智能電網(wǎng)傳感器與儀表 教案

§5數(shù)字化量測技術5.1概述在電氣測試系統(tǒng)中，電量可以經(jīng)離散化和量子化直接進行處理，而非電量則要通過各種傳感器將其轉(zhuǎn)換為電量后進行處理，如溫度、位移、速度等。但是，傳感器輸出的信號一般都很微弱，大多還伴隨著各種噪聲，須借助信號處理電路將寄存在載體上的噪聲剔除，抽取出有用信息，并按預期目的及要求進行所需運算、處理與變換。電信號經(jīng)過處理后，可用數(shù)字儀表來顯示或直接控制執(zhí)行機構動作。數(shù)字化測量技術的主要內(nèi)容是對傳感器輸出信號進行調(diào)理，將模擬量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量，通過微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，進而傳輸、顯示或直接驅(qū)動執(zhí)行機構，如圖所示。數(shù)字化測量技術在整個測試系統(tǒng)中起著十分關鍵的作用，本章將從信號的濾波、放大、預處理及其在測試系統(tǒng)中的典型應用等方面進行介紹。圖數(shù)字化測量技術結構5.2濾波器1.濾波器的作用濾波器的作用是抑制雜散的無用頻率信號，使其最大幅度衰減，從而提取出所需的測量信號。傳感器的輸出信號往往包含許多噪聲，從而影響測量精度。因此，利用濾波器從頻域中實現(xiàn)對噪聲的抑制，提高信噪比，是電氣測試系統(tǒng)必不可少的組成部分。2.濾波器的主要指標（1）頻域特性圖5-2低通濾波器的頻率特性（2）時域特性與任何交流電路一樣，濾波器可用它們的時域特性（如上升時間、過沖、回落及穩(wěn)定時間來描述）。如圖所示，上升時間tr是指達到最終值的90%所需的時間；峰值時間tp是指響應超過其終值到達第一個峰值所需的時間；穩(wěn)定時間ts是指維持在最終值的某指定數(shù)量級內(nèi)所需的時間。過沖和回落是針對濾波器的某些不受歡迎的特性而設的指標。3.濾波器的類型（1）低通濾波器，通帶從零到某一截止頻率fc。（2）高通濾波器，通帶從截止頻率fc到無窮大，由于受到有源器件及雜散參數(shù)的影響，其帶寬是有限的。（3）帶通濾波器，通帶位于兩個有限非零的上、下限頻率之間。（4）帶阻濾波器，阻帶位于兩個有限非零上、下限頻率之間。其各自的幅頻特性如圖所示，每個特性曲線均包含通帶、阻帶和過渡帶3個部分，圖中Aup表示增益，Aup為增益的幅值。圖各類濾波器幅頻特性4.濾波器實例--二階低通有源濾波器常用的二階低通有源濾波器如圖所示。由于C1接到集成運放的輸出端，形成正反饋，使電壓放大倍數(shù)在一定程度上受輸出電壓控制，且輸出電壓近似為恒壓源，所以又稱之為二階壓控電壓源低通濾波器，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。當時，可求得其傳遞函數(shù)為 令 式中，為截止角頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)；Aup為增益系數(shù)。由Q可得時，電路才能穩(wěn)定工作，若，電路將自激振蕩。圖單端正反饋型低通濾波5.3模擬信號放大器傳感器輸出的信號往往是微弱的電信號，因此必須將信號進行放大。模擬信號的放大通常是由集成運算放大器完成，由于傳感器輸出的信號形式和大小各不相同，因此要根據(jù)不同的場合選用合適的放大器。集成運放的一般選擇原則是：在滿足所需的電氣特性前提下，選擇性價比高、通用性強的運放。例如，若信號源內(nèi)阻很大，則可選用高輸入阻抗的運放；若放大電路要求低噪聲、低漂移，則應選用高精度、低漂移的低噪聲運放。隨著集成技術的發(fā)展，集成運算放大器的性能不斷完善，目前集成運放已廣泛應用在各種放大電路中。典型集成運放可分為儀表放大器、差動放大器、高輸入阻抗放大器、可程控增益放大器、隔離放大器和高精度放大器等，本節(jié)將主要介紹電氣測試系統(tǒng)中一些常用的典型運算放大器。1.運算放大器的主要指標集成運放性能的優(yōu)劣主要從其性能指標來判斷，其主要性能指標有輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓漂移、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流等。（1）輸入失調(diào)電壓：在運放開環(huán)使用時，加載在兩個輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為0，這個電壓就為輸入失調(diào)電壓。也可定義為當運放接成跟隨器且正輸入端接地時，輸出存在的非0電壓。1μV以下屬于極優(yōu)秀的，100μV以下屬于較好的，最大的有幾十mV。（2）輸入失調(diào)電壓漂移：當溫度變化、時間持續(xù)、供電電壓等自變量變化時，輸入失調(diào)電壓會發(fā)生變化。輸入失調(diào)電壓隨自變量變化的比值，稱為輸入失調(diào)電壓漂移。一般以溫度漂移為主，范圍從0.002μV/°C到幾十μV/°C。（3）（4）輸入失調(diào)電流：當輸出維持在規(guī)定的電平時，兩個輸入端流進電流的差值，大小主要取決于運放輸入端結構，采用FET作為輸入級的運算放大器失調(diào)電流同樣比較小，一般在pA量級上。2.儀用放大器儀用放大器是由一組放大器構成的，它的特點是：輸入阻抗高、失調(diào)電壓低、溫度漂移小、增益高，具有很強的共模抑制能力。儀用放大器是一種精密的差動電壓放大器，它在復雜的環(huán)境下仍可以保持優(yōu)良的性能，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應用。儀表放大器內(nèi)部通常具有兩個或者更多的運放結構，最典型的是三運放結構。三運放儀用放大器原理圖三運放儀用放大器經(jīng)分析可得 其增益為 式中，RP為電位器，通過可調(diào)節(jié)電位器設定增益。儀表放大器具有極高的共模抑制比，對信號的差值極為敏感而對共模量不敏感，還有極高的輸入阻抗，適宜與傳感器配合使用測量遠傳信號，但是它的輸入引腳有工作限制：第一不得懸空，第二不能承載太高的電壓。3.差動放大器差動放大器是由一個運放和若干個激光校準電阻對集成在一起的電路，差動放大電路將兩個輸入信號分別接到運算放大器的同相和反相端，然后在輸出端取出兩個信號的差模成分，抑制兩個信號的共模成分?；静顒臃糯箅娐凡顒臃糯箅娐酚欣谝种乒材８蓴_和減小溫度漂移，利用線性疊加原理，可得 如果滿足，則式（5-11）改寫為 4.高輸入阻抗放大器有些傳感器的輸出阻抗很高，可達108Ω以上，這就要求測量放大電路具有很高的輸入阻抗。為了提高運算放大電路的輸入阻抗，可在輸入端接電壓跟隨器，但這樣會引入跟隨器的共模誤差，在要求較高的場合下，可采用高輸入阻抗集成運算放大器組成自舉電路：采用MOSFET作為輸入級的集成運算放大器，其輸入阻抗可高達1.5×106MΩ，如CA3140、CA3260等；采用FET作為輸入級的集成運算放大器，輸入阻抗為106MΩ，性能穩(wěn)定且不易損壞，如LF356、LF310等。5.程控增益放大器當傳感器的輸出與測試系統(tǒng)相連接時，連續(xù)的模擬信號經(jīng)放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣。任何A/D轉(zhuǎn)換器都有其輸入范圍，當模擬輸入信號很小時，其輸出的數(shù)字量也很小，容易引起較大的誤差。為解決這一問題，常采用增益可變化的放大器，實現(xiàn)放大器量程的自動切換，無論放大器輸入信號幅值有多大，通過改變放大器的增益使其輸出滿足A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍，這樣便能在小信號時提高A/D轉(zhuǎn)換精度，減小誤差?？删幊淘鲆娣糯笃鞯脑鲆嫱ㄟ^邏輯電路來控制，如圖所示為可編程增益放大器原理。通過電路中的4個模擬開關，可實現(xiàn)0～15中任意整數(shù)的增益，開關的通斷可改變放大器的輸入電阻，從而改變電路的增益，其閉環(huán)放大倍數(shù)可表示為 其中，，當開關均接通時，即，；當，時，。依次類推，則可得到24個增益值，若采用n個開關，則可得到2n個增益。圖可編程增益放大器原理將運算放大電路、電阻網(wǎng)絡和模擬開關及譯碼電路等集成在一起，稱為集成可編程增益放大器，如LH0075、AD8231、AD526等。程控增益放大器的增益設定主要有兩種實現(xiàn)方式，一是多個引腳配合設定二進制增益，二是通過數(shù)字通信接口給放大器寫入命令。主要用于被測信號幅度變化較大且不可事先預知的情況，程控增益放大器的輸出經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進入處理器中，處理器分析所得數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)信號變化范圍太小，可以發(fā)出指令，用程序增大放大器的增益，如果信號變化范圍過大，可以用程序?qū)崿F(xiàn)增益的縮減，最終使得放大器處于隨時可調(diào)的最佳增益狀態(tài)。6.隔離放大器隔離放大器是指輸入回路、輸出回路和電源回路之間電流和電阻都相互隔離、沒有直接電路耦合的放大器。可用于輸入、輸出隔離的有光、超聲波、無線電波和電磁等方式，常采用的耦合方式有變壓器耦合和光耦合兩種。隔離放大器主要用于便攜式測量儀器和電氣測試系統(tǒng)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。為了提高微弱電信號（電壓或電流）和低頻信號的測量精度，減小漂移，常采用調(diào)制解調(diào)式放大器。實現(xiàn)方法上，直流電源首先經(jīng)振蕩器變成交變信號，通過變壓器或光耦合器耦合到輸入回路，然后再整流和濾波、穩(wěn)壓作為輸入回路和輸出回路的直流電源，輸入回路的調(diào)制開關信號和輸出回路的解調(diào)開關信號通過變壓器或光耦合器耦合過來，輸入回路和輸出回路之間的信號聯(lián)系也用變壓器或光耦合器來實現(xiàn)。AD202是美國AD公司的一種通用隔離放大器，它的原理圖如圖所示，其中左邊是信號輸入?yún)^(qū)域，右邊是輸出區(qū)域，兩個區(qū)域是完全隔離的，僅能通過上部的信號變壓器、下部的電源變壓器實現(xiàn)信號和能量的傳遞，兩區(qū)域之間的隔離電壓可以高達2kV。左側(cè)有一個獨立的運放，以及隨后的調(diào)制環(huán)節(jié)，把低頻信號變成25kHz的調(diào)制信號，通過隔離變壓器傳遞到右側(cè)，隨后解調(diào)輸出。為了實現(xiàn)隔離，還要給信號輸入側(cè)提供單獨的隔離電源，圖5-21中下部是能量傳遞，由右側(cè)給左側(cè)提供電源，內(nèi)部輸出電壓±VISO為7.5V。圖5-21AD202原理圖芯片電源15V接入31、32引腳，被放大的信號通過1、2引腳輸入，37、38引腳為其輸出，外接反饋電阻由3、4引腳接入，當3、4引腳短接時，可構成一個增益為1的隔離放大器。