交直流采樣原理

1、直流采樣原理（模塊編碼：ZY2900202002） 遙測(cè)量包括電壓、電流和功率等物理量，采集遙測(cè)量時(shí)，它是用電量變送器轉(zhuǎn)換成直流模擬電壓，再接入遠(yuǎn)動(dòng)裝置。這些模擬量為第一類，另外有些物理量，如水電廠中水庫(kù)的水位，主變分頭位置,它是數(shù)字量，可直接用數(shù)字方式提供給遠(yuǎn)動(dòng)裝置，這是第二類。第三類是脈沖量，主要是脈沖電度表測(cè)得的。轉(zhuǎn)盤式脈沖電度表發(fā)出的脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)的圈數(shù)成正比，遠(yuǎn)動(dòng)裝置把脈沖數(shù)累計(jì)下來(lái)就可折算成電度。這三種量都是遙測(cè)量，但各有特點(diǎn)。廠站中的電壓、電流和功率等被測(cè)物理量通常是經(jīng)電量變送器變換成額定值為5的直流模擬電壓。電量變送器的輸出電壓與其輸入量（如交流電壓、電流的有效值，有功、

2、無(wú)功功率的平均值等）成正比。電壓和電流變送器等的輸出為單極性05直流電壓。功率變送器輸出電壓的極性與功率的流動(dòng)方向有關(guān)。如果我們定義功率向某一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)為正，反方向流動(dòng)時(shí)就為負(fù)，功率變送器的輸出為雙極性的-55直流電壓。電量變送器輸出的直流模擬電壓必須經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本方法有積分法和逐次逼近法等。積分法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分，取其平均值，瞬間干擾和較高頻率的噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果影響較小，但積分式的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾十毫秒。逐次逼近式的抗干擾能力不如積分法，但轉(zhuǎn)換速度較快，完成一次轉(zhuǎn)換低速的約100s，高速的不到10s。模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片大多用于單極性輸入電壓，

3、也可以將芯片做成適用于雙極性輸入電壓。例如可以先對(duì)輸入電壓的極性進(jìn)行判別，確定符號(hào)位，然后對(duì)數(shù)值部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位是符號(hào)位，通常以“0”表示正極性，以“1”表示負(fù)極性；其余是數(shù)值部分。這種轉(zhuǎn)換的結(jié)果實(shí)際上是以原碼方式來(lái)表示帶符號(hào)的數(shù)。遙測(cè)采集過(guò)程一般由以下幾個(gè)單元組成：一、12位AD轉(zhuǎn)換器AD574A圖ZY2900202002-1  AD574A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖  AD574A是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速AD轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度一般為25s，轉(zhuǎn)換精度0.05，是目前我國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用較廣泛、價(jià)格適中的AD轉(zhuǎn)換器。AD574A芯片內(nèi)

4、配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型8位或16位的微處理器相連，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL電平兼容。由于AD574A芯片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切AD轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。AD574A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖ZY2900202002-1所示。它由模擬芯片和數(shù)字芯片混合集成，其中模擬芯片就是該公司生產(chǎn)的AD 565A型快速12位單片集成DA轉(zhuǎn)換器芯片。數(shù)字芯片則包括高性能比較器、逐次比較邏輯寄存器、時(shí)鐘電路、邏輯控制電路以及三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器等。AD574A的主要特性總結(jié)如下。1)非線性誤差：AD574AJ為&#

5、177;1LSB；AD574AK為±12LSB。2)轉(zhuǎn)換速度：轉(zhuǎn)換時(shí)間25s，屬于中檔速度。3)輸入模擬信號(hào)范圍可為0+10V、0+20V，也可為雙極性±5V或±10V。4)AD574A有兩個(gè)模擬輸入端，分別用于不同的電壓范圍。10Vin適用于±5V的模擬輸入，20 Vin適用于±10V的模擬輸入。輸出為12位，即DB0DB11。5)利用不同的控制信號(hào)，既可實(shí)現(xiàn)高精度的12位變換，又可作快速的8位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有兩種讀出方式：12位一次輸出；8位、4位分兩次輸出。設(shè)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與8位或16位的微處理器接口。6)需三組電源：+5V

6、，Vcc(+12+15V)，VEE(-12V-15V)。由于轉(zhuǎn)換精度高，所提供電源必須有良好的穩(wěn)定性，并加以充分濾波，以防止高頻噪聲的干擾。7)低功耗：典型功耗為390mW。AD574A為28引腳雙列直插式封裝，其引腳配置如圖ZY2900202002-2所示，各引腳功能如下: 圖ZY2900202002-2   AD574A引腳配置圖  VL(1腳)：數(shù)字邏輯部分電源+5V。128(2腳)：數(shù)據(jù)輸出格式選擇信號(hào)管腳。當(dāng)1281(+5V)時(shí)，雙字節(jié)輸出，即12條數(shù)據(jù)線同時(shí)有效輸出；當(dāng)128=0(0V)時(shí)，為單字節(jié)輸出，即只有高8位或低4位有效。CS(3腳)

