交流數(shù)據(jù)采集與處理

第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理張永健第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)視和控制表征電網(wǎng)實時運行狀態(tài)的遙測量值和遙信狀態(tài)采集與傳送對這些信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，形成控制電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的遙控、遙調(diào)命令。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理直流采樣整流、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換交流采樣一周期多次采樣、轉(zhuǎn)換、計算電能數(shù)據(jù)采集脈沖與計數(shù)第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理二、互感器高電壓、大電流測量傳統(tǒng)電壓互感器和電流互感器輸

出交流電壓0~100V，交流電流

0~5A，經(jīng)中間變換器變換為低電壓。電子式互感器直接變換到數(shù)據(jù)變換設(shè)備所規(guī)定的低電壓。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（一）電流互感器1。電磁式電流互感器第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理1。電磁式電流互感器二次側(cè)處于近似于短路比值誤差和角誤差磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2。電子式電流互感器國際電工委員會發(fā)布的電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)為IEC60044．8我國等同采用并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的國標(biāo)GB20840．8-2007第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2。電子式電流互感器（1）羅氏線圈電流互感器

Rogowski線圈為一空心環(huán)形線圈，二次繞組纏繞在非磁性骨架上，被測電流垂直穿過線圈中心，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以得到線圈輸出電壓第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2。電子式電流互感器（1）羅氏線圈電流互感器第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（1）羅氏線圈電流互感器電磁感應(yīng)原理μ0----真空磁導(dǎo)率D-----匝數(shù)密度，匝數(shù)/mS-----二次繞組導(dǎo)線面積，m2dI/dt-----一次電流對時間的導(dǎo)數(shù)

H----電感系數(shù)，h第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（1）羅氏線圈電流互感器沒有鐵心，沒有非線性影響，如飽和等問題,因為沒有飽和，動態(tài)范圍大。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（1）羅氏線圈電流互感器輸出電壓正比于電流對時間的導(dǎo)數(shù)，須積分后才可以還原電流波形，高壓側(cè)存在積分器和采樣變換回路，線圈材質(zhì)易受環(huán)境溫度影響變形。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）光學(xué)電流互感器（OCT）Faraday磁光效應(yīng)光的偏振面受到外加磁場的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。磁場的方向與光的傳播方向平行，線性偏振光通過置于磁場中的法拉第旋光材料后，出射線性偏振光與入射線性偏振光的偏振面將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）光學(xué)電流互感器（OCT）第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）光學(xué)電流互感器（OCT）v----材料的Verdet常數(shù)

H----磁場強度L----通過法拉第磁光玻璃的光程第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）光學(xué)電流互感器（OCT）測得線偏振光的旋轉(zhuǎn)角度θ就可以求出導(dǎo)體中的電流i(t)。OCT具有不受電磁干擾、不飽和、測量范圍大、有效頻帶寬。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（二）電壓互感器

1．電磁式電壓互感器第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（二）電壓互感器

1．電磁式電壓互感器二次繞組的設(shè)備的阻抗大，電流小，近似空載。誤差影響因素：二次負(fù)荷第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（二）電壓互感器

2．電子式電壓互感器國際電工委員會發(fā)布的電子式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)IEC60044．7我國等同采用并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的國標(biāo)

GB

20840．7-2007第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2．電子式電壓互感器（1）分壓原理電壓互感器(采用電容分壓、電阻分壓或阻容分壓原理)第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（1）分壓原理電壓互感器對數(shù)據(jù)采集裝置的輸入阻抗的要求很高，尤其是母線電壓互感器，應(yīng)該先把二次電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2．電子式電壓互感器（2）光學(xué)電壓互感器(OVT)透明的光學(xué)介質(zhì)(也稱壓電晶體)在沒有外加電場作用時是各向同性的。在外加電場作用下，晶體將變?yōu)楦飨虍愋缘碾p軸晶體，從而導(dǎo)致其折射率發(fā)生變化，通過晶體的偏振光將產(chǎn)生雙折射，使一束偏振光變?yōu)閮墒辔徊煌?因兩束光的傳播速度不同)的偏振光。電場對透明晶體影響的電光效應(yīng)被稱為Pockels效應(yīng)。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理2．電子式電壓互感器（2）光學(xué)電壓互感器(OVT)第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第三節(jié) 直流采樣第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理直流采樣1。中間電流變換器和中間電壓變換器中間電流變換器的結(jié)構(gòu)與普通電流互感器相同，通過在二次側(cè)的電阻，把小電流轉(zhuǎn)換成低電壓。中間電壓變換器的結(jié)構(gòu)與普通電壓互感器相同。中間變換器起電磁隔離作用。重要的是處理好阻抗的匹配問題。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理直流采樣2。精密整流電路第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理直流采樣3。有源低通濾波電路第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第三節(jié)

