微机电力自动装置原理第1章自装置及数采集ppt课件

1、第第1章章 预备知识预备知识电力系统自动装置电力系统自动装置 原理原理 主讲主讲 张华曹张华曹 西安理工大学电子工程系西安理工大学电子工程系 第第1章章 预备知识预备知识 本课程总学时：48（）教学地点：教 楼 室教学时间：第 周至 周电力系统自动装置电力系统自动装置 原理原理第第1章章 预备知识预备知识目 录 第1章 自动装置及其数据的采集处理第2章 同步发电机的自动并列 第3章同步发电机励磁自动控制系统。第4章励磁自动控制系统的动态特性第5章 电力系统频率及有功率的自动调节。 第6章 电力系统低频减载及其他安全自动装置。第第1章章 预备知识预备知识1.1自动装置的组成1.2 采样、量化与编

2、码技术1.3 交流采样的电量计算和前置计算方法。第第1章章 自动装置及其数据的采集处理自动装置及其数据的采集处理第第1章章 预备知识预备知识1.1自动装置的组成自动装置的组成（由硬件和软件组成）（由硬件和软件组成） 1.1.1 硬件系统的组成形式硬件系统的组成形式 电力系统自动装置的结构形式有电力系统自动装置的结构形式有3种：种：1、微机系统、微机系统2、工业控制计算机系统、工业控制计算机系统3、集散控制系统、集散控制系统DCS和现场总线系统和现场总线系统FCS）。）。 还有工业控制计算机系统还有工业控制计算机系统QCS）、（）、（FCS等组成的等组成的 综合控制系统，去获得更好的控制特性。综

3、合控制系统，去获得更好的控制特性。第第1章章 预备知识预备知识 （一微机系统：（一微机系统： 如图如图1.1所示所示:它由它由1、传感器、传感器 2、模拟多路开关、模拟多路开关MMUX） 3、采样、采样保持器保持器 4、A/D转换器转换器 5、存储器、存储器 6、通信单元、通信单元 7、CPU中央处理单元中央处理单元第第1章章 预备知识预备知识 （二工业控制计算机系统（二工业控制计算机系统1、工业控制计算机系统的种类：、工业控制计算机系统的种类： 有：有：STD总线系统总线系统 PC104系统系统2、 STD总线系统总线系统 如图如图1.3所示。所示。 它由它由: (1)CPU 单元单元. (

4、2)A/D单元单元 (3)存储器存储器 (4)系统支持单元系统支持单元 (5)定时定时器器 (6)I/O单元单元 (7)键盘显示板等键盘显示板等 组成组成. 其特点是其特点是:I/O口设计有滤波器口设计有滤波器,过电流过电流电压保护电压保护,备有丰富软件及备有丰富软件及组态软件等组态软件等.系统完善系统完善,可靠性高可靠性高,抗干忧性强抗干忧性强. 第第1章章 预备知识预备知识 (三三)集散控制系统集散控制系统DCS和现场总线系统和现场总线系统FCS） 1.集散控制系统集散控制系统DCS的结构的结构 如图如图1-4所示所示:它由若干个数据采集测控站和上位机及通信系统等组成它由若干个数据采集测控

5、站和上位机及通信系统等组成.1。1、各单元功能：、各单元功能： （1数据采集测控站功能：数据采集测控站功能：将生产设备的现场信号采集后通过通信系统输送给上位将生产设备的现场信号采集后通过通信系统输送给上位机。上位机将处理过的信号和命令再通过通信系统输机。上位机将处理过的信号和命令再通过通信系统输送给数据采集测控站。送给数据采集测控站。（2上位机：一般采用工业控制机或工作站、配置打印上位机：一般采用工业控制机或工作站、配置打印和其它设备。它主要对数据进行处理和发出控制命令。和其它设备。它主要对数据进行处理和发出控制命令。第第1章章 预备知识预备知识 2、现场总线系统、现场总线系统FCS） （1系

