1、第2章在线监测系统,主讲教师：张 博,高电压绝缘与检测技术,2,主要内容,2.1传感器 2.2数据采集系统2.3 信号传送与电磁干扰抑制2.4 分级集成系统和远程监控系统,3,在线监测系统原理框图,4,信号变送系统是通过传感器从电力设备上监测出反映设备状态的物理量和化学量转化为电信号；数据采集系统是把电信号经过放大、A/D转换等功能，变换成标准信号以便传输；信号传输单元采用数字信号传输或光信号传输，使监测到的信号无畸变、有效地传输到主控室的数据处理单元；数据处理和诊断系统是把监测信号进行处理和分析，对设备的状态作出诊断和判定；集成管理系统就是把诊断数据接收到集成系统（如 SCADA系统），或者
2、通过专用电缆或互联网向几十千米、几百千米以外的远程监测系统发送诊断数据和接收指令。,5,（1）定义: 广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”， （2）种类: 按用途可分为：位移、压力、温度、振动、电流、电压、气体传感器等（3）特性 动特性：频率响应特性 静特性：线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、分辨力、稳定
3、性,2.1传感器,6,线性度指传感器输出量和输入量间的实际关系与它们的拟合直线（可用最小二乘法确定）之间的最大偏差与满量程输出值之比。线性度低会产生系统误差。迟滞指传感器正向特性和反向特性不一致的程度。迟滞大会产生系统误差。重复性指当传感器的输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。重复性差会产生随机误差。精度表明传感器的准确度。一般来说，它主要由传感器的线性度、迟滞、重复性三种特性构成。,7,灵敏度指传感器对输入量变化反应的能力，通常由传感器的输出变化量y与输入变化量x之比（ y /x ）来表征，灵敏度数值大，表示相同的输入改变量引起的输出变化量大，则传感器的灵敏度高。分
4、辨力表征传感器有效辨别输入量最小变化量的能力。当用满量程的百分数表示时称为分辨率。稳定性指在规定时间内传感器性能保持不变的能力。一般分为温度稳定性、抗干扰稳定性和时间稳定性等.,8,（1）互感器型传感器电流传感器多为原边为一匝的电流互感器（罗戈夫斯基线圈）主要种类：宽带型；窄带型；低频,2、电流传感器,电流传感器结构原理图,N 为副边线圈匝数；S为磁芯截面积；l为磁路长度。,9,宽带型传感器等值电路,信号电压u(t)和所监测的电流i1(t)成线性关系，K为灵敏度，它与N成反比，和自积分电阻R成正比。,10,窄带型传感器等值电路,窄带型电流传感器,又称外积分式或谐振型，它比之宽带型它具有较好的抗
5、干扰性能。由积分电阻R和积分电容C构成的积分电路,11,低频电流传感器原理图,N1、N2分别为初级、次级线圈的匝数，Z2是负载阻抗。忽略线圈的电阻和漏抗后，引起误差的主要原因是铁芯的激磁电流，应选用高磁导率的坡莫合金作铁芯，适当增大铁芯截面，适当增加的匝数。工作在额定值附近，以减小激磁电流在或总电流中的比例，减小测量误差。尽量减小负载中的阻性分量也可降低相角差。,12,自积分式低频电流传感器原理图,图中放大器的输入电阻Ri相当于积分电阻，Ri=Rf/Aod, 放大器的开环增益Aod较大，故Ri较小，fL主要由线圈的电阻RL决定。在通频带内i2（t）=i1(t)/N，当满足条件i2(t)iib，
6、 i2(t)Rfuid时，u（t）i2(t)Rf 因反馈电阻Rf对频率特性几乎无影响，可增大Rf，以提高灵敏度，并接电容Cf是为了降低噪声影响。,13,（2）霍尔电流传感器 利用半导体材料的磁敏特性，通过测量其磁感应强度，推算待测电流值。体积小、可测交直流、响应时间短（3）光纤电流传感器,14,利用电光效应测量电场，也可实现电压测量,3、电场传感器,a）场强电压表结构框图b）探头结构示意图1-微透镜 2-偏振镜3-检偏镜 4-波阻片5-泡克尔元件6-被测电压,15,4、气敏传感器,要求：灵敏度高；选择性好；响应时间、恢复时间快。种类：接触燃烧式（可燃气体浓度）；半导体式；红外线吸收式,1- 加
7、热电极2-气敏材料3-信号引出电极,16,5、超声波传感器,频率超过20kHz的机械波，穿透力强，方向性好，定向传播。主要用于局部放电监测、定位等。超声波传感器包含了超声波发生器和超声波接受装置。超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应，在电极上施加频率高于20kHz的交流电压，压电晶体就会产生超声机械振动，从而发出超声波. 超声波接收器是利用压电晶体的压电效应原理工作的，在压电晶体的电轴或机械轴的两端面施加某 频率的超声波，则在压电晶体的电轴的两个端面出现频率与外加超声波频率相同的交变电荷，交变电荷的幅值与所施加的超声波强度成正比。通过测量电路将交变的电荷转化为电压或电流输出。,17,超声波
