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1、数据采集与处理技术数据采集与处理技术第四讲第四讲 电量变送器电量变送器主主 讲讲 人：纪建伟人：纪建伟教教 研研 室：电子信息工程室：电子信息工程 发电厂和变电所中被监测电量都是高电压大电流的强电信号，不能发电厂和变电所中被监测电量都是高电压大电流的强电信号，不能发电厂和变电所中被监测电量都是高电压大电流的强电信号，不能发电厂和变电所中被监测电量都是高电压大电流的强电信号，不能被远动装置直接接受。远动装置中的遥测量采集信号一般是被远动装置直接接受。远动装置中的遥测量采集信号一般是被远动装置直接接受。远动装置中的遥测量采集信号一般是被远动装置直接接受。远动装置中的遥测量采集信号一般是0 05V5
2、V或或或或-5-5+5V+5V的直流电压，因此必须做量值的转换。一次系统的强电信的直流电压，因此必须做量值的转换。一次系统的强电信的直流电压，因此必须做量值的转换。一次系统的强电信的直流电压，因此必须做量值的转换。一次系统的强电信号经电压互感器号经电压互感器号经电压互感器号经电压互感器(TV)(TV)和电流互感器和电流互感器和电流互感器和电流互感器(TA)(TA)变换成额定值为变换成额定值为变换成额定值为变换成额定值为100V100V和和和和5A5A的交流信号，供二次系统仪表、保护和测量使用。但是要想将这的交流信号，供二次系统仪表、保护和测量使用。但是要想将这的交流信号，供二次系统仪表、保护和
3、测量使用。但是要想将这的交流信号，供二次系统仪表、保护和测量使用。但是要想将这些二次系统的信号引入远动装置中，还必须再经过一级变换，以使达些二次系统的信号引入远动装置中，还必须再经过一级变换，以使达些二次系统的信号引入远动装置中，还必须再经过一级变换，以使达些二次系统的信号引入远动装置中，还必须再经过一级变换，以使达到远动装置遥测量采集信号接口特性要求，电量变送器到远动装置遥测量采集信号接口特性要求，电量变送器到远动装置遥测量采集信号接口特性要求，电量变送器到远动装置遥测量采集信号接口特性要求，电量变送器(transducer)(transducer)正是实现这一转换的器件。正是实现这一转换的
4、器件。正是实现这一转换的器件。正是实现这一转换的器件。2.1 变送器的概念及分类变送器的概念及分类o变送器是微机运动系统和微机监测系统的感受元件，按其变送器是微机运动系统和微机监测系统的感受元件，按其变送的参数，可分为电量变送器和非电量变送器。变送的参数，可分为电量变送器和非电量变送器。o目前，目前，RTU测得各种电量的方法有两种：常规电量变送测得各种电量的方法有两种：常规电量变送器方法器方法(直流采样式直流采样式)和微机电量变送器方法和微机电量变送器方法(直接交流采直接交流采样样)。常规电量变送器是先将被测信号转换成直流输出，再对其常规电量变送器是先将被测信号转换成直流输出，再对其常规电量变
5、送器是先将被测信号转换成直流输出，再对其常规电量变送器是先将被测信号转换成直流输出，再对其施行模数转换得到各种电量。常规电量变送器有交流电压、施行模数转换得到各种电量。常规电量变送器有交流电压、施行模数转换得到各种电量。常规电量变送器有交流电压、施行模数转换得到各种电量。常规电量变送器有交流电压、电流、直流电压、直流电压、电流、交流有功功率无功功电流、直流电压、直流电压、电流、交流有功功率无功功电流、直流电压、直流电压、电流、交流有功功率无功功电流、直流电压、直流电压、电流、交流有功功率无功功率和周波变送器等，是一种单一电气测量变换装置，这类率和周波变送器等，是一种单一电气测量变换装置，这类率
6、和周波变送器等，是一种单一电气测量变换装置，这类率和周波变送器等，是一种单一电气测量变换装置，这类变送器均由子线路组成。为保证一定通用性和精确性，输变送器均由子线路组成。为保证一定通用性和精确性，输变送器均由子线路组成。为保证一定通用性和精确性，输变送器均由子线路组成。为保证一定通用性和精确性，输入量和输出量之间要保持线性关系。入量和输出量之间要保持线性关系。入量和输出量之间要保持线性关系。入量和输出量之间要保持线性关系。直流变送器功能单一，稳定性差，可靠性低。尤其是常直流变送器功能单一，稳定性差，可靠性低。尤其是常规变送器因输出端并接有较大惯性的电容器，所以对被规变送器因输出端并接有较大惯性
