1、第七节直流采样及电量变送器“采样”是将现场连续不断变化的模拟量的某一瞬间值，作为“样本”采集下来，供计算机系统计算、分析和控制之用。采样分为“直流采样”和“交流采样”两种。进行直流采样需要通过一种叫做变送器的设备。变送器是一种物理量变换器件，可以把输人的某种形式物理量按比例准确地变换为同一种形式或另外一种形式的物理量。本节主要介绍的是电量变送器，如电流变送器、电压变送器和功率变送器等。除电量变送器外，还有温度变送器、压力变送器等非电量变送器。非电量变送器一般被称为传感器。一、直流采样及其优点将 u, i 等交流模拟量经过电量变送器整流为相应的直流电压信号，再由模/ 数(A/D)转换器转换成相应
2、的数字量，就是直流采样。因为对于 A/D 来说，是对直流模拟信号进行采样和变换。直流采样有如下优点:(1)直流采样对 A/D 转换器的转换速率要求不高，因为变送器输出值是与交流电量的有效值或平均值相对应，变化已很缓慢。(2)直流采样后只要乘以相应的标度系数便可方便地得到电压、电流的有效值或功率值，使得采样程序简单。(3)直流采样经过了变送器的整流、滤波等环节，抗干扰能力较强。二、变送器的性能指标变送器性能好坏对电网调度自动化系统的影响是非常大的，有时甚至成为电网调度自动化系统能否正常运行的关键问题，因此对其性能必须给予足够的重视。准确度和响应速度是对变送器的最基本技术要求。此外还要求变送器具有
3、抗干扰能力、性能稳定、运行可靠、调试方便等。变送器主要性能指标如下:(1)准确等级。目前使用的有。.2 级和。.5 级，其含义是在标准条件下，变送器最大误差不超过。.2%和 0.500。在运行现场，因温度、磁场等条件不同，允许有一定的附加误差。(2)抗干扰性能。主要指抗磁场干扰能力。当变送器选用 0-5V 直流电压输出时，受磁场干扰影响较大;而选用 5mA 恒流输出时，抗干扰能力较强。(3)耐压性能。输人端对输出端应能承受交流 1000V/min，输人端对外壳应能承受交流2000V/min。进行耐压实验时，短时耐受冲击电压按正、负二个方向加 1. 2kV/50cs 尖脉冲5000V 试验电压。
4、(4)抗电压、电流过载能力。事故情况下电压、电流超过正常许多倍，此时变送器应具有输出饱和性能，以保证后面设备不受损害。一般过电压能力为允许短时 1. 5 倍呱 10次，长期 1. 2 倍 UN2h;过电流能力为允许短时 2 倍 IN 10 次，10 倍 IN 5 次，长期 1. 2 倍IN2ho(5)温度影响。要求适应温度范围广，在温度变化时所引起的附加误差小。一般产品可适于在一 10-v-h-55下可靠工作，其输出变化小于 0. 50oa(6)密封与抗潮性能。一般产品允许在相对湿度 95%下正常工作。元件和印刷电路板表面应涂有防潮保护层。(7)响应时间，反映了变送器的时间性能。它与时间常数既
5、有联系又有区别，时间常数:是指接人输人信号后输出从 0 快速上升到稳定值的 63%所需时间，而响应时间 T 则是输出从。上升到稳定值的 99%所需时间，二者的区别可由图 2 一 12 表示出来。一般产品的响应时间小于 400ms o(8)线性指标。变送器输出与输人应当是成正比的，亦即线性的。但实际上总存在非线性误差，用非线性度表示。一般产品其输人值在 1. 2 倍额定值以下范围时，非线性误差应符(9)产品分散性。具有先进工艺和严格质量管理的厂家批量产品，其性能具有较好的一致性;而工艺方面条件差，尤其是手工生产的厂家产品，则有很大的分散性。(10)长期稳定性能。若所用均为优质元件并经严格老化筛选
