第二章-變電站綜合自動化系統(tǒng)的間隔層裝置

1、第二章 變電站綜合自動化系統(tǒng)間隔層裝置第一節(jié) 間隔層裝置簡述一、間隔層裝置配置間隔層裝置在設(shè)計和配置方面，原則上與電氣間隔之間存在密切關(guān)系。根據(jù)間隔層裝置按電氣間隔配置的原則和站內(nèi)一次設(shè)備規(guī)模，可以方便地確定變電站綜合自動化系統(tǒng)所需間隔層裝置的數(shù)量。電氣間隔是一個強電即一次接線系統(tǒng)的概念，通常把斷路器或電氣元件（如主變壓器、母線等）作為電氣間隔劃分的依據(jù)。一個典型高壓變電站內(nèi)主要包括線路間隔、母聯(lián)（分段）間隔、主變壓器間隔、電容（電抗）間隔、站用變壓器間隔、母線間隔等。其中，主變壓器按其繞組涉及的電壓等級可分為高、中、低壓間隔和本體間隔。 一般認(rèn)為，間隔層裝置是指按變電站內(nèi)電氣間隔配置，實現(xiàn)對

2、相應(yīng)電氣間隔的測量、監(jiān)視、控制、保護及其他一些輔助功能的自動化裝置。間隔層裝置直接采集和處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給站控級計算機，同時接收站控層發(fā)出的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測和同步檢測后，實現(xiàn)對裝置的操作控制。間隔層也可獨立完成對斷路器和隔離開關(guān)的控制操作。間隔層裝置通常安裝在各繼電器小室，測控裝置按電氣設(shè)備間隔配置，各測控裝置相對獨立，通過通信網(wǎng)互聯(lián)。間隔層裝置具有以下優(yōu)點：按電氣間隔配置的原則使得因間隔層裝置故障產(chǎn)生的影響被限定在本間隔范圍內(nèi)，不會波及其他電氣間隔；監(jiān)控對象由整個變電站縮小為某個電氣間隔，單個裝置所需配備的IO點數(shù)量較少，減小了裝置體積的同時也使裝置安裝

3、方式更加靈活；間隔層裝置除具備傳統(tǒng)的輸入輸出功能外，還集成了同期合閘、防誤聯(lián)鎖等高級功能，保護測控綜合裝置更是把監(jiān)控功能和微機保護功能合而為一，降低了裝置成本。二、間隔層裝置分類 在分層分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)中，間隔層裝置（或稱為間隔層單元）,即前面所說的IED，大致可分成以下幾類：（1） 保護測控綜合裝置。也可簡稱為保護測控裝置，一般用于中低壓（110Kv以下）系統(tǒng)中，例如輸電線路保護測控裝置、變壓器后備保護測控裝置、站用變壓器保護測控裝置、電容器保護測控裝置、電抗器保護測控裝置等等，它們主要用于完成相應(yīng)的電氣間隔中設(shè)備的保護、測量及斷路器、隔離開關(guān)等的控制以及其它與其對應(yīng)的電氣間隔相關(guān)

4、的任務(wù)，降低了裝置成本并減少了二次電纜使用數(shù)量。對于110kV及以上電壓等級的高壓和超高壓間隔，為避免可能受到的干擾，保證保護功能的可靠性，目前仍采用保護和測控功能各自獨立配置的模式。所以又有以下（2）、（3）種類的間隔層裝置。（2） 測控裝置。測控裝置是變電站自動化系統(tǒng)的必要組成部分，主要完成對某一間隔電氣量（如電壓、電流、溫度、壓力等）的測量、控制（包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)等）及其它與其對應(yīng)的電氣間隔相關(guān)的任務(wù)，它面向的對象主要是斷路器或變壓器本體等。（3） 保護裝置。主要完成對某一間隔設(shè)備的保護保護任務(wù)，如輸電線路保護裝置、變壓器保護裝置、母線保護裝置、斷

5、路器保護裝置、短引線保護裝置等。（4） 公用間隔層裝置。在變電站中有一些公共信號及其測量值，如直流系統(tǒng)故障信號、直流屏交流失壓、所用電切換信號、所用電失壓、控制電源故障、合閘電源故障、控制母線故障、合閘母線故障、通訊故障信號、通訊電源故障、火災(zāi)報警控制回路故障信號、火災(zāi)報警動作信號、保安報警信號等等，需要一個或幾個公共間隔層裝置來進行相關(guān)信息的采集和處理。對于這類公共間隔層裝置，不同的廠家有著不同的配置，可以集中到一個或幾個公共測控裝置處理，也可分散到其他測控裝置中完成。（5） 自動裝置。如備用電源自動投入裝置、電壓無功控制裝置等。（6）操作切換裝置以及其他的智能設(shè)備和附屬設(shè)備。測控裝置和微機

6、保護裝置實現(xiàn)的功能雖然各不相同，但在輸入輸出接口電路和 CPU邏輯運算模塊等硬件回路設(shè)計上存在很多共同點，兩者的差異更多體現(xiàn)在軟件層面。隨著C PU運算能力和超大規(guī)模集成電路制造水平的不斷提高，保護和測控功能相互融合是大勢所趨，隨著技術(shù)的進步，將來保護測控合一裝置也會逐步在高壓、超高壓電氣間隔得到應(yīng)用。三、間隔層裝置箱體如圖21所示，保護與測控裝置采用機箱式結(jié)構(gòu)，每套裝置由一個或幾個箱體組成。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，有的保護裝置除了完成保護功能外，還具有其它功能。例如某10KV線路的保護裝置具有：10KV線路的保護功能、重合閘功能、故障錄波功能，此外還兼有遙測、遙信、遙控及用于切除本線路的低

7、周減載等功能。 圖21 保護裝置或測控裝置不同廠家箱體外觀保護與測控裝置機箱的正面稱為面板，如圖22(a)所示；面板上一般設(shè)置有：液晶顯示器、信號燈、鍵盤、插座和信號復(fù)歸按鈕等。其中：液晶顯示器可以用來顯示裝置的提示菜單、定值清單、事件報告、運行參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)等信息；信號燈用于運行監(jiān)視以及發(fā)出裝置動作、重合閘動作、告警等信號；鍵盤可以進行參數(shù)設(shè)定、控制操作、事件查詢等操作；信號復(fù)歸按鈕用來復(fù)歸程序、信號等；面板上的插座是一串行通信接口，用來外接計算機。外接的計算機可以代替本裝置的人機對話插件直接同本裝置箱體內(nèi)的各計算機插件通信。機箱背面設(shè)有接線端子排。在裝置機箱的背面，設(shè)有該裝置機箱的接線端子

