变电站综合自动化信息的测量和采集

变电站综合自动化原理第二章变电站综合自动化信息的测量和采集河南理工大学电气学院2第二章变电站综合自动化信息的测量和采集2.1变电站综合自动化信息2.2变电站模拟量信息的变送器测量及采集2.3交流采样技术及应用2.4变压器油温的测量和采集2.5变电站状态量信息的采集2.6变电站实时时钟的建立和应用河南理工大学电气学院3若想实现变电站综合自动化，必须掌握变电站的运行状况，即首先要测量出表征变电运行及设备工作状态的信息。2.1变电站综合自动化信息包括由模拟量、开关量、脉冲量以及设备状态等。河南理工大学电气学院4模拟量信息主要包括：联络线的有功功率、无功功率和有功电能；线路及旁路的有功功率、无功功率和电流；不同电压等级母线各段的线电压及相电压；三绕组变压器三侧或高压、中压侧的有功功率、无功功率及电流，两绕组变压器两侧或高压侧的有功功率、无功功率及电流；直流母线的电压；所用变低压侧电压；母联电流、分段电流、分支断路器电流；出线的有功功率或电流；并联补偿装置电流；变压器上层油温等。2.1变电站综合自动化信息河南理工大学电气学院5开关量信息主要包括：变电站事故总信号；线路、母联、旁路和分段断路器位置信号；变压器中性点接地隔离开关位置信号；线路及旁联重合闸动作信号；变压器的断路器位置信号；线路及旁联保护动作信号；枢纽母线保护动作信号；重要隔离开关位置信号；断路器失灵保护动作信号；有关过压、过负荷越限信号；有载调压变压器分接头位置信号；变压器保护动作总信号；断路器事故跳闸总信号；直流系统接地信号；控制方式由遥控转为当地控制信号；断路器闭锁信号等。2.1变电站综合自动化信息河南理工大学电气学院6设备异常和故障预告信息主要包括：有关控制回路断线总信号；有关操作机构故障总信号；变压器油温过高、绕组温度过高总信号；轻瓦斯动作信号；变压器或变压器调压装置油温过低总信号；继电保护系统故障总信号；距离保护闭锁信号；高频保护闭锁信号；消防报警信号；大门打开信号；站内UPS交流电源消失信号；通信线路故障信号等。2.1变电站综合自动化信息河南理工大学电气学院7变电站综合自动化系统采集的数字量主要指系统频率信号和电能脉冲信号，前者主要出现在保护和低频减负荷装置中，电能脉冲量则主要用于远方对系统电能的计量。2.1变电站综合自动化信息河南理工大学电气学院8交流电压U、交流电流I、有功功率P、无功功率Q、变压器油温T等U、I、P、Q可从变电站二次回路中取得信号，通过二次测量得到。测量方法：直流采样（变送器）—均值、有效值交流采样—瞬时值2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院92.2模拟量的变送器测量及采集交流直流传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。在综自系统中，主要有电流变送器、电压变送器、三相有功功率变送器、三相无功功率变送器及温度变送器等。从二次回路中获取信号，通过电子变换电路，输出与被测电气量成正比的电流/电压信号。河南理工大学电气学院10插针式直流电压传感器交流电压传感器霍尔电流传感器单相功率传感器三相四线制有功功率传感2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院11交流电流的测量电流互感器电流变送器输入电流测量机构从交流电流到测量机构的方框图如下：两级测量2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院12电流变送器的基本原理：中间电流互感器将数安培的输入电流按比例变换为毫安级的交流电流，经过电阻R1转换为交流电压；精密交流、直流转换电路将输入信号变换为绝对值信号后，经低通滤波成直流电压信号全波整流；恒压输出电路实际上是一个电压跟随器，其输出直流电压既符合标准输出范围，又具有良好的电压源特性（强带载能力）；电压/电流变换电路将直流电压变换成直流电流，并具有良好的带负载能力。2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院13电流变送器的基本原理：2.2模拟量的变送器测量及采集测量交流电流采用的是有效值的平均值测量算法，输出直流电压U0与线路电流有效值I2成正比。河南理工大学电气学院14霍尔电流变送器的基本原理：霍尔电流传感器是应用霍尔效应和磁平衡原理开发的磁平衡式霍尔电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，且具有较宽的频响特性，线性度高，输出为电流信号。霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力（洛伦兹力），从而在导体的两端产生电压差。2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院15霍尔电流变送器的基本原理：当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS；其输出计算式为：NP*IP=NS*IS其中IP：初级电流，NP：初级匝数，IS：次级电流，NS：次级匝数。2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院16交流电压的测量：电压互感器电压变送器输入电压测量机构从交流电压到测量机构的方框图如下：2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院17电压变送器的结构与电流变送器类似，差别在于输入级采用的是中间电压互感器，并省去电流转变为电压的电阻。U0中间电压互感器精密交、直流电路恒压输出电路恒流输出电路u2I02.2模拟量的变送器测量及采集交流电压的测量：河南理工大学电气学院18三相功率的测量：功率变送器就是用来测量交流电路中有功功率和无功功率的仪器。