智能電網(wǎng)傳感器與儀表 教案

§5數(shù)字化量測(cè)技術(shù)5.1概述在電氣測(cè)試系統(tǒng)中，電量可以經(jīng)離散化和量子化直接進(jìn)行處理，而非電量則要通過(guò)各種傳感器將其轉(zhuǎn)換為電量后進(jìn)行處理，如溫度、位移、速度等。但是，傳感器輸出的信號(hào)一般都很微弱，大多還伴隨著各種噪聲，須借助信號(hào)處理電路將寄存在載體上的噪聲剔除，抽取出有用信息，并按預(yù)期目的及要求進(jìn)行所需運(yùn)算、處理與變換。電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可用數(shù)字儀表來(lái)顯示或直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的主要內(nèi)容是對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而傳輸、顯示或直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖所示。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中起著十分關(guān)鍵的作用，本章將從信號(hào)的濾波、放大、預(yù)處理及其在測(cè)試系統(tǒng)中的典型應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹。圖數(shù)字化測(cè)量技術(shù)結(jié)構(gòu)5.2濾波器1.濾波器的作用濾波器的作用是抑制雜散的無(wú)用頻率信號(hào)，使其最大幅度衰減，從而提取出所需的測(cè)量信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)往往包含許多噪聲，從而影響測(cè)量精度。因此，利用濾波器從頻域中實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制，提高信噪比，是電氣測(cè)試系統(tǒng)必不可少的組成部分。2.濾波器的主要指標(biāo)（1）頻域特性圖5-2低通濾波器的頻率特性（2）時(shí)域特性與任何交流電路一樣，濾波器可用它們的時(shí)域特性（如上升時(shí)間、過(guò)沖、回落及穩(wěn)定時(shí)間來(lái)描述）。如圖所示，上升時(shí)間tr是指達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間；峰值時(shí)間tp是指響應(yīng)超過(guò)其終值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；穩(wěn)定時(shí)間ts是指維持在最終值的某指定數(shù)量級(jí)內(nèi)所需的時(shí)間。過(guò)沖和回落是針對(duì)濾波器的某些不受歡迎的特性而設(shè)的指標(biāo)。3.濾波器的類(lèi)型（1）低通濾波器，通帶從零到某一截止頻率fc。（2）高通濾波器，通帶從截止頻率fc到無(wú)窮大，由于受到有源器件及雜散參數(shù)的影響，其帶寬是有限的。（3）帶通濾波器，通帶位于兩個(gè)有限非零的上、下限頻率之間。（4）帶阻濾波器，阻帶位于兩個(gè)有限非零上、下限頻率之間。其各自的幅頻特性如圖所示，每個(gè)特性曲線(xiàn)均包含通帶、阻帶和過(guò)渡帶3個(gè)部分，圖中Aup表示增益，Aup為增益的幅值。圖各類(lèi)濾波器幅頻特性4.濾波器實(shí)例--二階低通有源濾波器常用的二階低通有源濾波器如圖所示。由于C1接到集成運(yùn)放的輸出端，形成正反饋，使電壓放大倍數(shù)在一定程度上受輸出電壓控制，且輸出電壓近似為恒壓源，所以又稱(chēng)之為二階壓控電壓源低通濾波器，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。當(dāng)時(shí)，可求得其傳遞函數(shù)為 令 式中，為截止角頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)；Aup為增益系數(shù)。由Q可得時(shí)，電路才能穩(wěn)定工作，若，電路將自激振蕩。圖單端正反饋型低通濾波5.3模擬信號(hào)放大器傳感器輸出的信號(hào)往往是微弱的電信號(hào)，因此必須將信號(hào)進(jìn)行放大。模擬信號(hào)的放大通常是由集成運(yùn)算放大器完成，由于傳感器輸出的信號(hào)形式和大小各不相同，因此要根據(jù)不同的場(chǎng)合選用合適的放大器。集成運(yùn)放的一般選擇原則是：在滿(mǎn)足所需的電氣特性前提下，選擇性?xún)r(jià)比高、通用性強(qiáng)的運(yùn)放。例如，若信號(hào)源內(nèi)阻很大，則可選用高輸入阻抗的運(yùn)放；若放大電路要求低噪聲、低漂移，則應(yīng)選用高精度、低漂移的低噪聲運(yùn)放。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)算放大器的性能不斷完善，目前集成運(yùn)放已廣泛應(yīng)用在各種放大電路中。典型集成運(yùn)放可分為儀表放大器、差動(dòng)放大器、高輸入阻抗放大器、可程控增益放大器、隔離放大器和高精度放大器等，本節(jié)將主要介紹電氣測(cè)試系統(tǒng)中一些常用的典型運(yùn)算放大器。1.運(yùn)算放大器的主要指標(biāo)集成運(yùn)放性能的優(yōu)劣主要從其性能指標(biāo)來(lái)判斷，其主要性能指標(biāo)有輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓漂移、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流等。（1）輸入失調(diào)電壓：在運(yùn)放開(kāi)環(huán)使用時(shí)，加載在兩個(gè)輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為0，這個(gè)電壓就為輸入失調(diào)電壓。也可定義為當(dāng)運(yùn)放接成跟隨器且正輸入端接地時(shí)，輸出存在的非0電壓。1μV以下屬于極優(yōu)秀的，100μV以下屬于較好的，最大的有幾十mV。（2）輸入失調(diào)電壓漂移：當(dāng)溫度變化、時(shí)間持續(xù)、供電電壓等自變量變化時(shí)，輸入失調(diào)電壓會(huì)發(fā)生變化。輸入失調(diào)電壓隨自變量變化的比值，稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓漂移。一般以溫度漂移為主，范圍從0.002μV/°C到幾十μV/°C。（3）（4）輸入失調(diào)電流：當(dāng)輸出維持在規(guī)定的電平時(shí)，兩個(gè)輸入端流進(jìn)電流的差值，大小主要取決于運(yùn)放輸入端結(jié)構(gòu)，采用FET作為輸入級(jí)的運(yùn)算放大器失調(diào)電流同樣比較小，一般在pA量級(jí)上。2.儀用放大器儀用放大器是由一組放大器構(gòu)成的，它的特點(diǎn)是：輸入阻抗高、失調(diào)電壓低、溫度漂移小、增益高，具有很強(qiáng)的共模抑制能力。儀用放大器是一種精密的差動(dòng)電壓放大器，它在復(fù)雜的環(huán)境下仍可以保持優(yōu)良的性能，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。儀表放大器內(nèi)部通常具有兩個(gè)或者更多的運(yùn)放結(jié)構(gòu)，最典型的是三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。三運(yùn)放儀用放大器原理圖三運(yùn)放儀用放大器經(jīng)分析可得 其增益為 式中，RP為電位器，通過(guò)可調(diào)節(jié)電位器設(shè)定增益。儀表放大器具有極高的共模抑制比，對(duì)信號(hào)的差值極為敏感而對(duì)共模量不敏感，還有極高的輸入阻抗，適宜與傳感器配合使用測(cè)量遠(yuǎn)傳信號(hào)，但是它的輸入引腳有工作限制：第一不得懸空，第二不能承載太高的電壓。3.差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器是由一個(gè)運(yùn)放和若干個(gè)激光校準(zhǔn)電阻對(duì)集成在一起的電路，差動(dòng)放大電路將兩個(gè)輸入信號(hào)分別接到運(yùn)算放大器的同相和反相端，然后在輸出端取出兩個(gè)信號(hào)的差模成分，抑制兩個(gè)信號(hào)的共模成分?；静顒?dòng)放大電路差動(dòng)放大電路有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移，利用線(xiàn)性疊加原理，可得 如果滿(mǎn)足，則式（5-11）改寫(xiě)為 4.高輸入阻抗放大器有些傳感器的輸出阻抗很高，可達(dá)108Ω以上，這就要求測(cè)量放大電路具有很高的輸入阻抗。為了提高運(yùn)算放大電路的輸入阻抗，可在輸入端接電壓跟隨器，但這樣會(huì)引入跟隨器的共模誤差，在要求較高的場(chǎng)合下，可采用高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器組成自舉電路：采用MOSFET作為輸入級(jí)的集成運(yùn)算放大器，其輸入阻抗可高達(dá)1.5×106MΩ，如CA3140、CA3260等；采用FET作為輸入級(jí)的集成運(yùn)算放大器，輸入阻抗為106MΩ，性能穩(wěn)定且不易損壞，如LF356、LF310等。5.程控增益放大器當(dāng)傳感器的輸出與測(cè)試系統(tǒng)相連接時(shí)，連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。任何A/D轉(zhuǎn)換器都有其輸入范圍，當(dāng)模擬輸入信號(hào)很小時(shí)，其輸出的數(shù)字量也很小，容易引起較大的誤差。為解決這一問(wèn)題，常采用增益可變化的放大器，實(shí)現(xiàn)放大器量程的自動(dòng)切換，無(wú)論放大器輸入信號(hào)幅值有多大，通過(guò)改變放大器的增益使其輸出滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍，這樣便能在小信號(hào)時(shí)提高A/D轉(zhuǎn)換精度，減小誤差?？删幊淘鲆娣糯笃鞯脑鲆嫱ㄟ^(guò)邏輯電路來(lái)控制，如圖所示為可編程增益放大器原理。通過(guò)電路中的4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)0～15中任意整數(shù)的增益，開(kāi)關(guān)的通斷可改變放大器的輸入電阻，從而改變電路的增益，其閉環(huán)放大倍數(shù)可表示為 其中，，當(dāng)開(kāi)關(guān)均接通時(shí)，即，；當(dāng)，時(shí)，。依次類(lèi)推，則可得到24個(gè)增益值，若采用n個(gè)開(kāi)關(guān)，則可得到2n個(gè)增益。圖可編程增益放大器原理將運(yùn)算放大電路、電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)及譯碼電路等集成在一起，稱(chēng)為集成可編程增益放大器，如LH0075、AD8231、AD526等。程控增益放大器的增益設(shè)定主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是多個(gè)引腳配合設(shè)定二進(jìn)制增益，二是通過(guò)數(shù)字通信接口給放大器寫(xiě)入命令。主要用于被測(cè)信號(hào)幅度變化較大且不可事先預(yù)知的情況，程控增益放大器的輸出經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入處理器中，處理器分析所得數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)變化范圍太小，可以發(fā)出指令，用程序增大放大器的增益，如果信號(hào)變化范圍過(guò)大，可以用程序?qū)崿F(xiàn)增益的縮減，最終使得放大器處于隨時(shí)可調(diào)的最佳增益狀態(tài)。6.隔離放大器隔離放大器是指輸入回路、輸出回路和電源回路之間電流和電阻都相互隔離、沒(méi)有直接電路耦合的放大器?？捎糜谳斎?、輸出隔離的有光、超聲波、無(wú)線(xiàn)電波和電磁等方式，常采用的耦合方式有變壓器耦合和光耦合兩種。隔離放大器主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和電氣測(cè)試系統(tǒng)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號(hào)。為了提高微弱電信號(hào)（電壓或電流）和低頻信號(hào)的測(cè)量精度，減小漂移，常采用調(diào)制解調(diào)式放大器。實(shí)現(xiàn)方法上，直流電源首先經(jīng)振蕩器變成交變信號(hào)，通過(guò)變壓器或光耦合器耦合到輸入回路，然后再整流和濾波、穩(wěn)壓作為輸入回路和輸出回路的直流電源，輸入回路的調(diào)制開(kāi)關(guān)信號(hào)和輸出回路的解調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)變壓器或光耦合器耦合過(guò)來(lái)，輸入回路和輸出回路之間的信號(hào)聯(lián)系也用變壓器或光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD202是美國(guó)AD公司的一種通用隔離放大器，它的原理圖如圖所示，其中左邊是信號(hào)輸入?yún)^(qū)域，右邊是輸出區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域是完全隔離的，僅能通過(guò)上部的信號(hào)變壓器、下部的電源變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量的傳遞，兩區(qū)域之間的隔離電壓可以高達(dá)2kV。左側(cè)有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放，以及隨后的調(diào)制環(huán)節(jié)，把低頻信號(hào)變成25kHz的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)隔離變壓器傳遞到右側(cè)，隨后解調(diào)輸出。為了實(shí)現(xiàn)隔離，還要給信號(hào)輸入側(cè)提供單獨(dú)的隔離電源，圖5-21中下部是能量傳遞，由右側(cè)給左側(cè)提供電源，內(nèi)部輸出電壓±VISO為7.5V。圖5-21AD202原理圖芯片電源15V接入31、32引腳，被放大的信號(hào)通過(guò)1、2引腳輸入，37、38引腳為其輸出，外接反饋電阻由3、4引腳接入，當(dāng)3、4引腳短接時(shí)，可構(gòu)成一個(gè)增益為1的隔離放大器。