微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集課件

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集1

本課程總學(xué)時(shí)：48（）教學(xué)地點(diǎn)：教樓室教學(xué)時(shí)間：第周至周電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置

原理微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集2目錄

第1章

自動(dòng)裝置及其數(shù)據(jù)的采集處理第2章同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列第3章同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)。第4章勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性第5章電力系統(tǒng)頻率及有功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。第6章電力系統(tǒng)低頻減載及其他安全自動(dòng)裝置。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集31.1自動(dòng)裝置的組成1.2采樣、量化與編碼技術(shù)1.3交流采樣的電量計(jì)算和前置計(jì)算方法。第1章自動(dòng)裝置及其數(shù)據(jù)的采集處理微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集4

1.1自動(dòng)裝置的組成

（由硬件和軟件組成）

1.1.1硬件系統(tǒng)的組成形式電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)形式有3種：1、微機(jī)系統(tǒng)2、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3、集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）。還有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（QCS）、（FCS）等組成的綜合控制系統(tǒng)，去獲得更好的控制特性。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集5

（一）微機(jī)系統(tǒng)：如圖1.1所示:它由1、傳感器

2、模擬多路開(kāi)關(guān)（MMUX）

3、采樣—保持器

4、A/D轉(zhuǎn)換器

5、存儲(chǔ)器

6、通信單元

7、CPU中央處理單元微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集6

（二）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的種類(lèi)：有：STD總線系統(tǒng)

PC104系統(tǒng)2、STD總線系統(tǒng)如圖1.3所示。它由:(1)CPU單元.(2)A/D單元(3)存儲(chǔ)器(4)系統(tǒng)支持單元(5)定時(shí)器(6)I/O單元(7)鍵盤(pán)顯示板等組成.

其特點(diǎn)是:I/O口設(shè)計(jì)有濾波器,過(guò)電流\電壓保護(hù),備有豐富軟件及組態(tài)軟件等.系統(tǒng)完善,可靠性高,抗干憂性強(qiáng).

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集7(三)集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）

1.集散控制系統(tǒng)（DCS）的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示:它由若干個(gè)數(shù)據(jù)采集測(cè)控站和上位機(jī)及通信系統(tǒng)等組成.1。1、各單元功能：（1）數(shù)據(jù)采集測(cè)控站功能：將生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集后通過(guò)通信系統(tǒng)輸送給上位機(jī)。上位機(jī)將處理過(guò)的信號(hào)和命令再通過(guò)通信系統(tǒng)輸送給數(shù)據(jù)采集測(cè)控站。（2）上位機(jī)：一般采用工業(yè)控制機(jī)或工作站、配置打印和其它設(shè)備。它主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)出控制命令。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集8

2、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu):

如圖1.5所示:

它是一個(gè)開(kāi)放式數(shù)字化系統(tǒng):由三個(gè)單元組成；現(xiàn)場(chǎng)總線主接點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線從接點(diǎn)和路由器等組成.(2)各單元功能:

A:現(xiàn)場(chǎng)總線主接點(diǎn)是

:整個(gè)總線系統(tǒng)的運(yùn)行協(xié)調(diào)者.它可以外局域網(wǎng)輸入和輸出設(shè)備.

B:現(xiàn)場(chǎng)總線從接點(diǎn):是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的終端設(shè)備.它能完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、傳輸和執(zhí)行控制命令等功能。

C：路由器：起到路由、中繼、數(shù)據(jù)交換等功能。（*3）特點(diǎn)：數(shù)字化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可互操作和互換性，可建立大系統(tǒng)微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集9

二、軟件系統(tǒng)有：1信號(hào)采集處理軟件；功能是采集、量化、實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波。2、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置軟件：運(yùn)行參數(shù)有：采樣通道、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣周期、信號(hào)量程、和工程單位等。3、系統(tǒng)管理軟件：管理系統(tǒng)工作4、通信軟件：通信協(xié)議、站與站、站與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集10總系統(tǒng)微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集11

第二節(jié)采樣、量化與編碼技術(shù)一、采樣1、含義采集信號(hào)波的幅度隨時(shí)間變化的信息2、采樣過(guò)程對(duì)連續(xù)信號(hào)X（t),按一定的時(shí)間間隔Ts,抽取相應(yīng)的瞬時(shí)值。3、采樣定理（）采樣頻率必須大于原來(lái)模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍。

fs>=2f(t)?s>2?m微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集12二、量化、編碼1、量化采樣值要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？梢允?位二進(jìn)制數(shù)字、16位二進(jìn)制數(shù)字。設(shè)N為數(shù)字量的二進(jìn)制代碼位數(shù)：量化單位q定義為量化器滿量程電壓值UFSR與2N的比值：

q=UFSR/2N(1-12)所以量化就是把采樣信號(hào)的幅值與q這個(gè)最小單位的一系列整數(shù)倍比較，用最接近于采樣值的最小單位倍數(shù)來(lái)表示該幅值。2、編碼采樣值的最小單位倍數(shù)來(lái)表示該幅值，若二進(jìn)制代碼位數(shù)N=8，則用8位二進(jìn)制數(shù)表示：最小單位倍數(shù)為1時(shí)，得二進(jìn)制數(shù)為00000001，最小單位倍數(shù)為2時(shí)得二進(jìn)制數(shù)為00000010，依次類(lèi)推。該方法稱為編碼。