8、排，用于裝置機箱與外部的連接。在各裝置的端子排上一般設(shè)有：交流輸入端子、直流電源輸入端子、網(wǎng)絡(luò)接口、跳閘出口、合閘出口、遙信開入、信號輸出等端子。圖22（b）為保護裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，裝置的內(nèi)部是由一個個印制電路板組成的,印制電路板上焊接有各種芯片及電子、電路元器件。為了便于調(diào)試、檢修，在裝置不帶電的情況下，每個印制電路板一般可以插、拔，因此把每個印制電路板也稱為一個插件。(a) 面板 （b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖22 保護與測控裝置的面板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)為保證機械強度，提高電磁屏蔽能力和裝置散熱效果，保護、測控裝置機箱一般都采用金屬材質(zhì)。由于鋁合金具有重量輕、機械強度高、熱傳導(dǎo)效率高、成本低等優(yōu)點，因此成為制造機

9、箱的首選材料。機箱高度通常采用6 U或 4 U（1U44.3mm）標(biāo)準(zhǔn)，機箱寬度由裝置配置插件的數(shù)量多少來決定，一般有1/3、1/2及1/1全寬度（全寬度19英寸，即4825mm）三種規(guī)格。機箱內(nèi)部通常采用前部插拔組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，強、弱電回路彼此分開，其中弱電回路采用背板總線方式，各CPU插件通過母線背板總線進行連接和通信，而強電回路則直接從插件上引出至機箱外部。這樣的設(shè)計不僅增強了硬件的可靠性和抗干擾性，而且提高了裝置功能組合的靈活性。對于分散安裝在開關(guān)柜面板上的中低壓保護測控合一裝置，考慮到一次設(shè)備現(xiàn)場運行環(huán)境較為惡劣，機箱設(shè)計應(yīng)考慮進一步提高抗振、防塵、耐腐蝕及電磁屏蔽能力等方面的要求。四

10、、間隔層裝置典型硬件結(jié)構(gòu)目前，出于可靠性、通用性、經(jīng)濟性和可維護性等諸多因素的考慮，我國廠商生產(chǎn)的間隔層裝置（包括保護裝置、測控裝置等）一般采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不同的產(chǎn)品由相同的功能組件按需要組合配置，這樣可實現(xiàn)功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，裝置內(nèi)部各插件做成模塊化，相互之間通過內(nèi)部總線連接，實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體應(yīng)用場合的需要增、減模塊。同時軟件功能也可靈活配置。圖23是保護、測控裝置典型硬件模件示意圖。從圖中可以看出保護、測控裝置主要由主C PU模件（含通信接口模件）、模擬量輸入模件、開關(guān)量輸入模件、開關(guān)量輸出模件、人機接口模件（MMI）、電源模件及機箱模件（圖中以母板模件表示）組成。CPU 模件是

11、裝置的核心部分，包含CPU 系統(tǒng)、實時硬時鐘系統(tǒng)和高速通信系統(tǒng)等；通信模件（COM）主要用于光纖通信及通信擴展，包含光纖收發(fā)接口、網(wǎng)絡(luò)接口、IRIG-B 碼對時接入（GPS對時的一種同步方式）等；開關(guān)量輸入/輸出模件提供裝置的開關(guān)量輸入及輸出，如跳合閘控制、動作及告警信號輸出等功能，并起到電氣隔離的作用；人機接口模件（MMI）采用內(nèi)部通信方式與CPU 模塊進行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供對裝置的本地操作接口，包括LCD 顯示屏、LED 指示燈、操作按鍵以及RS232 調(diào)試端口等；電源模件利用逆變原理將直流220V或110V 輸入轉(zhuǎn)換為裝置工作所需的直流電壓，如24V、±12V、5V等。圖2-

12、3 保護、測控裝置典型硬件模件示意圖目前，保護、測控裝置基本上按模塊化設(shè)計。不同的功能模塊，其硬件結(jié)構(gòu)基本上是大同小異，小異主要是指硬件模塊化的組合與數(shù)量不同，不同的使用場合按不同的模塊化組合方式構(gòu)成，所不同的是軟件，因為功能是靠軟件來實現(xiàn)，不同的功能用不同的軟件。一套保護、測控裝置功能模塊的典型硬件結(jié)構(gòu)主要包括：模擬量輸入/輸出回路、微型機系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出回路、人機對話接口回路、通信回路和電源等。如圖24所示。微處理器（CPU）存儲器WATCHDOG定時器人機交互接口打印機接口通用數(shù)字接口模擬量輸入變換模/數(shù)變換放大驅(qū)動數(shù)/模變換調(diào)制解調(diào)器開關(guān)量輸入信號處理開關(guān)量輸出電路光電隔離并行接

13、口本地操作人員模擬量輸入/輸出回路打印機人機對話回路至其他微機系統(tǒng)通信信息遠(yuǎn)傳通信接口微型機系統(tǒng)來自TA、TV的電流、電壓變電站測控對象開關(guān)量輸入/輸出回路開關(guān)量輸入去執(zhí)行元件220V接口硬件電源5V15V0V15V24V圖24 保護、測控裝置典型硬件結(jié)構(gòu)圖（一）微型機系統(tǒng)是保護、測控裝置硬件系統(tǒng)的數(shù)字核心部分，目前電力自動化裝置市場上呈現(xiàn)是多種多樣、各不相同，但它們具有一定的共性，一般由CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、Watchdog、外圍支持電路、輸入輸出控制電路組成。主要完成數(shù)據(jù)采集及計算、數(shù)據(jù)處理、控制命令的接收與執(zhí)行、邏輯閉鎖、GPS對時、MMI接口通信等。1、CPU（中央處理器）C

14、PU是微機系統(tǒng)自動工作的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于CPU來實現(xiàn)。因此，CPU的性能好壞在很大程度上決定了計算機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。當(dāng)前應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的自動化裝置所采用的CPU多種多樣，其中16位CPU以80C196系列使用最為廣泛。隨著微電子技術(shù)近幾年來突飛猛進的發(fā)展，新一代32位的CPU伴隨著大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用而被新一代自動化裝置中普遍采用。這一類CPU品種較多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用較多的一類。另一方面，隨著數(shù)字信號處理器（DSP）的廣泛應(yīng)用，自動化裝置采用DSP來完成裝置功能、實現(xiàn)裝置功能算法已成為一種發(fā)展趨勢，逐步應(yīng)用于實際。2、存儲