6、，铁芯冲剪后经过严格退火工艺，就能保证产品运行后长期性能稳定，甚至几年内不必重新调校。相反，有的产品一年甚至半年就要重新调校，否则就不准确了。(11)通用性能。产品结构模块化，可更换性好，维修方便。(12)输出性能与负荷能力。变送器有直流恒压输出与直流恒流输出两种方式，对负荷的要求也有所不同，如表 2 一 2 所示。 (9)产品分散性。具有先进工艺和严格质量管理的厂家批量产品，其性能具有较好的一致性;而工艺方面条件差，尤其是手工生产的厂家产品，则有很大的分散性。(10)长期稳定性能。若所用均为优质元件并经严格老化筛选，铁芯冲剪后经过严格退火工艺，就能保证产品运行后长期性能稳定，甚至几年内不必重
7、新调校。相反，有的产品一年甚至半年就要重新调校，否则就不准确了。(11)通用性能。产品结构模块化，可更换性好，维修方便。(12)输出性能与负荷能力。变送器有直流恒压输出与直流恒流输出两种方式，对负荷的要求也有所不同，如表 2 一 2 所示。 三、交流电流变送器交流电流变送器串接于电流互感器的二次回路中，将互感器二次侧交流电流(0-5A)变换成直流电压或直流电流输出，按其构成原理可分为简单型和需要辅助电源的改进型两种。(一) 简单型图 2-14 为 FS-13 型交流电流变送器原理图及其外部接线。由图 2 一 14 (a)中可见，FS-13 型交流电流变送器主要由中间电流互感器 TA、桥式整流电
8、路和 RC 低通滤波电路组成。电流互感器来的二次侧交流电流(正常值。5A)从中间电流互感器的一对端子输人(通常用 1-4 端子) ，经整流滤波后直流电流经端子 5-6 输出，直流电压则可从端子 7-8(或 9-10 )输出。电位器 RPl 用来调节输出直流电流值， RP2 和 RP3 分别调节两对电压端子输出的电压值。中间电流互感器 TA 既可以降低电流，又可使输出回路与输人回路在电气上进一步隔离。整流桥每个桥臂用两只二极管串联，是为了提高承受反向电压的能力。电阻 R，的作用是防止整流桥二极管损坏造成 TA 二次开路。R:的变化将引起输出改变，因此 R1 应采用温度系数小的金属膜电阻。电阻 R
9、:和与之串联的四个二极管构成了非线性补偿支路。TA 的铁芯材料(一般用冷轧硅钢片)磁化曲线是非线性的，特别是起始部分斜率小。当输人电流较大时，TA 工作于磁化曲线的 AB 段，此时输出电压与输人电流是成正比的。但在输入小电流时对应磁化曲线的 OA 段，则此时的输出电压有较大的负误差。有了由二极管组成的补偿支路后，利用二极管伏安特性的非线性，在变送器输人小电流时，二极管受到电压低，使其内阻变大，这就使补偿支路所分流的电流更加减少，输出直流电压(或电流)稍有增大，刚好补偿了 TA 铁芯非线性引起的额外负误差。非线性补偿情形见图 2 一 150(二)改进型图 2 一 16 为改进型交流电流变送器原理
10、框图。高性能中间电流互感器的铁芯具有线性磁化曲线，从根本上克服了非线性误差，并可以采用运算放大器构成恒流输出电路(或恒压输出电路)。精密的交/直流转换电路是由线性整流电路和平滑滤波器两部分构成的。线性整流电路是在二极管整流器基础上加人了由运算放大器构成的反馈系统，使二极管整流产生的非线性畸变大大减小。图 2 一 17 (a)所示为半波线性整流电路，此电路线性好、输出阻抗低，若运放开环增益 Ko,104，则输出阻抗小于 loo图 2 一 17 (b)为全波线性整流电路。当 U;为正半周，A1 输出为正，VD1 导通，VD2 截止，A1 呈单位负反馈，成为增益为 1 的跟随器。此时 AZ 同相端和