7、的电容器，所以对被测量的响应速度慢，一般在测量的响应速度慢，一般在O.1O.1O.3sO.3s之间，这种响应速之间，这种响应速度对电力网正常过负荷的检测尚可以适应，但是对电力度对电力网正常过负荷的检测尚可以适应，但是对电力网故障状态的下暂态信息如短路电流、母线残压的变化网故障状态的下暂态信息如短路电流、母线残压的变化的提取，显然是不适应的，可能造成在故障期间内大量的提取，显然是不适应的，可能造成在故障期间内大量信息的丢失信息的丢失。o随着电网调度自动化对变送器的要求越来越高，即希望响应速度快、随着电网调度自动化对变送器的要求越来越高，即希望响应速度快、精度高并具有数字处理和数字输出的功能，以便
8、与计算机接口。计精度高并具有数字处理和数字输出的功能，以便与计算机接口。计算机技术尤其单片机技术的迅速发展和日臻成熟与完善，为微机变算机技术尤其单片机技术的迅速发展和日臻成熟与完善，为微机变送器的产生和发展提供了强有力保证。送器的产生和发展提供了强有力保证。o微机变送器是通过使用先进的计算机技术、集成电路技术和成熟的微机变送器是通过使用先进的计算机技术、集成电路技术和成熟的数学工具对交流电压、交流电流信号直接采样得到各个相关电量。数学工具对交流电压、交流电流信号直接采样得到各个相关电量。它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能，是一种多功能综它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能，是一种
9、多功能综合测量装置。合测量装置。由于微机的运算速度快，一台微机变送器可测量几条线由于微机的运算速度快，一台微机变送器可测量几条线路的电量，而且还可测出每条线路的多个电气量。因此路的电量，而且还可测出每条线路的多个电气量。因此一台微机变送器可代替多台常规变送器，从而减轻了互一台微机变送器可代替多台常规变送器，从而减轻了互感器的负载，减小了测量误差。微机变送器对环境温度感器的负载，减小了测量误差。微机变送器对环境温度变化的影响也比常规变送器小。变化的影响也比常规变送器小。2.2 交流采样的原理及算法交流采样的原理及算法在遥测量采集中，若采用直流采样，就必须有电量变送器提供信号，在遥测量采集中，若采
10、用直流采样，就必须有电量变送器提供信号，并且需要采集什么电量，就需要提供什么电量变送器。由此可见，若并且需要采集什么电量，就需要提供什么电量变送器。由此可见，若采集一个厂、站的全部电量所需的变送器的种类和数量很大，通常要采集一个厂、站的全部电量所需的变送器的种类和数量很大，通常要安装在单独的变送器屏中，而且投资也高。能否直接对交流电压、电安装在单独的变送器屏中，而且投资也高。能否直接对交流电压、电流进行采样，用软件完成各类电量变送器的功能，从而获得全部电量流进行采样，用软件完成各类电量变送器的功能，从而获得全部电量信息，这就是交流采样要完成的工作。信息，这就是交流采样要完成的工作。2.2.1
11、交流采样原理交流采样原理设正弦电压电流的瞬时值表达式为设正弦电压电流的瞬时值表达式为式中，式中，分别为电压电流的幅值，分别为电压电流的幅值，为角频率，为角频率，为电压、电为电压、电流的相角差，则电压电流的有效值流的相角差，则电压电流的有效值 为为=由以上的计算公式不难看出，要想求出上述几个用电参数，关键在由以上的计算公式不难看出，要想求出上述几个用电参数，关键在于电压、电流有效值和相位差角的采样，下面分别对其进行讨论于电压、电流有效值和相位差角的采样，下面分别对其进行讨论。如果将电压真有效值即均方根值公式：如果将电压真有效值即均方根值公式：二点算法二点算法 2.2.2 2.2.2 相位差角的采