6、统结构系统结构: 如图如图1.5所示所示: 它是一个开放式数字化系统它是一个开放式数字化系统:由三个单元组成；由三个单元组成； 现场总线主接点，现场总线从接点和路由器等组成现场总线主接点，现场总线从接点和路由器等组成. (2) 各单元功能各单元功能: A: 现场总线主接点是现场总线主接点是 :整个总线系统的运行协调者整个总线系统的运行协调者.它它可以外局域网输入和输出设备可以外局域网输入和输出设备. B:现场总线从接点现场总线从接点: 是现场总线系统的终端设备是现场总线系统的终端设备.它能完成现场数据采集、传输和执行控制命令等功能。它能完成现场数据采集、传输和执行控制命令等功能。 C：路由器：

7、起到路由、中继、数据交换等功：路由器：起到路由、中继、数据交换等功能。能。（*3特点：数字化开发系统，可互操作和互换性，可建特点：数字化开发系统，可互操作和互换性，可建立大系统立大系统第第1章章 预备知识预备知识 二、软件系统二、软件系统 有：有：1 信号采集处理软件；功能是采集、量化、实现信号采集处理软件；功能是采集、量化、实现A/D 转转换、数字滤波。换、数字滤波。2、运行参数设置软件：运行参数有：采样通道、采样点、运行参数设置软件：运行参数有：采样通道、采样点数、采样周期、信号量程、和工程单位等。数、采样周期、信号量程、和工程单位等。3、系统管理软件：管理系统工作、系统管理软件：管理系统

8、工作4、通信软件：通信协议、站与站、站与上位机之间的数、通信软件：通信协议、站与站、站与上位机之间的数据传输。据传输。 第第1章章 预备知识预备知识总系统总系统第第1章章 预备知识预备知识 第二节第二节 采样、量化与编码技术采样、量化与编码技术一、采样一、采样1、含义、含义采集信号波的幅度随时间变化的信息采集信号波的幅度随时间变化的信息2、采样过程、采样过程对连续信号对连续信号Xt),按一定的时间按一定的时间 间隔间隔Ts,抽取相应的瞬时抽取相应的瞬时值。值。3、采样定理（）、采样定理（）采样频率必须大于原来模拟信号中最高频率的两倍。采样频率必须大于原来模拟信号中最高频率的两倍。 fs=2f(

9、t) s2 m第第1章章 预备知识预备知识二、量化、编码二、量化、编码 1、量化、量化 采样值要转换为数字量。可以是采样值要转换为数字量。可以是8位二进制数字、位二进制数字、16位二进制数位二进制数字。字。设设N为数字量的二进制代码位数：量化单位为数字量的二进制代码位数：量化单位q定义为量化器满量程电定义为量化器满量程电压值压值UFSR与与2N的比值：的比值： q=UFSR/2N (1-12)所以量化就是把采样信号的幅值与所以量化就是把采样信号的幅值与q这个最小单位的一系列整数倍比这个最小单位的一系列整数倍比较，用最接近于采样值的最小单位倍数来表示该幅值。较，用最接近于采样值的最小单位倍数来表

10、示该幅值。2、编码、编码采样值的最小单位倍数来表示该幅值，若二进制代码位数采样值的最小单位倍数来表示该幅值，若二进制代码位数N=8， 则则用用8位二进制数表示：最小单位倍数为位二进制数表示：最小单位倍数为1时，得二进制数为时，得二进制数为0000 0001，最小单位倍数为，最小单位倍数为2时得二进制数为时得二进制数为0000 0010，依次类推。，依次类推。该方法称为编码。该方法称为编码。 第第1章章 预备知识预备知识 3、量化误差、量化误差 （1含义：因为采用了采样值的最小单位倍数来表含义：因为采用了采样值的最小单位倍数来表示该幅值转换成的二进制数：使得其与实际值之间存示该幅值转换成的二进制

11、数：使得其与实际值之间存在误差，这种误差称为量化误差。在误差，这种误差称为量化误差。 （2量化误差的表示：量化误差的表示： 所以，量化产生的最大误差为正负所以，量化产生的最大误差为正负1/2 LSB。LSB为二为二进制数最低有效位，（进制数最低有效位，（0或或1）。）。 （3量化误差与量化误差与N大小有关，大小有关，N大误差小。大误差小。第第1章章 预备知识预备知识 4、A/D转换原理转换原理1、系统组成：由图、系统组成：由图1.8 可知可知: A/D转换装置是由比较器、转换装置是由比较器、D/A转换器、转换器、逐次逼近奇存器逐次逼近奇存器SAR、时序及控制逻辑等单元组成。、时序及控制逻辑等单

