有8、4、2、1的权值，此权值与相应位数码（1或0)的乘积之总和是它所表示的十进制数。所以BCD码也称为8421码。,四)BCD码转换,如表示675，用三个BCD码分别表示成：011001110101接收端按这种预先约定的格式接收，就可以很方便地在数字显示器上显示出675这个数字。,五)越限判别及越限呆滞区,各种遥测量的限值存放在内存的遥测量常数区。进行越限判别时可从内存中取出相应的上下限值，与遥测值进行比较。可先比高字节部分，必要时再比低字节部分。根据比较的结果，可设置是否越限的标志。,1.越限判别,返回,Y,大,Y,Y,对遥测量进行越限监视，如有越限就发告警，并记录越限的时间和数值。当遥测量重新恢复正常时也需记录恢复的时间和数值。,设置越限呆滞区可消除某些运行参数在限值附近波动时频繁告警对值班人员的困扰，使越限判别的工作量稍有增加。当运行参数超过上限(图中a点以上)时判为越上限，可发出越限告警信号。,2.越限呆滞区(死区),此后只有当运行参数回落到b点以下时才判为复限，而另外的1、2两点则不作撤警和重新报警处理。同理，图中的cd段则被判为越下限状态。死区或呆滞区面t:S的大小要根据各遥测量的具体情况而定。,综上所述，每个模拟遥测量被采样，经AID转换，再经数字滤波、标度变换(乘系数)、二十转换和越限判别(加标志)等处理后，按规定的格式存入内存的遥测数据区待用。,(一)算法的基本概念在电力系统自动化系统中，连续型的电压、电流等模拟信号经过离散采样和模/数变换，成为可用计算机处理的数字量。计算机将对这些数字量(采样值)进行分析、计算得到所需的电流、电压的有效值和相位以及有功功率、无功功率等参量，或者算出它们的序分量，或者输电线路和元件的视在阻抗，或者某次谐波的大小和相位等。,第四节常用交流采样算法,一、概述,根据这些参数的计算结果以及定值，可通过比较判断决定装置的动作行为，也可将数据通过一定的通信方式送到其他系统。完成上述分析计算和比较判断以实现各种预期功能的方法，就称为算法。因此，算法的主要任务是利用输入信号的采样值快速、准确地计算出所需的各种电气量参数，如电流、电压的幅值和相位等。,(二)衡量算法优劣的标准,在测控装置中，不同的功能和特性由不同的算法来实现。用来衡量各种算法优缺点的主要指标可以归纳为:计算精度、响应时间和运算量。,算法的计算速度包含有两方面的含义:一是指算法的数据窗长度，即需要采用多少个采样数据才能计算出所需的参数值;二是指算法的计算量，算法越复杂，运算量也越大，在相同的硬件条件下，计算时间也越长。,在实际应用中，算法的计算精度与计算速度之间总是相互矛盾的，若要计算结果准确，往往需要利用更多的采样值，即增大算法的数据窗。,可以说，如何在算法的计算精度和计算速度之间取得合理的平衡，是算法研究的关键，也是对算法进行分析、评价和选择时应考虑的主要因素。,研究算法的实质是如何在算法速度和精度两方面进行权衡。在自动化系统中，采用交流采样后，算法是决定继电保护装置和测控装置性能的重要因素。因此，在选择算法时要从实际需要出发，选择合适的算法，不要一昧地去追求单一的高精度或单一的高速度。,模拟量的处理：A/D转换后的数字量经接口送往计算机后，必须对数据进行滤波、标度变换等一系列处理方能存入相应的数据区。,交流采样的算法：U、I有效值，P、Q等需要一定的算法来计算。,二、常用交流采样算法,1单点算法这种算法适用于对称三相正弦电路，在某一时刻同时对三相线电流和线电压采集1点，就可计算出各线电压和线电流有效值、各相有功及无功功率。,同理可得电流有效值：,可得电压有效值：,2、两点算法对正弦电压或电流，在相差90的时刻采2组值。,同理可得电流有效值：,可得电压有效值：,阻抗值：,阻抗角：,半周期积分法原理，是一个正弦函数在任意半个周期内绝对值的积分是一常数S。,而上述积分又可以通过矩形或梯形积分法近似求出：,其中N是每周波采样点数，TS为采样间隔时间；x(t)为k=t时的采样值。,3、半周期（绝对值）积分法,在求得S后，可以得出正弦函数的有效值X,利用正弦函数在任意半个周期内绝对值的积分是一常数，并且积分值与初相角无关的特点，构成半周积分法,用离散化法求，有:,同理得电流有效值：,得电压有效值：,可以得出正弦函数的有效值,4、均方根法其基本思想是根据周期连续函数的有效值定义，将连续函数离散化，可以计算出信号的有效值,把积分离散化，有:,式中:N为每个周期均匀采样的点数;Ui为第i点电压的采样值.,同理得：,开关量信息采集的硬件系统由输入通道、输出通道和微机组成。