15、器計算機利用存儲器把程序和數(shù)據(jù)保存起來，使計算機可以在脫離人的干預(yù)下自動地工作，它的存儲容量和訪問時間直接影響著整個計算機系統(tǒng)的性能。在自動化裝置中，常見的存儲器包括EPROM（紫外線擦除電可編程只讀存儲器）、EEPROM（電擦除可編程只讀存儲器）、SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）、FLASH（快擦寫存儲器）以及NVRAM（非易失性隨機存儲器）等等。自動化裝置運行程序和一些固定不變的數(shù)據(jù)通常保存在EPROM中，這是由于EPROM的可靠性較高，通常只有紫外線長時間照射才可以擦除保存在EPROM中的內(nèi)容。由于EEPROM可以在運行時在線改寫，而且掉電后又可以保證內(nèi)容不丟失，因此在自動化裝置中通常用來保存

16、整定值。SRAM主要作用是保存程序運行過程中臨時需要暫存的數(shù)據(jù)。NVRAM和FLASH都是近幾年來迅速發(fā)展的非易失性存儲器，由于它們具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失，而且讀寫簡單方便等優(yōu)勢，在自動化裝置中通常將它們用來保存故障數(shù)據(jù)，以便事后分析事故用。還有一些新的自動化裝置將FLASH替代EPROM作為保存運行程序和固定參數(shù)用。隨著大規(guī)模集成電路和存儲技術(shù)的長足發(fā)展，半導(dǎo)體存儲器的集成度成倍地提高，現(xiàn)在已有不少CPU將SRAM、FLASH、EPROM等集成在一起，一方面降低了CPU外圍電路的復(fù)雜性，另一方面也加強了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。3、定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器在自動化裝置中十分重要，除計時作用外，

17、它還有兩個主要用途：一是用來觸發(fā)采樣信號，引起中斷采樣；另一是在V/F變換式A/D中，定時器/計數(shù)器是把頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部件。4、Watchdog我們知道，電力自動化裝置通常運行在強電磁干擾的環(huán)境中。當(dāng)自動化裝置受到干擾導(dǎo)致微機系統(tǒng)運行程序出軌后，裝置可能陷入癱瘓。Watchdog的作用就是監(jiān)視微機系統(tǒng)程序的運行情況，若自動化裝置受到干擾而失控，則立即動作以使程序重新開始工作。Watchdog的工作原理如圖25所示。圖中可被清除的定時脈沖發(fā)生器通常由單觸發(fā)器或計數(shù)器構(gòu)成。若無CLR清除脈沖信號，則定時脈沖發(fā)生器按一定頻率輸出脈沖。通常將此輸出脈沖引到微機系統(tǒng)的復(fù)位端。當(dāng)程序正常運行

18、時，不斷發(fā)出CLR清除脈沖信號，使脈沖發(fā)生器沒有輸出。當(dāng)運行程序受到干擾失控后，無法按時發(fā)出CLR清除脈沖信號，于是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生輸出，自動復(fù)位微機系統(tǒng)，使微機系統(tǒng)重新開始執(zhí)行程序，進入正常運行軌道。定時脈沖發(fā)生器CLROUT圖25 Watchdog原理在微型計算機系統(tǒng)中，CPU微處理器執(zhí)行放在EPROM中的程序，對由數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進行分析處理，以完成各種相應(yīng)的功能。（二）、模擬量輸入/輸出回路來自變電站測控對象的電壓、電流信號等是模擬量信號，即隨時間連續(xù)變化的物理量。由于微機系統(tǒng)是一種數(shù)字電路設(shè)備，只能接受數(shù)字脈沖信號，識別數(shù)字量，所以就需要將這一類模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的

19、微機系統(tǒng)能接受的數(shù)字脈沖信號。同時，為了實現(xiàn)對變電站的監(jiān)控，有時還需要輸出模擬信號，去驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)工作，這就需要模擬量輸出回路。（三）、開關(guān)量輸入/輸出回路開關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及有接點的中間繼電器等組成，主要用于人機接口、發(fā)跳閘信號等的告警信號以及閉鎖信號等。（四）、人機對話接口回路人機對話接口回路主要包括打印、顯示、鍵盤及信號燈、音響或語言告警等，其主要功能用于人機對話，如調(diào)試、定值整定、工作方式設(shè)定、動作行為記錄、與系統(tǒng)通信等。其中，界面設(shè)置的RS232串口主要用于本裝置調(diào)試過程中的參數(shù)配置文件下裝、歷史實時信息數(shù)據(jù)讀取及故障在線診斷等操作。（五）、通信回路保

20、護與測控裝置可分為多個子系統(tǒng)，如監(jiān)控子系統(tǒng)、微機保護子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)之間需要通信，如微機重合閘裝置動作跳閘，監(jiān)控子系統(tǒng)需要知道，即子系統(tǒng)間自動化裝置需要通信。同時，有些子系統(tǒng)的動作情況還要遠(yuǎn)傳給調(diào)度（控制）中心。所以通信回路的功能主要是完成自動化裝置間通信及信息遠(yuǎn)傳。（六）、電源供電電源回路提供了整套保護與測控裝置中功能模塊所需要的直流穩(wěn)壓電源，一般是利用交流電源經(jīng)整流后產(chǎn)生不同電壓等級的直流，以保證整個裝置的可靠供電。第二節(jié) 模擬量的采集與處理變電站的模擬量主要有三種類型：工頻變化的交流電氣量，如交流電壓、交流電流等；變化緩慢的直流電氣量，如直流系統(tǒng)電壓、電流等；變化緩慢的

21、非電氣量，如溫度等。這些模擬量都是隨時間連續(xù)變化的物理量。由于CPU只能識別數(shù)字量，因此模擬量信號必須通過模擬量輸入模件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量信號后才能輸入到CPU中進行處理。一、模擬量輸入電路原理簡述間隔層裝置采集變電站測控對象的電流、電壓、有功功率、無功功率、溫度等都屬于模擬量。模擬量的輸入電路是自動化裝置中很重要的電路，自動化裝置的動作速度和測量精度等性能都與該電路密切相關(guān)。模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)變換，以便與CPU接口，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。根據(jù)模數(shù)變換原理的不同，自動化裝置中模擬量輸入電路有兩種方式，一是基于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換方式（ADC），是直接將模擬量轉(zhuǎn)變