7、：片選信號(hào)端，低電平有效。A0(4腳)：字節(jié)選擇控制線。在轉(zhuǎn)換期間，A0=0，AD574A進(jìn)行全12位轉(zhuǎn)換。在讀出期間：當(dāng)A00時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；當(dāng)A01時(shí)，低4位數(shù)據(jù)有效，中間4位為“0”，高4位為三態(tài)。因此，當(dāng)采用兩次讀出12位數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)遵循左對(duì)齊原則。RC(5腳)：讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。當(dāng)RC=l時(shí)，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)允許被讀取，當(dāng)RC0時(shí)，則允許啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。CE(6腳)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，高電平有效，可作為AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)或讀數(shù)據(jù)信號(hào)。Vcc、VEE(7、1l腳)：模擬部分供電的正電源和負(fù)電源，為±12V或±15V。REFOUT(8腳)：10V內(nèi)部參考電壓輸出端。REF

8、 IN(10腳)：內(nèi)部解碼網(wǎng)絡(luò)所需參考電壓輸入端。BIP OFF(12腳)：補(bǔ)償調(diào)整。接至正、負(fù)可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)、以調(diào)整ADC輸出的零點(diǎn)。10Vin 、20 Vin (13、14腳)：模擬量10V及20V量程的輸入端口，信號(hào)的一端接至AG管腳。DG(15腳)：數(shù)字公共端（數(shù)字地）。AG(9腳)：模擬公共端(模擬地)。它是AD574A的內(nèi)部參考點(diǎn)，必須與系統(tǒng)的參考點(diǎn)相連。為了在高數(shù)字噪聲含量的環(huán)境中從AD574A獲得高精度的性能。AG和DG在封裝時(shí)已連接在一起，在某些情況下，AG可在最方便的地方與參考點(diǎn)相連。DB0DB11(1627腳)：數(shù)字量輸出。STS(28腳)；輸出狀態(tài)信號(hào)管腳。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)S

9、TS達(dá)到高電平，轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持高電平，轉(zhuǎn)換完成時(shí)返回到低電平。STS可以作為狀態(tài)信息被CPU查詢，也可以用它的下降沿向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)，通知AD轉(zhuǎn)換已完成，CPU可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD574A是逐次逼近式12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器、可與8位或l6位微機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連。與16位微機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連時(shí)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果可一次讀出；與8位微機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次讀出，先讀高8位，后讀低4位和補(bǔ)零的其余4位。二、采樣保持電路采樣保持電路的工作原理：把采樣時(shí)刻得到的模擬量的瞬時(shí)幅度完整地記錄下來(lái)，并按需要準(zhǔn)確地保持一段時(shí)間稱為采樣保持。通過(guò)采樣保持可將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成離散時(shí)間信號(hào)

10、序列，從而完成對(duì)信號(hào)在時(shí)間上離散化的任務(wù)。采樣保持電路每隔TS時(shí)間就測(cè)量一次輸入模擬信號(hào)在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，然后將該瞬時(shí)值存放在保持電路里面以待A/D轉(zhuǎn)換器使用。在A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，采樣保持電路的輸出應(yīng)保持不變。圖ZY2900202002-3 采樣保持電路原理圖采樣保持電路的形式很多，其工作原理如圖ZY2900202002-3所示。它由一個(gè)受邏輯輸入控制的模擬電子開(kāi)關(guān)S、電容Ch以及兩個(gè)阻抗變換器所組成。當(dāng)邏輯輸入為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，電路處于采樣狀態(tài)，Ch被迅速充電或放電到被采樣信號(hào)在該時(shí)刻的電壓值；當(dāng)邏輯輸入為低電平時(shí)，S斷開(kāi)，電容Ch上保持住S斷開(kāi)瞬間的電壓，電路處于保持狀態(tài)。顯

11、然，在采樣過(guò)程中，我們希望開(kāi)關(guān)S的閉合時(shí)間越短越好。因?yàn)镾的閉合時(shí)間越短，電容Ch上的電壓值就越接近被采樣時(shí)刻信號(hào)的瞬時(shí)值。但實(shí)際上電容Ch的充電或放電都是需要時(shí)間的，因此，開(kāi)關(guān)S必須有一個(gè)足夠的閉合時(shí)間，這段時(shí)間稱為采樣時(shí)間。在這種情況下，采樣器的輸出是一串周期為TS而寬度為的脈沖，如圖ZY2900202002-5所示。該脈沖的幅度重現(xiàn)了在時(shí)間內(nèi)信號(hào)的幅度。為使盡量縮短，在采樣電路中采用了阻抗變換器。它在輸入端呈高阻抗，而輸出端呈低阻抗，這樣使Ch上的電壓能迅速地跟蹤到被采樣信號(hào)。 圖ZY2900202002-4 被采樣信號(hào)  圖ZY2900202002-5 采