开关量输入通道的基本功能是将需要的状态信号引人微机系统，如输电线路断路器状态、继电保护信号等。输出通道主要是将CPU送出的数字信号进行显示、控制或调节，如断路器跳闸命令、报警信号等。,第五节开关量信息采集系统(遥信量),微机,开关量输入,开关量输出,一类是无源触点，这种触点无论是在“开”状态，还是“合”状态，触点两端均无电位差。断路器、隔离开关的状态信息的提供就是由无源触点提供的。另一类是有源触点，有源触点在“开”状态时两端有一个直流电压。,开关量信息通常由电力设备的辅助触点提供，辅助触点的开合直接反映着该设备的工作状态。,提供给测控装置的辅助触点有两类：,一般来说，无源接点的两端会无电压存在，有源接点的两端确实有电压存在。,零序电流保护的接线a-架空线路；b-电缆线路,开关量输入通道由信号电平转换电路，信号消抖滤波电路、光电隔离电路、输入接口电路等组成。,一、开关量输入通道,遥信采集的量及其表示方法:（国际电工委员会IEC标准）“1”表示闭合或动作，“0”表示断开或未动作。,1）信号隔离与电平转换电路,注意：T型RC网络构成低通滤波器，用来滤掉遥信回路的高频干扰，电阻R3还起到限流的作用，使进入发光二极管的电流限制在毫安级，两个二极管V1、V2起保护光电耦合器的作用。光电耦合器可以实现现场开关量与CPU总线之间的完全隔离，隔断它们之间公共地的电气联系。,2）消颤除噪电路,有时断路器虽已合闸，但其辅助触点可能有一段时间会抖动，或因其他干扰使输入信号上下波动，而输出也会跟着相应变化，造成计算机对断路器位置的错误判断。加入消颤除噪电路，则能较好地抑制开关的抖动。,因此，现场开关量与逻辑电路之间要采用电气隔离技术，从而保证:1)使低压输入电路与大功率的电源隔离。2)外部现场器件与传输线路同数字电路隔离，以免计算机受损。3)限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰。4)多个输入电路之间的隔离。,3)电气隔离技术,断路器、隔离开关的辅助触点一般都比较远(十几米几十米)，现场有源开关量信号的电压一般比较高(l10-220V)。,1.光电耦合器隔离,在光电耦合器件中，信息的传递介质为光，但输入和输出是电信号，由于信息的传递和转换的过程都是在密闭环境下进行，没有电的直接联系，它不受电磁信号干扰，且计算机电源和外部电源不共地，所以隔离效果比较好。,TLP521-1、-2、-4/6N135、136、137/4N25、26,现场的断路器、隔离开关、继电器的辅助触点等开关信号，输入至测控装置时，也可通过继电器隔离。利用现场断路器或隔离开关的辅助触点S1、S2接通，去启动小信号继电器K1、K2，然后由K1，K2的触点以K1-1、K2-1等输入至测控装置，这样做可起到很好的隔离作用。,2.继电器隔离,待测信号从测控装置外部引入的触点，应经光电隔离引入测控系统。,4)典型开关量输入电路,二、开关量输出通道,通过软件使并行口的PB0输出“0”，PBl输出“1”便可使与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器K带电其触点吸合。,继电器的作用：一方面可起到信号隔离作用；另一方面可以直接接入控制回路，控制回路中信号的通断。,二极管的作用：保护继电器的线圈。,断路器控制回路图,YKH为遥控合触点YKT为遥控跳触点,典型的遥控输出电路,“遥控”量输出单元设计开关量输出通道（简称“开出”）,YKT,“遥调”量输出单元设计模拟量输出通道,遥调是一个连续作用的调节过程。,接受并执行主站端发来的调整主变压器有载分接头的命令。,三、开关变位识别,开关量由CPU采集进来，进行变位识别，以便根据开关状态的变化进行某项操作，或者将它送去打印，或用来更新显示。因此，开关变位的识别是开关量采集中的一项十分重要的工作。开关量的状态通常用一位二进制数来表示，例如用“1代表闭合;用0代表断开。,开关变位的识别是建立在对原来的状态和现在的状态进行某些逻辑运算的基础上而取得。,可见D4=D1=1，这正是由10的开关。,另外，在已经确定变了位的开关量中若现在的状态为1则必定是由01的开关。这个结论表明只要将异或的结果和现在的状态进行一次与运算就可找到由01的开关。归纳起来可以得到以下结论:1)现状异或原状，若有变位则该位为1，若无变位则该位为0。2)(现状异或原状)原状，若为1则该位由10。3)(现状异或原状)现状，若为1则该位由01。以上就是开关变位识别的基本原理，根据上述原理进行程序设计是比较容易的。