電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動化第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理

第二章交流數(shù)據(jù)采集與處理概述互感器直流采樣交流采樣與合并單元電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理標度變換實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)視和控制表征電網(wǎng)實時運行狀態(tài)的遙測量值和遙信狀態(tài)采集與傳送對這些信息進行適當?shù)募庸ぬ幚?，形成控制電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的遙控、遙調(diào)命令。

直流采樣整流、二進制轉換交流采樣一周期多次采樣、轉換、計算電能數(shù)據(jù)采集脈沖與計數(shù)采樣方式三種模擬量快速變化的交流量：如交流電壓、電流、功率等緩慢變化的直流量：如控制母線的直流電壓、操作母線的直流電壓緩慢變化的非電量：如溫度、壓力、水位等。采樣方式只針對交流信號的采集。直接將交流信號變送為0～5V的交流電壓信號送至A/D轉換器進行轉換，即采集交流信號的瞬時值，然后采用算法計算電壓、電流的有效值及利用電壓電流計算功率。直流采樣交流采樣直流電量：利用直流電量變送器將實際的電壓電流值轉換為0～5V的直流電壓。交流電量：采用交流電壓、電流和功率變送器將相應原始信號轉換為0～5V或0～±5V的直流電壓信號。非電量：利用專用的溫度變送器、壓力變送器采樣方式直流采樣的特點對A/D轉換器轉換速率要求不高，軟件算法簡單，程序可靠性高經(jīng)過整流和濾波環(huán)節(jié)，抗干擾能力較強。直流采樣輸入回路常采用RC電路濾去整流后的紋波，采樣實時性差，無法反映被測量的波形，因此不適用于微機保護和故障錄波。需要變送器屏。采樣方式交流采樣的特點實時性好能反映實際波形可以省略功率變送器，功率由算法計算得到。對A/D轉換器和采樣保持器要求較高，要求一個周期內(nèi)必須有足夠的采樣點數(shù)，要求A/D轉換器轉換速度高。采樣和計算的程序比較復雜。模擬量輸出

D/A轉換器基本原理

D/A轉換器的結構

互感器（TA）高電壓、大電流測量傳統(tǒng)電壓互感器和電流互感器輸出交流電壓0~100V，交流電流0~5A，經(jīng)中間變換器變換為低電壓。電子式互感器直接變換到數(shù)據(jù)變換設備所規(guī)定的低電壓。

互感器的作用1.將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈返臉藴手?，使測量儀表和保護裝置標準化。2.所有二次設備可用低電壓、小電流的電纜連接，二次設備的絕緣水平能按低電壓設計，結構輕巧，價格便宜。便于集中管理，可實現(xiàn)遠方控制和測量。3.二次回路不受一次回路的限制，4.使二次側的設備與高電壓部分隔離，且互感器二次側要有一點接地，保證二次系統(tǒng)設備和工作人員的安全?；ジ衅鞯念愋?/p>

互感器

電流互感器的工作原理電磁式電流互感器的工作原理：相當于工作在短路條件下的小容量升壓變壓器KTA=IN1/IN2

≈WN2/WN1W1W2電磁式電壓互感器工作原理相當于工作在開路條件下的小容量降壓變壓器。其一、二側額定電壓之比為：KTV=U1N/U2N一、電磁式互感器的工作原理二、互感器的誤差三、互感器的準確級與二次額定容量四、互感器的極性和常用接線（一）電流互感器1。電磁式電流互感器二次側處于近似于短路比值誤差和角誤差磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)范圍小電子式電流互感器國際電工委員會發(fā)布的電子式電流互感器標準為

IEC60044．8我國等同采用并轉化為相應的國標GB20840．8-2007（1）羅氏線圈電流互感器

Rogowski線圈為一空心環(huán)形線圈，二次繞組纏繞在非磁性骨架上，被測電流垂直穿過線圈中心，根據(jù)電磁感應原理可以得到線圈輸出電壓電子式電流互感器羅氏線圈電流互感器

羅氏線圈電流互感器電磁感應原理

μ0----真空磁導率

D-----匝數(shù)密度，匝數(shù)/mS-----二次繞組導線面積，m2

dI/dt-----一次電流對時間的導數(shù)

H----電感系數(shù)，h羅氏線圈電流互感器沒有鐵心，沒有非線性影響，如飽和等問題,因為沒有飽和，動態(tài)范圍大

。羅氏線圈電流互感器輸出電壓正比于電流對時間的導數(shù)，須積分后才可以還原電流波形，高壓側存在積分器和采樣變換回路，線圈材質(zhì)易受環(huán)境溫度影響變形。