12、樣脈沖圖ZY2900202002-6 采樣輸出信號(hào)對(duì)于保持電路來(lái)說(shuō)，希望Ch上的電壓保持時(shí)間越長(zhǎng)越好，以減輕對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度的要求。為提高保持能力，電路中仍然使用了阻抗變換器，它的輸入阻抗很高，而輸出阻抗很低，可增強(qiáng)帶負(fù)載的能力。一個(gè)模擬時(shí)間信號(hào)在經(jīng)過(guò)采樣電路后的信號(hào)波形如圖ZY2900202002-6所示。 三、模擬量多路開(kāi)關(guān)廠站端遠(yuǎn)動(dòng)裝置要采集的模擬量遠(yuǎn)不止一個(gè)。為了公用一套模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，通常都采用模擬量多路開(kāi)關(guān)。多路模擬開(kāi)關(guān)用來(lái)輪流接入一路模擬量，以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。由電量變送器送來(lái)的各個(gè)模擬量在多路開(kāi)關(guān)的控制下分時(shí)地逐一經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再進(jìn)入CPU。逐次逼近式的模數(shù)

13、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度是比較快的，例如低速的ADCl210完成一次轉(zhuǎn)換約需要100µs，中速的AD574A僅需25s。由電量變送器送來(lái)的模擬量其變化速度一般是比較緩慢的，在進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換期間，模擬量幾乎沒(méi)有什么變化。圖ZY2900202002-7  AD7506框圖各種型號(hào)的模擬量多路開(kāi)關(guān)集成芯片它們的功能基本相同，即按要求接通某一路開(kāi)關(guān)，不同之處是：在切換的開(kāi)關(guān)數(shù)、開(kāi)關(guān)接通時(shí)的電阻和斷開(kāi)時(shí)的漏電流以及輸入的模擬量電壓值等方面有所差別。以AD7506為例，它是具有16路模擬輸入通道，一路公共輸出通道的模擬量多路開(kāi)關(guān)CMOS集成芯片，如圖ZY2900202002-7所示。模擬量多路

14、開(kāi)關(guān)是由三部分組成：地址輸入緩沖器和電平轉(zhuǎn)換器使輸入端對(duì)TTL、DTL和CMOS邏輯電平兼容；譯碼和驅(qū)動(dòng)器把地址譯成通道號(hào)代碼，控制相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)；模擬開(kāi)關(guān)，在譯碼和驅(qū)動(dòng)器的控制下使對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，將有關(guān)通道的輸入模擬電壓引至公共輸出端。表ZY2900202002-1  AD7506真值表EN11111111111111110A30000000011111111×A20000111100001111×A10011001100110011×A00101010101010101×開(kāi)關(guān)號(hào)12345678910111213141516- 

15、 這種模擬量多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)仍有一定電阻，AD7506導(dǎo)通時(shí)的電阻約為400。為了保證傳送精度，負(fù)載電阻必須遠(yuǎn)大于通道電阻和信號(hào)源內(nèi)阻之和。AD7506只有16路，如需要更多的通道可以采用多片模擬量多路開(kāi)關(guān)，通道地址選擇由CPU統(tǒng)一控制。通道地址由CPU通過(guò)接口和譯碼器來(lái)選擇。被選中的那一路模擬電壓經(jīng)電壓跟隨器后送AD574A。電壓跟隨器是放大系數(shù)為1的運(yùn)算放大器，用于提高輸入阻抗，降低輸出阻抗。AD7506的真值表如表ZY2900202002-1所示。AD7506是具有16路輸入通道，一路公共輸出的多路開(kāi)關(guān)CMOS集成芯片，當(dāng)允許輸入端EN有效（高電平）時(shí)，輸入不同的地址A3、A2、

16、A1、A0時(shí)，就有一路與它對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)接通。例如A3、A2 、A1 、A0為0001時(shí)，1號(hào)開(kāi)關(guān)（S1）接通。而當(dāng)EN為“0”時(shí)，所有開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)。CPU通過(guò)并行輸出接口的A3、 A2、A1、 A0及EN給多路開(kāi)關(guān)輸入不同的地址編碼時(shí)，就可對(duì)相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)采樣。EN是片選信號(hào)輸入端，如果要用多個(gè)AD7506時(shí)，可由EN端來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，有32路模擬量共用一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，則可用兩片AD7506作為多路采樣開(kāi)關(guān)。要采集一路模擬量，先要給模擬量多路開(kāi)關(guān)發(fā)送通道號(hào)，選擇所需的模擬量。在指定的模擬量開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通后再給模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。如采用中斷方式，則當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束由STS申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)后就可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)