7.精密放大器隨著各種新型傳感器的推出，人們對電子設備性能要求越來越高，大量自動化設備投入使用，低失調(diào)、低噪聲的高精密放大器在醫(yī)療電子、測量儀表、汽車電子、工業(yè)自動化設備等領域得到廣泛應用。一般來講，帶寬小于50MHz的，能夠具有某些特殊指標優(yōu)異性的運放，都屬于精密運放。5.4集成模擬多路開關開關是電子電路中的一個基本器件，模擬開關在電路中主要起接通信號或斷開信號的作用。由于模擬開關具有功耗低、速度快、無機械觸點、體積小和使用壽命長等特點，因而，在電氣測試系統(tǒng)中得到了廣泛應用。例如，模擬開關常應用于程控增益放大器，通過各開關的控制改變放大器的增益。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常需要有多路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、巡回檢測和控制，若每一路都采用各自的放大器、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，不僅使系統(tǒng)的成本增加，而且各組件特性的分散性也將給校準帶來極大的困難。因此，常采用集成摸擬多路開關，實現(xiàn)多路參數(shù)公用一個放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，使電路結構簡單易實現(xiàn)。1.主要性能指標 模擬開關通常有3個端子：控制端、信號輸入端、輸出端。在選擇開關時，主要考慮下列參數(shù)。（1）開關速度：根據(jù)傳輸信號的頻率，選擇相應的切換速度，一般與A/D轉(zhuǎn)換的速度綜合考慮。模擬開關的開關速度一般能達到兆赫茲的速度，可以快速實現(xiàn)電路切換。（2）導通電阻：在理想情況下，導通電阻為零。常見的模擬開關的導通阻抗一般從幾歐姆到幾百歐姆之間，在模擬信號和弱信號設計的時候使用模擬開關必須注意這個參數(shù)。（3）斷開電阻：在理想情況下，斷開電阻為無窮大。實際應用中則不然，開關斷開時電阻為一個有限值，斷開電阻代表著開關的關斷能力，一般產(chǎn)品的斷開電阻足以達到抑制相鄰兩個信號鏈路相互干擾。（4）泄漏電流：如果信號源內(nèi)阻很高，傳輸?shù)挠质请娏髁?，此時就要考慮多路開關的泄漏電流，希望泄漏電流越小越好。（5）（6）開關最大電流：模擬開關導通時能夠承受的最大電流值，現(xiàn)在常見的模擬開關的開關最大電流一般在幾百毫安以內(nèi)。模擬開關的種類很多，如雙極型晶體管開關、光耦合開關、結型場效應晶體管開關、MOS型場效應晶體管開關等。多路開關主要作用于信息的切換，在選擇多路開關時，需要根據(jù)不同的場合，選擇滿足電路參數(shù)的開關。2.模擬多路開關電路模擬多路開關又稱模擬多路轉(zhuǎn)換器，它由地址譯碼和多路雙向模擬開關組成，可以通過外部地址輸入信號經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼，選通相應的開關，從多路模擬輸入信號中選取某一路傳送到輸出端。以差分4通道數(shù)字控制模擬開關CD4052為例，其應用電路如圖所示，當單片機的串口緊缺時，通過CD4052擴充單片機的串口通信，從而實現(xiàn)串口資源的共享，豐富單片機的片上外設。CD4052有A、B兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有較低的導通阻抗和截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V的模擬信號，在電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關，當輸入端INH=“1”時，所有通道截止。2位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出，其真值表如表所示。圖CD4052應用電路表CD4052真值表INHBA“ON”0000X，0Y0011X，1Y0102X，2Y0113X，3Y5.5A/D轉(zhuǎn)換器隨著計算機和通信技術及微電子技術的高速發(fā)展，電子信息技術已滲透到軍事、民用領域的各個角落，高速、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為現(xiàn)代先進的電子設備或電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。它廣泛應用于雷達、衛(wèi)星、導彈、測控系統(tǒng)、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫(yī)療成像、高性能控制器與傳感器、數(shù)字化儀表、各種電氣測試系統(tǒng)以及包括無線電話和基站接收機在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)等領域。1.A/D轉(zhuǎn)換器的基礎理論模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。通常的A/D轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小，故任何一個A/D轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢像普通模擬集成電路的發(fā)展趨勢一樣走向高速、高精度和低功耗。對A/D轉(zhuǎn)換器的電路結構設計來說，提高速度自然會犧牲分辨率和功耗，提高精度或分辨率就會犧牲轉(zhuǎn)換速度和功耗，降低功耗則要相應降低速度和分辨率。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗三者之間是相互矛盾、相互制約的。在電氣測試系統(tǒng)應用中，如何選擇適當類型和技術指標的A/D轉(zhuǎn)換器，即如何對速度、精度、功耗三者進行權衡，必須從A/D轉(zhuǎn)換器的電路結構入手。另一方面在對高速A/D轉(zhuǎn)換器的電路進行微電子設計時，如何對速度、精度、功耗進行權衡又依賴于制造工藝的參數(shù)匹配。A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展經(jīng)歷了多次技術革新，從最初并行比較型、流水線型、逐次逼近型、積分型到最近幾年新發(fā)展起來的Σ-?型、折疊插值型、混沌型等能滿足不同的應用場合。常見的幾個典型轉(zhuǎn)化器有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器、流水線型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器及Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器。2.A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標（1）分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化1個數(shù)碼時，對應輸入模擬量的變化量。例如，最大輸出電壓為5V的8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為5V/256=19.6mV。分辨率也可用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示，位數(shù)越多能分辨的最小模擬電壓值就越小。（2）積分非線性：表示A/D轉(zhuǎn)換器器件在所有的數(shù)值點上對應的模擬值和真實值之間誤差的最大值。也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離，單位是LSB（即最低位所表示的量）。（3）微分非線性：理論上，模數(shù)器件相鄰兩個數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的，就像一把疏密均勻的尺子。但實際并不如此，一把分辨率1mm的尺子，相鄰兩刻度之間也不可能都是1mm整。那么，A/D轉(zhuǎn)換器相鄰兩刻度之間最大的差異就叫微分非線性值。微分非線性值如果大于1，那么這個A/D轉(zhuǎn)換器甚至不能保證是單調(diào)的，輸入電壓增大，在某個點數(shù)值反而會減小。（4）轉(zhuǎn)換誤差：A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說明實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過1/2LSB。（5）偏移誤差：輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱零值誤差。假定A/D轉(zhuǎn)換器沒有非線性誤差，則其轉(zhuǎn)換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應的輸入電壓值就是偏移誤差。（6）滿刻度誤差，又稱增益誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)碼所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。（7）轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換器完成1次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。（動態(tài)指標）（8）信噪比：信號功率對噪聲功率的比值，反映了轉(zhuǎn)換器的噪聲背景。（動態(tài)指標）3.集成A/D轉(zhuǎn)換器及應用從數(shù)字輸出來分類，A/D轉(zhuǎn)換器分并行A/D轉(zhuǎn)換器和串行A/D轉(zhuǎn)換器，隨著SPI等串行總線迅速發(fā)展，串行數(shù)據(jù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有體積小、功耗低、性價比高等特點，從而被廣泛應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如16位的串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705、AD7706等。AD7705是AD公司生產(chǎn)的分辨率可達16位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需2.7～3.3V單電源供電，其CMOS結構確保器件具有極低功耗，3V電壓時最大功耗為1mW，掉電模式等待時的功耗減少至20W。對輸入信號可分為單極性或雙極性，帶有1個差分基準輸入，并且內(nèi)部通過寄存器增益可調(diào)。