交流采樣原理在一個交流信號周期T內(nèi)，對輸入信號采樣N次，兩次采樣之間的時間間隔Ts=T/N。采樣定理：完整表達(dá)輸入信號的充要條件：第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理交流采樣過程C輸PA采C這輸U／P入對樣U種入D讀再到一轉(zhuǎn)保過信A發(fā)多周換持／程號地路期器D在經(jīng)輸址模內(nèi)將進(jìn)一相出選擬每采行個應(yīng)數(shù)擇電路樣采交的據(jù)輸子輸保樣T流入V開入持保m信或關(guān)信器持號T號，號A周m的變期N換內(nèi)個成采樣值，進(jìn)由輸0重行～地出復(fù)數(shù)5址的V（據(jù)交多模l處流+路擬m理）電信電，×壓號壓并N信中轉(zhuǎn)次計號一換算路成出輸數(shù)線出字路量上；的各種電氣量值。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理合并單元MUMU對輸入的交流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。

對經(jīng)電子互感器處理后的數(shù)字量進(jìn)行采集。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第四節(jié)

電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理一、濾波針對諧波與各種干擾的存在，在交流被測量進(jìn)入測量裝置時，設(shè)置模擬式濾波器，濾除較高次的諧波。在交流被測量經(jīng)交流一周期N次采樣并通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到N個二進(jìn)制數(shù)序列，可以通過一定的計算，濾除我們不需要的諧波量，并計算出希望得到的交流量幅值和有效值。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理一、濾波交流信號采樣、變換的兩側(cè)均進(jìn)行濾波原因是：模擬式濾波器往往采用簡單的RC電路進(jìn)行濾波。若希望將較低次諧波濾除，需將轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置較低，我們希望完整保留的基波也將有一定的衰減，造成有用信息的損失和測量精度降低。因此模擬式的濾波器設(shè)計的出發(fā)點是濾除較高次諧波，而放棄對較低次諧波的濾除。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理一、濾波交流信號采樣、變換的兩側(cè)均進(jìn)行濾波原因是：根據(jù)采樣定理，對某個f頻率的信號進(jìn)行采樣,采樣脈沖頻率fc必須滿足fc≧2f由于在電力系統(tǒng)交流量測量時，往往需要同時對多路的交流量進(jìn)行采集。由于同時被采集量的個數(shù)與交流一周期采樣次數(shù)成反比關(guān)系，在被采集量的個數(shù)較多情況下，交流一周期采樣次數(shù)N不可能很大，即不可能有效采集到完整的高次諧波信息，也就不能通過較簡單的算法將高次諧波去除。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理一、濾波交流信號采樣、變換的兩側(cè)均進(jìn)行濾波原因：第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理一、濾波（一）模擬式濾波作用是消除掉輸入信號中的干擾（包括較高次諧波），保留有用信號，一般采用簡單而有效的RC低通濾波器構(gòu)成。濾波器同時還作浪涌電壓保護，防止浪涌電壓進(jìn)入通道內(nèi)部，破壞信息處理設(shè)備。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（一）模擬式濾波傳遞函數(shù)為頻率特性為第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（二）數(shù)字式濾波（2）非遞歸濾波舉例：設(shè)一模擬信號要求保留的基波部分，濾除的諧波（7次）部分。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）非遞歸濾波若對采樣，采樣頻率=3500Hz，則對于基波，每周期有70個采樣值；對于7次諧波，則每周期有10個采樣值。現(xiàn)將相對于基波一周期的70個采樣值分成7組，每組10個采樣值求取平均值。令y(k)是x(t)連續(xù)10個采樣值的平均值，即第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（2）非遞歸濾波為兩個分量組成，因此可有由于是350Hz的正弦波，采樣頻率為3500Hz，恰好是每周期10次采樣，因而計算式中的第二部分必然等于零。對于50Hz的基波，上述計算可得到7個分組值，每個分組值恰好分別等于對基波進(jìn)行每周期7次采樣的各個采樣值，并且不包含任何7次諧波成分。。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理（3）傅氏級數(shù)計算與濾波對于任何周期函數(shù)的信號u（t）、i（t）都可以分解為含有直流分量及各種諧波分量的傅氏級數(shù)。用正弦和余弦基波函數(shù)與上式相乘，根據(jù)正交理論，可以提取基波量。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理對電壓、電流每周期采樣N次，相應(yīng)的傅立葉積分可以表達(dá)為：r表示實部、i表示虛部。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理有效值有效值第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理?即第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第五節(jié)