7.精密放大器隨著各種新型傳感器的推出，人們對(duì)電子設(shè)備性能要求越來(lái)越高，大量自動(dòng)化設(shè)備投入使用，低失調(diào)、低噪聲的高精密放大器在醫(yī)療電子、測(cè)量?jī)x表、汽車(chē)電子、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般來(lái)講，帶寬小于50MHz的，能夠具有某些特殊指標(biāo)優(yōu)異性的運(yùn)放，都屬于精密運(yùn)放。5.4集成模擬多路開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)是電子電路中的一個(gè)基本器件，模擬開(kāi)關(guān)在電路中主要起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。由于模擬開(kāi)關(guān)具有功耗低、速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、體積小和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而，在電氣測(cè)試系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，模擬開(kāi)關(guān)常應(yīng)用于程控增益放大器，通過(guò)各開(kāi)關(guān)的控制改變放大器的增益。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常需要有多路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、巡回檢測(cè)和控制，若每一路都采用各自的放大器、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，不僅使系統(tǒng)的成本增加，而且各組件特性的分散性也將給校準(zhǔn)帶來(lái)極大的困難。因此，常采用集成摸擬多路開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多路參數(shù)公用一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。1.主要性能指標(biāo) 模擬開(kāi)關(guān)通常有3個(gè)端子：控制端、信號(hào)輸入端、輸出端。在選擇開(kāi)關(guān)時(shí)，主要考慮下列參數(shù)。（1）開(kāi)關(guān)速度：根據(jù)傳輸信號(hào)的頻率，選擇相應(yīng)的切換速度，一般與A/D轉(zhuǎn)換的速度綜合考慮。模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度一般能達(dá)到兆赫茲的速度，可以快速實(shí)現(xiàn)電路切換。（2）導(dǎo)通電阻：在理想情況下，導(dǎo)通電阻為零。常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗一般從幾歐姆到幾百歐姆之間，在模擬信號(hào)和弱信號(hào)設(shè)計(jì)的時(shí)候使用模擬開(kāi)關(guān)必須注意這個(gè)參數(shù)。（3）斷開(kāi)電阻：在理想情況下，斷開(kāi)電阻為無(wú)窮大。實(shí)際應(yīng)用中則不然，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電阻為一個(gè)有限值，斷開(kāi)電阻代表著開(kāi)關(guān)的關(guān)斷能力，一般產(chǎn)品的斷開(kāi)電阻足以達(dá)到抑制相鄰兩個(gè)信號(hào)鏈路相互干擾。（4）泄漏電流：如果信號(hào)源內(nèi)阻很高，傳輸?shù)挠质请娏髁?，此時(shí)就要考慮多路開(kāi)關(guān)的泄漏電流，希望泄漏電流越小越好。（5）（6）開(kāi)關(guān)最大電流：模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)能夠承受的最大電流值，現(xiàn)在常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)最大電流一般在幾百毫安以?xún)?nèi)。模擬開(kāi)關(guān)的種類(lèi)很多，如雙極型晶體管開(kāi)關(guān)、光耦合開(kāi)關(guān)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)、MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)等。多路開(kāi)關(guān)主要作用于信息的切換，在選擇多路開(kāi)關(guān)時(shí)，需要根據(jù)不同的場(chǎng)合，選擇滿(mǎn)足電路參數(shù)的開(kāi)關(guān)。2.模擬多路開(kāi)關(guān)電路模擬多路開(kāi)關(guān)又稱(chēng)模擬多路轉(zhuǎn)換器，它由地址譯碼和多路雙向模擬開(kāi)關(guān)組成，可以通過(guò)外部地址輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼，選通相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，從多路模擬輸入信號(hào)中選取某一路傳送到輸出端。以差分4通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)CD4052為例，其應(yīng)用電路如圖所示，當(dāng)單片機(jī)的串口緊缺時(shí)，通過(guò)CD4052擴(kuò)充單片機(jī)的串口通信，從而實(shí)現(xiàn)串口資源的共享，豐富單片機(jī)的片上外設(shè)。CD4052有A、B兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有較低的導(dǎo)通阻抗和截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號(hào)可控制峰峰值至20V的模擬信號(hào)，在電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)，當(dāng)輸入端INH=“1”時(shí)，所有通道截止。2位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)通道中的一通道，可連接該輸入至輸出，其真值表如表所示。圖CD4052應(yīng)用電路表CD4052真值表INHBA“ON”0000X，0Y0011X，1Y0102X，2Y0113X，3Y5.5A/D轉(zhuǎn)換器隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)及微電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子信息技術(shù)已滲透到軍事、民用領(lǐng)域的各個(gè)角落，高速、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)的電子設(shè)備或電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、測(cè)控系統(tǒng)、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫(yī)療成像、高性能控制器與傳感器、數(shù)字化儀表、各種電氣測(cè)試系統(tǒng)以及包括無(wú)線(xiàn)電話(huà)和基站接收機(jī)在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。1.A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)理論模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。通常的A/D轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小，故任何一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)像普通模擬集成電路的發(fā)展趨勢(shì)一樣走向高速、高精度和低功耗。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，提高速度自然會(huì)犧牲分辨率和功耗，提高精度或分辨率就會(huì)犧牲轉(zhuǎn)換速度和功耗，降低功耗則要相應(yīng)降低速度和分辨率。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗三者之間是相互矛盾、相互制約的。在電氣測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用中，如何選擇適當(dāng)類(lèi)型和技術(shù)指標(biāo)的A/D轉(zhuǎn)換器，即如何對(duì)速度、精度、功耗三者進(jìn)行權(quán)衡，必須從A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)入手。另一方面在對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器的電路進(jìn)行微電子設(shè)計(jì)時(shí)，如何對(duì)速度、精度、功耗進(jìn)行權(quán)衡又依賴(lài)于制造工藝的參數(shù)匹配。A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展經(jīng)歷了多次技術(shù)革新，從最初并行比較型、流水線(xiàn)型、逐次逼近型、積分型到最近幾年新發(fā)展起來(lái)的Σ-?型、折疊插值型、混沌型等能滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。常見(jiàn)的幾個(gè)典型轉(zhuǎn)化器有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器、流水線(xiàn)型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器及Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器。2.A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)（1）分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化1個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。例如，最大輸出電壓為5V的8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為5V/256=19.6mV。分辨率也可用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示，位數(shù)越多能分辨的最小模擬電壓值就越小。（2）積分非線(xiàn)性：表示A/D轉(zhuǎn)換器器件在所有的數(shù)值點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的模擬值和真實(shí)值之間誤差的最大值。也就是輸出數(shù)值偏離線(xiàn)性最大的距離，單位是LSB（即最低位所表示的量）。（3）微分非線(xiàn)性：理論上，模數(shù)器件相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的，就像一把疏密均勻的尺子。但實(shí)際并不如此，一把分辨率1mm的尺子，相鄰兩刻度之間也不可能都是1mm整。那么，A/D轉(zhuǎn)換器相鄰兩刻度之間最大的差異就叫微分非線(xiàn)性值。微分非線(xiàn)性值如果大于1，那么這個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器甚至不能保證是單調(diào)的，輸入電壓增大，在某個(gè)點(diǎn)數(shù)值反而會(huì)減小。（4）轉(zhuǎn)換誤差：A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過(guò)1/2LSB。（5）偏移誤差：輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值，所以有時(shí)又稱(chēng)零值誤差。假定A/D轉(zhuǎn)換器沒(méi)有非線(xiàn)性誤差，則其轉(zhuǎn)換特性曲線(xiàn)各階梯中點(diǎn)的連線(xiàn)必定是直線(xiàn)，這條直線(xiàn)與橫軸相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值就是偏移誤差。（6）滿(mǎn)刻度誤差，又稱(chēng)增益誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)刻度誤差是指滿(mǎn)刻度輸出數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓之差。（7）轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器完成1次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。（動(dòng)態(tài)指標(biāo)）（8）信噪比：信號(hào)功率對(duì)噪聲功率的比值，反映了轉(zhuǎn)換器的噪聲背景。（動(dòng)態(tài)指標(biāo)）3.集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用從數(shù)字輸出來(lái)分類(lèi)，A/D轉(zhuǎn)換器分并行A/D轉(zhuǎn)換器和串行A/D轉(zhuǎn)換器，隨著SPI等串行總線(xiàn)迅速發(fā)展，串行數(shù)據(jù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有體積小、功耗低、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如16位的串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AD7706等。AD7705是AD公司生產(chǎn)的分辨率可達(dá)16位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需2.7～3.3V單電源供電，其CMOS結(jié)構(gòu)確保器件具有極低功耗，3V電壓時(shí)最大功耗為1mW，掉電模式等待時(shí)的功耗減少至20W。對(duì)輸入信號(hào)可分為單極性或雙極性，帶有1個(gè)差分基準(zhǔn)輸入，并且內(nèi)部通過(guò)寄存器增益可調(diào)。