如圖所示為AD7705應用原理圖，AD7705與STM32F407采用SPI進行通信，通道2采用單極性輸入，采集電源電壓，參考電壓為1.225V，供電電壓為3.3V。電源電壓值計算公式為，其中為采集到的電源電壓值，為通道2采樣后的電壓值。圖AD7705應用電路圖5.6微控制器在電氣測試系統(tǒng)中，傳感器信號經(jīng)A/D采樣后，需要傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M行信號處理，然后通過微控制器進行數(shù)據(jù)的遠傳或直接驅(qū)動執(zhí)行機構。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其生產(chǎn)成本越來越低，而性能卻越來越強大，尤其是最近幾年隨著科學技術不斷發(fā)展和革新，應用已經(jīng)無處不在，遍及各個領域?，F(xiàn)階段主流的微控制器典型代表有單片機、DSP、ARM及FPGA等。1.單片機單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在電氣測試領域被廣泛應用。按照單片機數(shù)據(jù)總線的寬度，可將單片機分為8位、16位、32位。2DSP數(shù)字信號處理器簡稱DSP，就是用數(shù)值計算的方式對信號進行加工處理的技術。DSP能夠輕松地對數(shù)字信號進行變換、濾波等處理，還可以進行各種復雜的數(shù)學運算。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術及計算機技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術也相應地得到發(fā)展，DSP已廣泛應用于電氣測試系統(tǒng)，如數(shù)字濾波器、傅里葉變換實現(xiàn)、譜分析、語音、圖像、振動等信號處理等。3ARMARM是一個架構，主要由ARM公司提供和ARMHoldings開發(fā)。ARM處理器的主要特點是：體積小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高等。因為它具有極高的性價比、代碼密度、及時出色的實時中斷響應和極低的功耗，并且占用硅片的面積極少，從而使它成為嵌入式系統(tǒng)的理想選擇，被廣泛應用在電氣領域。4FPGAFPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA采用了邏輯單元陣列，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線3個部分。FPGA利用硬件并行的優(yōu)勢，打破了順序執(zhí)行的模式，能夠在每個時鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務，超越了DSP的運算能力，同時軟件工具提供了編程環(huán)境，基于處理器的系統(tǒng)往往包含了多個抽象層，可在多個進程之間計劃任務、共享資源，因此，F(xiàn)PGA被廣泛應用于各個領域。5.7D/A轉(zhuǎn)換器1.D/A轉(zhuǎn)換原理D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的集成電路，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考量（電流或電壓）及二進制數(shù)成比例，一般來說，可用下面的式子表示模擬量輸出與參考量及二進制數(shù)的關系： 式中，為模擬量輸出；K為比例常數(shù)；VREF為參考量（電壓或電流）；B為待轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)，通常B的位數(shù)為8位、12位等。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換原理圖如圖所示。 其中，，，，，則有： 圖D/A轉(zhuǎn)換原理圖通過D/A轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換就是按照一定的解碼方式將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，按照解碼方式的不同可分為二進制加權電阻網(wǎng)絡型D/A轉(zhuǎn)換器、梯形電阻網(wǎng)絡型D/A轉(zhuǎn)換器及權電流型D/A轉(zhuǎn)換器。2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要指標（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，即 分辨率= 例如，10位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/（2101）。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率就越小，能分辨的最小輸出電壓值就越小。（2）（3）轉(zhuǎn)換精度：D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是一個綜合指標，不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關，而且與環(huán)境溫度、運算放大器的溫度漂移及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結果，除了正確選用D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)外，還要選用低漂移、高精度的求和運算放大器。通常以滿量程相對誤差來說明D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，其中，（Δu）max為最大絕對誤差。 （4）建立時間：建立時間是D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)，它是指從輸入數(shù)字信號穩(wěn)定到輸出模擬信號穩(wěn)定所需要的時間，建立時間決定了D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號所能達到的最小重復周期。（5）溫度系數(shù)：在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1°C，輸出變化的百分數(shù)定義為溫度系數(shù)。5.8人機交互設計人機交互技術是指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術。在當今的各種自動控制和智能化儀器儀表中，人機交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機交互是由系統(tǒng)配置的外部設備來完成，這些設備包括鍵盤、顯示器、打印機、鼠標等，通過這些設備實現(xiàn)信息形式的轉(zhuǎn)換和信息的傳輸。1鍵盤接口技術鍵盤是一組按鍵的組合，它是單片機最常用的輸入設備，在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤是人機交互的主要設備，用于向單片機應用系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、程序和操作命令。鍵盤中的每個按鍵都是一個常開的開關電路，按下時則處于閉合狀態(tài)。無論是獨立式按鍵還是矩陣式鍵盤，都需要通過接口電路與單片機相連，以便將按鍵的開關狀態(tài)通知單片機。單片機檢測按鍵狀態(tài)的方式有以下幾種2LED顯示技術LED發(fā)光二極管和數(shù)碼管是單片機應用系統(tǒng)的主要顯示設備，常用的LED顯示器為8段發(fā)光二極管，可接成共陽極和共陰極兩種，數(shù)碼管也可用于數(shù)字和字符的顯示，其外形及引腳如圖所示。在控制中有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種，與單片機的接口有并行和串行兩種方式。顯示器接口是實現(xiàn)單片機信息輸出的重要接口，用戶的程序、數(shù)據(jù)、命令都需要通過顯示裝置來判斷輸入正確與否。實際應用中應該根據(jù)LED數(shù)碼管的位數(shù)、電流大小來決定接口電路的形式。圖LED數(shù)碼管3LCD顯示技術LCD是一種新型的顯示器，具有功耗極低、抗干擾能力強、體積小、價格低廉等特點，目前已廣泛應用在各顯示領域，尤其是在袖珍儀表及低功耗應用系統(tǒng)。近年來，隨著液晶技術的發(fā)展，出現(xiàn)了彩色液晶，彩色液晶顯示器作為高科技的結晶產(chǎn)品，它不但平面超薄，色彩逼真，而且體積小、耗電省、壽命長、無射線、抗震、防爆，是工業(yè)儀表、機電設備等更新?lián)Q代的理想顯示器。字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊，由若干個5×8或5×11點陣塊組成的字符塊集。每一個字符塊是一個字符位，每一位都可以顯示一個字符，字符位之間空有一個點距的間隔，起著字符間距和行距的作用。4數(shù)據(jù)通信技術為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，電氣測試設備采集的數(shù)據(jù)信息還要利用通信網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便工作人員遠程進行數(shù)據(jù)的查詢、管理等。目前，在電氣測試系統(tǒng)中常用的通信網(wǎng)絡可分為有線通信和無線通信，有線通信方式主要有以太網(wǎng)、CAN總線、電力載波等，無線通信方式主要有GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。圖LCD接口顯示電路5.9抗干擾設計干擾又稱電路噪聲，是電磁兼容設計中的“服務對象”。它的來源主要由空間電磁波、電力線終端負載，以及控制系統(tǒng)本身引起的大電流變化、高頻輻射等。電路噪聲是正?？刂浦胁幌Ｍ嬖趨s又不可避免的電信號?？垢蓴_，又稱電磁兼容設計，是針對電路噪聲（干擾）的一種應對統(tǒng)稱，目的是為了抑制甚至消除電路噪聲。在電氣測試系統(tǒng)中，干擾輕則影響測量和控制精度，重則使系統(tǒng)失靈，損壞設備，因此采用適當?shù)目垢蓴_措施是十分必要的。1電磁干擾（1）干擾的來源干擾的種類很多，產(chǎn)生干擾信號的干擾源一般可分為內(nèi)部和外部兩個方面。內(nèi)部干擾：主要是指電氣設備和測試系統(tǒng)內(nèi)部各種電路或器件自身產(chǎn)生的噪聲干擾。例如，電阻中自由電子熱運動引起的熱噪聲，晶體管的低頻噪聲，開關或?qū)w相接時，由于接觸不良，從而產(chǎn)生的接觸噪聲等。