12、元组成。2、工作原理：、工作原理：转换命令发出转换命令发出-，逐次逼近奇存器，逐次逼近奇存器SAR首先清首先清0，接着最高位置，接着最高位置1，其余位置其余位置0，此数输送到，此数输送到D/A转换装置，转换为电压转换装置，转换为电压Uf, Uf输送到输送到比较器的输入端与实际电压比较器的输入端与实际电压UA 比较，假设比较，假设 UA Uf,则保留则保留SAR最最高位为高位为1,反之更改为反之更改为0。然后对次高位进行转换。然后对次高位进行转换,重复以上的交换重复以上的交换操作操作,一直到接近一直到接近UA =Uf时为止。此时读出时为止。此时读出SARS上的二进制数：上的二进制数： (111

13、0010.1010100)2 就为转换结果。就为转换结果。第第1章章 预备知识预备知识第第3节节 交流采样的电量计算和前置计算方交流采样的电量计算和前置计算方法法 阐明：当采用变送器时，其输出直流量可与实际输入的直流量相对应；当进行交流采样时，要进行进一步处理。一、交流电量计算以电压量计算为例：如果每周期采样N次，测得第K次采样时的电压基频分量的F 氏余系数UR和正系数U1分别如下：)2sin(2)2cos(UN2U101(1N0m)- 1 -(N-KRmNUNUmNNmmNKIm第第1章章 预备知识预备知识基频信号的幅值基频信号的幅值Um和初相角和初相角分别为分别为: )(122RIIRUU

14、tgUUUm第第1章章 预备知识预备知识 若每个周期采样12个点,即N=12.由付氏采法.基波信号的实部和虚部分别为: (U0-U11为采样值)212361212361117511084293841027511160）（）（）（）（UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUIR第第1章章 预备知识预备知识 2、有功功率和无功功率的计算 对于三相功率的计算与三相功率表的接法有关：三相功率表的接法有“三表法和“俩表法”：（1采用“三表法时，必须采集A、B、C三相电流和电压，所以用下标A、B、C代表三相，R、I分别代表付氏正弦和余弦系数。 视在功率为：有功功率和无功功率为CCBBAAIUIUIUS

15、CICRCRCIBIBRBRBIAIARARAICICICRCRBIBIBRBRAIAIARARIUIUIUIUIUIUQIUIUIUIUIUIUP第第1章章 预备知识预备知识（2） 采用两表法采用两表法视在功率、有功和无功功率分别为其中电流、电压为有效值）； CICBRCRCBIAIABRARABRCICBICRCBRAIABIABABRCCBAABIUIUIUIUQIUIUIUIUPIUIUS第第1章章 预备知识预备知识3、 功角的计算功角的计算 （1功角的定义功角的定义第第1章章 预备知识预备知识功角的定义功角的定义功角分为内功角功角分为内功角i和外功角和外功角a 如上图所示。如上图所示

16、。功角功角i是发电机转子电动势相量是发电机转子电动势相量Eq和发电机端电压和发电机端电压UG之间的夹角；之间的夹角；外功角外功角a是发电机转子电动势相量是发电机转子电动势相量Eq和电力系统电压和电力系统电压Ux之间的夹角之间的夹角; Xe为发电机外部网络电抗，为发电机外部网络电抗， Xe=XT+XL。XT是变压器电抗。是变压器电抗。XL是线路电抗。是线路电抗。Xd是发电机直轴同步电抗。是发电机直轴同步电抗。Xq是发电机横轴同步电抗。是发电机横轴同步电抗。Eq=UG+jiXqUx=UG-jiXe a表示如下表示如下:第第1章章 预备知识预备知识中）OABcABbOAaOBabcabca( ,)2