8、发生器和接收器原理图,18,6、光电传感器,利用材料对光的敏感，将光信号转换成电信号 种类：透射式；反射式；辐射式；遮挡式,（a）反射式 （b）辐射式 （c）遮挡式 （d）透射式,19,种类：电阻应变式；压电式、压阻式、电容式,7、压力传感器,电容式传感器原理： 平板电容器的电容器圆筒形电容器的电容,20,两种常用电容器a）圆筒形电容器 b ）平板电容器,21,8、温度传感器,接触式：热电偶、热电阻 ；非接触式： 红外线传感器热电偶：二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同金属的这种组合称为
9、热电偶。,22,热电阻：根据电阻与温度之间的函数关系，可以将温度量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。按照热电阻材料不同可分为金属热电阻和半导体热电阻。通常前者简称为热电阻，后者简称为热敏电阻。,四线制接法的热电阻测量电路,23,利用红外光电技术测量物体表面温度。 黑体辐射定律，物体辐射能量的大小与温度和波长有关：当波长一定时，辐射能量的对数增量与物体温度的负倒数成正比。红外探测器感受辐射能量，并将其转换成电能，输出电信号，通过对红外探测器输出电信号的测定实现物体表面温度测量。 红外探测器按照辐射响应的方式不同，分为光子探测器和热探测器两类。 红
10、外测温属于非接触式测温方法，可测量03000或更高的温度，精度为0.51，时间响应很快，在极短时间内可测出温度场分布和热像图，对被测物体表面无干扰影响和破坏。,24,9、振动传感器 位移传感器；速度传感器；加速度传感器10、湿敏传感器 用于大气中水含量的监测 种类：聚合物薄膜传感器；电解质感湿材料；半导体陶瓷材料；多孔金属氧化物半导体。,25,2.2数据采集系统,数据采集系统的功能是采集来自传感器的各种电信号，并将其送往数据处理和诊断系统，以对监测到的数据进行进一步的分析处理。1、数据采集系统组成：（1）多路转换单元对多台设备和单台设备的多路信号进行选择或巡回监测（2）预处理单元对输入信号的电
11、平作必要调整和采取抑制干扰的措施a）程控放大器；b）抗干扰措施（滤波器、差动平衡系统）（3）数据采集单元采样保持；模数转换,26,2、放大器与采样保持电路（1）放大器要求：线性好，增益高，转换速率高，抗干扰能力强，输入阻抗高（60M以上）输出阻抗小a）测量放大器；b）程控增益放大器,27,测量放大器电路原理,28,这种电路的输入阻抗很高（达50M以上），从而使传感器的输出基本没有负载效应。它的高输入阻抗和高共模抑制比对微小的差模电压很敏感，适用于测量远距离的小信号，特别适合与传感器输出信号相接。在一般场合，可采用一般运算放大器组成的测量放大器。现在已将测量放大器中的3个运算放大器集成到一块芯片
12、上，构成仪器放大器。仪器放大器具有理想的差动输入特性，有很高的共模抑制比和可调增益，已定型的产品有AD521、AD522、LH0063等。现在有些传感器中已经直接配装了集成测量放大器。,29,程控增益放大器原理图,利用改变负反馈电阻实现量程变换的可变换增益放大器电路原理图。当开关S1、S2、S3中之一闭合，其余两个断开，则放大器增益为,30,程控增益放大器一般通用性很强，无须外加模拟开关，可通过软件方便地进行量程自动切换，从而使输出信号根据输人信号的变化自动调整增益，扩大局部数据的测量分辨率，使放大后的信号幅值接近模数转换器满量程信号，可提高测量精度。当被测量动态范围较宽时，更能显示其优越性。
13、,31,（2）采样保持电路,由保持电容、输入输出缓冲放大器、逻辑输入控制的开关电路组成,采样保持电路原理图,32,3、A/D、D/A转换器原理,（1）A/D转换器原理直接比较型 将输入的被测模拟电压直接与作为标准的参考电压相比较，从而得到按数字编码的数字值。间接比较型 输入被测模拟电压不是直接与标准的参考电压相比较，而是先将两者都变换为中间物理量后再进行比较，然后对比较而得的时间（ T）或频率（ F）进行数字编码。积分式A/D转换器是这类间接比较型的典型。它又分为单积分式、双斜积分式、多斜积分式、脉冲调宽式和V-F 转换型等。这类转换器具有平均值响应的特点，能大大抑制干扰与噪声，但转换速度较慢
14、，适合于测量直流信号。复合型 复合型是将直接比较与间接比较的积分式A/D转换原理结合起来，发挥各自的优点，因而能获得高的准确度和转换率，但成本较高。 技术特性：准确度；转换速率；分辨率；稳定度,33,（2） D/A转换器原理转换器的基本组成模拟开关、电阻网络、基准源和运算放大器四大部分组成,基准源,模拟开关,电阻网络,运算放大器,数字量 输入,模拟量 输出,类型：一种是权电阻网络的D/A转换器,另一种是T型或反T型电阻网络的D/A转换器。技术特性：准确度；分辨率；线性度；转换时间,34,3、采集系统,（1）功能：自动测量和控制；多项选择；自动校正；数据处理；故障报警自动测量和控制 对于通用测量