11、反相端均有输人，其输出为即 U;,当 U;为负半周时，A1 输出为负，VDl 截止，VD2 导通，A2 输出为U; ，实现了全波整流。图 2 一 18 为接入了有源低通滤波器的精密交流一直流转换电路。有源低通滤波器由运放 A3 构成。A3 输出电压全部直接反馈到它的同相输人端，输出端纹波成分被大大减少了。图中二极管 VD3, VD4 用来防止电力系统短路引起的大电流损坏运算放大器。恒流输出比恒压输出有更好的抗干扰能力，因此变送器还有恒压一恒流转换电路。图 2 一 19 中 0-5 V 直流电压信号 U;加于运放的反相输人端，三极管 VTl 接成倒相放大，VT2 则作为射极跟随器，负载 RL 就
12、串联子 VT2 的射极回路中。同时，从电阻 R:两端引出反馈信号畴和认到 A 的输人端，对 A 反相输人端踌是正反馈，对 A 同相输人端阶则是负反馈。当运放放大倍数 K。很大时，可以证明:Ug vUT，此时输出电流为 盛v W y mHy 上式说明输出直流 IO 与负载 RL 无关，仅与输人电压 U;成比例关系，满足了恒流特性要求。当然，RI 还是要在允许的范围之内(一般 RL 为 0-1. 5kS2。此电路参数适当选定后，当 U; =0-5V 范围时，l0=0-lOmA，两者呈线性关系。图 2 一 20 为输出电流为 4-v20mA 的恒流电路，与图 2-19 的区别主要是运放的同相端不接地
13、而改接一 1. 25V 电源。这样，当 U;在 0-5 V 内变化时，输出电流在 4-20mA 内变化。这个电路的优点在于当变送器输出端故障开路时 to 为零，而无故障时 1。至少为4mA，两者有明显的区别。图 2 一 19 的电路则无上述优点，当输出端 I。为零时，无法判断是断线故障还是输人电流为零。四、交流电压变送器交流电压变送器将 100V 左右的交流电压变换成直流电压或直流电流输出。也分为简单型和改进型(需要辅助电源)两类。(一) 简单型图 2 一 21 为 FS-14 型电压变送器原理图和外部接线图。该变送器由降压、全波整流、阻容滤波三部分构成，可输出两路直流电压(端子 7-8 和
14、9-10)和一路直流电流(端子 5-6 ) o当不用电流输出时，端子 5-6 应短接。电阻 R,的作用是保证桥式整流的二极管损坏导致中间电压互感器(TV)二次侧短路时，电力系统的大电压互感器二次侧不会短路，仍可正常工作。电力系统的大电压互感器二次侧电压变动范围一般仅为 100 V 士 20V 以内，所以可不考虑中间电压互感器(TV)铁芯的起始磁化曲线导致的非线性误差问题了。(二)改进型图 2 一 22 所示为改进的交流电压变送器原理框图，由中间电压互感器、精密交/直流转换电路和恒流输出电路构成。五、功率变送器功率变送器用来测量交流电路中的有功功率和无功功率。单相有功功率测量元件是功率变送器的基
15、本元件。在单相有功功率测量元件的电压回路中加一个 900 移相电路就变成了无功功率测量元件，用两个或三个这样的基本元件就可以构成三相功率变送器。(一) 单相有功功率的测量在交流电路中，有功功率的定义是v 工vo 甲 va wou 田 甲/式中:U, I 分别为电压、电流有效值 ;华为电流滞后于电压的相位角，即功率因数角。有功功率为由于瞬时功率的第二项为余弦函数，故积分为。(二)用采样乘法器测量功率传统的功率变送器时间常数较大，难以满足快速检测的需要。随着新技术的发展，现已出现多种以新方法构成的功率变送器。下面简单地介绍其中的一种。图 2 一 24 表示了一种功率测量的原理图。在单相交流电路中，