光學電流互感器（OCT）Faraday磁光效應光的偏振面受到外加磁場的作用而產(chǎn)生旋轉的現(xiàn)象。磁場的方向與光的傳播方向平行，線性偏振光通過置于磁場中的法拉第旋光材料后，出射線性偏振光與入射線性偏振光的偏振面將產(chǎn)生旋轉角。全光纖電流互感器的原理法拉第磁光效應原理光學電流互感器（OCT）光學電流互感器（OCT）v----材料的Verdet常數(shù)H----磁場強度L----通過法拉第磁光玻璃的光程光學電流互感器（OCT）測得線偏振光的旋轉角度θ就可以求出導體中的電流i(t)。OCT具有不受電磁干擾、不飽和、測量范圍大、有效頻帶寬。A）不通電B）通電保護:5P30/1P50，測量:0.2級符合IEC60044-8和GB/T20840.8

利用磁光法拉第效應

光波在通電導體的磁場作用下，光的傳播發(fā)生相位變化

檢測光強的相位變化，測出對應電流大小全光纖電流互感器的原理全光纖電流互感器的特點敏感元件和傳輸元件全部采用光纖；共光路技術和差動信號解調(diào)方式提高了抗干擾能力采用了全數(shù)字閉環(huán)控制技術；受環(huán)境影響??；高精確度和大測量動態(tài)范圍；精確測量直流。安裝方式靈活，適應性強。（靈活的安裝方式）（靈活的安裝方式）電壓互感器電磁式電壓互感器電壓互感器電磁式電壓互感器二次繞組的設備的阻抗大，電流小，近似空載。誤差影響因素：二次負荷電子式電壓互感器國際電工委員會發(fā)布的電子式電壓互感器標準

IEC60044．7我國等同采用并轉化為相應的國標

GB20840．7-2007電子式電壓互感器分壓原理電壓互感器(采用電容分壓、電阻分壓或阻容分壓原理)分壓原理電壓互感器對數(shù)據(jù)采集裝置的輸入阻抗的要求很高，尤其是母線電壓互感器，應該先把二次電壓轉換為數(shù)字量，然后通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳送。電子式電壓互感器光學電壓互感器(OVT)透明的光學介質(zhì)(也稱壓電晶體)在沒有外加電場作用時是各向同性的。在外加電場作用下，晶體將變?yōu)楦飨虍愋缘碾p軸晶體，從而導致其折射率發(fā)生變化，通過晶體的偏振光將產(chǎn)生雙折射，使一束偏振光變?yōu)閮墒辔徊煌?因兩束光的傳播速度不同)的偏振光。電場對透明晶體影響的電光效應被稱為Pockels效應。電子式電壓互感器光學電壓互感器(OVT)10KV電流互感器結構實例35KV電流互感器結構實例35KV電流互感器結構實例60、110、220KV電流互感器新型500KV電流傳感器JCCl一110型串級式電壓互感器的結構瓷外殼裝在鋼板做成的圓形底座上。原繞組的尾端、基本付繞組和輔助付繞組的引線端從底座下引出。原繞組的首端從瓷外殼頂部的油擴張器引出。油擴張器上裝有吸潮器。220kV串級式電壓互感器的原理接線圖互感器由兩個鐵心組成，一次繞組分成匝數(shù)相等的四個部分，分別套在兩個鐵心上、下鐵柱上，按磁通相加方向順序串聯(lián)，接在相與地之間。每一單元線圈中心與鐵心相連。二次繞組繞在末級鐵心的下鐵柱上。

電壓互感器結構實例直流采樣

1中間電流變換器和中間電壓變換器中間電流變換器的結構與普通電流互感器相同，通過在二次側的電阻，把小電流轉換成低電壓。中間電壓變換器的結構與普通電壓互感器相同。中間變換器起電磁隔離作用。重要的是處理好阻抗的匹配問題。2。精密整流電路直流采樣3。有源低通濾波電路直流采樣交流采樣原理在一個交流信號周期T內(nèi)，對輸入信號采樣N次，兩次采樣之間的時間間隔Ts=T/N。采樣定理：完整表達輸入信號的充要條件：模擬信號數(shù)字化與信源編碼低通信號的抽樣定理1．定理內(nèi)容抽樣定理在時域上可以表述為：對于一個頻帶限制在(0，fH)Hz內(nèi)的時間連續(xù)信號f(t)，如果以Ts≤1/(2fH)秒的間隔對其進行等間隔抽樣，則f(t)將被所得到的抽樣值完全確定。f(t)s(t)δT(t)相乘器(a)s(t)f(t)低通濾波器（b）圖3-2模擬信號的抽樣過程示意圖（a）模擬信號的抽樣實現(xiàn)；（b）信號的恢復過程如圖3-2分析可知模擬信號抽樣過程中各個信號的波形與頻譜如圖3-3所示（f(t)、δT(t)為已知假設的信號）。模擬信號的抽樣過程如圖3-2所示。模擬信號數(shù)字化與信源編碼0ttωωωtST(ω)s(ω)s(t)ST(t)（a）（b）（c）x(t)x(ω)-2Ts-Ts0Ts2Ts-2ωs-ωs0ωs2ωs-ωm0ωm-2Ts-Ts0Ts2Ts-2ωs-ωm-ωs0ωm

