自動裝置第1章知識點

《電力系統(tǒng)自動裝置原理》知識點楊冠城主編緒論一、電力系統(tǒng)及其運行調(diào)度控制中心對所管轄的電力系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制，其主要任務(wù)是合理地調(diào)度所屬各發(fā)電廠的出力，制定運行方式，及時處理電力系統(tǒng)運行中所發(fā)生的問題，確保系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分根據(jù)電力系統(tǒng)的組成和運行特點，電力系統(tǒng)中的自動控制大致劃分為如下幾個不同內(nèi)容的控制系統(tǒng)：1.電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制其主要任務(wù)是提高電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行水平。2.電廠動力機械自動控制電廠動力機械的自動控制是電廠自動控制的主要組成部分。200MW以上的汽輪發(fā)電機組，需配置專用計算機進行監(jiān)控。電力系統(tǒng)自動裝置對發(fā)電廠、變電所電氣設(shè)備運行的控制與操作的自動裝置，是直接為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟和保證電能質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)自動化設(shè)備。電氣設(shè)備的操作分正常操作和反事故操作兩種類型。按運行計劃將發(fā)電機并網(wǎng)運行的操作為正常操作。電網(wǎng)突然發(fā)生事故，為防止事故擴大的緊急操作為反事故操作。防止電力系統(tǒng)的系統(tǒng)性事故采取相應(yīng)對策的自動操作裝置稱為電力系統(tǒng)安全自動控制裝置。電力安全裝置發(fā)電廠、變電所等電力系統(tǒng)運行操作的安全裝置，是為了保障電力系統(tǒng)運行人員的人身安全的監(jiān)護裝置。 電壓和頻率是電能質(zhì)量的兩個主要指標(biāo)。另外，還有波形也是指標(biāo)之一。電力系統(tǒng)自動裝置有兩種類型：自動調(diào)節(jié)裝置和自動操作裝置。如何認識各類自動控制系統(tǒng)的相同和相異之處？第一章 自動裝置及其數(shù)據(jù)的采集處理第一節(jié)自動裝置的組成電力系統(tǒng)運行的主要參數(shù)是連續(xù)的模擬量，而計算機內(nèi)部參與運算的信號是離散的二進制數(shù)字信號，所以，自動裝置的首要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集和模擬信號的數(shù)字化。一、硬件組成形式從硬件方面看，目前電力系統(tǒng)自動裝置的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：即微型計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制機系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(Distributedcontrolsystem DCS)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FieldbusControlSystem FCS)。微型計算機系統(tǒng)1、傳感器傳感器的作用是把壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等非電量或電壓、電流、功率等電量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓或電流量的弱電信號，即轉(zhuǎn)換成能輸入計算機的電信號。2、 模擬多路開關(guān)(MUX)數(shù)據(jù)采集裝置要對多路模擬量進行采集。在速度要求不高的場合，一般采用公共的A/D轉(zhuǎn)換器，分時對各路模擬量進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，即用模擬多路開關(guān)來輪流切換各路模擬量與A/D轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個特定的時間內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，目的是簡化電路、降低成本。3、 采樣，保持器(S/H)A/D轉(zhuǎn)換器完成一路轉(zhuǎn)換需要一定時間，在這段時間內(nèi)希望A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號電壓保持不變，這可以由S/H來實現(xiàn)。采樣/保持器的基本電路如圖1-2所示，它一般由模擬開關(guān)、保持電容器和緩沖放大器組成。其工作原理如下。采樣期間，在控制信號為高電平時，模擬開關(guān)S閉合，輸入信號uin經(jīng)高增益放大器A1后的輸出通道通過模擬開關(guān)向電容器C快速充電，使電容器電壓迅速達到輸入電平值。