华电电力系统自动化第19讲数据采集与处理

North China Electric Power University第十六讲 数据采集与处理肖仕武，薛安成Office:J5B309Tel:80794899page22023-3-11数据采集数据采集的的开关量输入电路开关量输入电路开关量输出电路开关量输出电路模拟量输入电路模拟量输入电路模拟量输出电路模拟量输出电路第二章 数据采集与处理 page32023-3-11电力系统运行控制所需要的信息遥测量遥测量母线电压母线电压各线路的有功、无功功率或电流各线路的有功、无功功率或电流变压器有功、无功功率、分接头档位变压器有功、无功功率、分接头档位发电机发电机/电厂所发有功、无功出力电厂所发有功、无功出力电站电站/厂，线路有功电度厂，线路有功电度系统频率系统频率水库水位水库水位气象数据气象数据遥信量遥信量断路器的合、分状态断路器的合、分状态隔离刀闸的合、分状态隔离刀闸的合、分状态各个元件保护状态各个元件保护状态自动装置的动作状态自动装置的动作状态事故总信号事故总信号page42023-3-11数据采集与控制的基本硬件结构 CPU RAM ROM 网络适配器 串口 外设 MODEM 信道 网络 模/数变换 模拟量输入变换 数/模变换 放大驱动 光电隔离 接口 接口 开关量输入信号处理 光电隔离 开关量输出电路 来自 TA、TV 的电压，电流等模拟量 遥调 接口 开关量输入信号 接口 遥控 模拟量输入/输出回路 开关量输入/输出回路 page52023-3-11开关量输入基本硬件结构 计 算 机 总 线 CPU 驱动控制 三态门。三态门 逻辑控制 地址译码。信号调节 信号调节 去抖电路 去抖电路 隔离电路 隔离电路。信号输入 信号调节 信号调节 去抖电路 去抖电路 隔离电路 隔离电路。信号输入 page62023-3-11隔离电路 数据采集电路 J1 J2 断路器辅助节点+5V 1 1、继电器隔离继电器隔离2 2、光电隔离光电隔离 数据采集电路 断路器辅助节点+5V 光敏三极管 page72023-3-11滤波去抖电路 C R R0 低通滤波 施密特触发器 page82023-3-11三态门的工作原理 A E 三态门 E D0 D1 D2 数据总线 三态门缓冲器 E1 E2 双向三态门 page92023-3-11锁存器 74LS373 D0-D7 OE GND G Q0-Q7 Vcc+5V 地址有效信号 ALE OE(1)为低电平、为低电平、G G为高电平时，输出端状态和输入端状为高电平时，输出端状态和输入端状态相同，即输出跟随输入态相同，即输出跟随输入OE(2)(2)当当 为低电平、为低电平、G G电平降为低电平时（下降沿），电平降为低电平时（下降沿），输入端数据锁入内部寄存器中，内部寄存器的数据与输入端数据锁入内部寄存器中，内部寄存器的数据与输出端相同。当输出端相同。当G G电位保持为低电平时，输入端数据变电位保持为低电平时，输入端数据变化不会影响输出端状态。化不会影响输出端状态。OE(3)(3)当当 为高电平时锁存器缓冲三态门封闭，即输出为高电平时锁存器缓冲三态门封闭，即输出端为高阻态。端为高阻态。74LS373的输入端的输入端D0-D7与输出端与输出端Q0-Q7隔离隔离page102023-3-11地址译码电路 A B C E1 E2 E3 Y7 GND Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Vcc 74HC138 输入 输出 使能 片选 E3 E2 E1 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 74HC13874HC138的真值表的真值表page112023-3-11输入/输出的控制方式 查询方式查询方式 中断方式中断方式 直接存储器存取方式直接存储器存取方式 同步传输方式同步传输方式page122023-3-11开关量输出电路 计 算 机 总 线 CPU 驱动控制 锁存器。锁存器 逻辑控制 地址译码。隔离电路 隔离电路 输出电路 输出电路。输出信号 隔离电路 隔离电路 输出电路 输出电路。