17、果。若采用等待方式，則需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間等轉(zhuǎn)換結(jié)束后再取數(shù)。在此等待期間CPU可從事其它工作。圖 ZY2900202002-8 多路開(kāi)關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)多路開(kāi)關(guān)送往模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)I/O設(shè)備送至CPU,如圖ZY2900202002-8所示。CPU在給模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的信號(hào)后可以用不同的方式判別轉(zhuǎn)換是否已完成。(1)掃查。不斷掃查STS的狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，即STS0則，就可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。(2)中斷。利用STS在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)由高電平轉(zhuǎn)換成低電平來(lái)申請(qǐng)中斷，請(qǐng)求CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。(3)等待。等待一段略長(zhǎng)于轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，轉(zhuǎn)換應(yīng)已結(jié)束，可不必掃查STS狀態(tài)立即讀數(shù)。也可在等待足

18、夠時(shí)間后再查看狀態(tài)標(biāo)志STS，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換確已結(jié)束再行讀數(shù)。等待期間CPU可從事其它工作，提高了計(jì)算機(jī)工作效率。 四、標(biāo)度變換遠(yuǎn)動(dòng)中的遙測(cè)量有電壓、電流、功率等等，情況各不相同，但對(duì)調(diào)度工作人員而言，需要知道的是實(shí)際物理量的大小。在遙測(cè)值達(dá)到額定值時(shí)，測(cè)量值在經(jīng)過(guò)電壓、電流互感器，電量變送器和模數(shù)轉(zhuǎn)換后最終得到的滿量程值都是全1碼，就像用指針式表計(jì)測(cè)量電壓時(shí)，110KV或220KV電壓經(jīng)電壓互感器引到電壓表，滿量程的電壓在電壓表上的反映都是滿量程的偏轉(zhuǎn)角，對(duì)110KV、220KV來(lái)說(shuō)都一樣。為了使指針式電壓表能指示相應(yīng)的電壓，需要在測(cè)量110KV或220KV的電壓表滿量程處，分別標(biāo)上與

19、110KV或220KV相對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺。同樣是電壓表滿量程的偏轉(zhuǎn)角，可以用不同的標(biāo)尺，指示出不同的電壓值，這即稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換的過(guò)程也就是乘系數(shù)的過(guò)程。以12位模數(shù)轉(zhuǎn)換為例，轉(zhuǎn)換結(jié)果是12位，其中一位是符號(hào)位，其余11位是數(shù)值。在電力系統(tǒng)中，符號(hào)位“0”，“1”表示電網(wǎng)的潮流方向，分別表示“正”和“負(fù)”。關(guān)于遙測(cè)的“正”和“負(fù)”，我們一般人為定義以母線為參考點(diǎn)，入母線的遙測(cè)潮流符號(hào)位為“1”，即表示為“負(fù)” ；出母線的遙測(cè)潮流符號(hào)位為“0”，即表示為“正”。112048。若遙測(cè)量的實(shí)際值為，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值為，標(biāo)度變換系數(shù)為，則，由此可得     /為了

20、使有效位數(shù)不至于減少過(guò)多，可以將被測(cè)模擬量的滿量程值放大。例1某220KV線路，CT變比為600/5，PT變比為220/0.1，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸滿刻度值是2048，系統(tǒng)采用二次值傳輸，主站系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，如果把數(shù)據(jù)還原為一次值，采集的有功、無(wú)功、電流轉(zhuǎn)換系數(shù)應(yīng)該是多少？如果采集電壓值，系數(shù)是多少？由于采集的二次回路中，有功和無(wú)功的最大值為100V×5A×1.732=866W；電流的最大值為5A。因此，當(dāng)二次有功和無(wú)功為最大值866W時(shí)，應(yīng)該對(duì)應(yīng)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大值。在12位數(shù)據(jù)中，由于最高位是符號(hào)位，其余11位是數(shù)值，滿量程時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)該為全“1”碼，所以滿刻度值為211

21、2048。同理，當(dāng)電流為最大值5A時(shí)，應(yīng)該對(duì)應(yīng)滿刻度值為2112048。當(dāng)線路CT變比為600/5，PT變比為220/0.1時(shí)，一次有功、無(wú)功的額定值為：220KV×600A×1.732=228624kW= 228.624MW；電流的額定值為：600A由于系統(tǒng)采用二次值傳輸，所以主站系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，應(yīng)把數(shù)據(jù)還原為一次值，因此，有功、無(wú)功二次值轉(zhuǎn)換為一次值的系數(shù)為：228.624MW/2048=0.1116328125電流二次值轉(zhuǎn)換為一次值的系數(shù)為：600A/2048=0.29296875即2048，就會(huì)造成數(shù)據(jù)“溢出”造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這時(shí)，一般采用在發(fā)送數(shù)據(jù)端人為地將數(shù)據(jù)縮小

22、1.2倍，然后，在接收端在乘上一個(gè)1.2倍，這樣使得數(shù)據(jù)能夠在合理范圍內(nèi)傳送。在采用常規(guī)變送器時(shí)，由于變送器輸出電壓最大值為直流5V，變送器輸出整定的意義更大。當(dāng)有功、無(wú)功輸入最大額定值時(shí)，變送器輸出應(yīng)該為直流5V，在負(fù)荷較輕時(shí)，變送器輸出則很小，為保證變送器輸出處于精度較高的線性范圍，我們可以把被測(cè)值的滿刻度量程值縮小。而對(duì)于電壓這樣的被測(cè)值，一般將滿刻度量程值放大。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)我們也會(huì)遇見(jiàn)實(shí)際數(shù)值超過(guò)額定值的情況。如例1中，CT變比為600/5，當(dāng)線路實(shí)際電流超過(guò)600時(shí)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會(huì)“溢出”，主站接收的數(shù)據(jù)會(huì)從599，600突變?yōu)?或最大值，當(dāng)實(shí)際電流繼續(xù)增大時(shí)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)