16、有功功率 P 可以表为从图 2 一 24 中很容易看出，当电压瞬时值 u 刚好是峰值呱时，电流瞬时值 i 等于与 cos 杯编为电流的峰值)。因此，只要准确测出电压峰值时刻的电流瞬时值，并将它和电压峰值相乘，就能够求得有功功率尸，因为第八节交流采样交流采样不采用以整流为基础的变送器，仅仅将二次交流电压、电流信号经交流变换器( 小 TV 和小 TA)隔离和降低幅值后，仍以交流模拟信号供 A/D 进行采样，然后通过计算得到被测量的有效值等参数。交流采样有以下特点:(1)实时性好，能反映原来电压、电流的波形及其相位关系，可用于故障录波，微机继电保护也必须采用交流采样;(2)由于免去了大量常规变送器，
17、使占用空间和投资均可减小;(3)采样点数需较多，如每周波要采样 12, 16, 20, 24 点，甚至采样 32 点( 分析高次谐波需要)。交流采样的优点是速度快，投资省，工作可靠，维护简单;而缺点则是程序设计较复杂，要求 A/D 接口是双极性的，对 A/D 转换速度要求较高 (一般要求每通道转换时间不大于 50 ) o A/D 转换器字长有 8, 10, 12 位等，其中 8 位字长 A/D 转换器除去 1 位符号位，实际上只有 7 位有效值，转换精度只有 1/128,因此通常采用 10 位或 12 位字长的 A/D转换器。一、交流采样的接口电路交流采样的接口电路如图 2 一 29 所示。从
18、电压互感器(TV)和电流互感器(TA) 输出的电压和电流，首先经过交流变换器转换成士 5V(峰值) 的交流电压。为了排除干扰，变换器原方相间和相地间应接上抗干扰电容，同时原、副方应有可靠的屏蔽。在送到 A/D 变换器前，还应通过前置滤波器(ALF)，将 400Hz 以上高频成分滤去，以保证采样定理的要求得到满足。二、交流采样的算法交流采样得到的是正弦信号的瞬时值，需要通过一种算法把正弦信号的有效值计算出来。交流采样的算法很多，下面介绍几种常用的算法。( 一) 一点采样算法一点采样算法需同时采集三相电压和电流，计算出信号的有效值。其计算公式如下3/ 3一点采样算法对采样没有定时的要求，不需定时器
19、也可以进行数据采集。其缺点是算法中没有滤波作用，且要求三相对称，当系统有高次谐波或三相不对称时会产生误差;同时，算法中要求输人同一时刻三相电流和电压，一般的 lOkV 线路不具备这种条件。(二) 两点采样算法两点采样算法优点是简单快速;(三)多点采样算法基于均方根值的多点采样算法，缺点是无滤波作用，信号如有谐波分量会影响计算精度。是根据周期连续函数有效值定义，将连续函数离散化，可以得出电压、电流的表达式为 式中:N 为每个周期均匀采样的点数(均匀二字非常重要，否则不准确了);u，为第 i 点电压采样值;2;为第 Z 点电流采样值。由连续函数的功率定义可得离散表达式为Q 一J “一 r0 一 m
20、)一 r0式中:u; i;为同一时刻的采样值。均方根算法不仅对正弦波有效，当采样点数较多时，也可较准确地测量畸变波形的电量，这是它的主要优点。当然为减少误差，采样点数 N 要增多，而这会使运算时间增加，使响应速度降低。当 N 取 20，选用 10 位 A/D 变换器时， U, 1 的误差约为 0.500, P, Q 的误差小于 0.900。如选用 12 位 A/D 变换器或 N 更大些，精度还可提高。三、交流采样的微机电里变送器(一) 常规电量变送器及直流采样的缺点(1)常规变送器本身有误差，因其功耗大，又使 TA, TV 误差增大，综合误差更大。直流采样电路中非线性元件如铁芯、整流二极管等都