外部干擾：主要是指從外部侵入電子裝置和設備的干擾。例如，雷電產(chǎn)生的火花放電，太陽黑子的輻射噪聲，靜電放電產(chǎn)生強大的瞬間電流，電磁脈沖及機器和設備產(chǎn)生的人為噪聲干擾，還包括電力系統(tǒng)中的非線性負載（如電弧爐等）、間斷電源等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設備產(chǎn)生大量諧波涌入電網(wǎng)成為干擾源，50Hz交流電網(wǎng)強大的電磁場和大地漏電流產(chǎn)生的干擾等。（2）干擾的耦合方式干擾源產(chǎn)生的干擾信號是通過一定的耦合通道來對電氣測試系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用的。干擾的耦合主要是通過導線、空間、公共線等作用在電氣系統(tǒng)上，主要有以下幾種耦合方式。傳導耦合：在干擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接，電磁干擾通過連接電路從干擾源傳輸電磁干擾至敏感設備。輻射耦合：電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播，干擾電磁按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。2干擾的抑制（1）接地技術接地一般是指為了使電路、設備或系統(tǒng)與“地”之間建立通路，而將電路、設備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良導體的技術行為。理想的接地應使流經(jīng)地線的各個電路、設備的電流互不影響。單點接地：所有電路的地線接到公共地線的同一點，進一步可分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。單點接地最大好處是沒有地環(huán)路，相對簡單，但地線往往過長，導致地線阻抗過大。多點接地：所有電路的地線就近接地，地線很短，適合高頻接地。多點接地的缺點是存在地環(huán)路，不太適合大電流。混合接地：在地線系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統(tǒng)在不同的頻率具有不同接地結構。串聯(lián)單點接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問題，解決的方法是采用并聯(lián)單點接地，但是并聯(lián)單點接地往往由于地線過多，沒有可實現(xiàn)性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號特性分組，相互不會產(chǎn)生干擾的電路放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點接地。（2）濾波技術采用電磁干擾濾波器是抑制傳導干擾最有效的手段。電磁干擾濾波器包括信號線濾波器和電源線濾波器。信號線濾波器允許有用信號無衰減通過，同時大大衰減雜波干擾信號。電源線濾波器又稱電網(wǎng)濾波器，它以較小的衰減將直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸?shù)皆O備上，大大衰減了電磁干擾信號，保護設備免受其害。同時，電源線濾波器又能抑制設備本身產(chǎn)生的電磁干擾信號，防止它進入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設備。表LC濾波電路源端阻抗特性應采用的濾波電路負載端阻抗特性高阻抗π型高阻抗高阻抗L型低阻抗低阻抗L型高阻抗低阻抗T型低阻抗（3）電磁屏蔽屏蔽是用導電或?qū)Т挪牧蠈⑿枰雷o的區(qū)域封閉起來，以抑制和控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應和輻射；屏蔽技術用來抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷電磁波輻射（和場耦合）的傳輸途徑。電場屏蔽：電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。設有一導體A帶正電，相鄰的導體B將感應帶負電，這就是靜電感應現(xiàn)象。金屬屏蔽體對電場可以起屏蔽作用，即可使導體A發(fā)出的電力線不能到達導體B。但必須注意，屏蔽體的屏蔽必須完善并良好接地，否則不起屏蔽作用，如圖所示。磁場屏蔽：磁場屏蔽是為了抑制或消除因磁場耦合引起的干擾。不論是由電磁鐵或是由交流線圈產(chǎn)生的磁場均在空間散布磁力線或磁通。磁力線所通過的路徑稱為磁路。磁力線主要集中在低磁阻的磁路中，因此對磁場的屏蔽主要利用高磁導率的材料，如鐵、鎳鋼、坡莫合金等，這些高磁導率起一定的屏蔽作用，因此一般要接地。圖電場屏蔽原理圖低頻磁場屏蔽原理對于高頻磁場，磁屏蔽則依據(jù)另一種原理。高頻磁場會在屏蔽殼體表面感生渦流，從而產(chǎn)生反磁場來抵消穿過屏蔽體的原始磁場，同時增強屏蔽體旁邊磁場，使磁力線繞行而過，如圖所示，當一金屬板擋住高頻磁場的磁力線時，磁力線將避開金屬板繞行，這就起到了磁屏蔽作用。（4）隔離措施隔離主要有光耦隔離、電感隔離、變壓器隔離、二極管隔離、三極管電路隔離等方式。光耦隔離因為是光信號傳遞，可做到完全隔離，如空調(diào)室內(nèi)外機之間的通信。變壓器隔離屬于電流式的隔離，隔離的是電流回路。二極管和三極管電路隔離主要是防止反串擾，主要用于電源部分、控制輸出部分，是相對隔離，不是絕對隔離。如圖5-40所示為光耦TLP521隔離電路。圖5-39高頻磁場屏蔽原理圖5-40光耦TLP521隔離電路（5）隔離措施元器件布局、信號線布線方法、電源和接地線處理3電源干擾的抑制在電氣測試系統(tǒng)中，電源回路是電磁干擾最容易進入的通道，因此要采用比其他回路更多的抗電磁干擾措施。電網(wǎng)干擾串入測試系統(tǒng)主要通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生，經(jīng)過供電電源耦合進入。各（1）濾波法圖單相交流電源噪聲濾波器原理圖（2）隔離法隔離變壓器（3）吸收法圖瞬間電壓抑制器（TVS）應用于普通電源原理圖5.10數(shù)據(jù)預處理在電氣測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是最基本的一種模式。一般是通過傳感器、變送器把生產(chǎn)過程的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)A/D通道，把數(shù)字量送入處理器中。處理器在對這些數(shù)字量進行顯示和控制之前，還必須根據(jù)需要進行相應的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理離不開數(shù)值計算，而最基本的數(shù)值計算為四則運算。由于控制系統(tǒng)中遇到的現(xiàn)場環(huán)境不同，采集的數(shù)據(jù)種類與數(shù)值范圍不同，精度要求也不一樣，各種數(shù)據(jù)的輸入方法及表示方法也各不相同。因此，為了滿足不同系統(tǒng)的需要，設計出了許多有效的數(shù)據(jù)處理技術方法，如數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)的平滑處理、標度變換和越限報警等。1數(shù)字濾波方法由于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，存在很多干擾源，計算機系統(tǒng)通過輸入通道采集到的數(shù)據(jù)信號，雖經(jīng)硬件電路的濾波處理，但仍會混有隨機干擾噪聲。因此，為了提高系統(tǒng)性能，達到準確的測量與控制，一般情況下還要進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是計算機系統(tǒng)對輸入信號進行多次采樣后用某種計算方法進行數(shù)字處理，以削弱或濾除干擾噪聲造成的隨機誤差，從而獲得一個真實信號的過程。這種濾波方法只是根據(jù)預定的濾波算法編制相應的程序，實質(zhì)上是一種程序濾波，其可靠性高，穩(wěn)定性好，修改濾波參數(shù)也容易，并且一種濾波子程序可以被多個通道所公用，因而成本很低，另外，數(shù)字濾波可以對各種干擾信號，甚至極低頻率的信號進行濾波。數(shù)字濾波與硬件濾波相比優(yōu)點較多，因此得到了普遍應用。常用的數(shù)字濾波方法有平均值濾波、中值濾波、限幅濾波、慣性濾波、限幅平均濾波法、加權遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法等。（1）平均值濾波算術平均濾波是在采樣周期T內(nèi)，對測量信號y進行m次采樣，把m個采樣值相加后的算術平均值作為本次的有效采樣值，即算術平均濾波不能將明顯的偶然的脈沖干擾消除，只是把其平均到采樣結果中，從而降低測量精度。去極值平均濾波是對連續(xù)采樣的m個數(shù)據(jù)比較后去掉其中的最大值與最小值，然后計算余下的m2個數(shù)據(jù)的算術平均值。算術平均濾波和去極值平均濾波都存在平滑性和靈敏度的矛盾。采樣次數(shù)太少則平滑效果差，次數(shù)太多則靈敏度下降，但對測量參數(shù)的變化趨勢不敏感。為協(xié)調(diào)兩者關系，可采用加權平均濾波。加權平均濾波是對每次采樣值不以相同的權系數(shù)而以增加新鮮采樣值的權重相加，即（2）中值濾波中值濾波是將信號y的連續(xù)m次采樣值按大小進行排序，取其中間值作為本次的有效采樣值。本算法為取中值，故采樣次數(shù)m應為奇數(shù)，一般3～5次即可。編寫中值濾波的算法程序時，首先把m個采樣值從小到大（或從大到?。┻M行排隊，這可采用幾種常規(guī)的排序算法（如冒泡算法），然后再取中間值。中值濾波對緩變過程中因偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效，但不適用快速變化過程（如流量）的信號采樣。（3）限幅濾波實際工程中采樣值需要一定的時間才會發(fā)生變化，因此相鄰兩次采樣值之間的變化幅度應在一定的限度內(nèi)。限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對值，再與兩次采樣所允許的最大差值y進行比較，如果小于或等于y，表示本次采樣值y（k）是真實的，則取y（k）為有效采樣值；反之，y（k）是不真實的，則取上次采樣值y（k1）作為本次有效采樣值。這能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，但無法抑制周期性的干擾，而且平滑度差。2消除奇異項采樣數(shù)據(jù)中的奇異項是指采樣數(shù)據(jù)序列中有個別明顯錯誤（丟失或粗大）的數(shù)據(jù)。這些奇異項的存在，會大大增加數(shù)據(jù)處理后的誤差。