ch04數(shù)據(jù)采集

1、第四章 電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的基礎(chǔ)。只有實現(xiàn)了系統(tǒng)的運行參數(shù)自動采集之后，才能實現(xiàn)調(diào)度控制的自動化。數(shù)據(jù)采集是由廠站端的數(shù)據(jù)采集設(shè)備（或稱遠動設(shè)備)rtu、ftu實現(xiàn)的。1 電力系統(tǒng)運行控制數(shù)據(jù)信息一、四遙量1、遙信遙信量主要是反映電網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)和元件保護動作信息，包括斷路器的分合隔離刀閘的分合元件繼電保護動作狀態(tài)自動裝置動作狀態(tài)一般為2值數(shù)字量。2、遙測遙測量主要反映電網(wǎng)各元件如線路、母線、變壓器、發(fā)電機等的運行參數(shù)，包括母線電壓、頻率線路有功、無功、電流變壓器有功、無功、電流發(fā)電機有功、無功、機端電壓、電流變壓器分接頭位置水位溫度一般為數(shù)值連續(xù)變化的模擬量，也有把計量

2、電度的脈沖量看作遙測量的。3、遙控遙控是調(diào)度中心向下級廠站發(fā)送的關(guān)于斷路器分合發(fā)電機投切電容器投切的控制命令。遙控是一種開關(guān)量的輸出。4、遙調(diào)遙調(diào)是調(diào)度中心向下級廠站發(fā)送的關(guān)于發(fā)電機功率調(diào)整發(fā)電機機端電壓調(diào)整變壓器分接頭位置調(diào)整無功補償容量調(diào)整的命令。遙調(diào)是一種模擬量的輸出。二、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)形式rom存儲程序，ram存儲數(shù)據(jù)，cpu執(zhí)行程序，完成采集和控制的功能。方框內(nèi)是一個功能模塊，既可以在一個裝置中包括所有模塊，也可以在一個裝置中只實現(xiàn)一個模塊。如果需要與其他設(shè)備通信，增加一個通信模塊。2 數(shù)字量輸入一、數(shù)字量采集子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入信號經(jīng)隔離電路和去抖電路消除干擾后進入三態(tài)門

3、，三態(tài)門的輸出經(jīng)驅(qū)動電路送上數(shù)據(jù)總線，cpu從數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)有多路信號時，地址譯碼邏輯負責(zé)選片。二、數(shù)據(jù)通道抗干擾斷路器和隔離刀閘的狀態(tài)一般取自它們的輔助觸點。這些觸點通常距離測量裝置較遠，連線較長。為避免連線上引入干擾，一般信號輸入時需采取隔離措施。1、繼電器隔離斷路器斷開，輔助觸點閉合，使得j動作，低電平0 進入遠動裝置。斷路器閉合，輔助觸點斷開，使得j釋放，高電平1 進入遠動裝置。2、光電隔離斷路器斷開，輔助觸點閉合，二極管接通，光敏三極管集電極低電平0 進入遠動裝置。斷路器閉合，輔助觸點斷開，二極管不通，光敏三極管集電極高電平1 進入遠動裝置。光電耦合器件體積小，響應(yīng)速度快，不

4、受電磁干擾影響，是理想的隔離方法，缺點是驅(qū)動能力較低。3、去抖電路因為觸點閉合時并不是一步到位，而是有一個抖動的過程，這個過程如不處理，會導(dǎo)致采集錯誤。一般采用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)。三、數(shù)字量的信號采集數(shù)字量的采集可以使用三態(tài)門。數(shù)字信號經(jīng)過隔離和去抖后進入三態(tài)門的輸入。三態(tài)門的輸出與微機數(shù)據(jù)總線相連。三態(tài)門未被選中時處于高阻狀態(tài)。cpu讀取數(shù)據(jù)時發(fā)出讀三態(tài)門的命令，三態(tài)門被選中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線，由cpu讀入和處理?？墒褂萌龖B(tài)門芯片如sn74150,74ls244或并行接口芯片如intel8255。但是8255與cpu的復(fù)位時序有關(guān)系，如未適當(dāng)處理，系統(tǒng)復(fù)位時會造成數(shù)據(jù)采集錯誤，所以使用三態(tài)門