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集133、量化誤差（1）含義：因?yàn)椴捎昧耍ú蓸又档淖钚挝槐稊?shù)來(lái)表示該幅值）轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)：使得其與實(shí)際值之間存在誤差，這種誤差稱為量化誤差。（2）量化誤差的表示：所以，量化產(chǎn)生的最大誤差為正負(fù)1/2LSB。LSB為二進(jìn)制數(shù)最低有效位，（0或1）。（3）量化誤差與N大小有關(guān)，N大誤差小。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集144、A/D轉(zhuǎn)換原理1、系統(tǒng)組成：由圖1.8可知:A/D轉(zhuǎn)換裝置是由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近奇存器SAR、時(shí)序及控制邏輯等單元組成。2、工作原理：轉(zhuǎn)換命令發(fā)出---，逐次逼近奇存器SAR首先清0，接著最高位置1，其余位置0，此數(shù)輸送到D/A轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換為電壓Uf,Uf輸送到比較器的輸入端與實(shí)際電壓UA比較，如果UA>Uf,則保留SAR最高位為1,反之更改為0。然后對(duì)次高位進(jìn)行轉(zhuǎn)換,重復(fù)以上的交換操作,一直到接近UA=Uf時(shí)為止。此時(shí)讀出SARS上的二進(jìn)制數(shù)：

(1110010.1010100)2

就為轉(zhuǎn)換結(jié)果。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集15第3節(jié)交流采樣的電量計(jì)算和前置計(jì)算方法

說(shuō)明：當(dāng)采用變送器時(shí)，其輸出直流量可與實(shí)際輸入的直流量相對(duì)應(yīng)；當(dāng)進(jìn)行交流采樣時(shí)，要進(jìn)行進(jìn)一步處理。一、交流電量計(jì)算以電壓量計(jì)算為例：如果每周期采樣N次，測(cè)得第K次采樣時(shí)的電壓基頻分量的F氏余系數(shù)UR和正系數(shù)U1分別如下：微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集16基頻信號(hào)的幅值Um和初相角θ分別為:

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集17

若每個(gè)周期采樣12個(gè)點(diǎn),即N=12.由付氏采法.基波信號(hào)的實(shí)部和虛部分別為:(U0-U11為采樣值)微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集182、有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算對(duì)于三相功率的計(jì)算與三相功率表的接法有關(guān)：三相功率表的接法有“三表法”和“倆表法”：（1）采用“三表法”時(shí)，必須采集A、B、C三相電流和電壓，所以用下標(biāo)A、B、C代表三相，R、I分別代表付氏正弦和余弦系數(shù)。視在功率為：有功功率和無(wú)功功率為微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集19

（2）采用兩表法

視在功率、有功和無(wú)功功率分別為（其中電流、電壓為有效值）；

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集203、功角的計(jì)算（1）功角的定義微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集21功角的定義功角分為內(nèi)功角δi和外功角δa如上圖所示。功角δi是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相量Eq和發(fā)電機(jī)端電壓UG之間的夾角；外功角δa是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相量Eq和電力系統(tǒng)電壓Ux之間的夾角;Xe為發(fā)電機(jī)外部網(wǎng)絡(luò)電抗，Xe=XT+XL。XT是變壓器電抗。XL是線路電抗。Xd是發(fā)電機(jī)直軸同步電抗。Xq是發(fā)電機(jī)橫軸同步電抗。Eq=UG+jiXqUx=UG-jiXeδ

a表示如下:微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集22微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集23

二、數(shù)據(jù)處理。（一）數(shù)據(jù)處理流程：。1、數(shù)據(jù)采入

2、標(biāo)度變換

3、數(shù)據(jù)有效性判斷

4、線性化處理

5、數(shù)字濾波

6、數(shù)據(jù)保存。（二）數(shù)字濾波方法：有算術(shù)平均法，加權(quán)平均法，一階綈歸法，

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集24

三表法微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集25ASCII碼—美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集26數(shù)字0~9的編碼是0110000~0111001，它們的高3位均是011，后4位正好與其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼（BCD碼）相符。英文字母A~Z的ASCII碼從（41H）開(kāi)始順序遞增，字母a~z的ASCII碼從（61H）開(kāi)始順序遞增，這樣的排列對(duì)信息檢索十分有利。最高位通?？倿?，有時(shí)也用作奇偶校驗(yàn)位。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集271.3二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算

1.3.1二進(jìn)制加法二進(jìn)制加法與十進(jìn)制加法相類(lèi)似，所不同的是，二進(jìn)制加法中是“逢二進(jìn)一”，其法則為

0+0=01+0=10+1=11+1=0并進(jìn)位微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集28

例如，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加：

10110101+10001110101000011微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集291.3.2二進(jìn)制減法在二進(jìn)制減法中，同樣有如下法則：

0-0=01-0=11-1=00-1=1有借位當(dāng)不夠減時(shí)需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一當(dāng)二”。例如，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相減：