例如，我們想求某一被測物理量的平均值，它們從t1～t4時刻的取值分別為8、10、10、12，其平均值應為10。若設t4時刻的取值由于某種原因丟失了，也就是說出現(xiàn)了奇異項，那么，這4個點的平均值就由10降至為7，從而產(chǎn)生均值誤差。3消除趨勢項等待處理的數(shù)據(jù)中，一般都包含有兩種分量：一是周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為趨勢項；二是周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為交變分量。在處理數(shù)據(jù)時，并不是在任何情況下，都需要這兩種分量。由于處理要求不同，有時只對交變分量感興趣，因此需要去除或提取趨勢項分量。去除或提取趨勢項的方法有兩種：平均斜率法和最小二乘法，后者處理精度較前者高。4數(shù)據(jù)的平滑處理一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中，往往疊加有噪聲。噪聲有兩大類：一類為周期性的，另一類為不規(guī)則的。數(shù)據(jù)平滑處理的原則是：通過數(shù)據(jù)平滑處理，既要削弱干擾成分，又要保持原有曲線的變化特性。五點三次平滑法是利用最小二乘法的原理，用三次多項式逐次逼近，其計算公式為圖平滑處理前后的加速度數(shù)據(jù)§6通信技術6.1概述電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用戶五大部分組成。為實現(xiàn)安全發(fā)電、經(jīng)濟供電、合理配電，有效防止并及時處理系統(tǒng)事故，就要求集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，并建立與之相適應的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡，因此通信技術是電力系統(tǒng)不可缺少的重要部分，是電網(wǎng)實現(xiàn)調(diào)度自動化的重要環(huán)節(jié)，是確保電網(wǎng)安全性、智能化的重要技術手段。6.2通信方式本章按照傳輸信道介質(zhì)的不同將系統(tǒng)劃分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)，其中有線通信使用架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纖等傳輸媒質(zhì)實現(xiàn)信息傳遞；而無線通信則借助電磁波在空間的自由傳播完成信息交互。通信技術直接關系著整個智能電網(wǎng)的自動化操作水平，而單一的通信方式難以滿足整個電網(wǎng)的智能化需求，因此多種通信方式的混合使用在所難免。如圖6-1所示，數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備之間通常采用RS232/RS485接口，而數(shù)據(jù)通信設備之間根據(jù)通信介質(zhì)的不同常常包括以太網(wǎng)、CAN總線、電力線載波等有線通信方式和GPRS、Wi-Fi、ZigBee等無線通信方式。圖6-1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1有線通信方式變電站智能化的不斷提升促進了通信技術的發(fā)展，通信技術的不斷完善反過來又加快了變電站智能化的發(fā)展進程，變電站的智能化和通信技術的革新是相輔相成的。變電站內(nèi)常用的有線通信方式如下。（1）RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）公布的一種串行通信接口標準，廣泛應用于異步串行通信中。其中RS是RecommendedStandard的縮寫，代表了推薦標準，該標準定義了數(shù)據(jù)終端設備（DataTerminalEquipment，DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DataCommunicationsEquipment，DCE）之間通信接口的機械特性、電氣特性和傳輸特性；232是標識符。RS232的數(shù)據(jù)線主要有發(fā)送數(shù)據(jù)線（TXD）和接收數(shù)據(jù)線（RXD）兩根，RXD與TXD對地而言，采用非平衡電平方式，在不使用Modem前提下可以實現(xiàn)15m最大距離的通信。為了保證通信的可靠性，通信雙方在對波特率、奇偶校驗、停止位定義后達成一致的通信協(xié)議。RS232控制線由其余6根線組成，用于建立和維持通信連接。（2）RS485數(shù)據(jù)線只有A、B兩根，采用差分、平衡電平發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如圖所示，當發(fā)送端DI=1，UABo>0，UABi>200mV時，接收端RO=1；當發(fā)送端DI=0，UABo<0，UABi<200mV時，接收端RO=0。當發(fā)送使能端DE=1時，使能發(fā)送；當接收使能端=0時，使能接收。（3）控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）同RS485總線一樣也屬于現(xiàn)場總線的范疇，是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。較目前許多RS485基于R線構建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性。（4）電力線載波（PowerLineCarrier，PLC）通信，是指利用高壓電力線、中壓電力線或低壓配電線作為信息傳輸媒介，進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術。（4）電力載波通信的整個過程如圖所示，發(fā)送端首先通過調(diào)制器將原始信號加載到一定頻率的載波信號上變成調(diào)制信號，其次借助結合電容和耦合電容將調(diào)制信號注入電力線；接收端與發(fā)送端正好相反，先通過耦合電容和結合電容把調(diào)制信號從電力線分離出來，再通過解調(diào)器去除載波信號并恢復出原始信號，進而實現(xiàn)信息傳遞。電力載波通信的最大優(yōu)點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線就能進行數(shù)據(jù)傳遞，但是電力載波通信也存在如下缺點。圖電力載波通信原理（5）以太網(wǎng)作為當今居于主導地位的局域網(wǎng)技術，是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網(wǎng)絡。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，早期的以太網(wǎng)設備如集線器是物理層設備，不能隔絕沖突擴散，從而限制了網(wǎng)絡性能的提高。而交換機作為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡設備，極大提高了以太網(wǎng)的性能，正逐漸替代集線器成為主流的以太網(wǎng)設備。然而交換機對網(wǎng)絡中的廣播數(shù)據(jù)流量則不做任何限制，這也影響了網(wǎng)絡的性能。通過在交換機上劃分虛擬局域網(wǎng)（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）和采用三層的網(wǎng)絡設備——路由器解決了這一問題。以太網(wǎng)作為一種原理簡單，便于實現(xiàn)同時又價格低廉的局域網(wǎng)技術已經(jīng)成為業(yè)界的主流。而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為最有前景的網(wǎng)絡技術。（6）光纖通信是一種利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點，使得光纖通信中的光波主要是激光，所以又稱激光-光纖通信。與其他通信技術相比，光纖通信傳輸信道的帶寬大，通信數(shù)據(jù)的容量大；信道對信號的衰減小，適宜遠距離通信；抗電磁干擾；質(zhì)量，耐腐蝕，易于施工。但是，線路連接比較困難；信號耦合比較麻煩；彎曲程度不能太??；強度不夠，容易損壞。光纖通信原理：發(fā)送端的電端機將待傳送的信息變成電信號，然后將電信號經(jīng)光端機變成光信號并對光信號進行調(diào)制，使光的強度隨電信號的幅度或頻率的變化而變化；接收端與發(fā)送端正好相反，光端機中的檢測器先將接收到的光信號變換成電信號，而后經(jīng)解調(diào)后就可以恢復出原始信息；中繼器主要用于補償信號的衰減和畸變，從而實現(xiàn)遠距離通信。2無線通信方式（1）IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，是第一個實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）的技術，主要優(yōu)點是無須申請頻率的使用權、成本低、體積小、功耗低、連接方便、簡單易用。此外，由于紅外線發(fā)射角度較小，因此傳輸安全較高。但IrDA是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔，只能用于兩臺設備之間的連接，因此視距傳輸問題及如何提高數(shù)據(jù)傳輸率已經(jīng)成為當前IrDA通信的主流研究方向。（2）Bluetooth技術是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)內(nèi)容是一種為固定設備或移動設備建立連接的近距無線接口，將通信技術與計算機技術進一步結合起來，使各種設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段，提供1Mb/s的傳輸速率和10m的傳輸距離。（3）ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準制定的局域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議下的通信技術具有短距離、低功耗的特點。如圖6-5所示，整個ZigBee網(wǎng)絡是由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（C）、路由器（R）和終端設備（E）構成，其具體功能如下。（4）無線高保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）也是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是IEEE802.11b，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術。