22、為數(shù)字量的變換方式；二是利用電壓/頻率變換（VFC）原理進行模數(shù)變換方式，它是將模擬量電壓先轉(zhuǎn)換為頻率脈沖量，通過脈沖計數(shù)變換為數(shù)字量的一種變換形式。另外，計算機輸出的信號是以數(shù)字的形式給出的，而有的執(zhí)行元件要求提供模擬的電流或電壓，故必須采用模擬量輸出通道來實現(xiàn)。下面分別說明上述問題。二、基于逐次逼近式A/D變換的模擬量輸入電路一個模擬量從測控對象的主回路到微機系統(tǒng)的內(nèi)存，中間要經(jīng)過多個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)。典型的模擬量輸入電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖26所示。主要包括電壓形成電路、低通濾波電路、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及A/D變換芯片五部分。下面分別敘述這些部分的工作原理及作用。圖26 逐次逼近式模擬量

23、輸入電路框圖 （一）電壓形成電路自動化裝置常從電流互感器（TA）和電壓互感器（TV）取得信息，但這些互感器的二次側(cè)電流或電壓量不能適應(yīng)模數(shù)變換器的輸入范圍要求，故需對它們進行變換。其典型原理圖如圖27所示。圖27 模擬量輸入電壓變換原理圖（a）電壓接口原理圖 （b）電流接口原理圖一般采用中間變換器將由一次設(shè)備電壓互感器二次側(cè)引來的電壓進一步降低，將一次設(shè)備電流互感器二次側(cè)引來的電流變成交流電壓。再經(jīng)低通濾波器及雙向限幅電路將經(jīng)中間變換器降低或轉(zhuǎn)換后的電壓變成后面環(huán)節(jié)中A/D轉(zhuǎn)換芯片所允許的電壓。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片要求輸入信號電壓為±5V或±10V，由此可以決定上述各種中間變換

24、器的變比。電壓形成電路除了起電量變換作用外，另一個重要作用是將一次設(shè)備的電流互感器TA、電壓互感器TV的二次回路與微機A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。圖27電路中的穩(wěn)壓管組成雙向限幅，使后面環(huán)節(jié)的采樣保持器、A/D變換芯片的輸入電壓限制在峰峰值±10V（或±5V）以內(nèi)。圖28所示為典型的間隔層保護裝置電壓形成回路三相電流、三相電壓、零序電流及線路抽取電壓等的輸入。Ux為重合閘中檢無壓、檢同期元件用的線路側(cè)電壓輸入。如重合閘不投或無同期問題時，該電壓可以不接。圖28 典型的保護線路保護裝置電壓形成回路接線（二）低通濾波器與采樣定理 （1）連續(xù)時間信號的采樣。大家知道，

25、微機處理的都是數(shù)字信號，必須將隨時間連續(xù)變化的模擬信號變成數(shù)字信號，為達(dá)到這一目的，首先要對模擬量進行采樣。采樣是將一個連續(xù)的時間信號x(t)變成離散的時間信號x(t)，采樣過程可用圖29所示。 圖29 采樣過程示意圖 采樣時間間隔由采樣控制脈沖s(t)來控制，相鄰兩個采樣時刻的時間間隔稱為采樣周期，通常用Ts表示。采樣僅是每隔Ts時間就取一次模擬信號的即時幅值，顯然它在各個采樣點上（0，Ts，2Ts，）的幅值與輸入的連續(xù)信號x(t)的幅值是相同的。在自動化裝置中，對電壓、電流量的采樣是以等采樣周期間隔來表示的。采樣周期Ts的倒數(shù)就是采樣頻率fs。即 （21）輸入模擬信號x(t)經(jīng)過理想采樣變

26、成x(t)后可以用下式表示： （22）在自動化裝置中，被采樣的信號主要是工頻50Hz信號，通常以工頻每個周期的采樣點數(shù)來間接定義采樣周期Ts或采樣頻率。例如若工頻每個周期采樣點數(shù)為12次，則采樣周期是Ts20/125/3（ms），采樣頻率50×12600Hz。（2）采樣定理。采樣是否成功，主要表現(xiàn)在采樣信號x(t)能否真實的反映出原始的連續(xù)時間信號中所包含的重要信息，采樣定理就是回答這個問題。我們先觀察圖210所示的波形。設(shè)被采樣的信號的頻率為，其波形如圖210（a）所示。對其進行采樣，圖210（b）是對每周采一點，即，采樣后所看到的為一直流量（見虛線）；圖210（c）中，當(dāng)略大于時

27、（這里1.5），采樣后所看到的是一個差拍低頻信號；又由圖210（d）可見，當(dāng)2時，采樣所看到的是頻率為的信號。不難想象，當(dāng)>2，采樣后所看到的信號更加真實地代表了輸入信號。由此可見，當(dāng)<2時，頻率為的輸入信號被采樣之后，將被錯誤地認(rèn)為是一低頻信號，我們把這種現(xiàn)象稱為“頻率混疊”現(xiàn)象。顯然，在2后，將不會出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象。因此，若要不丟掉信息地對輸入信號進行采樣，就必須滿足2這一條件。若輸入信號含有各種頻率成分，其最高頻率為，若要對其不失真地采樣，或者采樣后不產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，采樣頻率必須不小于2，即2，也就是說，為了使信號被采樣后不失真還原，采樣頻率必須不小于2倍的輸入信號的最高頻

28、率，這就是乃奎斯特采樣定理的基本思想。圖210 采樣頻率選擇示意圖舉例來說，小電流接地系統(tǒng)檢測裝置，要采樣的信號是5倍頻的電流信號，即5×50250Hz，采樣頻率至少應(yīng)選2×250Hz才能保證采樣的5倍頻電流信號不失真地還原。（3）低通濾波器的設(shè)置電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓和電流含有較高的頻率成分，如果要對所有的高次諧波成分均不失真地采樣，那么其采樣頻率就要取得很高，這就對硬件速度提出很高要求，使成本增高，這是不現(xiàn)實的。實際上，目前大多數(shù)自動化裝置原理都是反映工頻分量的，或者是反映某種高次諧波（例如5次諧波分量），故可以在采樣之前將最高信號頻率分量限制在一定頻帶內(nèi)，即限

