微机电力自动装置原理自装置及数采集课件

微机电力自动装置原理自装置及数采集1

本课程总学时：48（）教学地点：教楼室教学时间：第周至周电力系统自动装置

原理微机电力自动装置原理自装置及数采集2目录

第1章

自动装置及其数据的采集处理第2章同步发电机的自动并列第3章同步发电机励磁自动控制系统。第4章励磁自动控制系统的动态特性第5章电力系统频率及有功率的自动调节。第6章电力系统低频减载及其他安全自动装置。微机电力自动装置原理自装置及数采集31.1自动装置的组成1.2采样、量化与编码技术1.3交流采样的电量计算和前置计算方法。第1章自动装置及其数据的采集处理微机电力自动装置原理自装置及数采集4

1.1自动装置的组成

（由硬件和软件组成）

1.1.1硬件系统的组成形式电力系统自动装置的结构形式有3种：1、微机系统2、工业控制计算机系统3、集散控制系统（DCS）和现场总线系统（FCS）。还有工业控制计算机系统（QCS）、（FCS）等组成的综合控制系统，去获得更好的控制特性。微机电力自动装置原理自装置及数采集5

（一）微机系统：如图1.1所示:它由1、传感器

2、模拟多路开关（MMUX）

3、采样—保持器

4、A/D转换器

5、存储器

6、通信单元

7、CPU中央处理单元微机电力自动装置原理自装置及数采集6

（二）工业控制计算机系统1、工业控制计算机系统的种类：有：STD总线系统

PC104系统2、STD总线系统如图1.3所示。它由:(1)CPU单元.(2)A/D单元(3)存储器(4)系统支持单元(5)定时器(6)I/O单元(7)键盘显示板等组成.

其特点是:I/O口设计有滤波器,过电流\电压保护,备有丰富软件及组态软件等.系统完善,可靠性高,抗干忧性强.

微机电力自动装置原理自装置及数采集7(三)集散控制系统（DCS）和现场总线系统（FCS）

1.集散控制系统（DCS）的结构如图1-4所示:它由若干个数据采集测控站和上位机及通信系统等组成.1。1、各单元功能：（1）数据采集测控站功能：将生产设备的现场信号采集后通过通信系统输送给上位机。上位机将处理过的信号和命令再通过通信系统输送给数据采集测控站。（2）上位机：一般采用工业控制机或工作站、配置打印和其它设备。它主要对数据进行处理和发出控制命令。微机电力自动装置原理自装置及数采集8

2、现场总线系统（FCS）（1）系统结构:

如图1.5所示:

它是一个开放式数字化系统:由三个单元组成；现场总线主接点，现场总线从接点和路由器等组成.(2)各单元功能:

A:现场总线主接点是

:整个总线系统的运行协调者.它可以外局域网输入和输出设备.

B:现场总线从接点:是现场总线系统的终端设备.它能完成现场数据采集、传输和执行控制命令等功能。

C：路由器：起到路由、中继、数据交换等功能。（*3）特点：数字化开发系统，可互操作和互换性，可建立大系统微机电力自动装置原理自装置及数采集9

二、软件系统有：1信号采集处理软件；功能是采集、量化、实现A/D转换、数字滤波。2、运行参数设置软件：运行参数有：采样通道、采样点数、采样周期、信号量程、和工程单位等。3、系统管理软件：管理系统工作4、通信软件：通信协议、站与站、站与上位机之间的数据传输。

微机电力自动装置原理自装置及数采集10总系统微机电力自动装置原理自装置及数采集11

第二节采样、量化与编码技术一、采样1、含义采集信号波的幅度随时间变化的信息2、采样过程对连续信号X（t),按一定的时间间隔Ts,抽取相应的瞬时值。3、采样定理（）采样频率必须大于原来模拟信号中最高频率的两倍。

fs>=2f(t)Ωs>2Ωm微机电力自动装置原理自装置及数采集12二、量化、编码1、量化采样值要转换为数字量。可以是8位二进制数字、16位二进制数字。设N为数字量的二进制代码位数：量化单位q定义为量化器满量程电压值UFSR与2N的比值：

q=UFSR/2N(1-12)所以量化就是把采样信号的幅值与q这个最小单位的一系列整数倍比较，用最接近于采样值的最小单位倍数来表示该幅值。2、编码采样值的最小单位倍数来表示该幅值，若二进制代码位数N=8，则用8位二进制数表示：最小单位倍数为1时，得二进制数为00000001，最小单位倍数为2时得二进制数为00000010，依次类推。该方法称为编码。