21、会引起误差，例如多数标明为 0. 5 级( 即误差不大于 0.500)，实际运行中还达不到。(2)变送器长年运行，外加电磁场、温度的影响，使元器件性能变坏。采用运放、二极管等器件会发生0，飘、温飘等，性能不稳定，因此要经常去现场调校，由于其数量大，调校费时费力。而且电力线路中的谐波分量对于常规变送器的精度影响较大，在一些特殊场合，如大功率电机启动较频繁的场所，变送器的测量精度受谐波影响而降低了输出信号的精度。(3)直流采样电路因有 RC 滤波环节，因而时间常数较大，响应时间有的长达 300400ms.这使采样实时性较差，无法反映被测交变量的波形变化，不能适用于微机保护和故障录波。(4)常规变送
22、器分立安装，硬件数量多，接线繁琐。很多变送器组成笨重的变送器屏，增加了占用空间和投资，总造价高。由于直流采样是对变送器送出的 4-v20mA/0-5V等直流输出信号进行模拟量采集，要求配置 A/D 模块或板卡。另外考虑到一次信号电缆费用，综合成本较高。(二) 微机电量变送器的基本原理微机变送器直接对 TV, TA 输出的交流电压电流采样，数字化 (A/D)以后经过计算得出电压、电流的有效值和有功、无功等各种电量值。微机电量变送器的结构框图和接线图，如图 2 一 30 所示。图 2 一 30 (a)中的电压(电流) 隔离变换器包括小 TV(小 TA、运算放大器及限幅电路等，采样保持器可将同一瞬间
23、采样得到的电压、电流瞬时值保持一段时间，然后依次通过多路开关进人 A/D(模/数转换器)进行数字化。如果不使用采样保持器，先、后采样的电压_由流 Q,ic 不早同一时 ail 的.计算功率值时必须对仗一时间差予以校正。一个工频周期内采样点必须均匀分布，这是计算方法要求的条件，否则会产生计算误差。电压过零检测对工频周期 T 进行测量，再除以每周期内采样次数 N，这样就可计算出采样间隔:一 T/N。以:为周期的均匀脉冲信号，指挥采样保持器进行采样。上述测得的仅是上一个周期的 T，而频率总会有微小变动，为此可改用前几个 T的平均值。但用这种方法仍然会有误差。真正能够保证无论频率如何变化，都能使采样点
24、在每个周期内严格均匀分布，则需采用锁相环技术。锁相环能使其输出信号的频率紧紧跟踪其输人信号的频率，其原理框图如图 2 一31 (a)所示。鉴相器将电压控制振荡器( 压控振荡器)的输出信号 uo(t)的相位和输人信号 u; (t)相位进行比较，其输出电压 ua(t)与这个相位差对应;环路滤波器能滤除 ud微机变送器的核心是单片机，其工作稳定，可靠性很高。(2)响应快、精度高。只要适当提高采样次数 N，适当提高 CPU 主频，即可减小误差，提高响应速度，使测量误差显著减小。(3)作为综合测量系统可资源共享，一套装置可测多条线路上的 P, Q, U, I, cosp,f 及电能等多种电气参数，比采用
25、常规变送器具有更高的性能价格比，经济性更好。(4)性能稳定，不必经常调校，12 年调校一次即可，且数量也少，节省了许多工时。(5)多功能，一台微机电量变送器相当于几十台常规电量变送器，并且可以选择需量测量、多次谐波测量及多种电量越限控制或报警等综合功能。(6)稳定性好，不受谐波干扰。采用先进的交流采样算法、数字式谐波测量和滤过技术，适用于多种复杂环境及恶劣场所，抗干扰能力更强。(7)结构新颖，配置灵活。小型化的外观设计，导轨安装方式，并可扩展LED/LCD 等综合显示单元。(8)微机电量变送器可分布式安装在高压开关柜或低压抽屉柜内，其电源采用交/直流 220V 电源直接供电，安装更灵活，应用更