Wi-Fi通信速率最高可達11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達100m左右。Wi-Fi通信是以太網(wǎng)的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。但實際上，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶分享，Wi-Fi通信的連接速度一般將只有幾百Kb/s。GPRS通信、3G通信6.3通信協(xié)議通信協(xié)議是通信雙方交互信息的翻譯官，通信接口的多樣化和應用需求的多元化使得通信協(xié)議也變得多種多樣。自定義協(xié)議，顧名思義是自己定義的協(xié)議，雖然可以實現(xiàn)一定的通信功能，但由于缺乏標準，目前僅限于功能測試使用。6.4通信功能設計實例箱式變電站是一種能夠直接深入負荷中心，將一次設備（高壓開關設備、配電變壓器和低壓配電裝置）和二次設備（遙測功能裝置、遙信功能裝置、遙控功能裝置）按一定接線方案連接而成，應用于配電網(wǎng)的配電設備。箱式變電站較傳統(tǒng)變電站具有成套性好、占地面積小、建設周期短、移動方便、無人值守等優(yōu)點，使其在配電網(wǎng)當中得到了廣泛的應用?；贗EC61850的箱式變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)符合分層分布式結構，自下而上分別是過程層、間隔層和站控層。如圖6-12所示，過程層箱式變電站監(jiān)測終端的內(nèi)部通過簡單的RS232串行通信方式進行數(shù)據(jù)交互；過程層監(jiān)測終端與間隔層監(jiān)測IED采用實時性強、可靠性高的CAN/RS485通信方式，并遵循Modbus協(xié)議；間隔層監(jiān)測IED將處理過的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)（擴展GPRS無線通信方式），并按照IEC61850標準進行信息建模，對數(shù)據(jù)進行封裝處理，并上傳至站控層的監(jiān)控中心。圖箱式變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)§7數(shù)據(jù)分析中心軟件7.1專家軟件作用掌握電氣設備的狀態(tài)，及時檢測出電氣設備在運行中有關參數(shù)及其變化趨勢是電氣測試的目標。對電氣設備相關運行參數(shù)的獲取有離線檢測和在線監(jiān)測兩種方法。離線檢測是指通過設備以外的各類檢測儀表對設備狀況進行必要的人工抽查。而在線監(jiān)測則是通過裝在設備上的各類監(jiān)測儀表對設備的各類信號進行連續(xù)自動監(jiān)測并上傳至終端接收端。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的逐漸提高，特別是當今社會計算機技術的飛速發(fā)展，各種設備功能日趨完善，工作效率也得到了極大提高?，F(xiàn)代電氣測試技術以電氣設備離線檢測和在線監(jiān)測為主，其首先將數(shù)據(jù)上傳至計算機進行分析、比較、判別，然后結合電氣設備的各有關參數(shù)、出廠值、交接值和歷次試驗值與標準值、歷史數(shù)據(jù)、相同設備等比較，再根據(jù)其運行情況、電網(wǎng)故障、內(nèi)外過電壓及保護動作對電氣設備進行綜合分析判斷。在信息化時代的今天，有效地將計算機系統(tǒng)應用于電力企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)來提高生產(chǎn)效益，節(jié)約成本，同時提高生產(chǎn)管理的科學決策水平是一種必然趨勢。為此，在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，設計開發(fā)了多種在線監(jiān)測、離線監(jiān)測的信息一體化平臺，數(shù)據(jù)通過多終端多渠道匯總到電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PowerProductionManagementSystem，PMS）對電力系統(tǒng)實現(xiàn)集約化、規(guī)范化和精細化管理。目前，在電力系統(tǒng)中主要使用的軟件系統(tǒng)如表所示。表目前電力系統(tǒng)中使用的主流軟件電力環(huán)節(jié)軟件名稱電力系統(tǒng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)電發(fā)電廠用電電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)輸電輸變電設備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)變電變電站微機五防系統(tǒng)變電站綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）輸變電設備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)配電配網(wǎng)自動化與信息管理系統(tǒng)配變監(jiān)測系統(tǒng)配電監(jiān)測管理系統(tǒng)配電線路故障定位系統(tǒng)用電電能量采集管理系統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)智能電表能源管理平臺系統(tǒng)7.2軟件開發(fā)基礎面向?qū)ο螅∣bjectOriented）是90年代以來軟件開發(fā)方法的主流。軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是信息處理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相反，面向?qū)ο蠓椒ò褜ο笞鳛橛蓴?shù)據(jù)及可以施加在這些數(shù)據(jù)上的操作所構成的統(tǒng)一體，需要發(fā)消息請求對象主動執(zhí)行某些操作并處理其私有數(shù)據(jù)?；诿嫦?qū)ο笤O計的軟件則是讓軟件開發(fā)者自己先定義或選取解空間對象，然后把軟件系統(tǒng)作為一系列離散的解空間對象的集合。與傳統(tǒng)的程序設計方法比較，面向?qū)ο蟮某绦蛟O計有以下優(yōu)點。1．與人習慣性的思維方法一致傳統(tǒng)的程序設計技術是面向過程的設計方法，這種方法以算法為核心，把數(shù)據(jù)和過程作為相互獨立的部分，其數(shù)據(jù)代表問題空間中的客體，而程序代碼則用于處理這些數(shù)據(jù)。面向?qū)ο蟮能浖夹g以對象為核心，按照人們習慣性的思維方法建立問題域的模型，從而建立由特殊到一般的歸納思維過程，設計出由抽象類構成的系統(tǒng)框架，開發(fā)出盡可能直觀、自然地表現(xiàn)求解方法的軟件系統(tǒng)。2．穩(wěn)定性好傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法以算法為核心，開發(fā)過程基于功能分析和功能分解，但用傳統(tǒng)方法所建立起來的軟件系統(tǒng)的結構過分依賴于系統(tǒng)所要完成的功能，一旦功能需求發(fā)生變化將引起軟件結構的整體修改。而面向?qū)ο蠓椒ㄊ腔跇嬙靻栴}領域的對象模型，以對象為中心，模擬問題領域中的實體，以對象間的聯(lián)系刻畫實體間的聯(lián)系，當對系統(tǒng)功能需求變化時，僅做一些局部性的修改便可。3．可重用性好傳統(tǒng)軟件重用技術利用標準函數(shù)庫，但是標準函數(shù)缺乏必要的柔性，不能適應不同應用場合的不同需要。而面向軟件技術在利用可重用軟件成分構造新的軟件系統(tǒng)時，有很大的靈活性，有兩種方法可以重復使用一個對象類：一是創(chuàng)建該類的實例，直接使用；另一種則是從它當中創(chuàng)造一個可以滿足當前需要的新類。繼承性機制使得子類不僅可以重用其父類的數(shù)據(jù)結構和程序代碼，而且可以在父代碼的基礎上方便地修改和擴充，而不影響原有類的使用。4．較易開發(fā)大型軟件產(chǎn)品在開發(fā)大型軟件產(chǎn)品時，組織開發(fā)人員的方法不恰當往往是出現(xiàn)問題的主要原因?；诿嫦?qū)ο蟮脑O計開發(fā)軟件時，構成軟件系統(tǒng)的每個對象就像一個微程序，有自己的數(shù)據(jù)、操作、功能和用途，這樣不僅降低了開發(fā)的技術難度，而且也使得對開發(fā)工作的管理變得容易，降低軟件成本的同時提高了軟件質(zhì)量。5．可維護性好較之于傳統(tǒng)方法，基于面向?qū)ο蟮能浖O計方法穩(wěn)定性較好，易于修改，容易理解，并且易于測試和調(diào)試。7.3數(shù)據(jù)分析基礎1數(shù)據(jù)預處理實際電力設備監(jiān)測所得的原始數(shù)據(jù)存在雜亂、冗余、不完整等一系列問題，同時數(shù)據(jù)庫規(guī)模龐大、數(shù)據(jù)量大、信息類型繁多，且多半來自多個異構數(shù)據(jù)源，這些都給后續(xù)的數(shù)據(jù)分析帶來了極大麻煩，低質(zhì)量的數(shù)據(jù)甚至會導致后續(xù)算法產(chǎn)生錯誤的結果。為了有效利用軟硬件資源、降低投入、節(jié)約成本，及時從大量數(shù)據(jù)中找到可靠有價值的信息加以利用，使工作人員獲得有效的電網(wǎng)管控決策的高質(zhì)量信息，需要對數(shù)據(jù)進行預處理以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。 數(shù)據(jù)預處理是在對原始數(shù)據(jù)分析等主要處理以前，先對原始數(shù)據(jù)進行必要的清洗、集成、轉(zhuǎn)換、離散和規(guī)約等一系列的預先處理工作。目前數(shù)據(jù)預處理的常規(guī)方法包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換及數(shù)據(jù)歸約，這些常規(guī)方法依次也為數(shù)據(jù)預處理的步驟。2故障診斷算法電力設備故障診斷就是根據(jù)采集的相關特征量與故障狀態(tài)之間的聯(lián)系通過一定方法判斷出電力設備當前狀態(tài)。良好的診斷策略對于縮短故障時間，防止事故擴大意義重大。隨著智能電網(wǎng)的崛起，傳統(tǒng)的診斷方法已經(jīng)不能滿足故障診斷準確性和快速性的要求，因此許多智能故障診斷方法被提出。故障診斷方法由傳統(tǒng)技術向智能化技術方向發(fā)展是該領域未來研究的重點和熱點。