12、样相位差角的采样 有关相位差角的采样也有多种实现方式。如借助积分电路用三角公有关相位差角的采样也有多种实现方式。如借助积分电路用三角公式求功率因数方法，运用瞬时功率法在计算出有功、无功功率后利式求功率因数方法，运用瞬时功率法在计算出有功、无功功率后利用一定公式求联。这两种方法由于计算公式复杂，且含乘除计算，用一定公式求联。这两种方法由于计算公式复杂，且含乘除计算，因此计算工作量较大。为此本文利用因此计算工作量较大。为此本文利用MCS-51MCS-51系列单片机外部中断系列单片机外部中断INT0INT0或或INT1INT1检测相位差角。具体实现方法是，当电压方波正跳变时，检测相位差角。具体实现方
13、法是，当电压方波正跳变时，开始计时，读上跳变时时间值开始计时，读上跳变时时间值t1t1，当电流方波正跳变时，同理便可，当电流方波正跳变时，同理便可读出时间值读出时间值t2t2，二者差值即为反映相角差的时间值。，二者差值即为反映相角差的时间值。3.3.微机电量变送器硬件电路设计微机电量变送器硬件电路设计(以以MCS-51MCS-51单片机为核心单片机为核心)微机变送器的输入信号取自电压互感器和电流互感器的输出回路，分别微机变送器的输入信号取自电压互感器和电流互感器的输出回路，分别微机变送器的输入信号取自电压互感器和电流互感器的输出回路，分别微机变送器的输入信号取自电压互感器和电流互感器的输出回路
14、，分别是有效值为是有效值为是有效值为是有效值为0 0 0 0100V100V100V100V，0 0 0 05A5A5A5A的交流信号。这些信号不能直接输入到的交流信号。这些信号不能直接输入到的交流信号。这些信号不能直接输入到的交流信号。这些信号不能直接输入到A A A AD D D D转换器，而需要变换成转换器，而需要变换成转换器，而需要变换成转换器，而需要变换成A A A AD D D D转换器输人所允许的信号形式以及变化范围。转换器输人所允许的信号形式以及变化范围。转换器输人所允许的信号形式以及变化范围。转换器输人所允许的信号形式以及变化范围。一般一般一般一般A A A AD D D D
15、转换器输入转换器输入转换器输入转换器输入-5-5-5-5+5V+5V+5V+5V或或或或-10-10-10-10+10V+10V+10V+10V的电压信号。中间电压互感器的电压信号。中间电压互感器的电压信号。中间电压互感器的电压信号。中间电压互感器TVTVTVTV将将将将0 0 0 0100V100V100V100V交流电压按比例变换成峰值为交流电压按比例变换成峰值为交流电压按比例变换成峰值为交流电压按比例变换成峰值为0 0 0 05V5V5V5V的交流电压信号，中间的交流电压信号，中间的交流电压信号，中间的交流电压信号，中间电流互感器电流互感器电流互感器电流互感器TATATATA将将将将0
16、0 0 05A5A5A5A的电流信号变换成较小的电流后使之在电阻上形成的电流信号变换成较小的电流后使之在电阻上形成的电流信号变换成较小的电流后使之在电阻上形成的电流信号变换成较小的电流后使之在电阻上形成峰值为峰值为峰值为峰值为0 0 0 05V5V5V5V的交流电压信号。的交流电压信号。的交流电压信号。的交流电压信号。3.3.微机电量变送器硬件电路设计微机电量变送器硬件电路设计(以以MCS-51MCS-51单片机为核心单片机为核心)在实验室利用高精度示波器和真空毫伏表对在实验室利用高精度示波器和真空毫伏表对PTPT、CTCT进行进行了反复特性试验，测试的电压互感器和电流互感器特性如表了反复特性
17、试验，测试的电压互感器和电流互感器特性如表2-12-1，表，表2-22-2所示。所示。表表2-1 2-1 电压互感器原副边电压转换特性电压互感器原副边电压转换特性 (注：以上数据采用真空毫伏表测试注：以上数据采用真空毫伏表测试)原边施加电压原边施加电压(V)付边电压付边电压(V)2555.252505.202455.102404.952354.90 2304.802254.702204.552154.502104.402054.302004.201954.101904.001853.901803.80原边施加电压原边施加电压(V)付边电压付边电压(V)175 3.70 170 3.60 165