23、為0，1，2，或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，即發(fā)生高位數(shù)據(jù)“溢出”。這種現(xiàn)象的發(fā)生，一方面會(huì)造成一二次設(shè)備的損壞，另一方面會(huì)造成遙測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，另外由于輸入電壓超出了遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備中A/D轉(zhuǎn)換等部件的設(shè)計(jì)范圍，會(huì)造成裝置損壞故障。五、越限處理遙測(cè)功能是將變電站的某些運(yùn)行參數(shù)采集并傳送到調(diào)度所，如變電站進(jìn)出線路的有功功率和無(wú)功功率，主變壓器中通過(guò)的電流，母線的電壓等等，這些連續(xù)變化的電氣參數(shù)稱為模擬量。一般都采用將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再傳送的方式。雖然大量的被測(cè)量在不斷變化，但電網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，大部分被測(cè)值基本不變或變化緩慢。電力系統(tǒng)中有的被測(cè)量運(yùn)行參數(shù)受約束條件的限制，不能超過(guò)一定的限值，例如規(guī)定某線路的

24、傳輸功率不能大于某一限值，母線電壓不允許太高或太低，這就需要規(guī)定上限值和下限值。系統(tǒng)應(yīng)將設(shè)置的上下限值存放在內(nèi)存中的遙測(cè)量常數(shù)區(qū)，并及時(shí)檢查遙測(cè)數(shù)據(jù)是否越限，如超越限值，就應(yīng)告警。根據(jù)比較的結(jié)果，可設(shè)置是否越限的標(biāo)志。在發(fā)現(xiàn)遙測(cè)越限時(shí)，系統(tǒng)就發(fā)告警并記錄越限的時(shí)間和數(shù)值。當(dāng)遙測(cè)量恢復(fù)正常時(shí)也需記錄恢復(fù)的時(shí)間和數(shù)值。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行參數(shù)常常會(huì)在限值附近波動(dòng)，這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)越限和復(fù)限不斷交替，頻繁告警，這會(huì)干擾值班員。為了緩解這種情況可設(shè)置越限“死區(qū)”，即對(duì)各個(gè)遙測(cè)參數(shù)規(guī)定一個(gè)“門檻值”，只有變化量超過(guò)了這個(gè)“門檻”值時(shí)才傳送，沒(méi)有變化或變化量小于“門檻”值時(shí)則不予傳送，這個(gè)“門檻”值被稱為

25、“死區(qū)”，如圖ZY2900202002-9所示。RTU一般采用循環(huán)傳送所有遙測(cè)的方法。為防止掃描周期太長(zhǎng)，漏掉重要參數(shù)的變化信息，有的RTU采用多重掃描周期的方式，即將遙測(cè)值按其重要程度分為2s、5s、10s等幾種周期傳送，重要的遙測(cè)量具有短的掃描周期。 圖 ZY2900202002-9 遙測(cè)越限“死區(qū)” 判別示意圖設(shè)置越限“死區(qū)”可緩解某些運(yùn)行參數(shù)在限值附近波動(dòng)時(shí)頻繁告警的干擾，但越限判別的工作量稍有增加，“死區(qū)”限值的大小要根據(jù)實(shí)際情況確定。   在遙測(cè)設(shè)置越限“死區(qū)”報(bào)警的同時(shí)，有的系統(tǒng)還對(duì)遙測(cè)越限時(shí)間應(yīng)加以處理。如母線電壓越限報(bào)警，即當(dāng)電壓偏差超出允許范圍

26、且越限連續(xù)累計(jì)時(shí)間達(dá)30s(或該時(shí)間按電壓監(jiān)視點(diǎn)要求)后報(bào)警；線路負(fù)荷電流越限報(bào)警，即按設(shè)備容量及相應(yīng)允許越限時(shí)間來(lái)報(bào)警；主變壓器過(guò)負(fù)荷報(bào)警，按規(guī)程要求分正常過(guò)負(fù)荷、事故過(guò)負(fù)荷及相應(yīng)過(guò)負(fù)荷時(shí)間報(bào)警；系統(tǒng)頻率偏差報(bào)警，即在系統(tǒng)解列有可能形成小系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)其頻率監(jiān)視點(diǎn)超出允許值的報(bào)警；消弧線圈接地系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓越限及累計(jì)時(shí)間超出允許值時(shí)報(bào)警；母線上的進(jìn)出功率及電度量不平衡越限報(bào)警；直流電壓越限報(bào)警。越限報(bào)警的各個(gè)參數(shù)量，有一個(gè)允許運(yùn)行時(shí)間限額，為此除越限報(bào)警外還應(yīng)向上級(jí)調(diào)度(控制)人員提供當(dāng)前極限運(yùn)行時(shí)間，即允許運(yùn)行時(shí)間減去越限運(yùn)行的累計(jì)時(shí)間。 六、模塊小結(jié) 本培訓(xùn)模塊以介紹

