第2章--电力系统测控装置的基本原理

第二章电力系统测控装置的基本原理交流插件板液晶显示面板出口继电器板CPU板电源与开入板交流电压输入交流电流输入直流电源输入空接点信号输入控制电源手动操作去跳合闸线圈中央信号通信接口第一节概述电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的也随时可能发生，系统中的设备和运行状态、参数是大量的、多变的。这就要求运行人员时刻掌握系统的运行状态，根据实际情况调整运行方式。因此实时地获取系统运行的各种参数及状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态以及进一步的决策是至关重要的。运行人员如何实时掌握电力系统的运行状态，并根据实际情况及时调整电力系统的运行？依靠电力系统测控装置及时准确地对各种数据的采集与处理！有了大量来自系统运行的各种参数及状态，的信息，才能实现自动监测、控制。测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，并将采集的数据上送主机，因此，测控装置是自动化系统的基础。交流插件板液晶显示面板出口继电器板CPU板电源与开入板交流电压输入交流电流输入直流电源输入空接点信号输入控制电源手动操作去跳合闸线圈中央信号通信接口测控装置被称为“信息采集和命令执行子系统”（远动终端RTU）作用采集各发电厂、变电所中各种表征电力系统运行状态的实时信息，并根据运行需要将有关信息通过信息传输通道传送到调度中心，同时也接受调度端发来的控制命令，并执行相应的操作。功能可以实现“四遥”功能：遥测(YC)、遥信(YX)、遥控(YK)和遥调(YT).遥测:采集并传送电力系统运行模拟量的实时信息；遥信:采集并传送电力系统中开关量的实时信息；遥控:指接收调度中心主站发送的命令信息，执行对断路器的分合闸、发电机的开停、并联电容器的投切等操作；遥调:指接收并执行调度中心主站计算机发送的遥调命令，如调整发电机的有功出力或无功出力、发电机组的电压、变压器的分接头等。一、基本测控单元为了减少系统的负担，目前的测控装置，都做成了智能式的，测控装置与系统的联系，由数据通信来完成。这样，不但减少了系统的负担，而且还大量地减少了现场至控制室之间的电缆。主机负责系统管理、决策、统计等任务，而测控装置负责测控及将采集的数据上送主机。测控装置虽然要接受主机的控制，但它的测控任务是独立完成的。这就是自动化系统的“分散监控、集中管理”基本模式。测控单元以功能来划分，可分为集中式测控单元、独立综合式测控单元。集中式测控单元可实现数据采集或控制的某一个单一功能，例如遥测单元、遥控单元。独立综合式测控单元能实现各类信号的测量、控制功能。目前构成测控装置的器件很多，下面以单片机、DSP(DigitalSignalProcessor)器件为例来学习测控单元的基本构成。1.单片机测控单元单片机是一种具有CPU和各种不同外部电路的微处理器。利用单片机的电路集成特性，把系统体积压缩到最小。单片机电源系统总线单片机组成的基本测控单元单片机系统简单、易于开发，对用户有良好的实用性。CPURAMROM接口接口接口接口MODEM与调度通信打印机键盘/显示器屏幕显示器总线接口A/D模拟量输入模拟量信号接口状态量输入状态量信号接口数字量输入数字量信号接口脉冲量输入脉冲量信号接口数字量输出遥控输出接口D/A模拟量输出遥调输出单CPU结构RTU基本框图2、DSP器件测控单元DSP芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它是一种特殊的、专用的微处理器，具有可编程性，实时运行速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构，强大的信息处理能力以及较高的运行速度等特点，在各个领域得到越来越广泛的应用。串行通讯电源DSP组成的基本测控单元3、通用DSP与单片机的比较单片机只有单总线，且片外地址、数据线复用;而DSP片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，还有比异步串口(DART)速度高得多的同步串口或通信口，因此，数据输入/输出能力很强。DSP数据位宽，乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时速度快、精度高。DSP有大容量的片内存储器。但单片机的控制接口种类比DSP多，适用于以控制为主的模数混合设计。在其他方面，两者是类似的。二、需采集的数据信息电力系统需要采集的信息量大，且具有不同的特征，可把它们分成以下类型。1、模拟量（是指时间和幅值均连续变化的信号，是连续时间变量t的函数）电量：交流电压、交流电流、有功功率、无功功率、直流电压等非电量：温度、气体、压力、水位等、3、数字量：数字量是指时间和幅值均是离散的信号，包括BCD码仪表及其他数字仪表的测量值，并行和串行输入/输出的数据等。2、开关量：开关量是指随时间离散变化的信号，主要反映的是设备的工作状况，包括断路器、隔离开关、保护继电器的触点及其他开关的状态。4.脉冲量脉冲量是指随时间推移周期性出现短暂起伏的信号，包括系统频率转换的脉冲及脉冲电能表发出的脉冲等。掌握电力系统状况，采集的信息主要从两个方面着手，一个方面是遥测量，另一方面是遥信量。遥测量的类型：遥测量模拟量数字量脉冲量遥测量主要是电网中各元件如线路、母线、变压器-发电机等的运行参数，通过收集传送到调度中心去。(1)母线电压(尤其电压控制点)。(2)各条线路的有功、无功功率或电流。(3)变压器有功、无功功率。(4)发电机/电厂所发有功、无功出力。(5)电站/厂、线路有功、无功电能值。(6)系统频率。(7)变压器分接头位置。(8)水库水位。(9)气象数据等等。遥测量主要包括以下各种参数：(1)断路器的合、分状态。(2)隔离开关的合、分状态。(3)各个元件继电保护动作状态。(4)自动装置的动作状态。(5)发电机出力上、下限状态等。遥信量对正确反映电网的安全运行非常重要，任何一条线路的开关状态发生变化，就改变电网拓扑结构的变化，各种参数就可能发生变化。因此，正确地采集电网的开关量状态信息，是十分重要的。遥信量主要是反应电网开关状态的量和元件保护状态的信息。它主要包括以下内容:一、测控装置直流采样与交流采样有些模拟量是快速变化的交流量，如交流电压、交流电流等，有些模拟量是变化缓慢的直流量，如控制母线直流电压和操作母线直流电压，针对不同类型的模拟量可采用不同的采样方式。