18、 3.50 160 3.40 155 3.30 150 3.20 145 3.10 140 3.00 135 2.90 130 2.78 125 2.66 120 2.54 115 2.38 110 2.24 105 2.09 100 1.94表表2 22 2 电流互感器原边电流副边电压电流互感器原边电流副边电压(二次并二次并1 Q1 Q电阻电阻)转转换特性换特性一次所加电流一次所加电流(A)二次电压二次电压(V)0.375 12.5 0.50 16 0.75 24 1.00 32 1.25 41 1.50 48 1.75 57 2.00 64 2.25 72 2,50 83 2.75 91
19、3.00 98 3.25 105 3.50 112一次所加电流一次所加电流(A)二次电压二次电压(mV)3.75 120 4.00 128 4.25 136 4.50 145 5.00 160 5.25 168 5.50 175 5.75 183 6.00 190 6.25 198 6.50 210 6.75 218 7.00 225信号采样电路的硬件实现信号采样电路的硬件实现 该装置的信号采集电路结构如图该装置的信号采集电路结构如图2-112-11所示（略）。信号采集电路由所示（略）。信号采集电路由模拟信号通道和方波信号通道组成。模拟信号通道和方波信号通道组成。(1)(1)模拟信号通道模拟信
20、号通道三个三个TV(TV(电压互感器电压互感器)的原边分别接至三相电源电压，由于的原边分别接至三相电源电压，由于TVTV原边可能产原边可能产生的峰值电压生的峰值电压(按高出额定值按高出额定值1010考虑考虑)为：为：按按PTPT转换特性副边将产生的电压为转换特性副边将产生的电压为信号采样电路的硬件实现信号采样电路的硬件实现 由于模拟地为由于模拟地为+2.5V+2.5V，所以要想获得单片机，所以要想获得单片机A/DA/D转换器能接受的转换器能接受的0 0+5V+5V电平信号必须经运放衰减，衰减的倍数电平信号必须经运放衰减，衰减的倍数KVKV为：为：由图由图2-112-11可见，衰减倍数完全可以通
21、过调节电位器可见，衰减倍数完全可以通过调节电位器R3R3来实现。来实现。与三电压通道不同的是，三个二次与三电压通道不同的是，三个二次TA(TA(小电流互感器小电流互感器)原边分别接至原边分别接至三相一次三相一次TATA，副边通过精密，副边通过精密1 1电阻获得与二次电流成正比的电压信号。因电阻获得与二次电流成正比的电压信号。因此二次此二次TATA副边经电阻取样后可能获得的峰值电压副边经电阻取样后可能获得的峰值电压(按高出额定值的按高出额定值的2020考考虑虑)为：为：信号采样电路的硬件实现信号采样电路的硬件实现 可见此电压信号必须经运算放大器放大到可见此电压信号必须经运算放大器放大到2.5V2
22、.5V，放大倍数，放大倍数KIKI为为在电路中通过调节电位器在电路中通过调节电位器R8R8来实现。来实现。为可靠保证送入单片机的电平信号不高于为可靠保证送入单片机的电平信号不高于5V5V。运放的输出端均接有。运放的输出端均接有5.1V5.1V稳压二级管。经处理后的三相电压、三相电流信号分别送入稳压二级管。经处理后的三相电压、三相电流信号分别送入0809 A/D0809 A/D转转换器的模拟输入口换器的模拟输入口IN0IN0IN5IN5。信号采样电路的硬件实现信号采样电路的硬件实现 (2)(2)电压、电流方波信号通道电压、电流方波信号通道 处理后的三相电压电流信号经各自的比较器处理后的三相电压电
23、流信号经各自的比较器LM311LM311便产生与模拟信号周期便产生与模拟信号周期相同的方波信号，并通过与门及相同的方波信号，并通过与门及40514051模拟开关送至模拟开关送至80318031单片机的外部中单片机的外部中断口断口INT0INT0。当点压方波正跳变时，开始计时，读上跳变时时间值。当点压方波正跳变时，开始计时，读上跳变时时间值t1 t1 ，多路开关切换到电流方波通道，当电流方波正跳变时，读出时间值多路开关切换到电流方波通道，当电流方波正跳变时，读出时间值t2t2，二者差值二者差值t t即为反映相角差的时间值即为反映相角差的时间值(360/20ms=/t(360/20ms=/t）。）。