27、自動(dòng)化系統(tǒng)直流采樣原理為目的，介紹了自動(dòng)化系統(tǒng)遙測(cè)采集過(guò)程中幾個(gè)組成單元的作用，詳細(xì)介紹了以AD574A  AD轉(zhuǎn)換器芯片和AD7506模擬量多路開(kāi)關(guān)芯片組成的電路以及標(biāo)度變換和越限處理的處理方法。 七、作業(yè)練習(xí)1. 遙測(cè)采集過(guò)程一般由哪幾個(gè)單元組成？2. 在遙測(cè)采集過(guò)程中，采樣保持電路的工作原理及作用是什么？3. 什么是標(biāo)度變換？4關(guān)于遙測(cè)的“正”和“負(fù)”是怎樣定義的？ 八、參考書目 1.  國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程（熱力和機(jī)械部分）（試行），國(guó)家電網(wǎng)公司，2005年3月，中國(guó)電力出版社；2.  地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，龔

28、強(qiáng)、王津，2005年7月，中國(guó)電力出版社；科目類別：專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)科目：數(shù)據(jù)采集及處理章    節(jié)：自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理原理培訓(xùn)模塊名稱：交流采樣原理培訓(xùn)級(jí)別：級(jí)（高級(jí)工）培訓(xùn)模塊編碼：ZY2900202003模塊名稱交流采樣原理模塊編號(hào)ZY2900202003模塊描述本模塊包含交流采樣原理；通過(guò)對(duì)交流采樣的過(guò)程和特點(diǎn)及采樣定理和交流采樣的一般算法的介紹，達(dá)到對(duì)交流采樣原理掌握的目的。教材編寫提綱一、采樣定理  二、什么是交流采樣   三、交流采樣的算法  四、交流采樣硬件設(shè)計(jì)原理 

29、 五、直流采樣和交流采樣方式的比較 1、直流采樣的特點(diǎn) 2、交流采樣的主要特點(diǎn)  六、微機(jī)變送器的特點(diǎn)    交流采樣原理（模塊編碼：ZY2900202003）在微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)應(yīng)用初期，RTU的遙測(cè)數(shù)據(jù)采集普遍采用直流采樣，即對(duì)經(jīng)過(guò)直流整流后的直流量進(jìn)行采樣測(cè)量。在直流采樣中，遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集采用經(jīng)變送器的直流采樣方法來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集工作。即將所需采集的有關(guān)信息，如交流電壓、交流電流、有功功率、無(wú)功功率等，通過(guò)利用變送器模擬電路（主要是運(yùn)算放大器）變換成相應(yīng)的直流量，一般轉(zhuǎn)換為05V(有功、無(wú)功為±5V

30、)的直流電壓供微機(jī)檢測(cè)。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)采樣值只需作一次比例變換，即可得到被測(cè)量的數(shù)值，因而可使采樣周期大大縮短。在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的初期，這種方式得到了廣泛的應(yīng)用。但直流采樣方法存在以下一些不足：1)測(cè)量精確度直接受整流電路的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等。2)變送器有較大的時(shí)間延遲，難以及時(shí)反映被測(cè)量的突變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)的采集。一般國(guó)產(chǎn)普通電流變送器的上升時(shí)間均大于300ms。檔次較高的進(jìn)口變送器上升時(shí)間約為6070ms，但其價(jià)格昂貴，難以普遍使用。不能及時(shí)反應(yīng)被測(cè)量的突變，具有較大的時(shí)間常數(shù)。3)當(dāng)被測(cè)波形中有諧波時(shí)，會(huì)附加產(chǎn)生較大誤差。4)監(jiān)控系統(tǒng)的

31、測(cè)量準(zhǔn)確度直接受變送器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響。5)變送器投資較大，增加監(jiān)控系統(tǒng)的造價(jià)，且維修較為復(fù)雜，設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)困難。交流采樣變送器是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交流小信號(hào)，按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后通過(guò)運(yùn)算，求出被測(cè)電壓、電流的有效值和有功功率、無(wú)功功率等。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。它用軟件代替了硬件的功能，因而使硬件的投資大大減小。由于以上原因和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)交流采樣技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，與傳統(tǒng)的直流采樣方法相比，交流采樣方法速度快、投資省、工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單且具有較大的靈活性，是一種

