电气工程及其自动化第二章

1、第 二 章交流数据采集与处理主要内容主要内容 电量变送器电量变送器1 模拟交流量的变换模拟交流量的变换2 交流采样与微机变送器交流采样与微机变送器3 标度变换标度变换4电量变送器电量变送器（电工测量变送器的简称）：是将一种电（电工测量变送器的简称）：是将一种电量变换为供测量用的另一种电量的仪器，也称为电量变换量变换为供测量用的另一种电量的仪器，也称为电量变换器。器。可用来测量发电厂和变电站的电压、电流、有功功率、可用来测量发电厂和变电站的电压、电流、有功功率、无功功率、电能和频率等各种电气量。无功功率、电能和频率等各种电气量。第一节第一节 电量变送器电量变送器分类：分类：交流电流变送器和交流电

2、压变送器交流电流变送器和交流电压变送器有功功率变送器和无功功率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有功电能变送器和无功电能变送器频率变送器频率变送器功率因素变送器功率因素变送器直流电流变送器和直流电压变送器直流电流变送器和直流电压变送器微机变送器微机变送器交流电流变送器和交流电压变送器交流电流变送器和交流电压变送器 将电力系统中将电力系统中交流电流和交流交流电流和交流电压信号变换成电压信号变换成与之成正比的直与之成正比的直流电压和直流电流电压和直流电流信号流信号有功功率变送器和无功功率变送器有功功率变送器和无功功率变送器 将电力系统中将电力系统中有功功率和无功有功

3、功率和无功功率变换成与之功率变换成与之成正比的直流电成正比的直流电压和直流电流信压和直流电流信号号有功电能变送器和无功电能变送器有功电能变送器和无功电能变送器 将电力系统中将电力系统中有功电能和无功有功电能和无功电能变换成与之电能变换成与之成正比的数字量成正比的数字量或脉冲量信号。或脉冲量信号。频率变送器频率变送器 将电力系统中将电力系统中的工频频率变换的工频频率变换成与之成正比的成与之成正比的直流电压和直流直流电压和直流电流信号电流信号功率因素变送器功率因素变送器 将电力系统中将电力系统中的功率因数的功率因数（coscos）换成与）换成与之成正比的直流之成正比的直流电压和直流电流电压和直流电

4、流信号信号直流电流变送器和直流电压变送器直流电流变送器和直流电压变送器 将电力系统中将电力系统中直流电流和直流直流电流和直流电压变换成与之电压变换成与之成正比的直流电成正比的直流电压和直流电流信压和直流电流信号。号。微机变送器微机变送器 一台微机变送一台微机变送器可将几条线路器可将几条线路的多个模拟电气的多个模拟电气量（如量（如U U、I I、P P、电能量等）变换电能量等）变换成数字量。成数字量。第一节第一节 电量变送器电量变送器第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换电能计数值或脉冲电能计数值或脉冲电压：电压：0 0120V120V电流：电流：0 05A5A 0 01A1A电能变送器

5、电能变送器3kk0 01010 k0 01010 k0 0750750 k电压：电压：0 05V5V -5V -5V（0 05 5）V V电流：电流：0 01mA 1mA -1mA -1mA（0 01 1）mAmA 4 420mA20mA电压：电压：0 0120V120V电流：电流：0 05A5A 0 01A1A功率变送器功率变送器3k0 01010 k0 0750750 k电压：电压：0 05V5V电流：电流：0 01mA1mA 4 420mA20mA电流：电流：0 05A5A 0 01A1A电流变送器电流变送器3k0 01010 k0 0750750 k电压：电压：0 05V5V电流：电流

6、：0 01mA1mA 4 420mA20mA电压：电压：0 0120V120V电压变送器电压变送器允许负载变化范围允许负载变化范围输输 出出输输 入入 项目项目变送器变送器电量变送器输入电量变送器输入/输出信号的类型及变换范围输出信号的类型及变换范围第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换一、交流电流变送器一、交流电流变送器u电流变送器与电流互感器的连接电流变送器与电流互感器的连接减小输入电流减小输入电流电气隔离、降低功耗电气隔离、降低功耗经电阻变为电压信号经电阻变为电压信号精密交精密交- -直流变换电路将交流电压直流变换电路将交流电压变为变为0 05v5v的直流电压的直流电压恒流输出电