由于電氣測試涉及的電力設備眾多，智能算法也是日新月異，以下著重介紹一些常用故障診斷方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是一種模擬神經(jīng)系統(tǒng)進行信息處理的數(shù)學模型，主要是基于輸入和輸出關系建立起來的，并由大量簡單的處理單元（神經(jīng)元）廣泛互連而形成的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行內(nèi)部處理從而尋找一種函數(shù)關系將輸入映射至輸出，網(wǎng)絡經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的學習，從而得到一般規(guī)律，對未知的或無法預測的故障信息進行分析判斷。目前，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡較廣泛地應用于電力設備故障診斷領域，其中最具代表性的是BP（BackPropagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡和徑向基（RadicalBasisFunction，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡。例如，以氧化鋅避雷器的全電流和阻性泄漏電流等為輸入，故障大小為輸出，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡設計氧化鋅避雷器故障診斷系統(tǒng)；在分析高壓斷路器分閘線圈時間信號的基礎上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對高壓斷路器進行故障分類；以水輪發(fā)電機組震動數(shù)據(jù)為輸入利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行故障診斷；將小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡結合起來對風力發(fā)電機進行故障診斷；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對輸電線路故障進行故障定位和故障模式識別等。圖基本神經(jīng)元模型圖神經(jīng)網(wǎng)絡結構一般神經(jīng)網(wǎng)絡包含三層：輸入層隱藏層和輸出層。神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層對每個輸入信號進行處理，以確定其強度（權重）。將所有輸入信號的組合（加權和）作為中間層轉(zhuǎn)移函數(shù)的輸入，轉(zhuǎn)移函數(shù)可以是階躍函數(shù)或曲線函數(shù)。通過轉(zhuǎn)移函數(shù)對輸入進行函數(shù)轉(zhuǎn)換，將可能無限域的輸入化成指定的有限范（1）需要大量的訓練樣本以供學習，但獲取完備優(yōu)質(zhì)的樣本存在困難。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡在診斷過程中被看成是“黑箱”，缺乏對自身行為的解釋能力。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡不善于處理啟發(fā)式的規(guī)則。因此，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電力設備故障診斷方法的研究重點還是在選取有價值的訓練樣本、給予診斷過程解釋能力。7.4智能變電設備在線監(jiān)測實例1系統(tǒng)介紹智能變電設備在線監(jiān)測中心包括監(jiān)控系統(tǒng)與輔助決策系統(tǒng)，它整合完善智能變電站內(nèi)所有監(jiān)測單元，定義標準數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，統(tǒng)一進行標準數(shù)據(jù)建模與展示，通過一個在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)完成變電站內(nèi)所有運行設備的在線監(jiān)測，對設備運行狀態(tài)進行狀態(tài)診斷與評估，并對相關工作單元進行必要控制，從而形成在線監(jiān)測統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)變電站內(nèi)部系統(tǒng)間的高效協(xié)作，提高運行設備故障定位效率和準確性，結合各類故障診斷策略完成對設備的最終診斷，以直觀的報警形式體現(xiàn)被監(jiān)測設備運行狀態(tài)，在線通知運檢人員，預防和預測被監(jiān)測運行設備出現(xiàn)重大故障，當預測到重大故障時監(jiān)測中心下發(fā)控制指令，消除萌芽故障，對需要調(diào)整或檢修的部分給出參考建議，指導輔助檢修，最終實現(xiàn)智能變電站安全穩(wěn)定運行。設備故障診斷與評估依據(jù)國家電網(wǎng)頒布的《輸變電設備評價導則》分類要求，將斷路器、油?式變壓器、避雷器、容性設備等運行設備進行多角度狀態(tài)評估，得出綜合性可靠結論。采用JavaWeb，基于Struts+Spring+Hibernate的主流框架整合，結合JSP和CSS開發(fā)設計，數(shù)據(jù)庫使用多用戶多線程的小型開源數(shù)據(jù)庫MySQL。軟件的B/S三層結構如圖所示?？蛻舳讼騑eb服務器提交請求，服務器執(zhí)行腳本后通過后臺數(shù)據(jù)庫將反饋結果頁面?zhèn)骰乜蛻舳?，這種模式用途廣泛、易于維護，客戶端只要安裝瀏覽器，不論是接入局域網(wǎng)還是Internet都可使用本軟件。圖B/S三層結構圖站控層的通信方式采用基于“光纖通信為主，Wi-Fi接入為輔”的方案，智能變電設備監(jiān)控與決策輔助系統(tǒng)采用國家統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)存儲格式，從智能電子裝置及各類傳感器獲取監(jiān)測的數(shù)據(jù)均符合IEC71850標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議來設計實現(xiàn)。在設計開發(fā)中，注重軟件的安全性、封閉性，在功能上可進一步實現(xiàn)與各類軟件的交互整合，用戶界面上采用菜單界面驅(qū)動方式，數(shù)據(jù)定義上符合國家標準。2油浸式變壓器故障診斷電力變壓器作為電力系統(tǒng)中的關鍵設備之一，其正常運行與否關系著電網(wǎng)的安全可靠性。目前，國內(nèi)外大多利用DGA技術對變壓器內(nèi)部故障進行檢測，此方法對于發(fā)現(xiàn)充油變壓器內(nèi)部早期潛伏性故障十分有效，是充油電氣設備進行故障檢測的常用方法。在DGA技術基礎上，采用虹橋220kV智能變電站變壓器油色譜監(jiān)測IED采集到的油中溶解氣體數(shù)據(jù)作為故障診斷算法的原始數(shù)據(jù)。由于變壓器絕緣材料熱分解所產(chǎn)生的可燃和非可燃氣體可達20種左右，為了有利于變壓器內(nèi)部故障判斷，本書選取氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）五種特征氣體組分含量作為后續(xù)智能算法的輸入屬性數(shù)據(jù)，將變壓器五種故障類型：正常、中低溫過熱、高溫過熱、低能量放電、高能量放電作為輸出。通過現(xiàn)場變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置獲得750組樣本數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，每組樣本數(shù)據(jù)包含5個屬性及相對應于每組屬性值的故障類型，同時對故障類型進行適當?shù)木幋a，以方便算法編程。采用150組樣本數(shù)據(jù)作為測試集，剩下的600組數(shù)據(jù)作為訓練集或者根據(jù)具體算法需要分成訓練集和驗證集，為了方便對實驗結果進行說明分析，部分測試數(shù)據(jù)如表所示。表7-3部分測試數(shù)據(jù)樣本編號特征氣體組分含量μL/L故障類型故障編碼H2CH4C2H6C2H4C2H218.8115.020.4315.980.19正常N251.016.544.211.570.92正常N327.0926.451.872.730正常N414.653.7110.522.690.22正常N556.0477.1218.9421.050.1中低溫過熱T1657.2176.9819.0420.910.1中低溫過熱T17160.31129.9733.4297.180.77中低溫過熱T18166.6128.29672.1512.430.33中低溫過熱T1956.5442.71167.381413.317.2高溫過熱T21098.52554.97200.031636.118.35高溫過熱T211172.89334.13172.9812.5237.71高溫過熱T212242.8176.344.42173.112.4高溫過熱T21341.284.511.51.816.2低能量放電D11461.5224.611.355.6420.5低能量放電D115979.8873.0458.1511.790.14低能量放電D116538.3312.628.6814.120.35低能量放電D117138.8152.16.7762.7510.57高能量放電D218148.329.210.3124.832.97高能量放電D219256.6282.856.4382.37116.07高能量放電D220345.51112.3427.5251.4958.78高能量放電D23軟件實現(xiàn)智能變電設備監(jiān)控與決策輔助系統(tǒng)后臺軟件統(tǒng)一根據(jù)模塊將智能變電站在線監(jiān)測劃分為：綜合監(jiān)測、變壓器監(jiān)測、斷路器監(jiān)測、避雷器/容性設備監(jiān)測、系統(tǒng)參數(shù)配置、用戶設置。針對以上設計，在此給出綜合監(jiān)測和變壓器油中氣體及微水監(jiān)測的展示描述。圖變壓器油中氣體監(jiān)測當前數(shù)據(jù)圖油中氣體監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)查詢圖油色譜故障診斷的操作實現(xiàn)界面§8電磁兼容試驗8.1EMC試驗技術發(fā)展電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）是一門新興的綜合性學科，電磁兼容學科主要研究如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設備和元器件都能正常工作，互不干擾，從而達到兼容狀態(tài)。電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）則是指由電磁騷擾引起的設備或傳輸通道性能的下降。