ωs2ωm圖3-3抽樣過程中的信號波形與頻譜

(a)模擬信號的波形與頻譜；

(b)沖激函數(shù)信號的波形與頻譜；

(c)抽樣信號的波形與頻譜模擬信號數(shù)字化與信源編碼

如圖3-4所示為兩種情況下的頻譜分析結果。當抽樣頻率小于奈奎斯特頻率時，即如果ωs＜2ωH，則抽樣后信號的頻譜在相鄰的周期內(nèi)發(fā)生混疊，如圖3-4(c)圖所示；當抽樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時，接收端恢復出來的信號才與原信號基本一致。圖3-4兩種情況下的抽樣信號頻譜分析結果(a)信號的頻譜；(b)

fs>2fm時抽樣信號的頻譜；(c)

fs

<2fm時抽樣信號的頻譜應該注意的一點是：抽樣頻率并不是越高越好。只要能滿足抽樣頻率大于奈奎斯特頻率，并留有一定的防衛(wèi)帶即可。重疊(b)S(f)fs<2fmfs>2fm低通0fm

fs

2fsf

0fm

fs-fs

fs

fs+fs

2fs

fA0fm

fS(f)(a)(c)fs-fm模擬信號數(shù)字化與信源編碼帶通信號的抽樣定理實際中遇到的許多信號是帶通型信號，模擬信號的頻帶限制在fL~

fH之間，fL為信號最低頻率，fH為最高頻率。而且當fL>B，其中B=

fH－fL時，該信號通常被稱為帶通型信號，其中B為帶通信號的頻帶。圖3-5帶通信號的抽樣頻譜

－3fs

－2fs

－fs0fs2fs3fsfMs(ω)(a)(b)－3fs－2.5fs－2fs

－fs0fs2fs2.5fs3fsfM(ω)－3fs

－2fs

－fs0fs2fs3fsf－fH

－fLfL

fH(c)Δωs(ω)對于帶通信號，如果采用低通抽樣定理的抽樣速率fs≥2fH，對頻率限制在fL與fH之間的帶通型信號抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的要求，如圖3-5（帶通信號的抽樣頻譜）所示。模擬信號數(shù)字化與信源編碼定理內(nèi)容：一個帶通信號f(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fH—fL，如果最小抽樣速率fs=2fH/n，n是一個不超過fH/B的最大整數(shù)，那么f(t)就可完全由抽樣值確定。下面分兩種情況說明：

（1）若最高頻率fH為帶寬的整數(shù)倍，即fH=nB。此時fH/B=n是整數(shù)，m=n，所以抽樣速率fs=2

fH/m=2B。

（2）若最高頻率fH不為帶寬的整數(shù)倍，即

（3-7）此時，fH/B=n+k，由定理知，m是一個不超過n+k的最大整數(shù)，顯然，m=n，所以能恢復出原信號f(t)的最小抽樣速率為

（3-8）

式中n是一個不超過fH/B的最大整數(shù)，0＜k＜1通常k取1。交流采樣過程

輸入信號經(jīng)相應的TVm或TAm變換成0～5V交流電壓信號輸入到多路模擬電子開關，由地址多路信號中一路輸出采樣保持器進行采樣保持A／D轉換器將采樣保持器輸出的模擬電壓轉換成數(shù)字量；CPU讀A／D輸出數(shù)據(jù)CPU再發(fā)地址選擇輸入信號這種過程在一個交流信號周期內(nèi)重復（l+m）×N次CPU對一周期內(nèi)每路輸入信號的N個采樣值，進行數(shù)據(jù)處理，并計算出線路上的各種電氣量值。

第四節(jié)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理一、濾波針對諧波與各種干擾的存在，在交流被測量進入測量裝置時，設置模擬式濾波器，濾除較高次的諧波。在交流被測量經(jīng)交流一周期N次采樣并通過模/數(shù)轉換后，得到N個二進制數(shù)序列，可以通過一定的計算，濾除我們不需要的諧波量，并計算出希望得到的交流量幅值和有效值。