29、制輸入信號的最高頻率，以降低采樣頻率，一方面降低了對硬件的速度要求，另一方面對所需的最高頻率信號的采樣不至于發(fā)生失真。要限制輸入信號的最高頻率，只需要在采樣前用一個模擬低通濾波器（ALF），將/2以上的頻率分量濾去即可。模擬低通濾波器可以做成無源或者有源的。圖27示意的是常用的RC低通濾波器，濾波器的階數(shù)則根據(jù)具體的要求來確定。模擬低通濾波器的幅頻特性的最大截止頻率，必須根據(jù)采樣頻率的取值來確定。例如，當(dāng)采樣頻率是1000Hz時即交流工頻50Hz每周期采20個點，則要求模擬低通濾波器必須濾除輸入信號大于500Hz的高頻分量；而采樣頻率是600Hz時，則要求必須濾除輸入信號大于300Hz的高頻分

30、量。（三）采樣保持器連續(xù)時間信號的采樣及其保持是指在采樣時刻上，把輸入模擬信號的瞬時值記錄下來，并按所需的要求準(zhǔn)確地保持一段時間，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D使用。對于采用逐次比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的工作需要一定的轉(zhuǎn)換時間，因此，需要使用采樣保持器。（四）模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）在實際的數(shù)據(jù)采集模塊中，被測量往往可能是幾路或幾十路，對這些回路的模擬量進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換時，為了共用A/D轉(zhuǎn)換器而節(jié)省硬件，可以利用多路開關(guān)輪流切換各被測量與A/D轉(zhuǎn)換電路的通路，達(dá)到分時轉(zhuǎn)換的目的。在模擬輸入通道中，其各路開關(guān)是“多選一”，即其輸入是多路待轉(zhuǎn)換的模擬量，每次只選通一路，

31、輸出只有一個公共端接至A/D轉(zhuǎn)換器。下面以常用的16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片AD7506為例，說明多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作過程。AD7506的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示于圖211，其引腳的功能分述如下：A0、A1、A2、A3： 通道數(shù)選擇，由CPU賦值，賦于不同的二進制碼可選通16路中對應(yīng)電子開關(guān)SA，當(dāng)某一路被選中，此路的SA閉合，將此路輸入接通到輸出端。： 輸入端共16路，可以接入16個輸入量。 : 輸出端。 ： 使能端，只有當(dāng)為高電位時，AD7506才能工作。 圖211 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片AD7506內(nèi)部結(jié)構(gòu)各引腳的配合見表21，其中，“×”表示取任意值。表21 AD7506內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 A0 A1 A2 A

32、3選通通道選中開關(guān)輸出10 0 0 00SA010 0 0 11SA111 1 1 115SA150× × × ×禁示無無輸出從功能表可看出，當(dāng)CPU按順序賦于不同的二進制地址，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)通過譯碼電路選通相應(yīng)的地址時，就將相應(yīng)路徑接通，使輸出電壓等于相應(yīng)路徑的輸入量。在實際中，采用的多路開關(guān)有雙四選一模擬開關(guān)，如美國RCA公司的CD4052、AD公司的AD7052；有八選一多路開關(guān)，如CD4051、AD7051、AD7053等；有16路選一路開關(guān)如CD4067和AD7506等。目前已有不少貼片的多路模擬開關(guān)芯片，體積很小，用于變電站自動化系統(tǒng)可使裝置的

33、體積減小，尤其適合分散式的單元模塊。（五）模/數(shù)變換（A/D）微機型系統(tǒng)只能對數(shù)字量進行運算或邏輯判斷，而電力系統(tǒng)中的電流、電壓等信號均為模擬量。因此，必須用模數(shù)變換器（ADC）將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便微機系統(tǒng)或數(shù)字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示。由于應(yīng)用特點和要求的不同，需要采用不同工作原理的A/D變換器。A/D變換器主要有以下幾種類型：逐次逼近型、積分型、計數(shù)型、并行比較型等。在選用A/D變換器時，主要應(yīng)根據(jù)使用場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度、精度、價格、功能以及接口條件等因素而決定選用哪種類型。（1）模數(shù)變換器（ADC）的工作原理在微機監(jiān)控和微機保護中最常用的是逐次逼近型原

34、理實現(xiàn)的，其原理框圖如圖212所示。它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器以及時序和控制邏輯等部分組成。它的實質(zhì)是逐次把設(shè)定的SAR寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的電壓UC與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓UX進行比較。比較時，先從SAR的最高位開始，逐次確定各位的數(shù)碼是“1”還是“0”，其工作過程如下。圖212 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理（a）原理框圖 （b）逐次逼近過程在進行轉(zhuǎn)換時，先將SAR寄存器各位清零。轉(zhuǎn)換開始時，控制邏輯電路先設(shè)定SAR寄存器的最高位為“1”，其余各位為“0”，此試探值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓UC，然后將UC與模擬輸入電壓UX比較。如果UXUC，說明SAR最高位的“1

35、”應(yīng)予保留；如果UX<UC，說明SAR該位應(yīng)予清零。然后再對SAR寄存器的次高位置“1”，依上述方法進行D/A轉(zhuǎn)換和比較。如此重復(fù)上述過程，直至確定SAR寄存器的最低位為止。過程結(jié)束后，狀態(tài)線EOC改變狀態(tài)，表明已完成一次轉(zhuǎn)換。最后，逐次逼近寄存器SAR中的內(nèi)容就是與輸入模擬量UX相對應(yīng)的二進制數(shù)字量。顯然A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)N決定于SAR的位數(shù)和D/A的位數(shù)。圖212（b）表示四位A/D轉(zhuǎn)換器的逐次逼近過程。轉(zhuǎn)換結(jié)果能否準(zhǔn)確逼近模擬信號，主要取決于SAR和D/A的位數(shù)。位數(shù)越多，越能準(zhǔn)確逼近模擬量，但轉(zhuǎn)換所需的時間也越長。逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的主要特點是：轉(zhuǎn)換時間固定，不隨輸入信號的變化

