电网监控与调度自动化第二章交流数据采集与处理课件

第二章 交流数据采集与处理概述互感器直流采样交流采样与合并单元电力系统数据预处理标度变换实现对电网的监视和控制 表征电网实时运行状态的遥测量值和遥信状态采集与传送 对这些信息进行适当的加工处理，形成控制电网安全、稳定和经济运行的遥控、遥调命令。直流采样整流、二进制转换 交流采样一周期多次采样、转换、计算 电能数据采集脉冲与计数采样方式三种模拟量三种模拟量快速变化的交流量：如交流电压、电流、功率等快速变化的交流量：如交流电压、电流、功率等缓慢变化的直流量：如控制母线的直流电压、操缓慢变化的直流量：如控制母线的直流电压、操作母线的直流电压作母线的直流电压缓慢变化的非电量：如温度、压力、水位等。缓慢变化的非电量：如温度、压力、水位等。采样方式只针对交流信号的采集。直接将交流信号变送为只针对交流信号的采集。直接将交流信号变送为0 05V5V的交流电压信号送至的交流电压信号送至A/DA/D转换器进行转换，即转换器进行转换，即采集交流信号的瞬时值，然后采用算法计算电压、采集交流信号的瞬时值，然后采用算法计算电压、电流的有效值及利用电压电流计算功率。电流的有效值及利用电压电流计算功率。直流采样直流采样交流采样交流采样l直流电量：利用直流电量变送器将实际的电压电流直流电量：利用直流电量变送器将实际的电压电流值转换为值转换为05V的直流电压。的直流电压。l交流电量：采用交流电压、电流和功率变送器将相交流电量：采用交流电压、电流和功率变送器将相应原始信号转换为应原始信号转换为05V或或05V的直流电压信号。的直流电压信号。l非电量：利用专用的温度变送器、压力变送器非电量：利用专用的温度变送器、压力变送器采样方式直流采样的特点直流采样的特点l对对A/D转换器转换速率要求不高，软件算法简单，程转换器转换速率要求不高，软件算法简单，程序可靠性高序可靠性高l经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。l直流采样输入回路常采用直流采样输入回路常采用RC电路滤去整流后的纹波，电路滤去整流后的纹波，采样实时性差，无法反映被测量的波形，因此不适用采样实时性差，无法反映被测量的波形，因此不适用于微机保护和故障录波。于微机保护和故障录波。l需要变送器屏。需要变送器屏。采样方式交流采样的特点交流采样的特点l实时性好实时性好l能反映实际波形能反映实际波形l可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。l对对A/D转换器和采样保持器要求较高，要求转换器和采样保持器要求较高，要求一个周期内必须有足够的采样点数，要求一个周期内必须有足够的采样点数，要求A/D转换器转换速度高。转换器转换速度高。l采样和计算的程序比较复杂。采样和计算的程序比较复杂。模拟量输出 D/A转换器基本原理 R R R 2R 2R S4 A-+Rf 2R S3 2R S2 2R S1-UR UD 12341234,2222fRDR UUDDSSSSRD/A转换器的结构 互感器（TA）高电压、大电流测量传统电压互感器和电流互感器输出交流电压0100V，交流电流05A，经中间变换器变换 为低电压。电子式互感器直接变换到数据变换设备所规定的低电压。1.1.将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准值，使测量仪表和保护装置标准化。准值，使测量仪表和保护装置标准化。2.2.所有二次设备可用低电压、小电流的电缆连接，所有二次设备可用低电压、小电流的电缆连接，二次设备的绝缘水平能按低电压设计，结构轻巧，二次设备的绝缘水平能按低电压设计，结构轻巧，价格便宜。便于集中管理，可实现远方控制和测价格便宜。便于集中管理，可实现远方控制和测量。量。3.3.二次回路不受一次回路的限制，二次回路不受一次回路的限制，4.4.使二次侧的设备与高电压部分隔离，且互感器二使二次侧的设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧要有一点接地，保证二次系统设备和工作人次侧要有一点接地，保证二次系统设备和工作人员的安全。员的安全。