5、可靠性高一些，但是由于元件較多，制板復(fù)雜一些。開關(guān)表示接入的數(shù)字量信號，1g、2g接端口譯碼的輸出信號。四、地址譯碼當(dāng)輸入數(shù)字通道比較多時，需要多片三態(tài)緩沖器，這時需要進行地址譯碼，以確定在某一時刻讀取哪一片緩沖器中的數(shù)據(jù)。常用方法有38譯碼器或使用數(shù)值比較器譯碼。38譯碼器最典型的是74ls138。它利用高地址進行譯碼，如下例：a8、a9，aen低電平做使能信號，a5、a6、a7做片選，y0y7的對應(yīng)的地址范圍為：地址總線譯碼輸出地址范圍a9a8a7a6a5a4a3a2a1a000000y000001f00001y102003f00010y204005f00011y306007f00100y

6、408009f00101y50a00bf00110y60c00df00111y70e00ff如果有多塊采集板，可以使用74ls688這樣的數(shù)值比較器實現(xiàn)板選。g是控制端，p0p7接高位地址線，q0q7接板選撥碼開關(guān)，pq時輸出低電平，否則為高，該輸出信號即可作為板內(nèi)選片的控制信號。五、采集程序數(shù)字量采集一般定時掃查的方式。首先設(shè)置定時中斷，定時中斷可以由cpu自己產(chǎn)生，也可以使用專門的定時器/計數(shù)器芯片如intel8253等。定時中斷發(fā)生時，在定時中斷處理程序內(nèi)依次讀每個三態(tài)緩沖器端口，將讀入數(shù)據(jù)放到指定的數(shù)據(jù)區(qū)存放，并進行變位判斷等。3 數(shù)字量輸出一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、輸出過程地址譯碼和輸出隔離的

7、原理同輸入相同。輸出通道的主要特點在于由于微機輸出的數(shù)據(jù)只能在總線上存在很短時間，必須利用鎖存器保持信號電平，常用的鎖存器有74ls273, 74ls373, 74ls573等。cpu收到輸出指令后，向輸出端口送出狀態(tài)字，地址線上的地址信號選通相應(yīng)的鎖存器，狀態(tài)字被鎖存器保持并通過隔離電路和輸出繼電器輸出。4 模擬量輸入一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道由以下部分組成：1、傳感器、變送器傳感器將非電量物理量轉(zhuǎn)換為電量物理量。如熱電阻、熱電偶可以測量溫度，壓敏電阻可以測量壓力等。變送器將電量物理量轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的電壓電流范圍。一般一次pt將高壓電轉(zhuǎn)換為0100v的次級電壓，一次ct將大電流轉(zhuǎn)換為0

8、5a的二次電流。電壓、電流變送器將這些范圍的信號轉(zhuǎn)換為05v的電壓信號或420ma的電流信號。功率變送器的輸出為雙極性5v+5v的電壓范圍。2、信號處理電路一般a/d轉(zhuǎn)換器的輸入有02.5v, 05v, 010v, 單極性有05v, 010v, 020v。如果輸入信號不在此范圍內(nèi)，需要電路將信號調(diào)整到此范圍內(nèi)。同時，為減少干擾影響，需要增加低通濾波電路濾除高頻干擾信號。一般用rc低通濾波即可，也可使用帶放大器的有源濾波電路。3、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)一般一個測量模塊都會測量多路模擬信號而共用一個a/d轉(zhuǎn)換芯片，需要一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換。4、采樣保持器由于a/d轉(zhuǎn)換芯片完成轉(zhuǎn)換需要一定時間，而輸入信號

9、又在不斷變化，所以轉(zhuǎn)換過程中需要一個采樣保持電路保持一個采樣值，使得a/d轉(zhuǎn)換期間信號保持不變。5、a/d轉(zhuǎn)換器這是模擬量采集的關(guān)鍵部件。它將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供計算機進行處理。二、a/d轉(zhuǎn)換器1、原理電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求比較高的速度，因此一般使用逐次逼近型的a/d轉(zhuǎn)換器。逐次逼近的原理類似與天平稱重。它由逐次逼近寄存器sar、d/a轉(zhuǎn)換器、比較器以及時序和控制邏輯電路組成。首先，轉(zhuǎn)換前將sar清0。轉(zhuǎn)換開始后，先將sar最高位置1，此值由d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓uc，與輸入電壓ux比較，若uxuc，則該位保留，否則清0。然后在對次高位進行同樣過程。直至全部位完成。2、特點(1)、轉(zhuǎn)換速度快。