如圖所示為AD7705應(yīng)用原理圖，AD7705與STM32F407采用SPI進(jìn)行通信，通道2采用單極性輸入，采集電源電壓，參考電壓為1.225V，供電電壓為3.3V。電源電壓值計(jì)算公式為，其中為采集到的電源電壓值，為通道2采樣后的電壓值。圖AD7705應(yīng)用電路圖5.6微控制器在電氣測(cè)試系統(tǒng)中，傳感器信號(hào)經(jīng)A/D采樣后，需要傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行信號(hào)處理，然后通過(guò)微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳或直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其生產(chǎn)成本越來(lái)越低，而性能卻越來(lái)越強(qiáng)大，尤其是最近幾年隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和革新，應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)階段主流的微控制器典型代表有單片機(jī)、DSP、ARM及FPGA等。1.單片機(jī)單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在電氣測(cè)試領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。按照單片機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度，可將單片機(jī)分為8位、16位、32位。2DSP數(shù)字信號(hào)處理器簡(jiǎn)稱(chēng)DSP，就是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理的技術(shù)。DSP能夠輕松地對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換、濾波等處理，還可以進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，DSP已廣泛應(yīng)用于電氣測(cè)試系統(tǒng)，如數(shù)字濾波器、傅里葉變換實(shí)現(xiàn)、譜分析、語(yǔ)音、圖像、振動(dòng)等信號(hào)處理等。3ARMARM是一個(gè)架構(gòu)，主要由ARM公司提供和ARMHoldings開(kāi)發(fā)。ARM處理器的主要特點(diǎn)是：體積小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高等。因?yàn)樗哂袠O高的性?xún)r(jià)比、代碼密度、及時(shí)出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)和極低的功耗，并且占用硅片的面積極少，從而使它成為嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，被廣泛應(yīng)用在電氣領(lǐng)域。4FPGAFPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線(xiàn)3個(gè)部分。FPGA利用硬件并行的優(yōu)勢(shì)，打破了順序執(zhí)行的模式，能夠在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù)，超越了DSP的運(yùn)算能力，同時(shí)軟件工具提供了編程環(huán)境，基于處理器的系統(tǒng)往往包含了多個(gè)抽象層，可在多個(gè)進(jìn)程之間計(jì)劃任務(wù)、共享資源，因此，F(xiàn)PGA被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。5.7D/A轉(zhuǎn)換器1.D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的集成電路，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考量（電流或電壓）及二進(jìn)制數(shù)成比例，一般來(lái)說(shuō)，可用下面的式子表示模擬量輸出與參考量及二進(jìn)制數(shù)的關(guān)系： 式中，為模擬量輸出；K為比例常數(shù)；VREF為參考量（電壓或電流）；B為待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)，通常B的位數(shù)為8位、12位等。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換原理圖如圖所示。 其中，，，，，則有： 圖D/A轉(zhuǎn)換原理圖通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換就是按照一定的解碼方式將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，按照解碼方式的不同可分為二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器、梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器及權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿(mǎn)刻度輸出電壓之比，即 分辨率= 例如，10位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/（2101）。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率就越小，能分辨的最小輸出電壓值就越小。（2）（3）轉(zhuǎn)換精度：D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、運(yùn)算放大器的溫度漂移及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)外，還要選用低漂移、高精度的求和運(yùn)算放大器。通常以滿(mǎn)量程相對(duì)誤差來(lái)說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，其中，（Δu）max為最大絕對(duì)誤差。 （4）建立時(shí)間：建立時(shí)間是D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)重要參數(shù)，它是指從輸入數(shù)字信號(hào)穩(wěn)定到輸出模擬信號(hào)穩(wěn)定所需要的時(shí)間，建立時(shí)間決定了D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)所能達(dá)到的最小重復(fù)周期。（5）溫度系數(shù)：在滿(mǎn)刻度輸出的條件下，溫度每升高1°C，輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。5.8人機(jī)交互設(shè)計(jì)人機(jī)交互技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話(huà)的技術(shù)。在當(dāng)今的各種自動(dòng)控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來(lái)完成，這些設(shè)備包括鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)等，通過(guò)這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息形式的轉(zhuǎn)換和信息的傳輸。1鍵盤(pán)接口技術(shù)鍵盤(pán)是一組按鍵的組合，它是單片機(jī)最常用的輸入設(shè)備，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)是人機(jī)交互的主要設(shè)備，用于向單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、程序和操作命令。鍵盤(pán)中的每個(gè)按鍵都是一個(gè)常開(kāi)的開(kāi)關(guān)電路，按下時(shí)則處于閉合狀態(tài)。無(wú)論是獨(dú)立式按鍵還是矩陣式鍵盤(pán)，都需要通過(guò)接口電路與單片機(jī)相連，以便將按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通知單片機(jī)。單片機(jī)檢測(cè)按鍵狀態(tài)的方式有以下幾種2LED顯示技術(shù)LED發(fā)光二極管和數(shù)碼管是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的主要顯示設(shè)備，常用的LED顯示器為8段發(fā)光二極管，可接成共陽(yáng)極和共陰極兩種，數(shù)碼管也可用于數(shù)字和字符的顯示，其外形及引腳如圖所示。在控制中有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種，與單片機(jī)的接口有并行和串行兩種方式。顯示器接口是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)信息輸出的重要接口，用戶(hù)的程序、數(shù)據(jù)、命令都需要通過(guò)顯示裝置來(lái)判斷輸入正確與否。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)LED數(shù)碼管的位數(shù)、電流大小來(lái)決定接口電路的形式。圖LED數(shù)碼管3LCD顯示技術(shù)LCD是一種新型的顯示器，具有功耗極低、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在各顯示領(lǐng)域，尤其是在袖珍儀表及低功耗應(yīng)用系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著液晶技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彩色液晶，彩色液晶顯示器作為高科技的結(jié)晶產(chǎn)品，它不但平面超薄，色彩逼真，而且體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、無(wú)射線(xiàn)、抗震、防爆，是工業(yè)儀表、機(jī)電設(shè)備等更新?lián)Q代的理想顯示器。字符型液晶顯示模塊是一類(lèi)專(zhuān)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，由若干個(gè)5×8或5×11點(diǎn)陣塊組成的字符塊集。每一個(gè)字符塊是一個(gè)字符位，每一位都可以顯示一個(gè)字符，字符位之間空有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，起著字符間距和行距的作用。4數(shù)據(jù)通信技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，電氣測(cè)試設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息還要利用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便工作人員遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢(xún)、管理等。目前，在電氣測(cè)試系統(tǒng)中常用的通信網(wǎng)絡(luò)可分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信，有線(xiàn)通信方式主要有以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)、電力載波等，無(wú)線(xiàn)通信方式主要有GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。圖LCD接口顯示電路5.9抗干擾設(shè)計(jì)干擾又稱(chēng)電路噪聲，是電磁兼容設(shè)計(jì)中的“服務(wù)對(duì)象”。它的來(lái)源主要由空間電磁波、電力線(xiàn)終端負(fù)載，以及控制系統(tǒng)本身引起的大電流變化、高頻輻射等。電路噪聲是正?？刂浦胁幌Ｍ嬖趨s又不可避免的電信號(hào)?？垢蓴_，又稱(chēng)電磁兼容設(shè)計(jì)，是針對(duì)電路噪聲（干擾）的一種應(yīng)對(duì)統(tǒng)稱(chēng)，目的是為了抑制甚至消除電路噪聲。在電氣測(cè)試系統(tǒng)中，干擾輕則影響測(cè)量和控制精度，重則使系統(tǒng)失靈，損壞設(shè)備，因此采用適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施是十分必要的。1電磁干擾（1）干擾的來(lái)源干擾的種類(lèi)很多，產(chǎn)生干擾信號(hào)的干擾源一般可分為內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面。內(nèi)部干擾：主要是指電氣設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部各種電路或器件自身產(chǎn)生的噪聲干擾。例如，電阻中自由電子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲，晶體管的低頻噪聲，開(kāi)關(guān)或?qū)w相接時(shí)，由于接觸不良，從而產(chǎn)生的接觸噪聲等。外部干擾：主要是指從外部侵入電子裝置和設(shè)備的干擾。例如，雷電產(chǎn)生的火花放電，太陽(yáng)黑子的輻射噪聲，靜電放電產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電流，電磁脈沖及機(jī)器和設(shè)備產(chǎn)生的人為噪聲干擾，還包括電力系統(tǒng)中的非線(xiàn)性負(fù)載（如電弧爐等）、間斷電源等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生大量諧波涌入電網(wǎng)成為干擾源，50Hz交流電網(wǎng)強(qiáng)大的電磁場(chǎng)和大地漏電流產(chǎn)生的干擾等。（2）干擾的耦合方式干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過(guò)一定的耦合通道來(lái)對(duì)電氣測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用的。干擾的耦合主要是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)、空間、公共線(xiàn)等作用在電氣系統(tǒng)上，主要有以下幾種耦合方式。