输出信号 page132023-3-11模拟量输入 变 换 器 电 力 设 备 电压形成回路 低通滤波 采样保持 多路转换开关 A/D C PU 基于逐次逼近型基于逐次逼近型A/DA/D转换的模拟量输入电路转换的模拟量输入电路page142023-3-11模拟量输入传感器、变送器传感器、变送器传感器将非电量物理量转换为电量物理量传感器将非电量物理量转换为电量物理量变送器将电量物理量转换为计算机可以处理的变送器将电量物理量转换为计算机可以处理的电压电流范围电压电流范围一次一次PT将高压电转换为将高压电转换为0100v的次级电压的次级电压 一次一次CT将大电流转换为将大电流转换为05A的二次电流的二次电流电压、电流变送器将这些范围的信号转换为电压、电流变送器将这些范围的信号转换为05v的电压信号或的电压信号或420mA的电流信号的电流信号功率变送器的输出为双极性功率变送器的输出为双极性5v+5v的电压范围的电压范围page152023-3-11电压形成回路 RC 低通滤波 双向限幅 TV A 电压接口原理图 RC 低通滤波 双向限幅 TA B 电流接口原理图 将 以上的频率的谐波过滤掉/2sfpage162023-3-11采样保持 ChA1A2SAinAout保持期间，保持期间，S S断开，由于断开，由于A2A2的高输入阻抗，使得保持电容的高输入阻抗，使得保持电容ChCh的电的电压输出保持充电时的最高值。压输出保持充电时的最高值。采样期间，采样期间，S S闭合，闭合，A1A1通过通过S S向向ChCh充电，使输出随输入变化而变化。充电，使输出随输入变化而变化。此时电路处于自然采样状态。此时电路处于自然采样状态。page172023-3-11多路转换器l 各个模拟量在多路转换开关的控制下分时地逐一经各个模拟量在多路转换开关的控制下分时地逐一经A/DA/D转换器转换器转换，每次只选通一路。对多路开关的要求是断开时开路阻抗无转换，每次只选通一路。对多路开关的要求是断开时开路阻抗无穷大，导通时阻抗为穷大，导通时阻抗为0 0，切换速度快，工作可靠。，切换速度快，工作可靠。常见的多路开关有常见的多路开关有CD4051B，AD7506等等l模拟量多路开关由三部分组成模拟量多路开关由三部分组成1 地址输入缓冲和电平转换使得输入端对地址输入缓冲和电平转换使得输入端对TTL，CMOS逻辑电逻辑电平兼容平兼容2 译码和驱动把地址译为通道号代码译码和驱动把地址译为通道号代码3 模拟开关，对应通道的模拟开关导通，将该通道的输入模拟模拟开关，对应通道的模拟开关导通，将该通道的输入模拟电压引至输出端电压引至输出端page182023-3-11多路转换器 若输入模拟通道数目超过若输入模拟通道数目超过16，需多片，需多片AD7506，这，这时需要增加译码器进行片选。时需要增加译码器进行片选。AD7506导通时导通电阻约导通时导通电阻约400，由于不接近，由于不接近0，所以负载电阻一定要比较大，一般在输出后增加一所以负载电阻一定要比较大，一般在输出后增加一级电压跟随器以提高输入阻抗。级电压跟随器以提高输入阻抗。page192023-3-11模/数转换+-比较器 Ux D/A SAR 时序及控制逻辑 数字量输出 Uref 逼近寄存器逼近寄存器SARSARD/AD/A转器转器比较器比较器时序和控制逻时序和控制逻辑电路辑电路page202023-3-11电压电压频率变换型频率变换型A/DA/D变换变换 电 压形成 VFC 计数器 CPU 总线 l产生的脉冲频率正比于输入电压的大小产生的脉冲频率正比于输入电压的大小 l工作稳定，线性度高、电路简单工作稳定，线性度高、电路简单 l抗干扰能力强抗干扰能力强 l采样电路的速度是有一定限制采样电路的速度是有一定限制page212023-3-11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。page222023-3-11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page232023-3-11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。page242023-3-11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。page252023-3-11模拟量输出 page262023-3-11D/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 UUDDSSSSRpage272023-3-11D/A转换器的结构