1、数据采集与处理技术,第四讲 电量变送器,主 讲 人：纪建伟 教 研 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05V或-5+5V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(TV)和电流互感器(TA)变换成额定值为100V和5A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，以使达到远动装置遥测量采集信号接口特性要求，电量变送器(transducer)正是实现这一转换的器件。,2.1 变送器的概念及分类,变送器是微机运动系统和微
2、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。目前，RTU测得各种电量的方法有两种：常规电量变送器方法(直流采样式)和微机电量变送器方法(直接交流采样)。,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。尤其是常规变送器因输出端并接有较大惯性的电容器，所以对被测量的响应速度慢，一般在O.1O.3s
3、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信息的丢失。,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，为微机变送器的产生和发展提供了强有力保证。 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。它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能，是一种多功能综合测量装置。,由于微机的运算速度快，一台
4、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,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，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，从而获得全部电量信息，这就是交流采样要完成的工作。,2.2.1 交流采样原理,设正弦电压电
5、流的瞬时值表达式为式中， 分别为电压电流的幅值， 为角频率， 为电压、电流的相角差，则电压电流的有效值 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：,二点算法,2.2.2 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，因此计算工作量较大。为此本文利用MCS-51系列单片机外部中断INT0或INT1检测相位差角。具体实现方法是，当电压方
6、波正跳变时，开始计时，读上跳变时时间值t1，当电流方波正跳变时，同理便可读出时间值t2，二者差值即为反映相角差的时间值。,3.微机电量变送器硬件电路设计 (以MCS-51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，分别是有效值为0100V，05A的交流信号。这些信号不能直接输入到AD转换器，而需要变换成AD转换器输人所允许的信号形式以及变化范围。一般AD转换器输入-5+5V或-10+10V的电压信号。中间电压互感器TV将0100V交流电压按比例变换成峰值为05V的交流电压信号，中间电流互感器TA将05A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05V的交流
7、电压信号。,3.微机电量变送器硬件电路设计 (以MCS-51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PT、CT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2-1，表2-2所示。,表2-1 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),表22 电流互感器原边电流副边电压(二次并1 Q电阻)转换特性,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2-11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。(1)模拟信号通道 三个TV(电压互感器)的原边分别接至三相电源电压，由于TV原边可能产生的峰值电压(按高出额定值10考虑)为：按PT转换
8、特性副边将产生的电压为,信号采样电路的硬件实现,由于模拟地为+2.5V，所以要想获得单片机A/D转换器能接受的0+5V电平信号必须经运放衰减，衰减的倍数KV为：由图2-11可见，衰减倍数完全可以通过调节电位器R3来实现。 与三电压通道不同的是，三个二次TA(小电流互感器)原边分别接至三相一次TA，副边通过精密1电阻获得与二次电流成正比的电压信号。因此二次TA副边经电阻取样后可能获得的峰值电压(按高出额定值的20考虑)为：,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2.5V，放大倍数KI为在电路中通过调节电位器R8来实现。 为可靠保证送入单片机的电平信号不高于5V。运放的输出端均接有5.1V稳压二级管。经处理后的三相电压、三相电流信号分别送入0809 A/D转换器的模拟输入口IN0IN5。,信号采样电路的硬件实现,(2)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LM311便产生与模拟信号周期相同的方波信号，并通过与门及4051模拟开关送至8031单片机的外部中断口INT0。当点压方波正跳变时，开始计时，读上跳变时时间值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t2，二者差值t即为反映相角差的时间值(360/20ms= /t）。,