10、(2)、轉(zhuǎn)換時間固定。(3)、抗干擾能力較差。需要附加抗干擾電路。3、a/d 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(1)分辨率(resolution)分辨率反映a/d轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化的能力，通常用數(shù)字輸出的最低位(lsb)所對應(yīng)的模擬輸入電平值表示。如8位的a/d轉(zhuǎn)換器對模擬量輸入滿量程的1/28的增量作出反應(yīng)。所以一般也用a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來表示。(2)精度絕對精度：對應(yīng)于一個數(shù)字量的實際模擬輸入電壓與理想的模擬輸入電壓之差。通常以數(shù)字量的最小有效位lsb的分數(shù)值表示，如1/2lsb等。相對精度：指在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。(3)轉(zhuǎn)

11、換時間轉(zhuǎn)換時間指完成一次a/d轉(zhuǎn)換需要的時間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時間間隔。(4)電源靈敏度電源靈敏度指a/d芯片的供電電源電壓發(fā)生變化時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源電壓變化1時相當(dāng)?shù)哪M量變化的百分數(shù)表示。(5)量程量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓的范圍，分單極性、雙極性兩種。(6)輸出邏輯電平多數(shù)a/d轉(zhuǎn)換器的輸出邏輯電平與ttl兼容。在考慮數(shù)字量輸出與計算機總線接口時，需要考慮是否三態(tài)輸出，輸出是否需要鎖存等。.(7)工作溫度范圍一般a/d轉(zhuǎn)換器的溫度范圍在070，軍品在55125。4、典型a/d轉(zhuǎn)換芯片ad574aad574a是非常常用的a/d芯片，它是12位逐次逼

12、近型a/d轉(zhuǎn)換芯片，有片內(nèi)輸出數(shù)據(jù)鎖存和三態(tài)輸出功能，可進行12位或8位轉(zhuǎn)換，進行12位轉(zhuǎn)換時可以一次讀出12位數(shù)據(jù)，也可先讀低8位，再讀高4位，輸入可接單極性或雙極性，有片內(nèi)時鐘。12腳電路調(diào)整零點，8、10腳電路調(diào)整滿量程。ce為高，cs為低時芯片工作。r/c為低時啟動轉(zhuǎn)換，為高時讀出數(shù)據(jù)。a0為低，啟動12位轉(zhuǎn)換，a0為1 啟動8位轉(zhuǎn)換。12/8接5v則一次輸出12位結(jié)果，接地則先讀高8位，后讀低4位，a0為0讀高8位，a0為1讀低4位。三、多路轉(zhuǎn)換器a/d轉(zhuǎn)換芯片價格較高，如ad574a在400600元間，甚至超過cpu的價格，所以多路模擬量采集通常共用一個a/d轉(zhuǎn)換通道，這要求各個模

13、擬量在多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制下分時地逐一經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，每次只選通一路。對多路開關(guān)的要求是斷開時開路阻抗無窮大，導(dǎo)通時阻抗為0，切換速度快，工作可靠。目前常見的多路開關(guān)有cd4051b，ad7506等。以ad7506為例，它是16路輸入，一路輸出的模擬量多路開關(guān)cmos芯片。模擬量多路開關(guān)由三部分組成：(1)地址輸入緩沖和電平轉(zhuǎn)換使得輸入端對ttl，cmos邏輯電平兼容。(2)譯碼和驅(qū)動把地址譯為通道號代碼(3)模擬開關(guān)，對應(yīng)通道的模擬開關(guān)導(dǎo)通，將該通道的輸入模擬電壓引至輸出端。若輸入模擬通道數(shù)目超過16，需多片ad7506，這時需要增加譯碼器進行片選。ad7506導(dǎo)通時導(dǎo)通電阻約400，由于