7、路得到恒流输出电路得到0 01mA1mA或或4 420mA20mA直流输出信号。直流输出信号。第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换（一）电流变送器原理（一）电流变送器原理1 1、原理、原理由由线性整流电路线性整流电路和和低通滤波器低通滤波器组成。组成。2 2、精密交、精密交流直流转换流直流转换问题：为什么不用常规的桥式整流？问题：为什么不用常规的桥式整流？ 实现精密整流的关键是什么？实现精密整流的关键是什么？常规的桥式整流存在管压降，转换非线性。常规的桥式整流存在管压降，转换非线性。实现精密整流关键是运算放大器的虚短虚断实现精密整流关键是运算放大器的虚短虚断第二节第二节 模拟交流量的

8、变换模拟交流量的变换u0v 当当u ui i00时时iiiuuuuuu202010第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换v 当当u ui i00时时iiiuuuuuu-4302010第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换3 3、有源低通滤波、有源低通滤波4 4、恒压输出电路、恒压输出电路第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换5 5、恒恒流流输输出出第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换（二）（二）交交流流电电流流变变送送器器整整体体电电路路第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换二、交流电压变送器二、交流电压变送器1 1、电压互感器和电压变送器测量母线电压

9、的链接、电压互感器和电压变送器测量母线电压的链接第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换2 2、原理、原理三、电能变送器三、电能变送器第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换v实现电能测量传输的一般方法：实现电能测量传输的一般方法：一种方法：是在原有感应式电能表的基础上，加装电能一种方法：是在原有感应式电能表的基础上，加装电能/脉冲变送器，脉冲变送器，形成所谓的脉冲电能表。形成所谓的脉冲电能表。积累电能计量。积累电能计量。可输出反应电能的脉冲信号，并向调度中心传送。可输出反应电能的脉冲信号，并向调度中心传送。另一种方法：采用电能变送器另一种方法：采用电能变送器（一）功率与电能的关系

10、（一）功率与电能的关系三相电路的瞬时功率为三相电路的瞬时功率为P P（t t），则该电路的有功电能），则该电路的有功电能W W就是就是P P（t t）的时间积分，即）的时间积分，即设在时间设在时间t t0 0t t1 1内的平均功率为内的平均功率为PavPav则则在时间在时间t t0 0t t1 1之间的电能量等于该时间内平均功率与时之间的电能量等于该时间内平均功率与时间的乘积。间的乘积。三相有功功率变送器输出电压三相有功功率变送器输出电压U U0 0与有功功率与有功功率P P成正比，成正比，U U0 0=K=K1 1P P第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换)()(0110ttPd

11、ttPWavtt10)(ttdttPW（二）计数脉冲与电能的关系（二）计数脉冲与电能的关系若将若将U U0 0进行电压频率（进行电压频率（U/fU/f）变换，使之成为与）变换，使之成为与U U0 0成正成正比，频率为比，频率为f f的脉冲信号，即的脉冲信号，即 f=Kf=K2 2U U0 0在时间在时间t t0 0t t1 1内，计得以内，计得以f f为频率的脉冲数为为频率的脉冲数为N N，则，则N/N/（t t1 1-t-t0 0）代表在时间）代表在时间t t0 0t t1 1内频率内频率f f平均值平均值favfav。因此可求。因此可求得相应时间内得相应时间内U U0 0的平均值的平均值U

12、 U0 0avav，即，即20121)(KttNKfUavav)(101211ttKKNKUPavavKNKKNttPWav2101)(第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换（二）电能变送器的的原理框图（二）电能变送器的的原理框图第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换（三）电压（三）电压/ /频率变换频率变换将模拟电压转换成将模拟电压转换成相应的脉冲信号相应的脉冲信号第二节第二节 模拟交流量的变换模拟交流量的变换（四）电能脉冲输出电路（四）电能脉冲输出电路v 原因原因 经经U/fU/f变换电路得到的频率信号的频率过高，不是与直接变换