從概念上講，騷擾是一種電磁能量，干擾是騷擾產(chǎn)生的結果或后果，所以騷擾和干擾是不同的。電磁干擾產(chǎn)生于騷擾源，大量騷擾源的存在造成電磁環(huán)境污染，導致電磁兼容性問題尖銳化。因此，EMC包括兩方面的內(nèi)容，一方面指系統(tǒng)或設備對所處環(huán)境中的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性（ElectromagneticSusceptibility，EMS）；另一方面指設備在正常運行過程中對其所在環(huán)境的電磁干擾不能超過一定限值，即電磁干擾。8.2EMC試驗項目EMC分為EMS和EMI，而EMS又分為傳導抗擾度（ConductionSensitivity，CS）和輻射抗擾度（RadiationSensitivity，RS）兩部分，其試驗項目包括靜電放電抗擾度試驗（Electro-StaticDischargeImmunity，ESD）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（ElectricalFastTransient/BurstImmunity，EFT）、浪涌抗擾度試驗（SurgeImmunity）、射頻輻射抗擾度試驗（RadiationSensitivityImmunity）、工頻磁場抗擾度試驗（PowerFrequencyMagneticFieldImmunity）、電壓暫降及短時中斷抗擾度試驗表8-1變電設備在線監(jiān)測裝置具備的電磁兼容性能序號試驗項目試驗標準試驗滿足要求1靜電放電GB/T17626.2－20064級抗擾度2射頻電磁場輻射GB/T17626.3－20063級抗擾度3電快速瞬變脈沖群抗擾度GB/T17626.4－20064級抗擾度4浪涌（沖擊）GB/T17626.5－20064級抗擾度5射頻場感應的傳導騷擾GB/T17626.6－20063級抗擾度6工頻磁場GB/T17626.8－20065級抗擾度7電壓暫降、短時中斷GB/T17626.11－2006電壓暫降60%UT、持續(xù)10個周波8脈沖磁場GB/T17626.9－20065級抗擾度9阻尼震蕩磁場GB/T17626.10－20065級抗擾度1靜電放電抗擾度試驗帶靜電的物體進行放電時會產(chǎn)生放電電流，該電流會產(chǎn)生短暫的高強度電磁場，可能引起電氣、電子設備發(fā)生故障，甚至損壞，如導致半導體器件接口的燒毀、場效應管的失效、監(jiān)測裝置的短暫失控，以及設備重啟、信號的紊亂、程序和數(shù)據(jù)的損失、邏輯錯誤等。綜上所述，ESD抗擾度試驗的目的就是檢驗電氣、電子設備或監(jiān)測系統(tǒng)在遭受這類靜電放電騷擾時的抗干擾性能。其中，人體是損壞器件的主要ESD源。ESD抗擾度試驗就是模擬人體、物體在接觸設備時產(chǎn)生的靜電放電或人體、物體對臨近物體的放電。其作用的方式主要有兩種：直接通過能量的交換引起器件的損壞；放電所引起的近場（電場和磁場的變化），造成設備的誤動作。靜電放電發(fā)生器（ESDGenerator）即靜電放電模擬器（ESDSimulator），俗稱靜電放電槍（ESDGun），是電磁兼容測量與試驗中靜電放電抗擾度試驗中的重要設備，目的是為了檢驗電子設備受到外來靜電放電時能否正常工作，2電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗當電感性負載（如繼電器、接觸器等）在斷開時，由于開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處將產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾。當電感性負載多次重復開關，脈沖群會以相應的時間間隙多次重復出現(xiàn)。例如，變電站中SF6或真空開關裝置，當斷開電感負載時產(chǎn)生反電勢，反電勢向寄生電容充電，隨著充電電壓的升高，開關斷開處會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，此時，共用此電源的其他電路或裝置就要受到該脈沖電壓的影響。該試驗是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到EUT的電源、信號、控制和接地端口的試驗。試驗脈沖的特點是：瞬變脈沖具有上升時間短、重復出現(xiàn)、能量低等特點。該試驗的目的是檢驗電氣和電子設備在遭受這類暫態(tài)騷擾影響時的性能。EFT脈沖群試驗中的脈沖群一般持續(xù)時間為15ms，脈沖群間隔為300ms，單脈沖寬度為50ns，脈沖上升沿為5ns，脈沖群重復率為2.5kHz，如圖所示。試驗中此脈沖群由信號發(fā)生器產(chǎn)生，配合其他設備來檢測被測設備的EFT脈沖群抗擾度。3浪涌抗擾度試驗浪涌，是超出正常工作穩(wěn)定值的瞬間電壓和電流峰值。在智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)中有很多種情況會產(chǎn)生浪涌，主要分為內(nèi)部浪涌和外部浪涌兩種情況。內(nèi)部浪涌主要指電力系統(tǒng)內(nèi)部開關瞬態(tài)產(chǎn)生的浪涌，有以下幾種情況。（1）主要的電力系統(tǒng)切換騷擾，如電容器組的切換。（2）配電系統(tǒng)中較小的局部開關動作或負載變化。（3）與開關器件（如晶閘管）相關聯(lián)的諧振現(xiàn)象。（4）各種系統(tǒng)故障，如設備組合對接地系統(tǒng)的短路和電弧故障。而外部浪涌主要由雷電瞬態(tài)引起，主要有以下幾種情況。（1）直接雷，它擊于外部（戶外）電路，注入的大電流流過接地電阻或外部電路阻抗而產(chǎn)生電壓。（2）間接雷（即云層之間或云層中的雷擊或附近物體的雷擊產(chǎn)生的電磁場），它在建筑物內(nèi)、外導體上產(chǎn)生的感應電壓和電流。（3）附近直接對地放電的雷電電流，當它耦合到設備組合接地系統(tǒng)的公共接地路徑時產(chǎn)生感應電壓?！?電氣測試技術設計實例分析9.1概述通過對電力系統(tǒng)中設備的電磁參量、溫度、絕緣油中氣體成分和含量、絕緣氣體中的微水含量、密度等物理等參數(shù)進行測量，才能夠清楚地了解電氣設備的運行情況。例如，要獲取電力系統(tǒng)各節(jié)點相角、功率等電能參數(shù)，則需要通過電壓、電流計量互感器對電網(wǎng)的電壓、電流進行測量；要確保電力系統(tǒng)的安全運行，則需要獲取各種繼電保護原理及相應的互感器測量對應的電參量，然后將這些信號送入微機繼電保護裝置，通過保護算法輸出斷路器的分/合閘控制信號；通過對電纜、變壓器套管、避雷器等容性設備的絕緣性測試，可以了解這些設備的絕緣狀況，從而確定被測設備是否需要維修、是否能夠繼續(xù)投入使用等。9.2主要電氣設備的測試技術電力系統(tǒng)中電氣設備的種類繁多，不同的電力設備具有不同的電氣屬性，需要不同的物理特征量來反映設備的運行狀況，而不同的物理特征量又需要不同的電氣測試原理與方法。下面的內(nèi)容將針對各種電力設備需要測試的主要項目、測試要求及測試方法進行闡述。1發(fā)電機主要參數(shù)的電氣測試（1）定子繞組的絕緣電阻和吸收比或極化指數(shù)。對此部分參數(shù)的測試要求包括：各相絕緣電阻的不平衡系數(shù)不應大于2，瀝青浸膠及烘卷云母絕緣吸收比不應小于1.3，對環(huán)氧粉云母絕緣吸收比不應小于1.6。對于容量200MW及以上機組應測量其極化指數(shù)，極化指數(shù)不應小于2.0。（2）定子繞組的直流電阻。對此部分測試要求包括：直流電阻應在冷卻狀態(tài)下測量，測量時繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差應在±3℃的范圍內(nèi)，且各相或各分支繞組的直流電阻在校正了由于引線長度不同而引起的誤差后，相互間差別不應超過其最小值的2%。同時，與產(chǎn)品出廠時測得的數(shù)值換算至同溫度下進行比較，其相對變化不應大于2%。（3）轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。發(fā)電機運行時要求轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不宜低于0.5MΩ。若水冷轉(zhuǎn)子繞組在使用500V及以下兆歐表或其他儀器測量時，所測絕緣電阻值不應低于5000Ω。當發(fā)電機定子繞組絕緣電阻已符合啟動要求，而轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值不低于2000Ω時，即可允許投入運行。采用絕緣電阻測試儀進行測量時，當轉(zhuǎn)子繞組額定電壓為200V以上時，則要采用2500V絕緣電阻測試儀；當額定電壓為200V及以下時，則要采用1000V絕緣電阻測試儀。（4）轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻。對此部分測試要求在冷狀態(tài)下進行，保證測量時繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差在±3℃的范圍內(nèi)，將測量數(shù)值與產(chǎn)品出廠數(shù)值換算至同溫度下進行比較，其差值不應超過2%。當誤差超過規(guī)定時，還應對各磁極繞組間的連接點電阻進行測量。對于凸極式轉(zhuǎn)子繞組，還應對各磁極繞組進行測量，一般地，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻測試方法與定子繞組直流電阻相同。（5）轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓值。對于整體到貨的凸極式轉(zhuǎn)子，試驗電壓應為額定電壓的7.5倍，且不應低于1200V。對于工地組裝的凸極式轉(zhuǎn)子，其單個磁極的耐壓試驗應按制造廠規(guī)定進行。對于隱極式轉(zhuǎn)子繞組，可不進行交流耐壓試驗，直接采用2500V兆歐表測量其絕緣電阻即可。轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓值測試時，一般采用試驗變壓器或串聯(lián)諧振交流耐壓裝置進行耐壓試驗。2輸電線路主要參數(shù)的電氣測試輸電線路電氣參數(shù)一般包括直流電阻、正序阻抗、正序電容、零序阻抗、零序電容、相間電容，以及多回平行輸電線路之間的互感阻抗和耦合電容等。這些參數(shù)是在進行電力系統(tǒng)潮流穩(wěn)定分析、短路電流計算、繼電保護整定、故障定位和選擇電力系統(tǒng)運行方式等工作之前建立電力系統(tǒng)數(shù)學模型的必備參數(shù)。另外，輸電線路的桿塔接地電阻對線路的防雷、短路故障等起著至關重要的作用；輸電線路的溫度與線路的使用壽命和傳輸容量也緊密相關。2008年我國南方電網(wǎng)一些地區(qū)的輸電線路遭受冰災，造