14、不接近0，所以負載電阻一定要比較大，一般在輸出后增加一級電壓跟隨器以提高輸入阻抗。四、采樣保持器a/d芯片完成一次轉(zhuǎn)換需要時間，對于變化較快的模擬量，如不采取措施會引起轉(zhuǎn)換誤差，一般增加一級采樣保持器，在轉(zhuǎn)換期間保持輸入a/d的模擬信號基本不變。對于變化緩慢的模擬量，可以不設(shè)置這一級。采樣保持電路由保持電容和輸入輸出緩沖放大器和控制開關(guān)組成。原理圖為采樣期間，s閉合，a1通過s向ch充電，使輸出隨輸入變化而變化。保持期間，s斷開，由于a2的高輸入阻抗，使得輸出保持充電時的最高值。一般采樣保持電路都集成在一個芯片中，如lf398等，但通常不封裝電容，電容由電路設(shè)計者自行選配。五、集成化的數(shù)據(jù)采集

15、芯片a/d轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器是模擬量輸入通道中的關(guān)鍵部分，已經(jīng)由一些公司開發(fā)出集成了以上三個部分的集成化的數(shù)據(jù)采集芯片。如maxim的max197，它是一個多量程的12位數(shù)據(jù)采集芯片，只需一個5v電源供電，片內(nèi)含8路模擬通道，5mhz帶寬的采樣保持器和12位的a/d轉(zhuǎn)換器。這說明構(gòu)成一個模擬量采集電路可以采用的芯片是非常靈活的，完全可以由設(shè)計者根據(jù)采集電路的需求進行選擇。六、采樣方式電力系統(tǒng)中的模擬量有三種類型：(1)快速變化的交流量：如交流電壓、電流、功率等。(2)緩慢變化的直流量：如控制母線的直流電壓、操作母線的直流電壓。(3)緩慢變化的非電量：如溫度、壓力、水位等。針對不同

16、的模擬量采取不同的采樣方式。1、直流采樣直流采樣是將現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為直流電壓信號送至a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。(1)直流電量：對于發(fā)電機的勵磁電壓、電流，控制電源或操作電源的直流電壓、電流，利用直流電量變送器將實際的電壓電流值轉(zhuǎn)換為05v的直流電壓。(2)交流電量：采用交流電壓、電流和功率變送器將相應(yīng)原始信號轉(zhuǎn)換為05v或05v的直流電壓信號。(3)非電量：利用專用的溫度變送器、壓力變送器。2、交流采樣只針對交流信號的采集。直接將交流信號變送為05v的交流電壓信號送至a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，即采集交流信號的瞬時值，然后采用算法計算電壓、電流的有效值及利用電壓電流計算功率。3、2種采樣方式的

17、比較(1)直流采樣的特點a、對a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡單，程序可靠性高。b、經(jīng)過整流和濾波環(huán)節(jié)，抗干擾能力較強。c、直流采樣輸入回路常采用rc電路濾去整流后的紋波，采樣實時性差，無法反映被測量的波形，因此不適用于微機保護和故障錄波。d、需要變送器屏。(2)交流采樣的特點a、實時性好。b、能反映實際波形。c、可以省略功率變送器，功率由算法計算得到。d、對a/d轉(zhuǎn)換器和采樣保持器要求較高，要求一個周期內(nèi)必須有足夠的采樣點數(shù)，要求a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高。e、采樣和計算的程序比較復(fù)雜。七、模擬量采集的處理信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換完成后，需經(jīng)過cpu的處理才能存放到數(shù)據(jù)區(qū)中。一般需經(jīng)過的處理包括

18、數(shù)字濾波、標度變換、二十轉(zhuǎn)換、越限判別。1、數(shù)字濾波為減小干擾的影響，一般在模數(shù)轉(zhuǎn)換前有一級rc低通濾波，為提高濾波效果，一般在模數(shù)轉(zhuǎn)換后還要再做一次數(shù)字濾波，濾除干擾的影響。數(shù)字濾波可分為遞歸濾波和非遞歸濾波。a、非遞歸濾波非遞歸濾波的一般形式為濾波因子k k個采樣間隔y 輸出x 輸入非遞歸數(shù)字濾波的輸出只與當(dāng)前和過去的輸入值有關(guān)，與過去的輸出值無關(guān)。常用的有l(wèi) 差分濾波器y(n) = x(n) x(nk)設(shè)信號頻率為f，采樣頻率為fs，諧波頻率為mf，則可濾除的諧波頻率為：n是每周波采樣點數(shù)。此濾波器可完全濾除直流分量。l 加法濾波器y(n) = x(n) x(nk)可濾除的諧波頻率為：l