单相有功功率测量元件：有功功率是瞬间功率在一个周期内的平均值，故有功功率也称平均功率。若能从瞬间功率中去除其正弦分量，即能得到有功功率。在交流电路中，单相有功功率P定义为：11()()()TTPptdtutitdtUIcosTT()()()2()cos-(2)(2)ptutitUIsintsintUIUIcostPUIcost由瞬时功率的基本定义可变形为：2.2模拟量的变送器测量及采集瞬时功率是有功功率与正弦分量的代数和若从瞬时功率中去除其正弦分量，也就得到了有功功率河南理工大学电气学院19单相有功功率测量的原理图：由一个模拟乘法器和低通滤波器组成。模拟乘法器低通滤波器u(t)i(t)p(t)P模拟乘法器实现电压u(t)和电流i(t)的乘积，从而构成瞬间功率p(t)；低通滤波器滤去p(t)中的正弦分量。剩下直流分量UIcosφ，即为有功功率P。功率测量元件的输出电压与输入二次功率的平均值成正比测量单相有功功率实际上主要采用模拟乘法器和低通滤波器两个单元电路，其中模拟乘法器是其核心。单相功率传感器2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院20单相有功功率测量元件原理框图如下所示：uy中间电流互感器模拟乘法器低通滤波器中间电压互感器i2RU0uuxu02.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院21三相有功功率变送器：三相功率定义：P=3UPIPcosφ,Q=3UPIPsinφ三相有功功率变送器由单相有功功率元件构成。根据三相电路的特点，按功率变送器含有有功功率元件的个数不同，三相有功功率变送器有单元件式、两元件式、三元件式等几种。其中：单元件式三相有功功率变送器适用于电压对称、负载平衡的对称三相电路功率测量；两元件式三相有功功率变送器适用于三相三线制系统中三相功率的测量；三元件式三相有功功率变送器适用于零序电流不为零的三相四线制系统中三相有功功率的测量。2.2模拟量的变送器测量及采集三相功率变送器输出电压与被测线路三相功率成正比河南理工大学电气学院22三相有功功率变送器：三相四线制有功功率传感器三相四线制无功功率传感器三相四线制功率因数传感器三相三线制有功功率传感器三相三线制无功功率传感器三相三线制功率因数传感器2.2模拟量的变送器测量及采集河南理工大学电气学院23直流采样技术是从二次回路中获取信号，通过电子变换电路，输出与某电气量成正比的直流模拟信号，其缺点有：第一、每个变送器只能测取一个或两个电气量，变电站中必须使用较多的变送器，投资大、占用空间大；第二、变送器输出的模拟信号是滤波后的平均值，不能反应实际的波形变化情况；第三、这些电量变送器都是电力互感器二次回路的负载，接入变送器越多，二次回路负载越重，互感器的实际变换误差就越大。2.2交流采样技术及其应用河南理工大学电气学院24交流采样技术，就是通过对互感器二次回路中的交流电压信号和交流电流信号直接采样（瞬时值）。根据一组采样值，通过对其模/数变换将其变换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率、电能等电气量值。2.3交流采样技术及其应用优点是可以由同一组采样得到的数字量得到多个计算结果，并能提高计算精度，在需要反应实际波形的地方更有直流采样不可替代的优点。采样（保持）A/D转换计算（算法）河南理工大学电气学院25()*()0sssfnTtnTfttnT2.3交流采样技术及其应用对一个信号采样就是测取该信号的瞬时值，可由一个采样器来完成。工作原理：采样器按定时或不定时的方式将开关瞬间接通，使输入的连续信号f(t)转变为离散信号f*(t)输出。设采样开关按周期Ts瞬间接通，则采样得到的离散信号为：采样主要目的是为了使之易于处理或借助更好的工具对其进行处理。信号经过采样后，不应改变原始连续信号所包含的本质特性。采样得到的离散信号f*(t)能够完全复现（重构）f(t)的所有本质信息。（不失真采样）从直观上来看，采样周期越短，即采样频率越高，fh(t)越接近f(t)。一、采样及采样频率的确定河南理工大学电气学院26香农采样定理：为了对连续信号f(t)进行不失真的采样，采样频率ωs应不低于f(t)所包含最高频率ωmax的两倍。频率混叠(aliasing):以采样频率fs对一个信号进行采样时，信号中大于fs/2的频率成分将对称的映射到fs/2以下的频带中，并且和fs/2以下的原有频率成分叠加起来，使得复原信号失真。2.3交流采样技术及其应用河南理工大学电气学院272.3交流采样技术及其应用采样定理是选择采样频率的理论依据在实际应用中，采样频率总要选得比已知被采样信号最高频率高两倍以上。采样交流工频信号时，采样频率一般为工频的8~10倍及以上，以便使信号中3~5次谐波分量在采样信号中反映出来。频率混叠是数字信号处理中的特有现象，是数字信号处理中离散采样引起的。河南理工大学电气学院28二、电气量交流采样算法：交流电压、电流的有效值U和I的公式为：TdttuTU02)(1TdttiTI02)(1TdttfTA02)(12.3交流采样技术及其应用有效值的计算主要包括两个部分，即积分运算和开方运算1、有效值算法2、三相有功功率算法3、三相无功功率算法4、电能量的计算方法设f(t)是一个周期信号，其周期为T，最大值为Am，则f(t)的有效值A为：河南理工大学电气学院292.3交流采样技术及其应用TdttfTA02)(1112222000111()()NNTkkkAftdtfkttfTNtN在计算机中，运算的对象是离散的数字量。因此，计算机的积分运算必须离散化。积分的几何意义：曲线包围面积若用宽为Δt、高为f2(kΔt)的矩形脉冲面积f2(kΔt)Δt近似相应时间宽度内f2(t)与时间轴围成的面积，有：将积分区间[0,T]等分为N个子区间，每个子区间Δt＝T/N，即在时刻kΔt时的被积函数值就是f2(kΔt)fk＝f2(kΔt)，可由f(t)在一个周期内