32、很有前途的新方法，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。 交流采樣法主要取決于兩個(gè)因素：測(cè)量精度和測(cè)量速度。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其理論誤差主要有兩項(xiàng)：一項(xiàng)是用時(shí)間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時(shí)間上的連續(xù)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要取決于A/D的轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理速度；另一項(xiàng)是將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的微機(jī)、單片機(jī)的處理速率大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價(jià)格比很好的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一、采樣定理一個(gè)

33、隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量f(t)，如圖29002009-1(a)所示，經(jīng)過(guò)采樣后，得到一系列的脈沖序列f*(t)，它是離散的信號(hào)，稱為采樣信號(hào)，如圖29002009-1 (c)所示。圖29002009-1 采樣過(guò)程采樣信號(hào)f*(t)，怎樣才能如實(shí)地反映被采樣信號(hào)f(t)的變化特征呢?根據(jù)香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)(包括噪聲干擾在內(nèi))的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f2fmax進(jìn)行采樣，那么所給出的樣品系列f1*(t)，f2*(t)，就足以代表(或恢復(fù)) f(t)了，實(shí)際中常采用f(510) 2fmax。香農(nóng)定理就是著名的采樣定理。對(duì)于50Hz的正弦交流電流、電壓來(lái)

34、說(shuō)，理論上只要每個(gè)周波采樣兩點(diǎn)就可以表示其波形的特點(diǎn)了。但為了保證計(jì)算準(zhǔn)確度，需要有更高的采樣頻率。一般取每個(gè)周波12點(diǎn)、16點(diǎn)、20點(diǎn)或24點(diǎn)的采樣頻率就足以保證計(jì)算電流、電壓基波有效值的準(zhǔn)確度了。如果為了分析諧波，例如考慮到13次諧波，則需要采用每個(gè)周波32點(diǎn)的采樣速率，即采樣頻率為1600Hz。 二、什么是交流采樣交流采樣是相對(duì)直流采樣而言，它是指對(duì)交流電流和交流電壓采集時(shí)，輸入至AD轉(zhuǎn)換器的是與電力系統(tǒng)的一次電流和一次電壓同頻率、大小成比例的交流電壓信號(hào)。由于電力系統(tǒng)、發(fā)電廠或變電站的一次電流和電壓都是大電流或高電壓的信號(hào)，不能直接送至A/D轉(zhuǎn)換器，所以必須將變電站電壓互感器

35、或電流互感器輸出的強(qiáng)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)小電壓互感器或小電流互感器，變換成AD轉(zhuǎn)換器所能接受的電壓信號(hào)，如圖29002009-2所示。在交流采樣方式中，對(duì)于有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，是通過(guò)采樣所得到的u、i計(jì)算出來(lái)的。 圖 29002009-2 交流采樣示意圖三、交流采樣的算法由于微機(jī)變送器是按一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后按一定的算法求出被測(cè)量，因此，國(guó)內(nèi)外已提出許多交流采樣的算法。按采樣的速度和精度區(qū)分，有快速算法和精度較高的算法，國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是快速算法用于繼電保護(hù)系統(tǒng)，高精度算法多用于測(cè)試裝置。在變電站的實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)存在諧波，還會(huì)有各種瞬時(shí)干擾，如投切電容器、開(kāi)關(guān)合

36、閘、跳閘等，因此在選擇交流采樣軟件時(shí)，一般均需與某種濾波算法相配合，才能達(dá)到較準(zhǔn)確地測(cè)量各種正弦與非正弦信號(hào)的目的。遞推最小二乘算法是近年來(lái)提出的一種較新的算法，利用這種算法，可以有效地從受干擾污染的輸入信號(hào)中估計(jì)基波電壓或基波電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部，利用它們對(duì)電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率的有效值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)利用電壓相角的變化可計(jì)算頻率和功率因數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)中交流采樣所采用的算法與微機(jī)保護(hù)裝置中有關(guān)的采樣算法在原理上具有相似性、但兩者的目的和要求并不完全一致，微機(jī)保護(hù)裝置中的采樣算法需檢測(cè)的量較少、對(duì)計(jì)算速度要求較高，但對(duì)準(zhǔn)確程度的要求比監(jiān)控系統(tǒng)要低一些；監(jiān)控系統(tǒng)中交流采樣算法需檢測(cè)的量較

37、多，對(duì)算法準(zhǔn)確程度的要求較高，對(duì)于速度一般只要求跟上系統(tǒng)的采樣速度即可。因此這兩種系統(tǒng)中的采樣算法各有特點(diǎn)，不能盲目照搬。下面介紹交流采樣的一般算法。若將電壓有效值公式離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式中Tm-相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um-第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N-1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即Tm為常數(shù)T，考慮到N=(T/T)+1，則有 上式就是根據(jù)一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公式。同理，電流有效值計(jì)算公式如下：計(jì)算一相有功功率的公式離散化后為式中 im、um-同一時(shí)刻的電