傳導(dǎo)耦合：在干擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁干擾通過(guò)連接電路從干擾源傳輸電磁干擾至敏感設(shè)備。輻射耦合：電磁騷擾通過(guò)其周?chē)拿浇橐噪姶挪ǖ男问较蛲鈧鞑?，干擾電磁按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周?chē)臻g發(fā)射。2干擾的抑制（1）接地技術(shù)接地一般是指為了使電路、設(shè)備或系統(tǒng)與“地”之間建立通路，而將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為。理想的接地應(yīng)使流經(jīng)地線(xiàn)的各個(gè)電路、設(shè)備的電流互不影響。單點(diǎn)接地：所有電路的地線(xiàn)接到公共地線(xiàn)的同一點(diǎn)，進(jìn)一步可分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地最大好處是沒(méi)有地環(huán)路，相對(duì)簡(jiǎn)單，但地線(xiàn)往往過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致地線(xiàn)阻抗過(guò)大。多點(diǎn)接地：所有電路的地線(xiàn)就近接地，地線(xiàn)很短，適合高頻接地。多點(diǎn)接地的缺點(diǎn)是存在地環(huán)路，不太適合大電流?；旌辖拥兀涸诘鼐€(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線(xiàn)系統(tǒng)在不同的頻率具有不同接地結(jié)構(gòu)。串聯(lián)單點(diǎn)接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問(wèn)題，解決的方法是采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，但是并聯(lián)單點(diǎn)接地往往由于地線(xiàn)過(guò)多，沒(méi)有可實(shí)現(xiàn)性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號(hào)特性分組，相互不會(huì)產(chǎn)生干擾的電路放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。（2）濾波技術(shù)采用電磁干擾濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾最有效的手段。電磁干擾濾波器包括信號(hào)線(xiàn)濾波器和電源線(xiàn)濾波器。信號(hào)線(xiàn)濾波器允許有用信號(hào)無(wú)衰減通過(guò)，同時(shí)大大衰減雜波干擾信號(hào)。電源線(xiàn)濾波器又稱(chēng)電網(wǎng)濾波器，它以較小的衰減將直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸?shù)皆O(shè)備上，大大衰減了電磁干擾信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受其害。同時(shí)，電源線(xiàn)濾波器又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，防止它進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備。表LC濾波電路源端阻抗特性應(yīng)采用的濾波電路負(fù)載端阻抗特性高阻抗π型高阻抗高阻抗L型低阻抗低阻抗L型高阻抗低阻抗T型低阻抗（3）電磁屏蔽屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧蠈⑿枰雷o(hù)的區(qū)域封閉起來(lái)，以抑制和控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射；屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷電磁波輻射（和場(chǎng)耦合）的傳輸途徑。電場(chǎng)屏蔽：電場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于電場(chǎng)耦合引起的干擾。設(shè)有一導(dǎo)體A帶正電，相鄰的導(dǎo)體B將感應(yīng)帶負(fù)電，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。金屬屏蔽體對(duì)電場(chǎng)可以起屏蔽作用，即可使導(dǎo)體A發(fā)出的電力線(xiàn)不能到達(dá)導(dǎo)體B。但必須注意，屏蔽體的屏蔽必須完善并良好接地，否則不起屏蔽作用，如圖所示。磁場(chǎng)屏蔽：磁場(chǎng)屏蔽是為了抑制或消除因磁場(chǎng)耦合引起的干擾。不論是由電磁鐵或是由交流線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)均在空間散布磁力線(xiàn)或磁通。磁力線(xiàn)所通過(guò)的路徑稱(chēng)為磁路。磁力線(xiàn)主要集中在低磁阻的磁路中，因此對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽主要利用高磁導(dǎo)率的材料，如鐵、鎳鋼、坡莫合金等，這些高磁導(dǎo)率起一定的屏蔽作用，因此一般要接地。圖電場(chǎng)屏蔽原理圖低頻磁場(chǎng)屏蔽原理對(duì)于高頻磁場(chǎng)，磁屏蔽則依據(jù)另一種原理。高頻磁場(chǎng)會(huì)在屏蔽殼體表面感生渦流，從而產(chǎn)生反磁場(chǎng)來(lái)抵消穿過(guò)屏蔽體的原始磁場(chǎng)，同時(shí)增強(qiáng)屏蔽體旁邊磁場(chǎng)，使磁力線(xiàn)繞行而過(guò)，如圖所示，當(dāng)一金屬板擋住高頻磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)時(shí)，磁力線(xiàn)將避開(kāi)金屬板繞行，這就起到了磁屏蔽作用。（4）隔離措施隔離主要有光耦隔離、電感隔離、變壓器隔離、二極管隔離、三極管電路隔離等方式。光耦隔離因?yàn)槭枪庑盘?hào)傳遞，可做到完全隔離，如空調(diào)室內(nèi)外機(jī)之間的通信。變壓器隔離屬于電流式的隔離，隔離的是電流回路。二極管和三極管電路隔離主要是防止反串?dāng)_，主要用于電源部分、控制輸出部分，是相對(duì)隔離，不是絕對(duì)隔離。如圖5-40所示為光耦TLP521隔離電路。圖5-39高頻磁場(chǎng)屏蔽原理圖5-40光耦TLP521隔離電路（5）隔離措施元器件布局、信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)方法、電源和接地線(xiàn)處理3電源干擾的抑制在電氣測(cè)試系統(tǒng)中，電源回路是電磁干擾最容易進(jìn)入的通道，因此要采用比其他回路更多的抗電磁干擾措施。電網(wǎng)干擾串入測(cè)試系統(tǒng)主要通過(guò)供電線(xiàn)路的阻抗耦合產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)供電電源耦合進(jìn)入。各（1）濾波法圖單相交流電源噪聲濾波器原理圖（2）隔離法隔離變壓器（3）吸收法圖瞬間電壓抑制器（TVS）應(yīng)用于普通電源原理圖5.10數(shù)據(jù)預(yù)處理在電氣測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是最基本的一種模式。一般是通過(guò)傳感器、變送器把生產(chǎn)過(guò)程的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)A/D通道，把數(shù)字量送入處理器中。處理器在對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行顯示和控制之前，還必須根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理離不開(kāi)數(shù)值計(jì)算，而最基本的數(shù)值計(jì)算為四則運(yùn)算。由于控制系統(tǒng)中遇到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不同，采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)與數(shù)值范圍不同，精度要求也不一樣，各種數(shù)據(jù)的輸入方法及表示方法也各不相同。因此，為了滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法，如數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)的平滑處理、標(biāo)度變換和越限報(bào)警等。1數(shù)字濾波方法由于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，存在很多干擾源，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)輸入通道采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，雖經(jīng)硬件電路的濾波處理，但仍會(huì)混有隨機(jī)干擾噪聲。因此，為了提高系統(tǒng)性能，達(dá)到準(zhǔn)確的測(cè)量與控制，一般情況下還要進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次采樣后用某種計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)字處理，以削弱或?yàn)V除干擾噪聲造成的隨機(jī)誤差，從而獲得一個(gè)真實(shí)信號(hào)的過(guò)程。這種濾波方法只是根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序，實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波，其可靠性高，穩(wěn)定性好，修改濾波參數(shù)也容易，并且一種濾波子程序可以被多個(gè)通道所公用，因而成本很低，另外，數(shù)字濾波可以對(duì)各種干擾信號(hào)，甚至極低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波。數(shù)字濾波與硬件濾波相比優(yōu)點(diǎn)較多，因此得到了普遍應(yīng)用。常用的數(shù)字濾波方法有平均值濾波、中值濾波、限幅濾波、慣性濾波、限幅平均濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法等。（1）平均值濾波算術(shù)平均濾波是在采樣周期T內(nèi)，對(duì)測(cè)量信號(hào)y進(jìn)行m次采樣，把m個(gè)采樣值相加后的算術(shù)平均值作為本次的有效采樣值，即算術(shù)平均濾波不能將明顯的偶然的脈沖干擾消除，只是把其平均到采樣結(jié)果中，從而降低測(cè)量精度。去極值平均濾波是對(duì)連續(xù)采樣的m個(gè)數(shù)據(jù)比較后去掉其中的最大值與最小值，然后計(jì)算余下的m2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。算術(shù)平均濾波和去極值平均濾波都存在平滑性和靈敏度的矛盾。采樣次數(shù)太少則平滑效果差，次數(shù)太多則靈敏度下降，但對(duì)測(cè)量參數(shù)的變化趨勢(shì)不敏感。為協(xié)調(diào)兩者關(guān)系，可采用加權(quán)平均濾波。加權(quán)平均濾波是對(duì)每次采樣值不以相同的權(quán)系數(shù)而以增加新鮮采樣值的權(quán)重相加，即（2）中值濾波中值濾波是將信號(hào)y的連續(xù)m次采樣值按大小進(jìn)行排序，取其中間值作為本次的有效采樣值。本算法為取中值，故采樣次數(shù)m應(yīng)為奇數(shù)，一般3～5次即可。編寫(xiě)中值濾波的算法程序時(shí)，首先把m個(gè)采樣值從小到大（或從大到?。┻M(jìn)行排隊(duì)，這可采用幾種常規(guī)的排序算法（如冒泡算法），然后再取中間值。中值濾波對(duì)緩變過(guò)程中因偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效，但不適用快速變化過(guò)程（如流量）的信號(hào)采樣。（3）限幅濾波實(shí)際工程中采樣值需要一定的時(shí)間才會(huì)發(fā)生變化，因此相鄰兩次采樣值之間的變化幅度應(yīng)在一定的限度內(nèi)。限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對(duì)值，再與兩次采樣所允許的最大差值y進(jìn)行比較，如果小于或等于y，表示本次采樣值y（k）是真實(shí)的，則取y（k）為有效采樣值；反之，y（k）是不真實(shí)的，則取上次采樣值y（k1）作為本次有效采樣值。這能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，但無(wú)法抑制周期性的干擾，而且平滑度差。2消除奇異項(xiàng)采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)是指采樣數(shù)據(jù)序列中有個(gè)別明顯錯(cuò)誤（丟失或粗大）的數(shù)據(jù)。這些奇異項(xiàng)的存在，會(huì)大大增加數(shù)據(jù)處理后的誤差。例如，我們想求某一被測(cè)物理量的平均值，它們從t1～t4時(shí)刻的取值分別為8、10、10、12，其平均值應(yīng)為10。若設(shè)t4時(shí)刻的取值由于某種原因丟失了，也就是說(shuō)出現(xiàn)了奇異項(xiàng)，那么，這4個(gè)點(diǎn)的平均值就由10降至為7，從而產(chǎn)生均值誤差。3消除趨勢(shì)項(xiàng)等待處理的數(shù)據(jù)中，一般都包含有兩種分量：一是周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱(chēng)為趨勢(shì)項(xiàng)；二是周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱(chēng)為交變分量。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，并不是在任何情況下，都需要這兩種分量。由于處理要求不同，有時(shí)只對(duì)交變分量感興趣，因此需要去除或提取趨勢(shì)項(xiàng)分量。去除或提取趨勢(shì)項(xiàng)的方法有兩種：平均斜率法和最小二乘法，后者處理精度較前者高。