17、(cos2221第第1章章 预备知识预备知识 二、数据处理二、数据处理。（一数据处理流程：。（一数据处理流程：。1、数据采入、数据采入 2、标度变换、标度变换 3、数据有效性判断、数据有效性判断 4、线性化处理、线性化处理 5、数字滤波、数字滤波 6、数据保存。、数据保存。（二数字滤波方法：有算术平均法，加权平均法，一（二数字滤波方法：有算术平均法，加权平均法，一阶绨归法，阶绨归法， 第第1章章 预备知识预备知识 三表法三表法第第1章章 预备知识预备知识ASCII码码美国标准信息交换代码美国标准信息交换代码第第1章章 预备知识预备知识数字数字09的编码是的编码是01100000111001，它

18、们的高，它们的高3位均是位均是011，后后4位正好与其对应的二进制代码位正好与其对应的二进制代码BCD码相符。码相符。英文字母英文字母AZ的的ASCII码从码从100000141H开始顺序递开始顺序递增，字母增，字母az的的ASCII码从码从110000161H开始顺序递开始顺序递增，这样的排列对信息检索十分有利。增，这样的排列对信息检索十分有利。最高位通常总为最高位通常总为0，有时也用作奇偶校验位。，有时也用作奇偶校验位。第第1章章 预备知识预备知识1.3 二进制算术运算二进制算术运算 1.3.1 二进制加法二进制加法 二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，二进制加法与十进制加法相类似，

19、所不同的是，二进制加法中是二进制加法中是“逢二进一逢二进一”，其法则为，其法则为 0+0=0 1+0=1 0+1=1 1+1=0 并进位并进位第第1章章 预备知识预备知识 例如，两个二进制数相加：例如，两个二进制数相加： 10110101 + 10001110 101000011 第第1章章 预备知识预备知识 1.3.2 二进制减法二进制减法 在二进制减法中，同样有如下法则：在二进制减法中，同样有如下法则： 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1 有借位有借位 当不够减时需要借位，高位的当不够减时需要借位，高位的1等于下一位的等于下一位的2，即即“借一当二借一当二”。例如，两个二进制数

20、相减：。例如，两个二进制数相减： 10110100 - 01010111 01011101 第第1章章 预备知识预备知识 1.3.3 二进制乘法二进制乘法 二进制乘法与十进制乘法是一样的。但因为二进二进制乘法与十进制乘法是一样的。但因为二进制数只由制数只由0和和1构成，因此，二进制乘法更简单。其法构成，因此，二进制乘法更简单。其法则如下：则如下： 00=0 10=0 01=0 11=1 第第1章章 预备知识预备知识 例如，二进制数例如，二进制数1101.1与与101.1相乘：相乘： 1101.1 被乘数被乘数(13.5) 10 101.1 乘数乘数(5.5) 10 11011 11011 00

21、000 + 11011 1001010.01 乘积乘积 (74.25) 10 第第1章章 预备知识预备知识 再看下面的例子：再看下面的例子：(1011) 2(1101) 2。 1011 被乘数被乘数(11) 10 1101 乘数乘数(13) 10 1011 0000 1011 + 1011 10001111 乘积乘积(143) 10 第第1章章 预备知识预备知识 1.3.4 二进制除法二进制除法 二进制除法是乘法的逆运算，其方法与十进制除法二进制除法是乘法的逆运算，其方法与十进制除法是一样的，而且二进制数仅由是一样的，而且二进制数仅由0，1构成，做起来更简单。构成，做起来更简单。例如，求二进制

22、数例如，求二进制数100111除以除以110的商的方法如下：的商的方法如下： 1 10.1 110 100111 110 111 110 110 110 0第第1章章 预备知识预备知识1.4 符号数的表示及其运算符号数的表示及其运算1.4.1 符号数的表示方法符号数的表示方法 表示一个带符号的二进制数有表示一个带符号的二进制数有3种方法。种方法。 1.原码法原码法 例如，例如，8位二进制符号数位二进制符号数(+45) 10和和(-45) 10，可以如，可以如 下写出：下写出： (+45) 10=(0 0101101) 2 符号符号 位数值位数值 第第1章章 预备知识预备知识 (-45) 10=