38、流、電壓采樣值。功率因數(shù)可由下式求得：cos=P/UI 四、交流采樣硬件設(shè)計(jì)原理將三相電路的電壓及電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器變成幅值為-5V5V的交流輸入信號(hào)，然后采用低通濾波電路對(duì)其進(jìn)行濾波，將濾波后的信號(hào)通過(guò)采樣保持電路進(jìn)行同步采樣和保持使之變?yōu)殡x散信號(hào)。為節(jié)約成本，采用同步采樣和分時(shí)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想，其硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖29002009-3所示。設(shè)計(jì)中只采用了一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，硬件電路中用一個(gè)多路選通開(kāi)關(guān)對(duì)所要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的通道依次進(jìn)行選擇。在每一個(gè)采樣點(diǎn)，AD轉(zhuǎn)換器要對(duì)多路通道分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因此，采樣保持器與AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘脈沖配合是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般采用頻率測(cè)量及跟蹤鎖相

39、方法可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入微機(jī)進(jìn)行處理，就可得出相應(yīng)的有效值、平均功率及功率因數(shù)，從而完成交流電力參數(shù)的測(cè)量。圖 29002009-3 交流采樣硬件設(shè)計(jì)原理圖五、直流采樣和交流采樣方式的比較上述分析可知，直流采樣和交流采樣主要是指對(duì)交流電流和電壓的采樣方法。兩種方法的主要區(qū)別是直流采樣必須把交流電流和電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波，變成直流量，再送給AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(一)直流采樣的特點(diǎn)1)直流采樣對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡(jiǎn)單。只要將采樣結(jié)果乘上相應(yīng)的標(biāo)度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，因此采樣程序簡(jiǎn)單，軟件的可靠性較好。2)直流采樣因經(jīng)過(guò)整流和濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換

40、成直流信號(hào)，因此抗干擾能力較強(qiáng)。3)直流采樣輸入回路，因要濾去整流后的紋波，往往采用R-C濾波電路，其時(shí)間常數(shù)較大(一般幾十毫秒幾百毫秒)，因此采樣結(jié)果實(shí)時(shí)性差，而且無(wú)法反映被測(cè)模擬量的波形，尤其不適合用于微機(jī)保護(hù)和故障錄波。4)直流采樣需要變送器屏，故增加了設(shè)備投資和占地面積。（二)交流采樣的主要特點(diǎn)交流采樣是直接對(duì)交流電流和電壓的波形進(jìn)行采樣，然后通過(guò)一定算法計(jì)算出其有效值，并計(jì)算出P、Q值。交流采樣有如下主要特點(diǎn)。1)實(shí)時(shí)性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)大的影響，因此在微機(jī)保護(hù)中必須采用交流采樣。2)能反映原來(lái)電流、電壓的實(shí)際波形，便于對(duì)所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行波形分析。因此在需

41、要諧波分析或故障錄波的場(chǎng)合，必須采用交流采樣。3)有功功率和無(wú)功功率是通過(guò)采樣得到的u、i計(jì)算出來(lái)的，因此可以省去有功功率和無(wú)功功率變送器，可以節(jié)約投資并縮小測(cè)量設(shè)備的體積。4)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和采樣保持器要求較高。為了保證測(cè)量的精度，一個(gè)周期內(nèi)，必須保證有足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，因此要求AD轉(zhuǎn)換器要有足夠的轉(zhuǎn)換速度。5)測(cè)量準(zhǔn)確性不僅取決于模擬量輸入通道的硬件，而且還取決于軟件算法，因此采樣和計(jì)算程序相對(duì)復(fù)雜。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，交流采樣技術(shù)已經(jīng)非常成熟；尤其是計(jì)算機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，幾年前在價(jià)格上還高不可攀的高速、高精度的交流采樣技術(shù)，現(xiàn)已能在普及型工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。RTU是

42、交流采樣技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典型例子。交流采樣RTU與直流采樣RTU相比有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活：交流采樣RTU可以集中式安裝，也可以分散式安裝；一些老的變電站進(jìn)行調(diào)度自動(dòng)化改造時(shí)，由于其屏的位置已經(jīng)占滿，分散式安裝的RTU將是其比較好的選擇。而直流采樣RTU由于受到需要配備變送器等的限制，很難做到分布式安裝。擴(kuò)充方便：交流采樣RTU一般為模塊化結(jié)構(gòu)，能夠非常方便地做到對(duì)遙測(cè)、遙信等量的擴(kuò)充，只要加一塊擴(kuò)充模塊即可。維護(hù)簡(jiǎn)單：采用交流采樣RTU免除了直流采樣RTU中必須的變送器運(yùn)行管理的工作，具有很高的性能價(jià)格比，不用經(jīng)常調(diào)校，工作穩(wěn)定可靠，大大降低了RTU的維護(hù)工作量。測(cè)量精度高：交流采樣RTU，對(duì)電流、電壓、有功、無(wú)功等的采樣精度能很容易達(dá)到0.5級(jí)，在用戶特殊要求下，可以做到0.2級(jí)。測(cè)量參數(shù)多：除了能測(cè)量三相電壓、電流、有功、無(wú)功、視在功率；還能測(cè)量有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、頻率等，能省缺脈沖電度表