微机电力自动装置原理自装置及数采集133、量化误差（1）含义：因为采用了（采样值的最小单位倍数来表示该幅值）转换成的二进制数：使得其与实际值之间存在误差，这种误差称为量化误差。（2）量化误差的表示：所以，量化产生的最大误差为正负1/2LSB。LSB为二进制数最低有效位，（0或1）。（3）量化误差与N大小有关，N大误差小。微机电力自动装置原理自装置及数采集144、A/D转换原理1、系统组成：由图1.8可知:A/D转换装置是由比较器、D/A转换器、逐次逼近奇存器SAR、时序及控制逻辑等单元组成。2、工作原理：转换命令发出---，逐次逼近奇存器SAR首先清0，接着最高位置1，其余位置0，此数输送到D/A转换装置，转换为电压Uf,Uf输送到比较器的输入端与实际电压UA比较，如果UA>Uf,则保留SAR最高位为1,反之更改为0。然后对次高位进行转换,重复以上的交换操作,一直到接近UA=Uf时为止。此时读出SARS上的二进制数：

(1110010.1010100)2

就为转换结果。微机电力自动装置原理自装置及数采集15第3节交流采样的电量计算和前置计算方法

说明：当采用变送器时，其输出直流量可与实际输入的直流量相对应；当进行交流采样时，要进行进一步处理。一、交流电量计算以电压量计算为例：如果每周期采样N次，测得第K次采样时的电压基频分量的F氏余系数UR和正系数U1分别如下：微机电力自动装置原理自装置及数采集16基频信号的幅值Um和初相角θ分别为:

微机电力自动装置原理自装置及数采集17

若每个周期采样12个点,即N=12.由付氏采法.基波信号的实部和虚部分别为:(U0-U11为采样值)微机电力自动装置原理自装置及数采集182、有功功率和无功功率的计算对于三相功率的计算与三相功率表的接法有关：三相功率表的接法有“三表法”和“俩表法”：（1）采用“三表法”时，必须采集A、B、C三相电流和电压，所以用下标A、B、C代表三相，R、I分别代表付氏正弦和余弦系数。视在功率为：有功功率和无功功率为微机电力自动装置原理自装置及数采集19

（2）采用两表法

视在功率、有功和无功功率分别为（其中电流、电压为有效值）；

微机电力自动装置原理自装置及数采集203、功角的计算（1）功角的定义微机电力自动装置原理自装置及数采集21功角的定义功角分为内功角δi和外功角δa如上图所示。功角δi是发电机转子电动势相量Eq和发电机端电压UG之间的夹角；外功角δa是发电机转子电动势相量Eq和电力系统电压Ux之间的夹角;Xe为发电机外部网络电抗，Xe=XT+XL。XT是变压器电抗。XL是线路电抗。Xd是发电机直轴同步电抗。Xq是发电机横轴同步电抗。Eq=UG+jiXqUx=UG-jiXeδ

a表示如下:微机电力自动装置原理自装置及数采集22微机电力自动装置原理自装置及数采集23

二、数据处理。（一）数据处理流程：。1、数据采入

2、标度变换

3、数据有效性判断

4、线性化处理

5、数字滤波

6、数据保存。（二）数字滤波方法：有算术平均法，加权平均法，一阶绨归法，

微机电力自动装置原理自装置及数采集24

三表法微机电力自动装置原理自装置及数采集25ASCII码—美国标准信息交换代码微机电力自动装置原理自装置及数采集26数字0~9的编码是0110000~0111001，它们的高3位均是011，后4位正好与其对应的二进制代码（BCD码）相符。英文字母A~Z的ASCII码从（41H）开始顺序递增，字母a~z的ASCII码从（61H）开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。最高位通常总为0，有时也用作奇偶校验位。微机电力自动装置原理自装置及数采集271.3二进制算术运算

1.3.1二进制加法二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，二进制加法中是“逢二进一”，其法则为