標(biāo)度變換電力系統(tǒng)中電壓測量值單位為V或kV，電流的測量值單位為A或kA等。電壓互感器輸出為0～100V，電流為0～5A等。信號經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的信號范圍，如0～5V。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第五節(jié)

標(biāo)度變換經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為標(biāo)幺值形

態(tài)，無法表明該遙測量的物理大小。

為了顯示、打印、報警及向調(diào)度傳送，又必須把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成具有不同量綱

的數(shù)值，以便于操作人員進(jìn)行監(jiān)視與

管理，這就是標(biāo)度變換。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第五節(jié)

標(biāo)度變換第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第五節(jié)

標(biāo)度變換例如被測電流的滿量程為1500A，經(jīng)變換后的滿量程結(jié)果為2047。當(dāng)電流在0～1500A范圍內(nèi)變化時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出在0～2047之間變動，兩者呈線性比例關(guān)系，比例系數(shù)為K，稱為標(biāo)度變換系數(shù)。設(shè)遙測量的實際值為S，模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的值為D，則K=S/D因為S和D呈線性比例關(guān)系，所以可以以滿量程的對應(yīng)關(guān)系來求出標(biāo)度變換系數(shù)K。對于12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，D=2047，則K=S/2047。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理第五節(jié)

標(biāo)度變換例如幅值為1500A的電流，可得各個遙測量都有對應(yīng)的標(biāo)度變換系數(shù)K，均以確定的形式存儲器的遙測系數(shù)區(qū)中，待需要時讀取。標(biāo)度變換系數(shù)K在遙測系數(shù)區(qū)中以兩個字節(jié)存放，其格式為 F1

F2 N1

N2

0/1

K小數(shù)點標(biāo)志移位標(biāo)志正/負(fù)11位標(biāo)度變換系數(shù)

1500A的電流的遙測系數(shù)0000010111011100第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理在經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換得到某個遙測量的11位二進(jìn)制數(shù)，需乘上系數(shù)得到有量綱的實際值，考慮乘法運算后的

精度，標(biāo)度變換系數(shù)K應(yīng)具有11位的有效位。但在某些場合，根據(jù)K=S/D所得的K系數(shù)并不具有11位有效位，因此需要預(yù)先對K進(jìn)行處理。例如某電流的幅值滿量程為150A，則這一系數(shù)的有效位僅有8位，當(dāng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果與之相乘后，有效位數(shù)減少了。第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理為了保證有效位數(shù)，可以將被測量預(yù)放大，例如上例放大10倍，在十進(jìn)制數(shù)顯示時相應(yīng)將小數(shù)點向左移1位，即可顯示原值。如將150A的滿量程值放大10倍后成為1500，系數(shù)K即有11位有效位數(shù)。在1500轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后，與K相乘，并在二－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，將小數(shù)點向左移一位，即為150.0A的表達(dá)。遙測量用四位十進(jìn)制D3D2D1D0顯示。用小數(shù)點標(biāo)志F1F2來設(shè)定小數(shù)點位置，其內(nèi)容由通信雙方約定。例如小數(shù)點設(shè)在最低位D0之前，把F1F2置為01。例如幅值為150A的電流，可得0100010111011100第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理F小數(shù)標(biāo)志位第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理但在K小于0.5時，對應(yīng)的二進(jìn)制仍會出現(xiàn)有效位數(shù)不足11位的情況。例如滿量程值為300A的電流實際有效位為9位，而300不能擴大10倍，使K>1而不符合要求。解決方法是將轉(zhuǎn)換K時計算到小數(shù)點后13位，然后將K左移2位成為0.10010110000B作為標(biāo)度變換系數(shù)的遙測系數(shù)部分，并在N移位標(biāo)志上設(shè)置相應(yīng)值。在