一、濾波

交流信號采樣、變換的兩側均進行濾波原因是：模擬式濾波器往往采用簡單的RC電路進行濾波。若希望將較低次諧波濾除，需將轉折頻率設置較低，我們希望完整保留的基波也將有一定的衰減，造成有用信息的損失和測量精度降低。因此模擬式的濾波器設計的出發(fā)點是濾除較高次諧波，而放棄對較低次諧波的濾除。

一、濾波交流信號采樣、變換的兩側均進行濾波原因是：根據(jù)采樣定理，對某個f頻率的信號進行采樣,采樣脈沖頻率fc必須滿足

fc≧2f

由于在電力系統(tǒng)交流量測量時，往往需要同時對多路的交流量進行采集。由于同時被采集量的個數(shù)與交流一周期采樣次數(shù)成反比關系，在被采集量的個數(shù)較多情況下，交流一周期采樣次數(shù)N不可能很大，即不可能有效采集到完整的高次諧波信息，也就不能通過較簡單的算法將高次諧波去除。

一、濾波交流信號采樣、變換的兩側均進行濾波原因：

一、濾波（一）模擬式濾波作用是消除掉輸入信號中的干擾（包括較高次諧波），保留有用信號，一般采用簡單而有效的RC低通濾波器構成。濾波器同時還作浪涌電壓保護，防止浪涌電壓進入通道內(nèi)部，破壞信息處理設備。

（一）模擬式濾波

傳遞函數(shù)為

頻率特性為

（二）數(shù)字式濾波1低通濾波將離散化，得到

（二）數(shù)字式濾波（2）非遞歸濾波

舉例：設一模擬信號

要求保留的基波部分，濾除的諧波（7次）部分。

（2）非遞歸濾波

若對采樣，采樣頻率=3500Hz，則對于基波，每周期有70個采樣值；對于7次諧波，則每周期有10個采樣值?，F(xiàn)將相對于基波一周期的70個采樣值分成7組，每組10個采樣值求取平均值。令y(k)是x(t)連續(xù)10個采樣值的平均值，即

（2）非遞歸濾波

為兩個分量組成，因此可有由于是350Hz的正弦波，采樣頻率為3500Hz，恰好是每周期10次采樣，因而計算式中的第二部分必然等于零。對于50Hz的基波，上述計算可得到7個分組值，每個分組值恰好分別等于對基波進行每周期7次采樣的各個采樣值，并且不包含任何7次諧波成分。。（3）傅氏級數(shù)計算與濾波

對于任何周期函數(shù)的信號u（t）、i（t）都可以分解為含有直流分量及各種諧波分量的傅氏級數(shù)。用正弦和余弦基波函數(shù)與上式相乘，根據(jù)正交理論，可以提取基波量。

對電壓、電流每周期采樣N次，相應的傅立葉積分可以表達為：

r表示實部、i表示虛部。有效值

有效值

即

第五節(jié)標度變換電力系統(tǒng)中電壓測量值單位為V或kV，電流的測量值單位為A或kA等。電壓互感器輸出為0～100V，電流為0～5A等。信號經(jīng)過變換器轉化為A/D轉換器所能接受的信號范圍，如0～5V。第五節(jié)標度變換經(jīng)A/D轉換成數(shù)字量，為標幺值形態(tài)，無法表明該遙測量的物理大小。為了顯示、打印、報警及向調(diào)度傳送，又必須把數(shù)字量轉換成具有不同量綱的數(shù)值，以便于操作人員進行監(jiān)視與管理，這就是標度變換。第五節(jié)標度變換第五節(jié)標度變換例如被測電流的滿量程為1500A，經(jīng)變換后的滿量程結果為2047。當電流在0～1500A范圍內(nèi)變化時，模/數(shù)轉換的輸出在0～2047之間變動，兩者呈線性比例關系，比例系數(shù)為K，稱為標度變換系數(shù)。設遙測量的實際值為S，模/數(shù)轉換后的值為D，則

K=S/D因為S和D呈線性比例關系，所以可以以滿量程的對應關系來求出標度變換系數(shù)K。對于12位模/數(shù)轉換器，D=2047，則K=S/2047。第五節(jié)標度變換例如幅值為1500A的電流，可得各個遙測量都有對應的標度變換系數(shù)K，均以確定的形式存儲器的遙測系數(shù)區(qū)中，待需要時讀取。標度變換系數(shù)K在遙測系數(shù)區(qū)中以兩個字節(jié)存放，其格式為F1F2N1N20/1K

小數(shù)點標志移位標志正/負11位標度變換系數(shù)1500A的電流的遙測系數(shù)

0000010111011100在經(jīng)過模/