第二节模拟量信息采集的硬件构成(遥测量)1、直流采样直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量通过变送器转换成和被测量成线性关系的直流电压信号，再送至测控单元，测控单元对此直流量进行采样。直流采样方式原理：电量变送器①交流电压变送器和交流电流变送器②有功功率变送器和无功功率变送器③有功电能变送器和无功电能变送器④频率变送器⑤功率因数变送器⑥直流电压变送器和直流电流变送器⑦微机电量变送器电量信号非电量信号电量变送器/非电量变送器A/D转换计算机直流电信号非电量变送器温度变送器压力变送器流量变送器水位变送器等直流电压变送器是一种将电网中的直流电压隔离变送成线性的直流模拟信号的装置。将被测信号变换成一电压，经HCNR200/201线性光耦直接转换成一个与被测信号成线性关系并且完全隔离电压、再经过恒压（流）输出。直流变送器[1]电量变送器0~5V的直流输出电压交流电压变送器交流电流变送器直流采样电压形成回路直流采样测控单元TA直流采样的特点是:(1)直流采样对AID转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值，因此采样程序简单，软件的可靠性较好。(2)直流采样因经过整流和滤波环节，转换成直流信号，因此抗干扰能力较强。(3)直流采样输入回路，往往采用R-C滤波电路，其时间常数较大(一般几十毫秒--几百毫秒)，因此采样实时性差，而且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合用于微机保护和故障录波中。(4)直流采样需要变送器，增加了设备投资和占地面积。直流采样的优点：软件设计简单，计算简便。对采样值只须作一次比例交换，即可得到被测量的数据，因而采样周期短。在微机应用的初期，此方法得到了广泛的应用。直流采样的缺点：采样结果实时性较差；直流采样输入回路，因要滤去整流后的波纹，往往采用R-C滤波回路，其时间常数较大，无法反映被测模拟量的波形，更不能及时反映被测量的突变。测量精确度受直流变送器的精确度和稳定性的影响。设备复杂，增加系统的造价。是对互感器二次回路中的交流电流信号和交流电压信号直接采样。输入至A/D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。经模/数转换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率等电量值。交流采样是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P、Q值。2.交流采样交流采样的特点：1)实时性好；它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响。2)能反映原来电流、电压的实际波形，便于对所测量的结果进行波形分析；3)设备简单，可以节约投资。有功功率和无功功率是通过采样得到的u、i计算出来的，因此可以省去有功功率和无功功率变送器，可以节约投资并缩小测量设备的体积。4)对A/D转换器的转换速率和采样保持器要求较高。为了保证测量的精度，一个周期内，必须保证有足够的采样点数，因此要求A/D转换器要有足够的转换速度。5)测量准确度不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。TdttuTU0)(1根据模/数变换原理的不同，交流采样的输入电路有两种方式:1)基于逐次逼近型A/D转换方式(ADC)。它是直接将模拟量转变为数字量的变换方式。2)利用电压/频率变换(VFC)原理进行模/数变换方式。它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。二、基于A/D变换的模拟量输入电路图2-4基于A/D转换的模拟遥测量采集原理图交流采样电路交流采样是直接对交流电压和电流的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P、Q等值。交流电压交流电流电压传感（TV）电流传感（TA）A/D转换计算机调整电路（一）电压（电流）形成电路互感器电压、电流变换器的作用：1、进一步降低电压或电流。2、将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。（二）滤波及信号处理但在目前电力自动化系统都是要求反映工频分量，或是反映某种高次谐波。故可在采样之前限制一定频带，以降低采样频率。这样，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于失真。电力系统中电压、电流频率成分复杂。限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个低通滤波器将fs/2以上的频率分量滤去即可。低通滤波（ALF）•限制输入信号的最高频率，以降低采样频率。CRRLViVo采样保持器（S/H）的基本原理：采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。三、采样保持器（S/H）采样保持器（S/H）的作用：A/D转换器完成一次完整的转换需要的一段时间里，模拟量不能变化。S/H可将瞬间采集的模拟量保持一段时间，以保证A/D转换的实时性。三、采样保持器（S/H）采样保持器的基本组成原理图从图中可以看出，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。经过对Vi的采样，V0的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的“小平台”电压供A/D转换器进行A/D转换。A1、A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样／保持器的输入阻抗，减小输出阻抗。K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。串联型采样／保持器的结构Ui-+A1KUK-+A2CH模拟地UOCRRLViVo采样保持器应用电压形成回路采样保持回路一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D