0+0=01+0=10+1=11+1=0并进位微机电力自动装置原理自装置及数采集28

例如，两个二进制数相加：

10110101+10001110101000011微机电力自动装置原理自装置及数采集291.3.2二进制减法在二进制减法中，同样有如下法则：

0-0=01-0=11-1=00-1=1有借位当不够减时需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一当二”。例如，两个二进制数相减：

10110100-0101011101011101微机电力自动装置原理自装置及数采集301.3.3二进制乘法二进制乘法与十进制乘法是一样的。但因为二进制数只由0和1构成，因此，二进制乘法更简单。其法则如下：

0×0=01×0=00×1=01×1=1微机电力自动装置原理自装置及数采集31

例如，二进制数1101.1与101.1相乘：

1101.1被乘数(13.5)10×101.1乘数(5.5)10

110111101100000+110111001010.01乘积(74.25)10

微机电力自动装置原理自装置及数采集32

再看下面的例子：(1011)2×(1101)2。

1011被乘数(11)10

×1101乘数(13)10101100001011+1011

10001111乘积(143)10微机电力自动装置原理自装置及数采集331.3.4二进制除法二进制除法是乘法的逆运算，其方法与十进制除法是一样的，而且二进制数仅由0，1构成，做起来更简单。例如，求二进制数100111除以110的商的方法如下：

110.11101001111101111101101100微机电力自动装置原理自装置及数采集34

1.4符号数的表示及其运算

1.4.1符号数的表示方法

表示一个带符号的二进制数有3种方法。

1.原码法例如，8位二进制符号数(+45)10和(-45)10，可以如下写出：

(+45)10=(00101101)2

符号位数值

微机电力自动装置原理自装置及数采集35(-45)10=(10101101)2↑

符号位数值

2.反码法在计算机的早期，曾采用反码法来表示带符号的数。对于正数，其反码与其原码相同。例如：

(+45)10=(00101101)2

也就是说正数用符号位与数值凑到一起来表示。微机电力自动装置原理自装置及数采集36

对于负数，用相应正数的原码各位取反来表示，包括将符号位取反，取反的含义就是将0变为1，将1变为0。例如，(-45)10的反码表示就是将上面(+45)10的二进制数各位取反：

(-45)10=(11010010)2微机电力自动装置原理自装置及数采集37

同样，可以写出如下几个数的反码表示：

(+4)10=(00000100)2

(-4)10=(11111011)2

(+7)10=(00000111)2

(-7)10=(11111000)2

(+122)10=(01111010)2

(-122)10=(10000101)2

微机电力自动装置原理自装置及数采集383.补码法在微处理机中，符号数是用补码(对2的补码)来表示的。用补码法表示带符号数的法则是：正数的表示方法与原码法和反码法一样；负数的表示方法为该负数的反码表示加1。

例如，(+4)10的补码表示为(00000100)2，而(-4)10用补码表示时，可先求其反码表示(11111011)2，而后再在其最低位加1，变为(11111100)2。这就是(-4)10的补码表示，即(-4)10=(11111100)2。微机电力自动装置原理自装置及数采集39

同样，我们把前面提到的几个数的补码表示列在下面供参考：

(+7)10=(00000111)2

(-7)10=(11111001)2

(+122)10=(01111010)2

(-122)10=(10000110)2

微机电力自动装置原理自装置及数采集401.4.2补码的运算例如，有两个二进制数10000100和00001110，当规定它们是不带符号的数时，则它们分别表示(132)10和(14)10。将这两个二进制数相加：

10000100+00001110

10010010（146）10微机电力自动装置原理自装置及数采集41

在微处理器中，一般都不设置专门的减法电路。遇到两个数相减时，处理器就自动地将减数取补，而后将被减数和减数的补码相加来完成减法运算。例如，(69)10－(26)10=?可以写成(69)10+(-26)10。利用(69)10的原码和(26)10的补码相加，即可以得到正确的结果。微机电力自动装置原理自装置及数采集42

必须注意两个同符号的数相加时，结果不能超过规定的数值范围，否则产生溢出。例如，两个带符号的数(01000001)2(十进制数+65)与(01000011)2(十进制数+67)相加：

01000001+01000011

10000100

再来看两个负数(10001000)2和(11101110)2的相加情况。

10001000+11101110011101101微机电力自动装置原理自装置及数采集43

此外，在微处理机中还会遇到不带符号数的运算。例如，两个无符号数(11111101)2和(00000011)2相加：

11111101