4數(shù)據(jù)的平滑處理一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中，往往疊加有噪聲。噪聲有兩大類(lèi)：一類(lèi)為周期性的，另一類(lèi)為不規(guī)則的。數(shù)據(jù)平滑處理的原則是：通過(guò)數(shù)據(jù)平滑處理，既要削弱干擾成分，又要保持原有曲線(xiàn)的變化特性。五點(diǎn)三次平滑法是利用最小二乘法的原理，用三次多項(xiàng)式逐次逼近，其計(jì)算公式為圖平滑處理前后的加速度數(shù)據(jù)§6通信技術(shù)6.1概述電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用戶(hù)五大部分組成。為實(shí)現(xiàn)安全發(fā)電、經(jīng)濟(jì)供電、合理配電，有效防止并及時(shí)處理系統(tǒng)事故，就要求集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，并建立與之相適應(yīng)的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，因此通信技術(shù)是電力系統(tǒng)不可缺少的重要部分，是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)，是確保電網(wǎng)安全性、智能化的重要技術(shù)手段。6.2通信方式本章按照傳輸信道介質(zhì)的不同將系統(tǒng)劃分為有線(xiàn)通信系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，其中有線(xiàn)通信使用架空明線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖等傳輸媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳遞；而無(wú)線(xiàn)通信則借助電磁波在空間的自由傳播完成信息交互。通信技術(shù)直接關(guān)系著整個(gè)智能電網(wǎng)的自動(dòng)化操作水平，而單一的通信方式難以滿(mǎn)足整個(gè)電網(wǎng)的智能化需求，因此多種通信方式的混合使用在所難免。如圖6-1所示，數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間通常采用RS232/RS485接口，而數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間根據(jù)通信介質(zhì)的不同常常包括以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)、電力線(xiàn)載波等有線(xiàn)通信方式和GPRS、Wi-Fi、ZigBee等無(wú)線(xiàn)通信方式。圖6-1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1有線(xiàn)通信方式變電站智能化的不斷提升促進(jìn)了通信技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)的不斷完善反過(guò)來(lái)又加快了變電站智能化的發(fā)展進(jìn)程，變電站的智能化和通信技術(shù)的革新是相輔相成的。變電站內(nèi)常用的有線(xiàn)通信方式如下。（1）RS232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）公布的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于異步串行通信中。其中RS是RecommendedStandard的縮寫(xiě)，代表了推薦標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DataTerminalEquipment，DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DataCommunicationsEquipment，DCE）之間通信接口的機(jī)械特性、電氣特性和傳輸特性；232是標(biāo)識(shí)符。RS232的數(shù)據(jù)線(xiàn)主要有發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)（TXD）和接收數(shù)據(jù)線(xiàn)（RXD）兩根，RXD與TXD對(duì)地而言，采用非平衡電平方式，在不使用Modem前提下可以實(shí)現(xiàn)15m最大距離的通信。為了保證通信的可靠性，通信雙方在對(duì)波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位定義后達(dá)成一致的通信協(xié)議。RS232控制線(xiàn)由其余6根線(xiàn)組成，用于建立和維持通信連接。（2）RS485數(shù)據(jù)線(xiàn)只有A、B兩根，采用差分、平衡電平發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如圖所示，當(dāng)發(fā)送端DI=1，UABo>0，UABi>200mV時(shí)，接收端RO=1；當(dāng)發(fā)送端DI=0，UABo<0，UABi<200mV時(shí)，接收端RO=0。當(dāng)發(fā)送使能端DE=1時(shí)，使能發(fā)送；當(dāng)接收使能端=0時(shí)，使能接收。（3）控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）同RS485總線(xiàn)一樣也屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。較目前許多RS485基于R線(xiàn)構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性。（4）電力線(xiàn)載波（PowerLineCarrier，PLC）通信，是指利用高壓電力線(xiàn)、中壓電力線(xiàn)或低壓配電線(xiàn)作為信息傳輸媒介，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。（4）電力載波通信的整個(gè)過(guò)程如圖所示，發(fā)送端首先通過(guò)調(diào)制器將原始信號(hào)加載到一定頻率的載波信號(hào)上變成調(diào)制信號(hào)，其次借助結(jié)合電容和耦合電容將調(diào)制信號(hào)注入電力線(xiàn)；接收端與發(fā)送端正好相反，先通過(guò)耦合電容和結(jié)合電容把調(diào)制信號(hào)從電力線(xiàn)分離出來(lái)，再通過(guò)解調(diào)器去除載波信號(hào)并恢復(fù)出原始信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息傳遞。電力載波通信的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線(xiàn)就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，但是電力載波通信也存在如下缺點(diǎn)。圖電力載波通信原理（5）以太網(wǎng)作為當(dāng)今居于主導(dǎo)地位的局域網(wǎng)技術(shù)，是建立在CSMA/CD機(jī)制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，早期的以太網(wǎng)設(shè)備如集線(xiàn)器是物理層設(shè)備，不能隔絕沖突擴(kuò)散，從而限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提高。而交換機(jī)作為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，極大提高了以太網(wǎng)的性能，正逐漸替代集線(xiàn)器成為主流的以太網(wǎng)設(shè)備。然而交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的廣播數(shù)據(jù)流量則不做任何限制，這也影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)在交換機(jī)上劃分虛擬局域網(wǎng)（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）和采用三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備——路由器解決了這一問(wèn)題。以太網(wǎng)作為一種原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)同時(shí)又價(jià)格低廉的局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界的主流。而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為最有前景的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。（6）光纖通信是一種利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點(diǎn)，使得光纖通信中的光波主要是激光，所以又稱(chēng)激光-光纖通信。與其他通信技術(shù)相比，光纖通信傳輸信道的帶寬大，通信數(shù)據(jù)的容量大；信道對(duì)信號(hào)的衰減小，適宜遠(yuǎn)距離通信；抗電磁干擾；質(zhì)量，耐腐蝕，易于施工。但是，線(xiàn)路連接比較困難；信號(hào)耦合比較麻煩；彎曲程度不能太小；強(qiáng)度不夠，容易損壞。光纖通信原理：發(fā)送端的電端機(jī)將待傳送的信息變成電信號(hào)，然后將電信號(hào)經(jīng)光端機(jī)變成光信號(hào)并對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度或頻率的變化而變化；接收端與發(fā)送端正好相反，光端機(jī)中的檢測(cè)器先將接收到的光信號(hào)變換成電信號(hào)，而后經(jīng)解調(diào)后就可以恢復(fù)出原始信息；中繼器主要用于補(bǔ)償信號(hào)的衰減和畸變，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。2無(wú)線(xiàn)通信方式（1）IrDA是一種利用紅外線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）的技術(shù)，主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須申請(qǐng)頻率的使用權(quán)、成本低、體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用。此外，由于紅外線(xiàn)發(fā)射角度較小，因此傳輸安全較高。但I(xiàn)rDA是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔，只能用于兩臺(tái)設(shè)備之間的連接，因此視距傳輸問(wèn)題及如何提高數(shù)據(jù)傳輸率已經(jīng)成為當(dāng)前IrDA通信的主流研究方向。（2）Bluetooth技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是一種為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備建立連接的近距無(wú)線(xiàn)接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，使各種設(shè)備在沒(méi)有電線(xiàn)或電纜相互連接的情況下，在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段，提供1Mb/s的傳輸速率和10m的傳輸距離。（3）ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定的局域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議下的通信技術(shù)具有短距離、低功耗的特點(diǎn)。如圖6-5所示，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（C）、路由器（R）和終端設(shè)備（E）構(gòu)成，其具體功能如下。（4）無(wú)線(xiàn)高保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）也是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，正式名稱(chēng)是IEEE802.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。Wi-Fi通信速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右。Wi-Fi通信是以太網(wǎng)的一種無(wú)線(xiàn)擴(kuò)展，理論上只要用戶(hù)位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶(hù)同時(shí)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶(hù)分享，Wi-Fi通信的連接速度一般將只有幾百Kb/s。GPRS通信、3G通信6.3通信協(xié)議通信協(xié)議是通信雙方交互信息的翻譯官，通信接口的多樣化和應(yīng)用需求的多元化使得通信協(xié)議也變得多種多樣。自定義協(xié)議，顧名思義是自己定義的協(xié)議，雖然可以實(shí)現(xiàn)一定的通信功能，但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，目前僅限于功能測(cè)試使用。6.4通信功能設(shè)計(jì)實(shí)例箱式變電站是一種能夠直接深入負(fù)荷中心，將一次設(shè)備（高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置）和二次設(shè)備（遙測(cè)功能裝置、遙信功能裝置、遙控功能裝置）按一定接線(xiàn)方案連接而成，應(yīng)用于配電網(wǎng)的配電設(shè)備。箱式變電站較傳統(tǒng)變電站具有成套性好、占地面積小、建設(shè)周期短、移動(dòng)方便、無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，使其在配電網(wǎng)當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。基于IEC61850的箱式變電站在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合分層分布式結(jié)構(gòu)，自下而上分別是過(guò)程層、間隔層和站控層。