,四、开关动作的检测,为了提高开关量检测的可靠性，除了在硬件方面采取抗干扰措施外，还可采取表决的方式来确定开关的状态，即对一个开关量连续采样3次，然后进行表决处理，就可排除偶然的干扰。,表决的算法是:把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数表示，从中任取两个进行“与”运算。若其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定为“1”;反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定为“0”。再根据“或”运算的规则，在N个数中只要有一个是“1”，则运算结果必定是“1”，只有当N个数全为“0”，结果才是“0”。,逻辑式：,五、事件顺序记录,远方站自动记录电力系统发生事故时开关或继电保护的动作的时间顺序，并在当地打印制表予以记载。当主站需要时，远方站即向主站端传送。主站端将收集到各个站的事件顺序记录的信息按时间顺序逐站排列，在屏幕上显示或由打印机记录。,事件顺序记录系统是根据数据量输入电平变化的记录时间(精度为0.5ms)来判断被监控设备开关动作的时序，主要用于事故的事后分析，查找事故第一原因。,设备事故跳闸,怎样尽快找出事故的原因，避免不必要的争吵和事故分析时间。,事件顺序记录的主要技术指标是厂站内的分辨率，即能区分各个开关动作的时间间隔，一般要求分辨率为0.510毫秒。,电力系统发生的事故往往是系统性的，可能有好几个变电所、发电站的开关同时动作，为了分析事故，要求各个远方站的时间统一，全系统实现统一对时，对时的准确度应以毫秒计。,事件顺序记录的时间就是发现开关变位的时间。以扫查方式采集变位开关时，对开关状态按组逐一进行扫查。扫查到某一组有开关变位时，记下开关的序号和实时时间即事件顺序记录时间。,现在电能计量的常用方法是电能脉冲计量法，即使电能表转盘每转一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的圈数，并将脉冲量通过计数器计数后输入测控装置，由CPU进行存储、计算。,第六节脉冲量/数字量输入电路(遥脉量),一、脉冲量输入,转盘式脉冲电能表发送的脉冲数与转盘所转的圈数即电能量成正比。将脉冲量数累计，再乘以系数就得到相应的电能量。例如：360圈1度电；1800圈1度电。,定时取样连续测得脉冲为高电平的次数2，就确定为有效脉冲，计数器加1。,有些表计直接以二进制数码输出结果，如数字水位计、数字频率计等。这些数字量只需经必要的电平匹配和隔离等环节即可经并行接口收入数据总线，而不必经A/D转换了。因此，数字量的输入电路与开关量输入相似。,二、数字量输入,由于自动化系统中要输入/输出的参量如模拟量、开关量、脉冲量等很多，各种量的性质不同，对速度、可靠性要求也不一样，所以输入/输出控制方式有多种，主要有以下几种。,三、输入/输出信号的处理方式,1.同步传递方式,数据状态变化缓慢的外设，其数据保持时间相对于CPU的处理速度大得多，如果CPU要读其状态，可随时执行输入指令，不必事先查询它的工作状态。如果CPU给其输出数据，输出的接口往往需要通过锁存器。保持时间的长短应该与外部接受设备的动作时间相适应。,2.查询传递方式,查询传递方式的特点是CPU在对输入/输出传递数据前，先输入外设的状态，并测试其是否“准备好”。只有在测试到输入/输出设备已准备就绪后，CPU才对输入/输出设备传递数据。,CPU需要不断查询外设的状态，占用CPU的工作时间较长，尤其是在与中、慢速的外设交换信息时，CPU真正用在传递数据的时间相对较少，大部分时间消耗在查询上。这种查询方式，大多数用于CPU与单个或较少个外设交换信息的情况。,3.中断方式,中断的概念：CPU临时打断正在运行的程序,响应某设备(甚至CPU自身因某种原因)提出的服务请求;处理完毕后再返回原来的断点继续刚才的任务。,若外设要输入CPU的数据已准备好，外设向CPU发出中断申请，CPU接到外设的申请后，若没有更重要的处理，就暂停当前执行的程序(即实现中断)，转去执行操作(称中断服务)。待操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序，这样就大大提高了CPU的效率，同时使外设发生的事件能及时得到处理，因此有了中断控制方式后，CPU就可以与多个外设同时工作。,DMA方式实际上是把输入/输出过程中外设与内存