保持期間，使控制信號為低電平，模擬開關(guān)S斷開，由于運算放大器A2輸入阻抗很高，理想情況下，電容器將保持充電時的最終值，即在電容器C上保持采樣信號。A2輸出的uout送到A/D轉(zhuǎn)換器。要使電容器上電壓保持時間長，需要電容量足夠大，A2輸入阻抗足夠高。4、 A/D轉(zhuǎn)換器完成把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號這一功能的元件就是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器是影響數(shù)據(jù)采集速率和精度的主要因素之一。5、 通信單元根據(jù)需要可設(shè)置通信單元與上位計算機通信。通信單元包括通信控制器和通信收發(fā)器兩個部分，其中，通信控制器用來控制通信過程，確定通信的數(shù)據(jù)、地址以及建立/拆除通信的數(shù)據(jù)鏈路。通信收發(fā)器用來處理通信的物理層功能，包括物理引線的排列、機械特性和物理電平等。工業(yè)控制計算機系統(tǒng)工業(yè)控制計算機系統(tǒng)一般由穩(wěn)壓電源、機箱和不同功能的總線模板，以及鍵盤等外設(shè)接口組成?？偩€是各個功能部件公用的一組信息線，它在各部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的傳遞。總線的分類：內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和多機系統(tǒng)總線。總線標(biāo)準(zhǔn)是指計算機部件各生產(chǎn)廠家都需要遵守的系統(tǒng)總線要求，從而使不同廠家生產(chǎn)的部件能夠互換。工控機的電源在技術(shù)性能上也有一些要求，主要對輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等要求輸入側(cè)帶交流濾波、輸出側(cè)具備過壓與過流保護、較高的工作可靠性和抗干擾能力、低功耗等。集散系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)1.集散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集散系統(tǒng)是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)物，整個系統(tǒng)由若干個“數(shù)據(jù)采集測控站”和上位機及通信線路組成。數(shù)據(jù)采集測控站。數(shù)據(jù)采集測控站一般是由單片機數(shù)據(jù)采集控制裝置組成，位于生產(chǎn)設(shè)備附近，可獨立完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)，可以將信號通過通信線路傳送至上位機，并能夠接收上位機通過通信線路下達的控制指令進行現(xiàn)場控制。上位機。上位機一般采用工業(yè)控制機或工作站，配置打印機和其他外設(shè)。上位機一般采用雙機熱備用方式，以確保系統(tǒng)的可靠性。上位機的工作是將各個站上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理，以及進行數(shù)據(jù)的存儲和整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，集中顯示或打印各種報表。此外，上位機最重要的功能是將根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，確定控制的參數(shù)和方法，并將這些結(jié)果通過通信線路下達給相應(yīng)的站。上位機和工作站之間通常采用串行通信方式進行通信。介質(zhì)訪問方式一般為令牌形式，由上位機確定與哪一個工作站進行通信。DCS系統(tǒng)的系統(tǒng)適應(yīng)性強，由于系統(tǒng)具有分散性，單一站的故障不會影響到整個系統(tǒng)，可靠性得到了提高，且因為系統(tǒng)的各個站為并行結(jié)構(gòu)，可解決大型、高速、動態(tài)系統(tǒng)的需要，實時性能較好，但因為要進行集中數(shù)據(jù)處理，對于上位機應(yīng)具有一定的技術(shù)要求。2、 現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)將分散在現(xiàn)場的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，連接成為可相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的技術(shù)種類和標(biāo)準(zhǔn)很多，同一類現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，并形成了相應(yīng)的國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此它是一個開放的數(shù)字化系統(tǒng)。（1）現(xiàn)場總線主節(jié)點?