36、而變化。轉(zhuǎn)換速度較快，一般在1100s以內(nèi)。分辨率可以達(dá)18位，特別適用于工業(yè)系統(tǒng)?？垢蓴_能力相對積分型的差。例如，對模擬信號采樣過程中，若在采樣時刻有一個干擾脈沖疊加在模擬信號上，則采樣時，包括干擾信號在內(nèi)，都被采樣和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這就會造成較大的誤差，所以有必要采取適當(dāng)?shù)臑V波措施。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能指標(biāo)：1） 分辨率：分辨率反映A/D轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位（LSB）所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。例如，8位A/D轉(zhuǎn)換器能對模擬量輸入滿量程的1/281/256的增量做出反映。N位A/D能反映1/2n滿量程的模擬量輸入電壓。由于分辨率直接與轉(zhuǎn)換器的位數(shù)

37、有關(guān)，所以一般也簡單地用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率，即N位二進制數(shù)最低位所具有的權(quán)值就是它的分辨率。表22列出了幾種位數(shù)與分辨率的關(guān)系。表22 位數(shù)與分辨率的關(guān)系位數(shù)分辨率（分?jǐn)?shù)）4 1/24=1/168 1/28=1/25610 1/210=1/102412 1/212=1/409616 1/216=1/655362）精度：精度有絕對精度（Absolute Accuracy）和相對精度（Relative Accuracy）兩種表示方法。絕對精度以數(shù)字量的最小有效位（LSB）的分?jǐn)?shù)值來表示絕對精度。例如±1LSB、等。絕對誤差包括量化誤差和其他所有誤差；相對精度是指整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一

38、數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。例如：滿量程為10V的10位A/D芯片，若其絕對精度為，則其最小有效位的量化單位E9.77mV，其絕對精度為4.88mV，其相對精度為。值得注意的是，分辨率與精度是兩個不同的概念，不要把兩者混淆。精度是指轉(zhuǎn)換或所得結(jié)果對于實際值的準(zhǔn)確度，而分辨率是指能對轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響的最小輸入量。即使分辨率很高，也可能由于溫度漂移、線性度等原因而使精度不夠高。3）電源靈敏度。電源靈敏度是指A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差，一般用電源變化1時相當(dāng)?shù)哪M量變化的百分?jǐn)?shù)來表示。4）轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D

39、轉(zhuǎn)換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)果信號開始有效的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如AD574的轉(zhuǎn)換時間為25，其轉(zhuǎn)換速率為40kHz。5）輸出邏輯電平。多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出邏輯電平為5V，與TTL電平兼容，因為CPU數(shù)據(jù)通信總線的電平就是5V。故在考慮數(shù)字量輸出與微處理器的數(shù)據(jù)總線接口時，應(yīng)注意是否要三態(tài)邏輯輸出，是否要對數(shù)據(jù)進行鎖存等。6）工作溫度范圍。由于溫度會對比較器、運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，故只在一定的溫度范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo)。一般A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為070，軍用品的工作溫度范圍為55125。7）量程。量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓的范圍

40、，分單極性、雙極性兩種類型。例如，單極性量程為05V、010V、020V；雙極性量程為2.52.5V、55V、1010V。目前，常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為AD574，是快速12為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，由美國模擬器件公司生產(chǎn)，28腳雙列直插式標(biāo)準(zhǔn)封裝，其內(nèi)部包括快速12位D / A轉(zhuǎn)換器、高性能比較器、逐次比較邏輯寄存器、時鐘電路、邏輯控制電路及三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器等。一次轉(zhuǎn)換時間為25，工作電源為±15V和5V。三、基于V/F轉(zhuǎn)換的模擬量輸入回路通過了解逐次逼近式A/D變換原理可知，這種A/D變換過程中，CPU要使采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及A/D變換器三個芯片之間協(xié)調(diào)好，因此接口電路復(fù)雜。

41、而且ADC芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高。目前，許多微機應(yīng)用系統(tǒng)采用電壓頻率變換技術(shù)進行A/D變換。（一）VFC型A/D變換簡述電壓頻率變換技術(shù)（VFC）的原理是將輸入的電壓模擬量線性地變換為數(shù)字脈沖式的頻率使產(chǎn)生的脈沖頻率正比于輸入電壓的大小，然后在固定的時間內(nèi)用計數(shù)器對脈沖數(shù)目進行計數(shù)，使CPU讀入，其原理圖如213所示。 圖213 VFC型A/D變換原理框圖 圖中VFC可采用AD654芯片，計數(shù)器可采用8031或內(nèi)部計數(shù)器，也可采用可編程的集成電路計數(shù)器8253。CPU每隔一個采用間隔時間TS，讀取計數(shù)器的脈沖計數(shù)值，并根據(jù)比例關(guān)系算出輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字量，從而完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換。VFC型的A/D變

42、換方式及與CPU的接口，要比ADC型變換方式簡單得多，CPU幾乎不需對VFC芯片進行控制。裝置采用VFC型的A/D變換，建立了一種新的變換方式，為微機系統(tǒng)帶來很多好處，其優(yōu)點可歸納如下： 1）工作穩(wěn)定，線性好，電路簡單。2）抗干擾能力強，VFC是數(shù)字脈沖式電路，因此它不受脈沖和隨機高頻噪音干擾?？梢苑奖愕卦赩FC輸出和計數(shù)器輸入端之間接入光隔元件。3）與CPU接口簡單，VFC的工作不需要CPU控制。4）可以方便地實現(xiàn)多CPU共享一套VFC變換。（二）典型的VFC芯片AD654的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）VFC芯片AD654的結(jié)構(gòu)。AD654芯片是一個單片VFC變換芯片，中心頻率為50Hz。它是由阻抗

43、變換器A、壓控振蕩器和驅(qū)動輸出級回路構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖214（a）所示。壓控振蕩器是一種由外加電壓控制振蕩頻率的電子振蕩器件，芯片只需外接一個簡單RC網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)阻抗變換器A變換輸入阻抗可達(dá)到50M。振蕩脈沖經(jīng)驅(qū)動級輸出可帶12個TTL負(fù)載或光電耦合器件。要求光隔器具有高速光隔性能。 圖214 AD654芯片結(jié)構(gòu)及電路圖 （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）工作電路圖（2）AD654的工作電路。AD654芯片的工作方法可有兩種方式，即正端輸入和負(fù)端輸入方式。在裝置上大多采用負(fù)端輸入方式。因此4端接地，3端輸入信號，見圖214（b）。由于AD654芯片只能轉(zhuǎn)換單極性信號，所以對于交流電壓的信號輸入，必須有個負(fù)的偏