光电式电容分压式电磁式电压互感器光电式电磁式电流互感器 互感器互感器 电磁式电流互感器的工作原理：相当于工作在短电磁式电流互感器的工作原理：相当于工作在短路 条 件 下 的 小 容 量 升 压 变 压 器路 条 件 下 的 小 容 量 升 压 变 压 器 K KTATA=I=IN1N1/I/IN2N2 W WN2N2/W/WN1N1W1W2电磁式电压互感器电磁式电压互感器工作原理工作原理相当于工作在开路相当于工作在开路条件下的小容量条件下的小容量降压变压器。其一、降压变压器。其一、二侧额定电压之比为：二侧额定电压之比为：K KTVTV=U=U1N1N/U/U2N2N一、电磁式互感器的工作原理一、电磁式互感器的工作原理 二、互感器的误差二、互感器的误差 三、互感器的准确级与二次额定容量三、互感器的准确级与二次额定容量四、互感器的极性和常用接线四、互感器的极性和常用接线（一）电流互感器1。电磁式电流互感器二次侧处于近似于短路 比值误差和角误差21NNIIKi 磁饱和、铁磁谐振、动态范围小电子式电流互感器 国际电工委员会发布的电子式电流互感器标准为 IEC600448我国等同采用并转化为相应的国标 GB208408-2007（1）罗氏线圈电流互感器 Rogowski线圈为一空心环形线圈，二次绕组缠绕在非磁性骨架上，被测电流垂直穿过线圈中心，根据电磁感应原理可以得到线圈输出电压电子式电流互感器 罗氏线圈电流互感器 罗氏线圈电流互感器电磁感应原理 dtHdIdtDSdIe/00-真空磁导率 D-匝数密度，匝数/m S-二次绕组导线面积，m2 dI/dt-一次电流对时间的导数 H-电感系数，h 罗氏线圈电流互感器没有铁心，没有非线性影响，如饱和等问题,因为没有饱和，动态范围大。罗氏线圈电流互感器输出电压正比于电流对时间的导数，须积分后才可以还原电流波形，高压侧存在积分器和采样变换回路，线圈材质易受环境温度影响变形。光学电流互感器（OCT）Faraday磁光效应光的偏振面受到外加磁场的作用而产生旋转的现象。磁场的方向与光的传播方向平行，线性偏振光通过置于磁场中的法拉第旋光材料后，出射线性偏振光与入射线性偏振光的偏振面将产生旋转角。全光纤电流互感器的原理全光纤电流互感器的原理法拉第磁光效应原理法拉第磁光效应原理光学电流互感器（OCT）光学电流互感器（OCT）LHdlvv-材料的Verdet常数H-磁场强度L-通过法拉第磁光玻璃的光程光学电流互感器（OCT）测得线偏振光的旋转角度就可以求出导体中的电流i(t)。OCT具有不受电磁干扰、不饱和、测量范围大、有效频带宽。A）不通电）不通电 B）通电）通电保护:5P30/1P50，测量:0.2级符合IEC60044-8和GB/T 20840.8 光光源源探探测测器器耦耦合合器器偏偏振振器器相相位位调调制制器器光纤汇流排反射镜信号处理电路两偏振光传播方向（红、绿箭头）利用磁光法拉第效应利用磁光法拉第效应 光波在通电导体的磁场光波在通电导体的磁场作用下，光的传播发生作用下，光的传播发生相位变化相位变化 检测光强的相位变化，检测光强的相位变化，测出对应电流大小测出对应电流大小全光纤电流互感器的原理全光纤电流互感器的原理全光纤电流互感器的特点全光纤电流互感器的特点敏感元件和传输元件全部采用光纤；敏感元件和传输元件全部采用光纤；共光路技术和差动信号解调方式提高了抗干共光路技术和差动信号解调方式提高了抗干扰能力扰能力采用了全数字闭环控制技术；采用了全数字闭环控制技术；受环境影响小；受环境影响小；高精确度和大测量动态范围；高精确度和大测量动态范围；精确测量直流。精确测量直流。安装方式灵活，适应性强。安装方式灵活，适应性强。（灵活的安装方式）（灵活的安装方式）电压互感器电磁式电压互感器 电压互感器电磁式电压互感器 NNUUKv21二次绕组的设备的阻抗大，电流小，近似空载。误差影响因素：二次负荷电子式电压互感器国际电工委员会发布的电子式电压互感器标准 IEC600447我国等同采用并转化为相应的国标 GB 208407-2007 电子式电压互感器分压原理电压互感器(采用电容分压、电阻分压或阻容分压原理)分压原理电压互感器对数据采集装置的输入阻抗的要求很高，尤其是母线电压互感器，应该先把二次电压转换为数字量，然后通过网络进行数据传送。电子式电压互感器光学电压互感器(OVT)透明的光学介质(也称压电晶体)在没有外加电场作用时是各向同性的。在外加电场作用下，晶体将变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率发生变化，通过晶体的偏振光将产生双折射，使一束偏振光变为两束相位不同(因两束光的传播速度不同)的偏振光。