19、 積分濾波器y(n) = x(n) x(n1) x(nk)可濾除的諧波頻率為：非遞歸數(shù)字濾波器是有限沖擊響應(yīng)濾波器，優(yōu)點是設(shè)計比較靈活，可以實行理想的線性相位，缺點是計算量比較大。b、遞歸數(shù)字濾波遞歸數(shù)字濾波的一般形式為k是采樣間隔數(shù)，l是數(shù)字濾波器的階。最常用的是一階遞歸數(shù)字濾波，其方程為y(n) = x(n) + (1)y(n1)遞歸數(shù)字濾波相當(dāng)于引入了反饋，是無限沖擊響應(yīng)濾波器。它的優(yōu)點是運算量比較小，缺點是相頻特性非線性，功率、方向計算誤差較大。2、標度變換對于不同的模擬量，它的滿量程是不同的，但a/d轉(zhuǎn)換出的滿量程結(jié)結(jié)果總是同一個值，如12位a/d轉(zhuǎn)換器滿量程轉(zhuǎn)換結(jié)果為2047，為了

20、將2047變?yōu)閷嶋H物理量的滿量程值，需要乘以一個系數(shù)，該過程稱為標度變換。標度變換原理很簡單，但有兩點需要注意。一是每個模擬量的滿量程都不相同，所以每路通道對應(yīng)一個系數(shù)，該系數(shù)可以統(tǒng)一存放在數(shù)據(jù)區(qū)中。二是要避免系數(shù)有效位數(shù)減少，盡量保證系數(shù)1，如果無法保證，可以10倍，100倍放大物理量的滿量程，計算完成后在除10，100等，即小數(shù)點前移1到2位。還可以先將系數(shù)左移n位，計算完成后再右移回來。小數(shù)點移動的位數(shù)和左移的位數(shù)可以和系數(shù)一起存放在同樣位置。3、二十轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成與標度變換后的結(jié)果仍是二進制數(shù)，為符合習(xí)慣需要轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)。這里介紹兩種方法。a、連續(xù)減法，適用于二進制整數(shù)某一二進制數(shù)b

21、可表示為連續(xù)減法實質(zhì)是試探法，首先減1000，若夠減則d3加1，否則進行下一級判斷，最后余數(shù)為d0。b、乘十取整法，適用于二進制小數(shù)某一二進制數(shù)b可表示為等式兩側(cè)乘10后得：取整數(shù)部分可求出d1，再乘10可求出d2，依次類推。4、越限判斷模擬量越限應(yīng)報警?？梢詫⒚恳煌ǖ赖孟拗票４嬖趦?nèi)存區(qū)中，計算得到模擬量值后與限值比較，若越限可在數(shù)值中置標志位，恢復(fù)則清除標志位。為了避免數(shù)值在限制附近波動時頻繁報警，可設(shè)置一個判斷死區(qū)。八、交流采集算法由于交流采樣采集的是瞬時值，所以必須通過計算得到交流電量的有效值和功率。1、單點采樣算法此方法需要對三相電壓電流同時采集一點，可計算出有效值。沒有濾波作用，要求三相對稱。2、兩點采樣算法設(shè) 若相隔/2采集2點，有平方相加得有效值同理可得優(yōu)點：簡單快速。缺點：無濾波作用，輸入信號有諧波分量會影響計算精度。3、全周波傅立葉算法按照傅立葉級數(shù)理論，一個周期為t的函數(shù)u(t)，若在上滿足狄里赫利條件，那么在上就可以展開為無窮級數(shù)： ( n = 1，2，3 ) ( n = 1，2，3 )將上式離散化后得：n是每周波采樣點數(shù)。一般采用每周波1