13、电路得到的频率信号的频率过高，不是与直接送给送给RTURTU计数。计数。 这个信号未经整形不能作为后级设备的输出这个信号未经整形不能作为后级设备的输出 这个信号不能反映频率的流向。这个信号不能反映频率的流向。1 1、分频、分频电能计量规程规定代表电能的脉冲信号宽度不得小于电能计量规程规定代表电能的脉冲信号宽度不得小于10ms10ms。N进制计数器进制计数器输入脉冲输入脉冲每输入每输入N N个脉冲个脉冲输出一个进位脉冲输出一个进位脉冲2 2、脉冲整形、脉冲整形第三节第三节 微机变送器与交流采样微机变送器与交流采样v国内常规电量变送器存在的主要问题：国内常规电量变送器存在的主要问题： 变压器功耗大

14、，对测量精度有影响；变压器功耗大，对测量精度有影响； 附加误差大；附加误差大； 稳定性差；稳定性差； 响应时间长。响应时间长。v微机变送器的优势：微机变送器的优势：一台微机变送器可替代多台常规变送器，进而减小了测量一台微机变送器可替代多台常规变送器，进而减小了测量误差；误差；微机变送器受环境温度变化的影响小。微机变送器受环境温度变化的影响小。国产微机变送器以达到较高的性能指标。国产微机变送器以达到较高的性能指标。一、微机变送器硬件原理图：一、微机变送器硬件原理图： 第三节第三节 微机变送器与交流采样微机变送器与交流采样二、微机变送器的工作过程、微机变送器的工作过程： 输入信号经相应的输入信号经

15、相应的TVmTVm或或TAmTAm变换成变换成0 05V5V交流电压信号；交流电压信号； 输入到多路模拟电子开关。由选择多路信号中一路输出；输入到多路模拟电子开关。由选择多路信号中一路输出； 采样保持器进行采样及保持；采样保持器进行采样及保持； A AD D转换器将采样保持器输出的模拟电压转换成数字量；转换器将采样保持器输出的模拟电压转换成数字量； CPUCPU读读A AD D输出数据；输出数据；CPUCPU再发地址选择输入信号；再发地址选择输入信号；这种过程在一个交流信号周期内重复（这种过程在一个交流信号周期内重复（l+ml+m）N N次；次；CPUCPU对一周期内每路输入信号的对一周期内每

16、路输入信号的N N个采样值，进行数据处理，个采样值，进行数据处理，并计算出线路上的各种电气量值。并计算出线路上的各种电气量值。第三节第三节 微机变送器与交流采样微机变送器与交流采样一、滤波一、滤波 交流信号采样、变换的交流信号采样、变换的两侧均进行滤波原因两侧均进行滤波原因是：是： 模拟式滤波器模拟式滤波器 在设计师处于制造成本和体积上考虑，在设计师处于制造成本和体积上考虑，往往采用简单的往往采用简单的RCRC电路进行滤波电路进行滤波根据采样定理：采样频率根据采样定理：采样频率f fc c=Kf=Kf 在电力系统交流量测量时，若要求有效采集到完整的各在电力系统交流量测量时，若要求有效采集到完整

17、的各次高次谐波信息，需要在一个工频周期内采集足够多个数次高次谐波信息，需要在一个工频周期内采集足够多个数据。电网中存在较多、较高次谐波的情况下，采样频率需据。电网中存在较多、较高次谐波的情况下，采样频率需要足够的高，这样就不能通过较简单的算法将谐波去除，要足够的高，这样就不能通过较简单的算法将谐波去除，将使具备滤波功能的计算机程序复杂化，计算速度变慢。将使具备滤波功能的计算机程序复杂化，计算速度变慢。第四节第四节 电力系统数据预处理电力系统数据预处理（一）模拟式滤波（一）模拟式滤波（二）数字式滤波（滤除低次谐波）（二）数字式滤波（滤除低次谐波） 出于两个方面的考虑，并简化电路和利用计算机计算能

18、出于两个方面的考虑，并简化电路和利用计算机计算能力，在输入侧设置由力，在输入侧设置由RCRC电路组成的模拟式低通滤波器，滤电路组成的模拟式低通滤波器，滤除高次谐波；在计算机程序中相应包含用于去除低次滤波除高次谐波；在计算机程序中相应包含用于去除低次滤波的计算子程序。的计算子程序。第四节第四节 电力系统数据预处理电力系统数据预处理二、交流数值计算二、交流数值计算 0101011011100101- 86.2A第五节第五节 标度变换标度变换【例如例如】被测电流的满量程为被测电流的满量程为1500A1500A，经变换后的满，经变换后的满量程结果为量程结果为20472047。当电流在。当电流在0 01