如圖6-12所示，過(guò)程層箱式變電站監(jiān)測(cè)終端的內(nèi)部通過(guò)簡(jiǎn)單的RS232串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；過(guò)程層監(jiān)測(cè)終端與間隔層監(jiān)測(cè)IED采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的CAN/RS485通信方式，并遵循Modbus協(xié)議；間隔層監(jiān)測(cè)IED將處理過(guò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖以太網(wǎng)（擴(kuò)展GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式），并按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息建模，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，并上傳至站控層的監(jiān)控中心。圖箱式變電站在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)§7數(shù)據(jù)分析中心軟件7.1專(zhuān)家軟件作用掌握電氣設(shè)備的狀態(tài)，及時(shí)檢測(cè)出電氣設(shè)備在運(yùn)行中有關(guān)參數(shù)及其變化趨勢(shì)是電氣測(cè)試的目標(biāo)。對(duì)電氣設(shè)備相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的獲取有離線(xiàn)檢測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)兩種方法。離線(xiàn)檢測(cè)是指通過(guò)設(shè)備以外的各類(lèi)檢測(cè)儀表對(duì)設(shè)備狀況進(jìn)行必要的人工抽查。而在線(xiàn)監(jiān)測(cè)則是通過(guò)裝在設(shè)備上的各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀表對(duì)設(shè)備的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)并上傳至終端接收端。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的逐漸提高，特別是當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種設(shè)備功能日趨完善，工作效率也得到了極大提高。現(xiàn)代電氣測(cè)試技術(shù)以電氣設(shè)備離線(xiàn)檢測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)為主，其首先將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、比較、判別，然后結(jié)合電氣設(shè)備的各有關(guān)參數(shù)、出廠(chǎng)值、交接值和歷次試驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值、歷史數(shù)據(jù)、相同設(shè)備等比較，再根據(jù)其運(yùn)行情況、電網(wǎng)故障、內(nèi)外過(guò)電壓及保護(hù)動(dòng)作對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行綜合分析判斷。在信息化時(shí)代的今天，有效地將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于電力企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)提高生產(chǎn)效益，節(jié)約成本，同時(shí)提高生產(chǎn)管理的科學(xué)決策水平是一種必然趨勢(shì)。為此，在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、離線(xiàn)監(jiān)測(cè)的信息一體化平臺(tái)，數(shù)據(jù)通過(guò)多終端多渠道匯總到電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PowerProductionManagementSystem，PMS）對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集約化、規(guī)范化和精細(xì)化管理。目前，在電力系統(tǒng)中主要使用的軟件系統(tǒng)如表所示。表目前電力系統(tǒng)中使用的主流軟件電力環(huán)節(jié)軟件名稱(chēng)電力系統(tǒng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)電發(fā)電廠(chǎng)用電電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)輸電輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)變電變電站微機(jī)五防系統(tǒng)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)配電配網(wǎng)自動(dòng)化與信息管理系統(tǒng)配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配電監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)配電線(xiàn)路故障定位系統(tǒng)用電電能量采集管理系統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)智能電表能源管理平臺(tái)系統(tǒng)7.2軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)面向?qū)ο螅∣bjectOriented）是90年代以來(lái)軟件開(kāi)發(fā)方法的主流。軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是信息處理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相反，面向?qū)ο蠓椒ò褜?duì)象作為由數(shù)據(jù)及可以施加在這些數(shù)據(jù)上的操作所構(gòu)成的統(tǒng)一體，需要發(fā)消息請(qǐng)求對(duì)象主動(dòng)執(zhí)行某些操作并處理其私有數(shù)據(jù)?；诿嫦?qū)ο笤O(shè)計(jì)的軟件則是讓軟件開(kāi)發(fā)者自己先定義或選取解空間對(duì)象，然后把軟件系統(tǒng)作為一系列離散的解空間對(duì)象的集合。與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法比較，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)。1．與人習(xí)慣性的思維方法一致傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)是面向過(guò)程的設(shè)計(jì)方法，這種方法以算法為核心，把數(shù)據(jù)和過(guò)程作為相互獨(dú)立的部分，其數(shù)據(jù)代表問(wèn)題空間中的客體，而程序代碼則用于處理這些數(shù)據(jù)。面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)以對(duì)象為核心，按照人們習(xí)慣性的思維方法建立問(wèn)題域的模型，從而建立由特殊到一般的歸納思維過(guò)程，設(shè)計(jì)出由抽象類(lèi)構(gòu)成的系統(tǒng)框架，開(kāi)發(fā)出盡可能直觀(guān)、自然地表現(xiàn)求解方法的軟件系統(tǒng)。2．穩(wěn)定性好傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)方法以算法為核心，開(kāi)發(fā)過(guò)程基于功能分析和功能分解，但用傳統(tǒng)方法所建立起來(lái)的軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過(guò)分依賴(lài)于系統(tǒng)所要完成的功能，一旦功能需求發(fā)生變化將引起軟件結(jié)構(gòu)的整體修改。而面向?qū)ο蠓椒ㄊ腔跇?gòu)造問(wèn)題領(lǐng)域的對(duì)象模型，以對(duì)象為中心，模擬問(wèn)題領(lǐng)域中的實(shí)體，以對(duì)象間的聯(lián)系刻畫(huà)實(shí)體間的聯(lián)系，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)功能需求變化時(shí)，僅做一些局部性的修改便可。3．可重用性好傳統(tǒng)軟件重用技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，但是標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)缺乏必要的柔性，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的不同需要。而面向軟件技術(shù)在利用可重用軟件成分構(gòu)造新的軟件系統(tǒng)時(shí)，有很大的靈活性，有兩種方法可以重復(fù)使用一個(gè)對(duì)象類(lèi)：一是創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例，直接使用；另一種則是從它當(dāng)中創(chuàng)造一個(gè)可以滿(mǎn)足當(dāng)前需要的新類(lèi)。繼承性機(jī)制使得子類(lèi)不僅可以重用其父類(lèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序代碼，而且可以在父代碼的基礎(chǔ)上方便地修改和擴(kuò)充，而不影響原有類(lèi)的使用。4．較易開(kāi)發(fā)大型軟件產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)大型軟件產(chǎn)品時(shí)，組織開(kāi)發(fā)人員的方法不恰當(dāng)往往是出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因?；诿嫦?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件時(shí)，構(gòu)成軟件系統(tǒng)的每個(gè)對(duì)象就像一個(gè)微程序，有自己的數(shù)據(jù)、操作、功能和用途，這樣不僅降低了開(kāi)發(fā)的技術(shù)難度，而且也使得對(duì)開(kāi)發(fā)工作的管理變得容易，降低軟件成本的同時(shí)提高了軟件質(zhì)量。5．可維護(hù)性好較之于傳統(tǒng)方法，基于面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法穩(wěn)定性較好，易于修改，容易理解，并且易于測(cè)試和調(diào)試。7.3數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)1數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)際電力設(shè)備監(jiān)測(cè)所得的原始數(shù)據(jù)存在雜亂、冗余、不完整等一系列問(wèn)題，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模龐大、數(shù)據(jù)量大、信息類(lèi)型繁多，且多半來(lái)自多個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源，這些都給后續(xù)的數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了極大麻煩，低質(zhì)量的數(shù)據(jù)甚至?xí)?dǎo)致后續(xù)算法產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。為了有效利用軟硬件資源、降低投入、節(jié)約成本，及時(shí)從大量數(shù)據(jù)中找到可靠有價(jià)值的信息加以利用，使工作人員獲得有效的電網(wǎng)管控決策的高質(zhì)量信息，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。 數(shù)據(jù)預(yù)處理是在對(duì)原始數(shù)據(jù)分析等主要處理以前，先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的清洗、集成、轉(zhuǎn)換、離散和規(guī)約等一系列的預(yù)先處理工作。目前數(shù)據(jù)預(yù)處理的常規(guī)方法包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換及數(shù)據(jù)歸約，這些常規(guī)方法依次也為數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟。2故障診斷算法電力設(shè)備故障診斷就是根據(jù)采集的相關(guān)特征量與故障狀態(tài)之間的聯(lián)系通過(guò)一定方法判斷出電力設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。良好的診斷策略對(duì)于縮短故障時(shí)間，防止事故擴(kuò)大意義重大。隨著智能電網(wǎng)的崛起，傳統(tǒng)的診斷方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足故障診斷準(zhǔn)確性和快速性的要求，因此許多智能故障診斷方法被提出。故障診斷方法由傳統(tǒng)技術(shù)向智能化技術(shù)方向發(fā)展是該領(lǐng)域未來(lái)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。由于電氣測(cè)試涉及的電力設(shè)備眾多，智能算法也是日新月異，以下著重介紹一些常用故障診斷方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是一種模擬神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型，主要是基于輸入和輸出關(guān)系建立起來(lái)的，并由大量簡(jiǎn)單的處理單元（神經(jīng)元）廣泛互連而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理從而尋找一種函數(shù)關(guān)系將輸入映射至輸出，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，從而得到一般規(guī)律，對(duì)未知的或無(wú)法預(yù)測(cè)的故障信息進(jìn)行分析判斷。