电场对透明晶体影响的电光效应被称为Pockels效应。电子式电压互感器光学电压互感器(OVT)10KV电流互感器结构实例35KV35KV电流互感器结构实例电流互感器结构实例35KV35KV电流互感器结构实例电流互感器结构实例60、110、220KV电流互感器新型500KV电流传感器JCCl一110型串级式电压互感器的结构瓷外壳装在钢板做成的圆形底座上。原绕组的尾端、基本付绕组和辅助付绕组的引线端从底座下引出。原绕组的首端从瓷外壳顶部的油扩张器引出。油扩张器上装有吸潮器。220kV串级式电压互感器的原理接线图互感器由两个铁心组成，一次绕组分成匝数相等的四个部分，分别套在两个铁心上、下铁柱上，按磁通相加方向顺序串联，接在相与地之间。每一单元线圈中心与铁心相连。二次绕组绕在末级铁心的下铁柱上。电压互感器结构实例直流采样直流采样 1 中间电流变换器和中间电压变换器 中间电流变换器的结构与普通电流互感器相同，通过在二次侧的电阻，把小电流转换成低电压。中间电压变换器的结构与普通电压互感器相同。中间变换器起电磁隔离作用。重要的是处理好阻抗的匹配问题。2。精密整流电路直流采样3。有源低通滤波电路直流采样交流采样原理在一个交流信号周期T内，对输入信号采样N次，两次采样之间的时间间隔 Ts=T/N。采样定理：完整表达输入信号的充要条件：max2 ffS模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 低通信号的抽样定理低通信号的抽样定理1定理内容定理内容 抽样定理在时域上可以表述为：对于一个频带限制在对于一个频带限制在(0，fH)Hz内的时间连续内的时间连续信号信号f(t)，如果以，如果以Ts1/(2fH)秒的间隔对其进行等间隔抽样，则秒的间隔对其进行等间隔抽样，则f(t)将被所得到的将被所得到的抽样值完全确定。抽样值完全确定。f(t)s(t)T(t)相乘器(a)s(t)f(t)低通滤波器（b）图3-2 模拟信号的抽样过程示意图（a）模拟信号的抽样实现；（b）信号的恢复过程 如图3-2分析可知模拟信号抽样过程中各个信号的波形与频谱如图3-3所示（f(t)、T(t)为已知假设的信号）。模拟信号的抽样过程如图3-2所示。模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 0tttST()s()s(t)ST(t)（a）（b）（c）x(t)x()-2Ts -Ts 0 Ts 2Ts-2s -s 0 s 2s-m 0 m-2Ts -Ts 0 Ts 2Ts-2s-m-s 0 m s 2m图3-3 抽样过程中的信号波形与频谱 (a)模拟信号的波形与频谱；(b)冲激函数信号的波形与频谱；(c)抽样信号的波形与频谱模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 如图3-4所示为两种情况下的频谱分析结果。当抽样频率小于奈奎斯特频率时，即如果s2H，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图3-4(c)图所示；当抽样频率大于或等于奈奎斯特频率时，接收端恢复出来的信号才与原信号基本一致。图3-4 两种情况下的抽样信号频谱分析结果(a)信号的频谱；(b)fs 2fm时抽样信号的频谱；(c)fs 2fm时抽样信号的频谱 应该注意的一点是：抽样频率并不是越高越好。只要能满足抽样频率大于奈奎斯特频率，并留有一定的防卫带即可。重叠(b)S(f)fs 2fm 低通0 fm fs 2fs f 0 fm fs-fs fs fs+fs 2fs fA 0 fm fS(f)(a)(c)fs-fm模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 带通信号的抽样定理带通信号的抽样定理 实际中遇到的许多信号是带通型信号，模拟信号的频带限制在fL fH之间，fL为信号最低频率，fH为最高频率。而且当fLB，其中B=fHfL时，该信号通常被称为带通型信号带通型信号，其中B为带通信号的频带。图3-5 带通信号的抽样频谱 3fs 2fs fs 0 fs 2fs 3fs fMs()(a)(b)3fs2.5fs2fs fs 0 fs 2fs 2.5fs 3fs fM()3fs 2fs fs 0 fs 2fs 3fs f fH fLfL fH(c)s()对于带通信号，如果采用低通抽样定理的抽样速率fs2fH，对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求，如图3-5（带通信号的抽样频谱）所示。