19、500A1500A范围内变化时，模范围内变化时，模/ /数转换的输出在数转换的输出在0 020472047之间变动，两者呈线性比例关系。之间变动，两者呈线性比例关系。设遥测量的设遥测量的实际值为实际值为S S，模模/ /数转换后的值为数转换后的值为D D，因为，因为S S和和D D呈线性比例关系，所以可以呈线性比例关系，所以可以以满量程的对应关系以满量程的对应关系来求来求出出标度变换系数标度变换系数K K。对于对于1212位模位模/ /数转换器，数转换器，D=2047D=2047，则，则 K=S/D=S/2047K=S/D=S/2047第五节第五节 标度变换标度变换【例如例如】：幅值为：幅值为

20、1500A1500A的电流，可得的电流，可得各个遥测量都有对应的标度变换系数各个遥测量都有对应的标度变换系数K K，均以确定的，均以确定的形式存储器的遥测系数区中，待需要时读取。标度变换系形式存储器的遥测系数区中，待需要时读取。标度变换系数数K K在遥测系数区中以两个字节存放，其格式为在遥测系数区中以两个字节存放，其格式为 1500A1500A的电流的遥测系数的电流的遥测系数 K = 00 00 010111011100K = 00 00 010111011100BDS01011101110.0732779677.020471500/第五节第五节 标度变换标度变换在经过模在经过模/ /数转换得

21、到某个遥测量的数转换得到某个遥测量的1111位二进制数，需位二进制数，需乘上系数得到有量纲的实际值，考虑乘法运算后的精度，乘上系数得到有量纲的实际值，考虑乘法运算后的精度，标度变换系数标度变换系数K K应具有应具有1111位的有效位位的有效位。但在某些场合，根据但在某些场合，根据S/DS/D所得的所得的K K系数并不具有系数并不具有1111位有位有效位，因此需要预先对效位，因此需要预先对K K进行处理。进行处理。【例如例如】某电流的幅值满量程为某电流的幅值满量程为150A150A，则，则这一系数的有效位仅有这一系数的有效位仅有8 8位，当模位，当模/ /数转换的结果与之数转换的结果与之相乘后，

22、有效位数减少了。相乘后，有效位数减少了。BDS00001001011. 00732779677. 02047150/第五节第五节 标度变换标度变换为了保证有效位数，一种方法：是将被测量预放大为了保证有效位数，一种方法：是将被测量预放大1010n n（n=1n=13）倍。显示时将小数点左移）倍。显示时将小数点左移n n位，即可显示原值。位，即可显示原值。【例如例如】上例，将被测量上例，将被测量放大放大1010倍倍。即将。即将150A150A的满量的满量程值放大程值放大1010倍后成为倍后成为15001500，则系数，则系数K K即有即有1111位有效位数。在位有效位数。在15001500转换成二

23、进制数后，与转换成二进制数后，与K K相相乘，并在二十进制转换后，将乘，并在二十进制转换后，将小数点向左移一位小数点向左移一位，即为，即为150.0A150.0A的原值。的原值。第五节第五节 标度变换标度变换BDSK01011101110.0732779677.0204710150/ F F小数标志位小数标志位第五节第五节 标度变换标度变换 遥测量用四位十进制遥测量用四位十进制D3D2D1D0D3D2D1D0显示。用小数点标志显示。用小数点标志F1F2F1F2来设定小数点位置，其内容由通信双方约定。例如小来设定小数点位置，其内容由通信双方约定。例如小数点设在最低位数点设在最低位D0D0之前，把之前，把F1F2F1F2置为置为0101。【例如例如】幅值为幅值为150A150A的电流。的电流。 其遥测系数为：其遥测系数为： 01 00 01011101110001 00 010111011100但在但在S/DS/D小于小于0.50.5时，对应的二进制仍会出现有效位时，对应的二进制仍会出现有效位数不足数不足1111位的情况。位的情况。【例如例如】满量程值为满量程值为300A300A的电流的电流实际有效位为实际有效位为9