26、广泛。第九节模拟量的采集与处理图 2 一 32 所示为模拟量输人输出通道(直流采样) 框图。图中虚线框 1 内为直流采样的模拟量输人通道，模拟量 P,Q、U, I 经变送器变换成 5V 以下的直流模拟电压，最后经模/数(A/D)转换器转换成数字量后才能进人计算机。而虚线框 2 内为模拟量输出通道。下面对图 2 一 32 中各元件的作用及原理分别加以介绍。一、滤波及信号处理电力系统运行参数 u, i 等经过 TV, TA 输出后，经变送器变成 0-v5V(或 4-y20mA)的直流模拟信号。为消除干扰，提高输人信号的信噪比，可采用一级或二级硬件 RC低通滤波器。同时 RC 电路又可作为过电压保护
27、，防止浪涌电压进人通道内部损坏各种芯片元件。不同变送器或传感器输出的电信号各不相同，因此需经信号处理环节将其放大或处理成后面 A/D 转换器所能接受的电压范围。通常 A/D 的输人电压范围，单极性为 0-v5V,。一10V,0-20V;双极性为 O 一士 2. 5V, 0 一士 5V, 0 一士 10 二、多路开关(MUX )多路开关也称采样切换器，是一种受 CPU 控制的高速电子切换开关。由电量变送器送来的多路模拟量公用一套 A/D 转换器，只有被选中的一路才可以通过多路开关进人A/D 转换器，其余各量则需等候下一次的选择。多路开关 AD7506 及其应用电路框图如图 2 一 33 所示。1
28、6 路模拟量从 AD7506 端子 S，S。引人，当其中某一路被选中后即从)UT 端输出。选择是由 EN, , Az , Ai , Ao 四个端子接收 CPU 命令控制的，表 2 一 3 为 AD7506 真值表( 即开关选择表)。EN 为片选控制线，当 EN 被置于低电平0“，本芯片被封锁，16路开关均被断开;只有 EN 呈高电平“1”时，本芯片才被选通，此时由戊Ao 的电平决定选通的开关编码号。例如=1, AZ=0, A,=0, Ao=1，则第 9 号开关接通了(在十六进制中 1001表示 9)0当 AD7506 导通时，其内阻并非为零(约有 400SZ )，后面负载电阻必须远远大于此值，
29、才能保证信号传输的精度。在图 2 一 33 (b)中多片 AD7506 最后的输出经过电压跟随器 A 之后才送人 12 位 A/D 芯片 AD574A，电压跟随器 A 是放大系数为 1 的运算放大器，就是专门用来提高输人阻抗，降低输出阻抗，提高传送精度的。AD7506 只有 16 路通道，如有更多的模拟量输人，可以使用多片 AD7506 采用图2 一 33(b的接法。CPU 通过接口 1 和译码器来选择要接通的开关号，在指定的开关完全导通后，即通过接口 2 给 A/D 转换器 AD574A 发出转换启动信号。当转换结束后由 A/D转换器芯片的 STS 端发中断申请，CPU 响应后就读人转换结果
30、。也可以采用等待方式，经过预定的一段时间即可取数。在等待时段 CPU 还可转去从事其他工作。三、数/模(D/A)转换器数/模(D/A)转换器的作用是将二进制的数字量转换成相应的模拟量。因为有的控制执行元件要求控制信号是模拟电压或电流，另外，模/数(A/D)转换也需要用 D/A 转换器来产生衡量未知电压的电压祛码。D/A 转换器主要包括运算放大器和电阻开关网络。图 2 一 34 为由权电阻网络实现 D/A变换的电路图。(一) 运算放器运算放大器有两个输人端， “+”端称为同相输人端， “一”端称为反相输人端，其放大系数 K 很大。图 2 一 34 中信号由反相输人端“一 ”输入， “+”端接地。由于输人信号电压值很小(“+” 、 “一” 两端之间)，所以“一”端电位与 “+”端很接近，故又称其为“虚地” 。在运放“虚地”概念之下，流过反馈电阻 R的电流可近似为几=-Uo/Rm o运算放大器的输人阻抗很大，其输人电流可近似认为等于零，这样图 2 一 34 中权电阻网络输出总电流几乎全流经 R,，即有I=h+Is+h+to=1,