模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 定理内容：一个带通信号定理内容：一个带通信号f(t)，其频率限制在，其频率限制在fL与与fH之间，带宽为之间，带宽为B=fHfL，如，如果最小抽样速率果最小抽样速率fs=2fH/n，n是一个不超过是一个不超过fH/B的最大整数，那么的最大整数，那么f(t)就可完全由就可完全由抽样值确定。抽样值确定。下面分两种情况说明：（1）若最高频率fH为带宽的整数倍，即fH=nB。此时fH/B=n是整数，m=n，所以抽样速率fs=2 fH/m=2B。（2）若最高频率fH不为带宽的整数倍，即 （3-7）H 01fnB kBk 此时，fH/B=n+k，由定理知，m是一个不超过n+k的最大整数，显然，m=n，所以能恢复出原信号f(t)的最小抽样速率为 （3-8）LHs2()21fffn式中n是一个不超过fH/B的最大整数，0k1通常k取1。交流采样过程 输入信号经相应的TVm或TAm变换成05V交流电压信号输入到多路模拟电子开关，由地址多路信号中一路输出采样保持器进行采样保持AD转换器将采样保持器输出的模拟电压转换成数字量；CPU读AD输出数据CPU再发地址选择输入信号这种过程在一个交流信号周期内重复（l+m）N次CPU对一周期内每路输入信号的N个采样值，进行数据处理，并计算出线路上的各种电气量值。第四节 电力系统数据预处理一、滤波 针对谐波与各种干扰的存在，在交流被测量进入测量装置时，设置模拟式滤波器，滤除较高次的谐波。在交流被测量经交流一周期N次采样并通过模/数转换后，得到N个二进制数序列，可以通过一定的计算，滤除我们不需要的谐波量，并计算出希望得到的交流量幅值和有效值。一、滤波 交流信号采样、变换的两侧均进行滤波原因是：模拟式滤波器往往采用简单的RC电路进行滤波。若希望将较低次谐波滤除，需将转折频率设置较低，我们希望完整保留的基波也将有一定的衰减，造成有用信息的损失和测量精度降低。因此模拟式的滤波器设计的出发点是滤除较高次谐波，而放弃对较低次谐波的滤除。一、滤波 交流信号采样、变换的两侧均进行滤波原因是：根据采样定理，对某个f频率的信号进行采样,采样脉冲频率fc必须满足 fc2f 由于在电力系统交流量测量时，往往需要同时对多路的交流量进行采集。由于同时被采集量的个数与交流一周期采样次数成反比关系，在被采集量的个数较多情况下，交流一周期采样次数N不可能很大，即不可能有效采集到完整的高次谐波信息，也就不能通过较简单的算法将高次谐波去除。一、滤波 交流信号采样、变换的两侧均进行滤波原因：一、滤波（一）模拟式滤波作用是消除掉输入信号中的干扰（包括较高次谐波），保留有用信号，一般采用简单而有效的RC低通滤波器构成。滤波器同时还作浪涌电压保护，防止浪涌电压进入通道内部，破坏信息处理设备。（一）模拟式滤波 传递函数为 RitxtyC)()(dtdyCiCdtdyCRtxty)()(1)(1)()(TssxRCssxsy 频率特性为 Tjjxjy11)()(（二）数字式滤波1低通滤波 将 离散化，得到dtdyCRtxty)()()()1()1()()1()()t(0nQxnyQnyTdtnynydy （二）数字式滤波（2）非递归滤波 举例：设一模拟信号)()()(tvtunx 要求保留的基波部分，滤除的谐波（7次）部分。tfUtu12sin)(tfVtv22sin)(Hzf501Hzf3502 （2）非递归滤波 )()()(tvtunx 若对采样，采样频率=3500Hz，则对于基波，每周期有70个采样值；对于7次谐波，则每周期有10个采样值。现将相对于基波一周期的70个采样值分成7组，每组10个采样值求取平均值。令y(k)是x(t)连续10个采样值的平均值，即tfUtu12sin)(tfVtv22sin)()9(.)3()2()1()(101)(kxkxkxkxkxky （2）非递归滤波 为两个分量组成，因此可有 由于是350Hz的正弦波，采样频率为3500Hz，恰好是每周期10次采样，因而计算式中的第二部分必然等于零。对于50Hz的基波，上述计算可得到7个分组值，每个分组值恰好分别等于对基波进行每周期7次采样的各个采样值，并且不包含任何7次谐波成分。)