15、，预先把操作程序存入非易失性存储器中，操作人员只要按键盘上所规定的功能键，数据采集器就能按预先编制的程序自动测量，并对被测对象进行实时控制和分时控制。多项选择 可按要求选择测量项目、信号通道、测量范围、增益和频率范围，并达到最佳工作状态，提高测量精度。,35,自动校正 可进行自动调零，按预先给定的标准进行自校，消除温度、噪声及干扰等因素，把系统误差存储起来，便于以后从测试结果中扣除，提高测试精度。数据处理 能把测量的数据进行分类处理，并进行数学运算、模拟运算、误差修正、工程单位转换等故障报警 能进行自身的故障诊断报警，由CPU相系统各部分发出校准信号，经过比较，可以判断各部分有无故障。,36,
16、（2）基本构成,37,2.3信号传送与电磁干扰抑制,1、串行传输方法RS-232；RS-422；RS-4852、并行传输方法3、光信号传输方式（1）调幅式调制（AMIM）（2）调频式调制（FMIM）,38,调幅式调制原理图,39,调频和频分复用光纤信号传输系统原理框图,40,4、电磁干扰抑制（1）干扰的特征和来源 a）周期性干扰信号：连续、脉冲 b）脉冲型干扰信号: 随机性干扰 c）来源：系统内部、系统外部（2）干扰的抑制 内部干扰：各通道拉开一定距离，避免通过高阻相连；保证一点接地；隔离（隔离变压器、光电耦合、光电光纤信号传输）,41,隔离变压器，是一台的变压器。初次级绕组间及对铁心均有一定
17、的绝缘水平，绕组间还有接地的金属屏蔽，用以隔断相互间的干扰以及危险电位的传递，而信号通过磁路的耦合来传递。铁心材料的选择根据传递信号的频率而定。光电耦合器，是一种光电隔离，电路上相互绝缘，隔离电位可从数百伏至数千伏，而信号通过电光转换，以光信号传递到下一单元，经光电转换后恢复为电信号 光电光纤信号传输，是用光电隔离方式来隔离两个系统之间的干扰，但光信号的传递用光纤来完成，特别适用于远距离的信号传输，其抗干扰能力最强。由于光纤的耐压很高，1米光纤交流闪络电压大于100kV，故可用于隔离很高的电位。,42,43,外部干扰：隔离变压器供电；屏蔽；隔离滤波。干扰分为共模干扰和差模干扰共模干扰是指两根电
18、源线对地之间存在的电磁干扰，其上对地的干扰电位相等、相位相同。差模干扰则是在两电源线之间存在的干扰信号，故干扰电流在两根线上是异向的环流。1）为防干扰从交流电源进入，故监测系统一般应由隔离变压器供电，输出端还接有低通滤波器2） 在信号传递过程中，干扰通过电磁耦合进入系统，可采取以下措施 机箱机柜均由金属屏蔽制成，联线用屏蔽线或高频电缆；用光电隔离、光纤传递信号等；良好的一点接地。3）通过传感器和信号混叠后一起进人监测系统，这常常是外部干扰的主要来源，而且干扰水平高较难抑制。通常采用隔离和滤波等技术后，才能保证必要的监测灵敏度和信噪比。,44,（3）其他抗干扰措施,平均技术 这是用软件即数据处理
19、的方法抑制干扰，主要是随机性干扰。随机性噪声一般遵从正态分布，故将数据样本多次代数和相加并取其平均值，即可减弱随机性干扰影响而提高信噪比。逻辑判断 从逻辑推理上设定一些判断测得的是真实信号还是干扰信号。开窗 对一些已知的且相位相同固定的干扰可运用电子技术或软件方法对这些信号不予采集或显示或置零。,45,滤波技术使用各种带通滤波器可有效地消除和抑制连续的周期性干扰。带宽和中心频率的选择视干扰信号的频带而定。窄带抗干扰性好，能抑制通频带以外的干扰信号，但也容易造成信号某些频率成分的过分丧失；宽带虽可测得信号的频率成分比较丰富，但又不利于抑制干扰。数字滤波技术对一个数字信号按一定要求进行运算、处理，
20、而后以数字形式输出。数字滤波技术实则也是一个计算程序，宜安排在数据采集之后。它也是运用软件的方法来抑制干扰，主要是连续的周期性干扰，可用于局部放电脉冲信号的监测中。和模拟滤波器相比，它具有可任意改变其数目、中心频率和带宽的特点。,46,47,数字滤波技术在在线监测中的应用,48,2.4 分级集成系统和远程监控系统,电力设备的在线监测系统中存在着计算机的分级管理，它的上位机是微型计算机，下位机是单片机。下位机担负着数据的采集和存储，而上位机则进行数据处理和诊断。各类设备的数据采集和存储仍由各自监测系统的单片机担负。各单片机分散在现场各自被测设备的附近，通过信号传输系统实现和主控制室的上位机（微机）之间的通信，并由微机来集中管理和控制各个监测系统，进行数据处理和诊断。,49,变电站的在线监测系统示意图,50,电力通信系统的原理框图,51,