目前，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較廣泛地應(yīng)用于電力設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，其中最具代表性的是BP（BackPropagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基（RadicalBasisFunction，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如，以氧化鋅避雷器的全電流和阻性泄漏電流等為輸入，故障大小為輸出，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)氧化鋅避雷器故障診斷系統(tǒng)；在分析高壓斷路器分閘線(xiàn)圈時(shí)間信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓斷路器進(jìn)行故障分類(lèi)；以水輪發(fā)電機(jī)組震動(dòng)數(shù)據(jù)為輸入利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷；將小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障診斷；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸電線(xiàn)路故障進(jìn)行故障定位和故障模式識(shí)別等。圖基本神經(jīng)元模型圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含三層：輸入層隱藏層和輸出層。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層對(duì)每個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，以確定其強(qiáng)度（權(quán)重）。將所有輸入信號(hào)的組合（加權(quán)和）作為中間層轉(zhuǎn)移函數(shù)的輸入，轉(zhuǎn)移函數(shù)可以是階躍函數(shù)或曲線(xiàn)函數(shù)。通過(guò)轉(zhuǎn)移函數(shù)對(duì)輸入進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)換，將可能無(wú)限域的輸入化成指定的有限范（1）需要大量的訓(xùn)練樣本以供學(xué)習(xí)，但獲取完備優(yōu)質(zhì)的樣本存在困難。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在診斷過(guò)程中被看成是“黑箱”，缺乏對(duì)自身行為的解釋能力。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不善于處理啟發(fā)式的規(guī)則。因此，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力設(shè)備故障診斷方法的研究重點(diǎn)還是在選取有價(jià)值的訓(xùn)練樣本、給予診斷過(guò)程解釋能力。7.4智能變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)例1系統(tǒng)介紹智能變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)中心包括監(jiān)控系統(tǒng)與輔助決策系統(tǒng)，它整合完善智能變電站內(nèi)所有監(jiān)測(cè)單元，定義標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建模與展示，通過(guò)一個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)完成變電站內(nèi)所有運(yùn)行設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)診斷與評(píng)估，并對(duì)相關(guān)工作單元進(jìn)行必要控制，從而形成在線(xiàn)監(jiān)測(cè)統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)部系統(tǒng)間的高效協(xié)作，提高運(yùn)行設(shè)備故障定位效率和準(zhǔn)確性，結(jié)合各類(lèi)故障診斷策略完成對(duì)設(shè)備的最終診斷，以直觀(guān)的報(bào)警形式體現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在線(xiàn)通知運(yùn)檢人員，預(yù)防和預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)重大故障，當(dāng)預(yù)測(cè)到重大故障時(shí)監(jiān)測(cè)中心下發(fā)控制指令，消除萌芽故障，對(duì)需要調(diào)整或檢修的部分給出參考建議，指導(dǎo)輔助檢修，最終實(shí)現(xiàn)智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備故障診斷與評(píng)估依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)頒布的《輸變電設(shè)備評(píng)價(jià)導(dǎo)則》分類(lèi)要求，將斷路器、油?式變壓器、避雷器、容性設(shè)備等運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行多角度狀態(tài)評(píng)估，得出綜合性可靠結(jié)論。采用JavaWeb，基于Struts+Spring+Hibernate的主流框架整合，結(jié)合JSP和CSS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用多用戶(hù)多線(xiàn)程的小型開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL。軟件的B/S三層結(jié)構(gòu)如圖所示?？蛻?hù)端向Web服務(wù)器提交請(qǐng)求，服務(wù)器執(zhí)行腳本后通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)將反饋結(jié)果頁(yè)面?zhèn)骰乜蛻?hù)端，這種模式用途廣泛、易于維護(hù)，客戶(hù)端只要安裝瀏覽器，不論是接入局域網(wǎng)還是Internet都可使用本軟件。圖B/S三層結(jié)構(gòu)圖站控層的通信方式采用基于“光纖通信為主，Wi-Fi接入為輔”的方案，智能變電設(shè)備監(jiān)控與決策輔助系統(tǒng)采用國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，從智能電子裝置及各類(lèi)傳感器獲取監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)均符合IEC71850標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，注重軟件的安全性、封閉性，在功能上可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與各類(lèi)軟件的交互整合，用戶(hù)界面上采用菜單界面驅(qū)動(dòng)方式，數(shù)據(jù)定義上符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2油浸式變壓器故障診斷電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其正常運(yùn)行與否關(guān)系著電網(wǎng)的安全可靠性。目前，國(guó)內(nèi)外大多利用DGA技術(shù)對(duì)變壓器內(nèi)部故障進(jìn)行檢測(cè)，此方法對(duì)于發(fā)現(xiàn)充油變壓器內(nèi)部早期潛伏性故障十分有效，是充油電氣設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)的常用方法。在DGA技術(shù)基礎(chǔ)上，采用虹橋220kV智能變電站變壓器油色譜監(jiān)測(cè)IED采集到的油中溶解氣體數(shù)據(jù)作為故障診斷算法的原始數(shù)據(jù)。由于變壓器絕緣材料熱分解所產(chǎn)生的可燃和非可燃?xì)怏w可達(dá)20種左右，為了有利于變壓器內(nèi)部故障判斷，本書(shū)選取氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）五種特征氣體組分含量作為后續(xù)智能算法的輸入屬性數(shù)據(jù)，將變壓器五種故障類(lèi)型：正常、中低溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱、低能量放電、高能量放電作為輸出。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置獲得750組樣本數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，每組樣本數(shù)據(jù)包含5個(gè)屬性及相對(duì)應(yīng)于每組屬性值的故障類(lèi)型，同時(shí)對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，以方便算法編程。采用150組樣本數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，剩下的600組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集或者根據(jù)具體算法需要分成訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，為了方便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明分析，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表所示。表7-3部分測(cè)試數(shù)據(jù)樣本編號(hào)特征氣體組分含量μL/L故障類(lèi)型故障編碼H2CH4C2H6C2H4C2H218.8115.020.4315.980.19正常N251.016.544.211.570.92正常N327.0926.451.872.730正常N414.653.7110.522.690.22正常N556.0477.1218.9421.050.1中低溫過(guò)熱T1657.2176.9819.0420.910.1中低溫過(guò)熱T17160.31129.9733.4297.180.77中低溫過(guò)熱T18166.6128.29672.1512.430.33中低溫過(guò)熱T1956.5442.71167.381413.317.2高溫過(guò)熱T21098.52554.97200.031636.118.35高溫過(guò)熱T211172.89334.13172.9812.5237.71高溫過(guò)熱T212242.8176.344.42173.112.4高溫過(guò)熱T21341.284.511.51.816.2低能量放電D11461.5224.611.355.6420.5低能量放電D115979.8873.0458.1511.790.14低能量放電D116538.3312.628.6814.120.35低能量放電D117138.8152.16.7762.7510.57高能量放電D218148.329.210.3124.832.97高能量放電D219256.6282.856.4382.37116.07高能量放電D220345.51112.3427.5251.4958.78高能量放電D23軟件實(shí)現(xiàn)智能變電設(shè)備監(jiān)控與決策輔助系統(tǒng)后臺(tái)軟件統(tǒng)一根據(jù)模塊將智能變電站在線(xiàn)監(jiān)測(cè)劃分為：綜合監(jiān)測(cè)、變壓器監(jiān)測(cè)、斷路器監(jiān)測(cè)、避雷器/容性設(shè)備監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)配置、用戶(hù)設(shè)置。針對(duì)以上設(shè)計(jì)，在此給出綜合監(jiān)測(cè)和變壓器油中氣體及微水監(jiān)測(cè)的展示描述。圖變壓器油中氣體監(jiān)測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)圖油中氣體監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)圖油色譜故障診斷的操作實(shí)現(xiàn)界面§8電磁兼容試驗(yàn)8.1EMC試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科，電磁兼容學(xué)科主要研究如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設(shè)備和元器件都能正常工作，互不干擾，從而達(dá)到兼容狀態(tài)。電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）則是指由電磁騷擾引起的設(shè)備或傳輸通道性能的下降。從概念上講，騷擾是一種電磁能量，干擾是騷擾產(chǎn)生的結(jié)果或后果，所以騷擾和干擾是不同的。電磁干擾產(chǎn)生于騷擾源，大量騷擾源的存在造成電磁環(huán)境污染，導(dǎo)致電磁兼容性問(wèn)題尖銳化。因此，EMC包括兩方面的內(nèi)容，一方面指系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)所處環(huán)境中的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性（ElectromagneticSusceptibility，EMS）；另一方面指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其所在環(huán)境的電磁干擾不能超過(guò)一定限值，即電磁干擾。