23、( 1 0101101) 2 符号位符号位 数值数值 2.反码法反码法 在计算机的早期，曾采用反码法来表示带符号的在计算机的早期，曾采用反码法来表示带符号的数。对于正数，其反码与其原码相同。数。对于正数，其反码与其原码相同。 例如：例如： (+45) 10=(00101101) 2 也就是说正数用符号位与数值凑到一起来表示。也就是说正数用符号位与数值凑到一起来表示。第第1章章 预备知识预备知识 对于负数，用相应正数的原码各位取反来表示，对于负数，用相应正数的原码各位取反来表示，包括将符号位取反，取反的含义就是将包括将符号位取反，取反的含义就是将0变为变为1，将，将1变变为为0。例如，。例如，(

24、-45)10的反码表示就是将上面的反码表示就是将上面(+45) 10的的二进制数各位取反：二进制数各位取反： (-45) 10=(11010010) 2第第1章章 预备知识预备知识 同样，可以写出如下几个数的反码表示：同样，可以写出如下几个数的反码表示： (+4) 10=(00000100) 2 (-4) 10=(11111011) 2 (+7) 10=(00000111) 2 (-7) 10=(11111000) 2 (+122) 10=(01111010) 2 (-122) 10=(10000101) 2 第第1章章 预备知识预备知识 3. 补码法补码法 在微处理机中，符号数是用补码在微处

25、理机中，符号数是用补码(对对2的补码的补码)来表来表示的。用补码法表示带符号数的法则是：正数的表示示的。用补码法表示带符号数的法则是：正数的表示方法与原码法和反码法一样；负数的表示方法为该负方法与原码法和反码法一样；负数的表示方法为该负数的反码表示加数的反码表示加1。 例如，例如，(+4)10的补码表示为的补码表示为(00000100) 2，而，而(-4) 10用补码表示时，可先求其反码表示用补码表示时，可先求其反码表示(11111011) 2，而，而后再在其最低位加后再在其最低位加1，变为，变为(11111100) 2。这就是。这就是(-4) 10的补码表示，即的补码表示，即 (-4) 10

26、=(11111100)2。第第1章章 预备知识预备知识 同样，我们把前面提到的几个数的补码表示列在同样，我们把前面提到的几个数的补码表示列在下面供参考：下面供参考： (+7) 10=(00000111) 2 (-7) 10=(11111001) 2 (+122) 10=(01111010) 2 (-122) 10=(10000110) 2 第第1章章 预备知识预备知识 1.4.2 补码的运算补码的运算 例如，有两个二进制数例如，有两个二进制数10000100和和00001110，当，当规定它们是不带符号的数时，则它们分别表示规定它们是不带符号的数时，则它们分别表示(132) 10和和(14)

27、10。将这两个二进制数相加：。将这两个二进制数相加： 10000100 + 00001110 10010010 （14610第第1章章 预备知识预备知识 在微处理器中，一般都不设置专门的减法电路。在微处理器中，一般都不设置专门的减法电路。遇到两个数相减时，处理器就自动地将减数取补，而遇到两个数相减时，处理器就自动地将减数取补，而后将被减数和减数的补码相加来完成减法运算。后将被减数和减数的补码相加来完成减法运算。 例如，例如，(69)10(26)10=?可以写成可以写成(69)10+(-26)10。利用利用(69)10的原码和的原码和(26)10的补码相加，即可以得到正的补码相加，即可以得到正确

28、的结果。确的结果。第第1章章 预备知识预备知识 必须注意两个同符号的数相加时，结果不能超过规必须注意两个同符号的数相加时，结果不能超过规定的数值范围，否则产生溢出。定的数值范围，否则产生溢出。 例如，两个带符号的数例如，两个带符号的数(01000001)2(十进制数十进制数+65)与与(01000011)2(十进制数十进制数+67)相加：相加： 01000001 + 01000011 10000100 再来看两个负数再来看两个负数(10001000)2和和(11101110)2的相加的相加情况。情况。 10001000 + 11101110 01110110 1第第1章章 预备知识预备知识 此外，在微处理机中还会遇到不带符号数的运算。此外，在微处理机中还会遇到不带符号数的运算。例如，两个无符号数例如，两个无符号数(11111101)2和和(00000011)2相加：相加： 11111101 + 00000011 00000000 1第第1章章 预备知识预备知识 1.4.3 数的定点表示和浮点表示数的定点表示和浮点表示 1. 数的定点表示法数的定点表示法 当小数点固定在最高有效位的前面时，定点