10110100-0101011101011101微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集301.3.3二進(jìn)制乘法二進(jìn)制乘法與十進(jìn)制乘法是一樣的。但因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)只由0和1構(gòu)成，因此，二進(jìn)制乘法更簡(jiǎn)單。其法則如下：

0×0=01×0=00×1=01×1=1微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集31

例如，二進(jìn)制數(shù)1101.1與101.1相乘：

1101.1被乘數(shù)(13.5)10×101.1乘數(shù)(5.5)10

110111101100000+110111001010.01乘積(74.25)10

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集32

再看下面的例子：(1011)2×(1101)2。

1011被乘數(shù)(11)10

×1101乘數(shù)(13)10101100001011+1011

10001111乘積(143)10微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集331.3.4二進(jìn)制除法二進(jìn)制除法是乘法的逆運(yùn)算，其方法與十進(jìn)制除法是一樣的，而且二進(jìn)制數(shù)僅由0，1構(gòu)成，做起來(lái)更簡(jiǎn)單。例如，求二進(jìn)制數(shù)100111除以110的商的方法如下：

110.11101001111101111101101100微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集34

1.4符號(hào)數(shù)的表示及其運(yùn)算

1.4.1符號(hào)數(shù)的表示方法

表示一個(gè)帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)有3種方法。

1.原碼法例如，8位二進(jìn)制符號(hào)數(shù)(+45)10和(-45)10，可以如下寫(xiě)出：

(+45)10=(00101101)2

符號(hào)位數(shù)值

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集35(-45)10=(10101101)2↑

符號(hào)位數(shù)值

2.反碼法在計(jì)算機(jī)的早期，曾采用反碼法來(lái)表示帶符號(hào)的數(shù)。對(duì)于正數(shù)，其反碼與其原碼相同。例如：

(+45)10=(00101101)2

也就是說(shuō)正數(shù)用符號(hào)位與數(shù)值湊到一起來(lái)表示。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集36

對(duì)于負(fù)數(shù)，用相應(yīng)正數(shù)的原碼各位取反來(lái)表示，包括將符號(hào)位取反，取反的含義就是將0變?yōu)?，將1變?yōu)?。例如，(-45)10的反碼表示就是將上面(+45)10的二進(jìn)制數(shù)各位取反：

(-45)10=(11010010)2微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集37

同樣，可以寫(xiě)出如下幾個(gè)數(shù)的反碼表示：

(+4)10=(00000100)2

(-4)10=(11111011)2

(+7)10=(00000111)2

(-7)10=(11111000)2

(+122)10=(01111010)2

(-122)10=(10000101)2

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集383.補(bǔ)碼法在微處理機(jī)中，符號(hào)數(shù)是用補(bǔ)碼(對(duì)2的補(bǔ)碼)來(lái)表示的。用補(bǔ)碼法表示帶符號(hào)數(shù)的法則是：正數(shù)的表示方法與原碼法和反碼法一樣；負(fù)數(shù)的表示方法為該負(fù)數(shù)的反碼表示加1。

例如，(+4)10的補(bǔ)碼表示為(00000100)2，而(-4)10用補(bǔ)碼表示時(shí)，可先求其反碼表示(11111011)2，而后再在其最低位加1，變?yōu)?11111100)2。這就是(-4)10的補(bǔ)碼表示，即(-4)10=(11111100)2。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集39

同樣，我們把前面提到的幾個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼表示列在下面供參考：

(+7)10=(00000111)2

(-7)10=(11111001)2

(+122)10=(01111010)2

(-122)10=(10000110)2

微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集401.4.2補(bǔ)碼的運(yùn)算例如，有兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)10000100和00001110，當(dāng)規(guī)定它們是不帶符號(hào)的數(shù)時(shí)，則它們分別表示(132)10和(14)10。將這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加：

10000100+00001110

10010010（146）10微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集41

在微處理器中，一般都不設(shè)置專(zhuān)門(mén)的減法電路。遇到兩個(gè)數(shù)相減時(shí)，處理器就自動(dòng)地將減數(shù)取補(bǔ)，而后將被減數(shù)和減數(shù)的補(bǔ)碼相加來(lái)完成減法運(yùn)算。例如，(69)10－(26)10=?可以寫(xiě)成(69)10+(-26)10。利用(69)10的原碼和(26)10的補(bǔ)碼相加，即可以得到正確的結(jié)果。微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集42

必須注意兩個(gè)同符號(hào)的數(shù)相加時(shí)，結(jié)果不能超過(guò)規(guī)定的數(shù)值范圍，否則產(chǎn)生溢出。例如，兩個(gè)帶符號(hào)的數(shù)(01000001)2(十進(jìn)制數(shù)+65)與(01000011)2(十進(jìn)制數(shù)+67)相加：

01000001+01000011

10000100

再來(lái)看兩個(gè)負(fù)數(shù)(10001000)2和(11101110)2的相加情況。

10001000+11101110011101101微機(jī)電力自動(dòng)裝置原理自裝置及數(shù)采集43

此外，在微處理機(jī)中還會(huì)遇到不帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算。例如，兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加：

11111101