8.2EMC試驗(yàn)項(xiàng)目EMC分為EMS和EMI，而EMS又分為傳導(dǎo)抗擾度（ConductionSensitivity，CS）和輻射抗擾度（RadiationSensitivity，RS）兩部分，其試驗(yàn)項(xiàng)目包括靜電放電抗擾度試驗(yàn)（Electro-StaticDischargeImmunity，ESD）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)（ElectricalFastTransient/BurstImmunity，EFT）、浪涌抗擾度試驗(yàn)（SurgeImmunity）、射頻輻射抗擾度試驗(yàn)（RadiationSensitivityImmunity）、工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)（PowerFrequencyMagneticFieldImmunity）、電壓暫降及短時(shí)中斷抗擾度試驗(yàn)表8-1變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置具備的電磁兼容性能序號(hào)試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)滿(mǎn)足要求1靜電放電GB/T17626.2－20064級(jí)抗擾度2射頻電磁場(chǎng)輻射GB/T17626.3－20063級(jí)抗擾度3電快速瞬變脈沖群抗擾度GB/T17626.4－20064級(jí)抗擾度4浪涌（沖擊）GB/T17626.5－20064級(jí)抗擾度5射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾GB/T17626.6－20063級(jí)抗擾度6工頻磁場(chǎng)GB/T17626.8－20065級(jí)抗擾度7電壓暫降、短時(shí)中斷GB/T17626.11－2006電壓暫降60%UT、持續(xù)10個(gè)周波8脈沖磁場(chǎng)GB/T17626.9－20065級(jí)抗擾度9阻尼震蕩磁場(chǎng)GB/T17626.10－20065級(jí)抗擾度1靜電放電抗擾度試驗(yàn)帶靜電的物體進(jìn)行放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生放電電流，該電流會(huì)產(chǎn)生短暫的高強(qiáng)度電磁場(chǎng)，可能引起電氣、電子設(shè)備發(fā)生故障，甚至損壞，如導(dǎo)致半導(dǎo)體器件接口的燒毀、場(chǎng)效應(yīng)管的失效、監(jiān)測(cè)裝置的短暫失控，以及設(shè)備重啟、信號(hào)的紊亂、程序和數(shù)據(jù)的損失、邏輯錯(cuò)誤等。綜上所述，ESD抗擾度試驗(yàn)的目的就是檢驗(yàn)電氣、電子設(shè)備或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在遭受這類(lèi)靜電放電騷擾時(shí)的抗干擾性能。其中，人體是損壞器件的主要ESD源。ESD抗擾度試驗(yàn)就是模擬人體、物體在接觸設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的靜電放電或人體、物體對(duì)臨近物體的放電。其作用的方式主要有兩種：直接通過(guò)能量的交換引起器件的損壞；放電所引起的近場(chǎng)（電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化），造成設(shè)備的誤動(dòng)作。靜電放電發(fā)生器（ESDGenerator）即靜電放電模擬器（ESDSimulator），俗稱(chēng)靜電放電槍?zhuān)‥SDGun），是電磁兼容測(cè)量與試驗(yàn)中靜電放電抗擾度試驗(yàn)中的重要設(shè)備，目的是為了檢驗(yàn)電子設(shè)備受到外來(lái)靜電放電時(shí)能否正常工作，2電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)當(dāng)電感性負(fù)載（如繼電器、接觸器等）在斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開(kāi)處將產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾。當(dāng)電感性負(fù)載多次重復(fù)開(kāi)關(guān)，脈沖群會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)。例如，變電站中SF6或真空開(kāi)關(guān)裝置，當(dāng)斷開(kāi)電感負(fù)載時(shí)產(chǎn)生反電勢(shì)，反電勢(shì)向寄生電容充電，隨著充電電壓的升高，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)處會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，此時(shí)，共用此電源的其他電路或裝置就要受到該脈沖電壓的影響。該試驗(yàn)是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到EUT的電源、信號(hào)、控制和接地端口的試驗(yàn)。試驗(yàn)脈沖的特點(diǎn)是：瞬變脈沖具有上升時(shí)間短、重復(fù)出現(xiàn)、能量低等特點(diǎn)。該試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)電氣和電子設(shè)備在遭受這類(lèi)暫態(tài)騷擾影響時(shí)的性能。EFT脈沖群試驗(yàn)中的脈沖群一般持續(xù)時(shí)間為15ms，脈沖群間隔為300ms，單脈沖寬度為50ns，脈沖上升沿為5ns，脈沖群重復(fù)率為2.5kHz，如圖所示。試驗(yàn)中此脈沖群由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，配合其他設(shè)備來(lái)檢測(cè)被測(cè)設(shè)備的EFT脈沖群抗擾度。3浪涌抗擾度試驗(yàn)浪涌，是超出正常工作穩(wěn)定值的瞬間電壓和電流峰值。在智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)中有很多種情況會(huì)產(chǎn)生浪涌，主要分為內(nèi)部浪涌和外部浪涌?jī)煞N情況。內(nèi)部浪涌主要指電力系統(tǒng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的浪涌，有以下幾種情況。（1）主要的電力系統(tǒng)切換騷擾，如電容器組的切換。（2）配電系統(tǒng)中較小的局部開(kāi)關(guān)動(dòng)作或負(fù)載變化。（3）與開(kāi)關(guān)器件（如晶閘管）相關(guān)聯(lián)的諧振現(xiàn)象。（4）各種系統(tǒng)故障，如設(shè)備組合對(duì)接地系統(tǒng)的短路和電弧故障。而外部浪涌主要由雷電瞬態(tài)引起，主要有以下幾種情況。（1）直接雷，它擊于外部（戶(hù)外）電路，注入的大電流流過(guò)接地電阻或外部電路阻抗而產(chǎn)生電壓。（2）間接雷（即云層之間或云層中的雷擊或附近物體的雷擊產(chǎn)生的電磁場(chǎng)），它在建筑物內(nèi)、外導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流。（3）附近直接對(duì)地放電的雷電電流，當(dāng)它耦合到設(shè)備組合接地系統(tǒng)的公共接地路徑時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓?！?電氣測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例分析9.1概述通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中設(shè)備的電磁參量、溫度、絕緣油中氣體成分和含量、絕緣氣體中的微水含量、密度等物理等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，才能夠清楚地了解電氣設(shè)備的運(yùn)行情況。例如，要獲取電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)相角、功率等電能參數(shù)，則需要通過(guò)電壓、電流計(jì)量互感器對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行測(cè)量；要確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，則需要獲取各種繼電保護(hù)原理及相應(yīng)的互感器測(cè)量對(duì)應(yīng)的電參量，然后將這些信號(hào)送入微機(jī)繼電保護(hù)裝置，通過(guò)保護(hù)算法輸出斷路器的分/合閘控制信號(hào)；通過(guò)對(duì)電纜、變壓器套管、避雷器等容性設(shè)備的絕緣性測(cè)試，可以了解這些設(shè)備的絕緣狀況，從而確定被測(cè)設(shè)備是否需要維修、是否能夠繼續(xù)投入使用等。9.2主要電氣設(shè)備的測(cè)試技術(shù)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的種類(lèi)繁多，不同的電力設(shè)備具有不同的電氣屬性，需要不同的物理特征量來(lái)反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，而不同的物理特征量又需要不同的電氣測(cè)試原理與方法。下面的內(nèi)容將針對(duì)各種電力設(shè)備需要測(cè)試的主要項(xiàng)目、測(cè)試要求及測(cè)試方法進(jìn)行闡述。1發(fā)電機(jī)主要參數(shù)的電氣測(cè)試（1）定子繞組的絕緣電阻和吸收比或極化指數(shù)。對(duì)此部分參數(shù)的測(cè)試要求包括：各相絕緣電阻的不平衡系數(shù)不應(yīng)大于2，瀝青浸膠及烘卷云母絕緣吸收比不應(yīng)小于1.3，對(duì)環(huán)氧粉云母絕緣吸收比不應(yīng)小于1.6。對(duì)于容量200MW及以上機(jī)組應(yīng)測(cè)量其極化指數(shù)，極化指數(shù)不應(yīng)小于2.0。（2）定子繞組的直流電阻。對(duì)此部分測(cè)試要求包括：直流電阻應(yīng)在冷卻狀態(tài)下測(cè)量，測(cè)量時(shí)繞組表面溫度與周?chē)諝鉁囟戎顟?yīng)在±3℃的范圍內(nèi)，且各相或各分支繞組的直流電阻在校正了由于引線(xiàn)長(zhǎng)度不同而引起的誤差后，相互間差別不應(yīng)超過(guò)其最小值的2%。同時(shí)，與產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)測(cè)得的數(shù)值換算至同溫度下進(jìn)行比較，其相對(duì)變化不應(yīng)大于2%。（3）轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)要求轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不宜低于0.5MΩ。若水冷轉(zhuǎn)子繞組在使用500V及以下兆歐表或其他儀器測(cè)量時(shí)，所測(cè)絕緣電阻值不應(yīng)低于5000Ω。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻已符合啟動(dòng)要求，而轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不低于2000Ω時(shí)，即可允許投入運(yùn)行。采用絕緣電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組額定電壓為200V以上時(shí)，則要采用2500V絕緣電阻測(cè)試儀；當(dāng)額定電壓為200V及以下時(shí)，則要采用1000V絕緣電阻測(cè)試儀。（4）轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻。對(duì)此部分測(cè)試要求在冷狀態(tài)下進(jìn)行，保證測(cè)量時(shí)繞組表面溫度與周?chē)諝鉁囟戎钤凇?℃的范圍內(nèi)，將測(cè)量數(shù)值與產(chǎn)品出廠(chǎng)數(shù)值換算至同溫度下進(jìn)行比較，其差值不應(yīng)超過(guò)2%。當(dāng)誤差超過(guò)規(guī)定時(shí)，還應(yīng)對(duì)各磁極繞組間的連接點(diǎn)電阻進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于凸極式轉(zhuǎn)子繞組，還應(yīng)對(duì)各磁極繞組進(jìn)行測(cè)量，一般地，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻測(cè)試方法與定子繞組直流電阻相同。（5）轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓值。對(duì)于整體到貨的凸極式轉(zhuǎn)子，試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定電壓的7.5倍，且不應(yīng)低于1200V。對(duì)于工地組裝的凸極式轉(zhuǎn)子，其單個(gè)磁極的耐壓試驗(yàn)應(yīng)按制造廠(chǎng)規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于隱極式轉(zhuǎn)子繞組，可不進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，直接采用2500V兆歐表測(cè)量其絕緣電阻即可。轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓值測(cè)試時(shí)，一般采用試驗(yàn)變壓器或串聯(lián)諧振交流耐壓裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。2輸電線(xiàn)路主要參數(shù)的電氣測(cè)試輸電線(xiàn)路電氣參數(shù)一般包括直流電阻、正序阻抗、正序電容、零序阻抗、零序電容、相間電容，以及多回平行輸電線(xiàn)路之間的互感阻抗和耦合電容等。這些參數(shù)是在進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流穩(wěn)定分析、短路電流計(jì)算、繼電保護(hù)整定、故障定位和選擇電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等工作之前建立電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的必備參數(shù)。另外，輸電線(xiàn)路的桿塔接地電阻對(duì)線(xiàn)路的防雷、短路故障等起著至關(guān)重要的作用；輸電線(xiàn)路的溫度與線(xiàn)路的使用壽命和傳輸容量也緊密相關(guān)。2008年我國(guó)南方電網(wǎng)一些地區(qū)的輸電線(xiàn)路遭受冰災(zāi)，造