44、置電壓，它在3端輸入。此偏置電壓為5V，其壓控振蕩頻率與網(wǎng)絡(luò)電阻的關(guān)系如下式 （23）式中為輸入電壓，CT為外接振蕩電容。可見輸出頻率與輸入電壓呈線性關(guān)系。RP1用來調(diào)整偏置值，使外部輸入電壓為零時輸出頻率為250kHz，從而使交流電壓的測量范圍控制在±5V的峰值內(nèi)，這也叫零漂調(diào)整。各通道的平衡度及刻度比可用電位器RP2來調(diào)整。R1和C1設(shè)計為浪涌吸收回路，不是低通濾波器。VFC的變換特性與輸入交流信號的變換關(guān)系見圖215。通常整套微機裝置的調(diào)整只有RP1 和RP2可調(diào)，并在出廠時都已調(diào)好，一般可以不加調(diào)整，需要調(diào)整時也只要稍做一些微調(diào)即可。圖215 VFC變換關(guān)系圖（3）VFC的工

45、作原理。當(dāng)輸入電壓0時，由于偏置電壓5V加在輸入端3上，輸出信號是頻率為250kHz的等幅等寬的脈沖波，見圖216（a）。當(dāng)輸入信號是交流信號時，經(jīng)VFC變換后輸出的信號是被交變信號調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，見圖216（b）。由于VFC的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻50Hz，因此就某一瞬間而言，交流信號頻率幾乎不變，所以VFC在這一瞬間變換輸出的波形是一連串頻率不變的數(shù)字脈沖波，可見VFC的功能是將輸入電壓變換成一連串重復(fù)頻率正比于輸入電壓的等幅脈沖波。而且，VFC芯片的中心頻率越高，其轉(zhuǎn)換的精度也就越高。在新型的自動裝置中采用VFC110芯片，該芯片的中心頻率為2MHz，是AD654的8倍，因此變換精

46、度及保護的精工電流都有了較大提高。 圖216 VFC工作原理和計數(shù)采樣 （a）0； （b）為交變信號（4）采樣計數(shù)計數(shù)器對VFC輸出的數(shù)字脈沖計數(shù)值是脈沖計數(shù)的累計值，如CPU每隔一個采樣間隔時間TS讀取計數(shù)器的計數(shù)值，并計作Rk1、Rk、Rk1、，則在tKNTS至tK的這一段時間內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖數(shù)為DkRkR（kN），如圖216（b）所示。如果每個脈沖數(shù)對應(yīng)的電壓值（伏）為Kb系數(shù)，則輸入電壓可用下式表示 （DkD0）×Kb （24）式中D0為250kHz中心頻率對應(yīng)的脈沖常數(shù)見圖215和圖216（a）。增大N值可提高分辨率和精度，但也增加了采樣時間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)要求，用

47、軟件自動改變N值，以兼顧速度和精度。在自動化裝置的定值整定清單中，式（24）中的Kb常用UP表示電壓比例系數(shù)，用IP表示電流比例系數(shù)。這些系數(shù)是廠家給定并已調(diào)整好的，用戶不比整定調(diào)整。值得注意的是，式（24）表示的是在tk2TStk極短時間內(nèi)的瞬時值，并不是有效值。如果要計算有效值還必須對該交變信號連續(xù)采樣，然后由軟件按一定算法計算。（三）逐次逼近式和電壓頻率變換式兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點分析以上我們介紹了兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，通過分析我們可以看出兩者都具有各自的工作特點，在使用時，應(yīng)根據(jù)需要加以選擇。兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)

48、轉(zhuǎn)換數(shù)字量對應(yīng)于模擬輸入電壓信號的瞬時采樣值，可直接將此數(shù)字量用于數(shù)字算法；而電壓頻率變換式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在每一個采樣時刻讀出的計數(shù)器數(shù)值不能直接使用，必須采用相隔一定時間間隔的計數(shù)器讀值之差后才能用于各種算法，且此計數(shù)器讀值之差對應(yīng)于在一定時間期內(nèi)模擬輸入電信號的積分值。對于要求動作速度較快的微機型裝置應(yīng)采用逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（2）逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一旦轉(zhuǎn)換芯片選定后，其輸出數(shù)字量的位數(shù)不可變化即分辨率不能再改變。而對于電壓頻率變換式VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則可以通過增大計算脈沖時間間隔來提高其轉(zhuǎn)換精度或分辨率。（3）對于逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對芯片的轉(zhuǎn)換時間有嚴(yán)格的要求，必須滿足在一

49、個采樣時間間隔內(nèi)，快速完成數(shù)據(jù)采集，以留給微型機時間去執(zhí)行軟件程序。而對電壓 頻率變換式VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則不存在轉(zhuǎn)換速度的問題，它是利用輸入計數(shù)器的脈沖的計數(shù)值來獲取模擬輸入信號在某一時間內(nèi)的積分值對應(yīng)的數(shù)字量。在使用時應(yīng)注意到計數(shù)芯片的輸入脈沖頻率不能超出極限計數(shù)頻率。（4）逐次逼近式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要由定時器按規(guī)定的采樣時刻，定時給采樣保持芯片發(fā)出采樣和保持的脈沖信號，而電壓頻率變換式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則只需按采樣時刻讀出計數(shù)器的數(shù)值。四、模擬量數(shù)據(jù)的前置處理計算機采集的模擬量種類繁多，通過A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量后送計算機。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換讀入的數(shù)據(jù)，以不同的通道號代表不同的物理量，存入指定的

50、存儲單元。上述數(shù)據(jù)還要進行一系列簡單處理（即前置處理），然后存入數(shù)據(jù)庫保存。數(shù)據(jù)前置處理流程如圖217所示。圖217 數(shù)據(jù)前置處理流程1標(biāo)度變換進入A/D的信號一般是電平信號，但其意義卻有所不同、例如同樣是5V電壓，可以代表90°變壓器溫度，也可以代表500A電流或110kV電壓等。因此，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的同一數(shù)字量所代表的物理意義是很不相同的。所以要由計算機乘上不同的系數(shù)進行標(biāo)度變換，把它們恢復(fù)到原來的量值。 2數(shù)據(jù)的有效性檢驗其目的是判斷采入的數(shù)據(jù)是否有明顯的出錯或為干擾信號等。可根據(jù)物理量的特性來判斷；例如：（1）變化緩慢的參數(shù)，可用同一參數(shù)前、后周期的變化量來判斷。如后一周期內(nèi)