()()(tvtutx)9(.)3()2()1()(101)(kukukukukuky)9(.)3()2()1()(101kvkvkvkvkv（3）傅氏级数计算与滤波 对于任何周期函数的信号u（t）、i（t）都可以分解为含有直流分量及各种谐波分量的傅氏级数。用正弦和余弦基波函数与上式相乘，根据正交理论，可以提取基波量。)sin()cos()(11110tnItnIItinnsnnc)sin()cos()(11110tnUtnUUtunnsnnc 对电压、电流每周期采样N次，相应的傅立叶积分可以表达为：r表示实部、i表示虚部。NkkNkiNIi12cos2NkkNkiNIr12sin2NkkNkuNUr12sin2NkkNkuNUi12cos2222irIII222irUUUIrIitgiUrUitgu有效值 有效值 jQPIUIUjIUIUjIIjUUIUSIRRIIIRRIRIR)()(即 IRRIIIRRIUIUQIUIUP第五节 标度变换电力系统中电压测量值单位为V或kV，电流的测量值单位为A或kA等。电压互感器输出为0100V，电流为05A等。信号经过变换器转化为A/D转换器所能接受的信号范围，如 05V。第五节 标度变换经A/D转换成数字量，为标幺值形态，无法表明该遥测量的物理大小。为了显示、打印、报警及向调度传送，又必须把数字量转换成具有不同量纲的数值，以便于操作人员进行监视与管理，这就是标度变换。第五节 标度变换第五节 标度变换例如被测电流的满量程为1500A，经变换后的满量程结果为2047。当电流在01500A范围内变化时，模/数转换的输出在02047之间变动，两者呈线性比例关系，比例系数为K，称为标度变换系数。设遥测量的实际值为S，模/数转换后的值为D，则 K=S/D因为S和D呈线性比例关系，所以可以以满量程的对应关系来求出标度变换系数K。对于12位模/数转换器，D=2047，则K=S/2047。第五节 标度变换例如幅值为1500A的电流，可得各个遥测量都有对应的标度变换系数K，均以确定的形式存储器的遥测系数区中，待需要时读取。标度变换系数K在遥测系数区中以两个字节存放，其格式为 F1 F2 N1 N2 0/1 K 小数点标志移位标志正/负11位标度变换系数 1500A的电流的遥测系数 BK010111011101110.0732779677.020471500在经过模/数转换得到某个遥测量的11位二进制数，需乘上系数得到有量纲的实际值，考虑乘法运算后的精度，标度变换系数K应具有11位的有效位。但在某些场合，根据K=S/D所得的K系数并不具有11位有效位，因此需要预先对K进行处理。例如某电流的幅值满量程为150A，则这一系数的有效位仅有8位，当模/数转换的结果与之相乘后，有效位数减少了。BK00001001011.00732779677.02047150为了保证有效位数，可以将被测量预放大，例如上例放大10倍，在十进制数显示时相应将小数点向左移1位，即可显示原值。如将150A的满量程值放大10倍后成为1500，系数K即有11位有效位数。在1500转换成二进制数后，与K相乘，并在二十进制转换后，将小数点向左移一位，即为150.0A的表达。遥测量用四位十进制D3D2D1D0显示。用小数点标志F1F2来设定小数点位置，其内容由通信双方约定。例如小数点设在最低位D0之前，把F1F2置为01。例如幅值为150A的电流，可得 F小数标志位但在K小于0.5时，对应的二进制仍会出现有效位数不足11位的情况。例如满量程值为300A的电流实际有效位为9位，而300不能扩大10倍，使K1而不符合要求。解决方法是将转换K时计算到小数点后13位，然后将K左移2位成为作为标度变换系数的遥测系数部分，并在N移位标志上设置相应值。在乘系数运算后再将乘积右移相应位数，使数值还原。BK00010010110.0146555935.02047300标度变换系数中的N移位标志部分的设置方法可以是N1N2=00，系数未位移；N1N2=01，系数左移了1位；N1N2=10，系数左移了2位；N1N2=11，系数左移了3位。满量程值为300A的电流的遥测系数 从上所述，标度变换系数共由三部分组成。当一个遥测量经A/D变换后，相应从遥测系数区取出相应的标度变换系数与之相乘，再把乘积右移N位。若需显示，则在二十进制转换后，根据F1F2标上小数点，完成标度变换。