，F(xiàn)場總線主節(jié)點也稱為主設(shè)備、主站，是整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)者。對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說，它在總線上完成信息發(fā)起的功能。通常還可以通過一些接入設(shè)備與計算機的局域網(wǎng)相連。主節(jié)點也可以通過接入設(shè)備到外設(shè)，完成顯示、輸出、打印、數(shù)據(jù)存儲等功能。（2）現(xiàn)場總線從節(jié)點?，F(xiàn)場總線的從節(jié)點又稱為從設(shè)備、從站，是現(xiàn)場總線系統(tǒng)終端設(shè)備運行的執(zhí)行者。對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說，它不能在總線上主動發(fā)起通信，但可以完成接收、查詢等功能。對于測控的目標(biāo)而言，所有測控的工作都可以下放到從節(jié)點中，這樣使得現(xiàn)場總線成為完全的分布控制系統(tǒng)。（3）路由器（Router）。路由器是一種連接多個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)信息進行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀”懂對方的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個更大的網(wǎng)絡(luò)。路由器有兩大典型功能，即數(shù)據(jù)通道功能和控制功能。數(shù)據(jù)通道功能包括轉(zhuǎn)發(fā)決定、背板轉(zhuǎn)發(fā)以及輸出鏈路調(diào)度等，一般由特定的硬件來完成；控制功能一般用軟件來實現(xiàn)，包括與相鄰路由器之間的信息交換、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理等。路由器的功能主要起到路由、中繼、數(shù)據(jù)交換等功能，因為現(xiàn)場總線系統(tǒng)的分散性，上述功能對于現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)來說是必不可少的。二、軟件自動裝置的正常工作，除了必須要有硬件外，還需要軟件支持。1、 信號采集與處理程序采集的信息有數(shù)字信號和模擬信號兩種，數(shù)字信號采集后可直接進入計算機存儲，而模擬信號須經(jīng)處理。模擬信號采集與處理程序的主要功能是對模擬輸入信號進行采集、標(biāo)度變換、濾波處理及二次數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)地址的存儲單元。2、 運行參數(shù)設(shè)置程序運行參數(shù)設(shè)置程序的主要功能是對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行設(shè)置。運行參數(shù)有：采樣通道號、采樣點數(shù)、采樣周期、信號量程范圍和工程單位等。3、 系統(tǒng)管理（主控制）程序系統(tǒng)管理程序首先是用來將各個功能模塊組織成一個程序系統(tǒng)，并管理和調(diào)用各個功能模塊程序，其次是用來管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。4、 通信程序通信程序用來完成上位機與各個站之間的數(shù)據(jù)傳遞工作，或用來完成主節(jié)點與從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞，主要的功能包括設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省?shù)據(jù)發(fā)送的發(fā)起、數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)起的響應(yīng)、數(shù)據(jù)接收的響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?、?shù)據(jù)傳輸成功的標(biāo)志等等。第二節(jié)采樣、量化與編碼技術(shù)一、采樣1、 采樣過程對連續(xù)的模擬信號x(t),按一定的時間間隔TS，抽取相應(yīng)的瞬時值，這個過程稱為采樣。采樣過程就是一個在時間和幅值上連續(xù)的模擬信號x(t)，通過一個周期性開閉(周期為Ts，開關(guān)閉合時間為T)采樣開關(guān)S后，在開關(guān)輸出端輸出一串在時間上離散的脈沖信號xs(nTs)。采樣后的脈沖信號xs(nTs)為采樣信號。式(1-3)采樣定理采樣周期Ts決定了采樣信號的質(zhì)量和數(shù)量：Ts太小，會使xs(nTs)的數(shù)據(jù)劇增，占用大量的內(nèi)存單元；Ts太大，會使模擬信號的某些信息丟失，當(dāng)將采樣后的信號恢復(fù)成原來的信號時，就會出現(xiàn)信號失真現(xiàn)象，而失去應(yīng)有的精度。