51、的量變化超過一定范圍，與規(guī)律不符，則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)是不可信的“壞”數(shù)據(jù)。（2）利用相關(guān)參數(shù)間的關(guān)系互相校核。例如勵磁電壓與勵磁電流之間有較強的相關(guān)性，可以互相校核。當(dāng)勵磁電壓升高時，勵磁電流必定按一定關(guān)系上升，不符合這種情況的數(shù)據(jù)是不可信的。（3）對于一些重要參數(shù)，可以用兩個測點或在同一測點上裝兩臺變送器，用它們之間的差值進行校核。差值超過一定數(shù)值的數(shù)據(jù)是不可信的。對于可疑數(shù)據(jù)，需進一步判別。（4）限制判斷。各種數(shù)據(jù)，當(dāng)超過其可能最大變化范圍時，該數(shù)據(jù)為不可信的。可見，根據(jù)量值的類型，選擇合適的判斷方法，達(dá)到可信目的，是數(shù)據(jù)有效性檢驗的任務(wù)。3線性化處理有的變送器的輸出信號與被測參數(shù)之間可能呈非

52、線性關(guān)系，為了提高測量精度，可采取線性擬合措施，以消除傳感器或轉(zhuǎn)換過程引起的非線性誤差。4數(shù)字濾波輸入的信號中?；祀s有各種頻率的干擾信號。因此，在采集的輸入端通常加入RC低通濾波器，用于抑制某些干擾信號。RC濾波器易實現(xiàn)對高頻干擾信號的抑制，但欲抑制低頻干擾信號（如頻率為0.01Hz的干擾信號）要求C值太大，不易實現(xiàn)。而數(shù)字濾波器可以對極低頻率的干擾信號進行濾波，彌補了RC濾波器不足。數(shù)字濾波就是在計算機中用一定的計算方法對輸入信號的量化數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)處理，減少干擾在有用信號中的比重，提高信號的真實性。這是一種軟件方法，對濾波算法的選擇、濾波系數(shù)的調(diào)整都有極大的靈活性，因此在模擬量的處理上廣泛采

53、用。五模擬量數(shù)據(jù)處理 為保證模擬量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性及傳輸?shù)耐〞承裕珻PU需對AD采樣的模擬量數(shù)據(jù)進行以下方面的處理： 1）數(shù)據(jù)合理性檢查。數(shù)據(jù)合理性檢查是剔除個別明顯不合理數(shù)據(jù)的最簡單的方法，可以保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的有效性。進行合理性檢查的依據(jù)是客觀事物相互之間的聯(lián)系規(guī)律，有可能是較復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，也有可能只是簡單的數(shù)學(xué)或邏輯關(guān)系。例如，某臺500kV主變壓器額定容量為500MVA，但遙測值卻顯示主變壓器220kV側(cè)輸出有功功率為5000MW，顯然該遙測值是錯誤的。數(shù)據(jù)合理性檢查主要是通過軟件對每個模擬量信號預(yù)先設(shè)置有效值范圍或與其他信號或定值的函數(shù)關(guān)系，如果采樣值超出有效值范圍或與事先設(shè)定

54、的函數(shù)關(guān)系不匹配，那么該遙測值就會被作為無效數(shù)據(jù)而剔除。2）零漂抑制及越閾值傳送。用于抑制零點附近因測量不準(zhǔn)確引起的數(shù)值波動，以減少CPU的計算量及總線和通道數(shù)據(jù)傳輸量。正常情況下，輸入測控裝置的大多數(shù)遙測量隨時間的變動不大，如母線電壓及恒定負(fù)載等。重復(fù)傳送這些變動極小的遙測量不僅意義不大，而且加重了兩端測控裝置和主機以及通訊信道的負(fù)擔(dān)。為了提高效率，降低裝置運算負(fù)荷，壓縮需傳送的數(shù)據(jù)量，可為遙測量設(shè)置一個閾值。當(dāng)遙測量的變動未超過規(guī)定值時就不再予以發(fā)送。例如，某線路電流遙測量現(xiàn)值為1000A，其閾值規(guī)定為2A，5s后測得該遙測量為999A，則測控裝置仍將該遙測量視為1000 A，而不向主機發(fā)

55、送該遙測刷新數(shù)據(jù)，主機仍以原有值 1000 A作為該遙測量值。此后，如測得該遙測量為997 A，由于10009972，測控裝置就將該遙測量數(shù)據(jù)更新為997，發(fā)送給主機，并應(yīng)以新數(shù)據(jù)997為判斷的新標(biāo)桿值；如測得該遙測量為996A，由于9979962，因此數(shù)據(jù)不刷新、不上送。在實際參數(shù)配置文件中閾值大都以額定值的百分比來表示，閾值也被稱為“壓縮因子”，因為采用遙測量越閾值傳送可有效壓縮正常情況下的數(shù)據(jù)傳輸量，降低裝置、主機和通道負(fù)荷。 3）越限判斷。電力系統(tǒng)的各種運行參數(shù)有些因受約束條件的限制不能超過一定的限值。例如受到靜態(tài)穩(wěn)定極限的約束，規(guī)定某線路的傳輸功率不能大于某一限值；又如母線電壓不允許

56、太高和太低，規(guī)定了運行電壓的上限值和下限值。這些被設(shè)置了限值的運行參數(shù)如超越限值，測控裝置會馬上告警，并記錄越限發(fā)生時間的時標(biāo)和數(shù)值。當(dāng)遙測量重新恢復(fù)正常時也會記錄恢復(fù)的時間和數(shù)值。 4）越限死區(qū)值設(shè)定。如果運行參數(shù)由于某些原因在限值附近來回波動，就會出現(xiàn)越限和復(fù)限事件交替產(chǎn)生，頻繁告警，這會困擾值班人員。為了緩解這種情況，可設(shè)置“越限死區(qū)值”，當(dāng)運行參數(shù)超過上限，則判為越上限，可發(fā)出越限告警信號；只有當(dāng)運行參數(shù)回落到“死區(qū)” 以下時，才判為復(fù)限。 越限死區(qū)值是一個重要的參數(shù)，合理設(shè)定該參數(shù)不僅可消除某些運行參數(shù)在限值附近波動時頻繁告警對值班人員的困擾，而且可有效減少CPU的計算量及總線和通道數(shù)據(jù)傳輸量。死區(qū)值的大小可根據(jù)各遙測量的具體情況而定。 第三節(jié) 開關(guān)量的輸入與輸出在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，除模