因此，選擇采樣周期r。必須有一個依據(jù)，以保證xs(nTs)能不失真地恢復(fù)原信號x(t)。這個依據(jù)就是采樣定理。香農(nóng)(shannon)采樣定理：采樣頻率大于原模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，則模擬信號可由采樣信號來唯一表示。二、量化與編碼1、量化連續(xù)模擬信號經(jīng)過采樣后，成為時間上離散的采樣值，其幅值在采樣時間T內(nèi)依然是連續(xù)的。采樣幅值仍然是模擬量。為了能用計算機處理數(shù)據(jù)，采樣值需轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。由于二進制代碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個信號的電平，故在編碼之前，首先要對采樣信號進行“量化”。_量化就是把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來表示該幅值。設(shè)N為數(shù)字量的二進制代碼位數(shù)，量化單位定義為量化器滿量程電壓值Ufsr與2n的比值，用q表示，即q=UFSR/2N量化方法可以采用“有舍有入”的量化方法。(見圖1-7)2、編碼把量化信號的數(shù)值用二進制代碼表示，這里就稱為編碼。二進制的數(shù)碼由多個碼位組成，數(shù)碼最左端的碼位叫最高有效位，用符號MSB表示；數(shù)碼最右端的碼位叫最低有效位，用符號LSB表示。每個碼位有“0”、“1”兩個狀態(tài)，量化引入的最大誤差為土LSB/2。量化和編碼都是由A/D轉(zhuǎn)換器完成的。理解逐次逼近式ADC工作過程。SAR的位數(shù)越多，越能精確地逼近模擬信號，在確定的轉(zhuǎn)換節(jié)拍下，其轉(zhuǎn)換時間也越長。第三節(jié)交流采樣的電量計算和前置算法當(dāng)采用變送器時，其輸出直流量與輸入量相對應(yīng)，通過A/D轉(zhuǎn)換后可直接運用。當(dāng)交流采樣時，則需要進行以下的處理。一、交流采樣的電量計算(理解計算公式)1、電壓/電流量計算/無功計算 3、功角計算二、輸入數(shù)據(jù)的前置處理計算機采集的模擬量種類繁多，且每種量測范圍又很不一致。通常先用各種傳感器(變送器)把這些模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流或電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量送入計算機經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換讀入的數(shù)據(jù)，以不同的通道號代表不同的物理量，存入指定的存儲單元。上述數(shù)據(jù)還要進行一系列簡單處理一一前置處理，然后存入數(shù)據(jù)庫保存。1、標(biāo)度變換進入A/D的信號一般是電平信號，但其意義卻有所不同。例如同樣是5V電壓，可以代表540^蒸汽溫度，也可以代表500A電流、110kV電壓等。因此，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的同一數(shù)字量所代表的物理意義是很不相同的。所以要由計算機乘上不同的系數(shù)進行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，把它們恢復(fù)到原來的量值。2、數(shù)據(jù)的有效性檢驗其目的是判斷采入的數(shù)據(jù)是否有明顯的出錯或為干擾信號等?？筛鶕?jù)物理量的特性來判斷。例如：變化緩慢的參數(shù)，可用同一參數(shù)前、后周期的變化量來判斷。如后一周期內(nèi)的量變化超過一定范圍，與規(guī)律不符，則可認為該數(shù)據(jù)是不可信的“壞”數(shù)據(jù)。利用相關(guān)參數(shù)間的關(guān)系互相校核。例如勵磁電壓與勵磁電流之間有較強的相關(guān)性，可以互相校核。當(dāng)勵磁電壓升高時，勵磁電流必定按一定關(guān)系上升，不符合這種情況的數(shù)據(jù)是不可信的。(3)對于一些重要參數(shù)，可以用兩個測點或在同一測點上裝兩臺變送器，用它們之間的差值進行校核。差值超過一定數(shù)值的數(shù)據(jù)是不可信的。對于可疑數(shù)據(jù)，需進一步判別。限制判斷。各種數(shù)據(jù)，當(dāng)超過其可能最大變化范圍時，該數(shù)據(jù)為不可信的?？梢?，根據(jù)量值的類型，選擇合適的判斷方法，達到可信目的，是數(shù)據(jù)有效性檢驗的任務(wù)。3.線性化處理有的變送器的輸出信號與被測參數(shù)之間可能呈非線性關(guān)系，為了提高測量精度，可采取線性擬合措施，以消除傳感器或轉(zhuǎn)換過程引起的非線性誤差。4.數(shù)字濾波采用數(shù)字濾波可以減少或避免阻容元件濾波引起大的時間滯后，減少噪聲在信號中的比重。常用的數(shù)字濾波方法有：算術(shù)平均法。對測量對象進行多次采樣，取其平均值作為測量值。加權(quán)平均法。對本次測量值Xn和前k次測量值Xn_i，Xn_