智能电网传感器与仪表 教案

§5数字化量测技术5.1概述在电气测试系统中，电量可以经离散化和量子化直接进行处理，而非电量则要通过各种传感器将其转换为电量后进行处理，如温度、位移、速度等。但是，传感器输出的信号一般都很微弱，大多还伴随着各种噪声，须借助信号处理电路将寄存在载体上的噪声剔除，抽取出有用信息，并按预期目的及要求进行所需运算、处理与变换。电信号经过处理后，可用数字仪表来显示或直接控制执行机构动作。数字化测量技术的主要内容是对传感器输出信号进行调理，将模拟量转换成相应的数字量，通过微处理器对数据进行处理，进而传输、显示或直接驱动执行机构，如图所示。数字化测量技术在整个测试系统中起着十分关键的作用，本章将从信号的滤波、放大、预处理及其在测试系统中的典型应用等方面进行介绍。图数字化测量技术结构5.2滤波器1.滤波器的作用滤波器的作用是抑制杂散的无用频率信号，使其最大幅度衰减，从而提取出所需的测量信号。传感器的输出信号往往包含许多噪声，从而影响测量精度。因此，利用滤波器从频域中实现对噪声的抑制，提高信噪比，是电气测试系统必不可少的组成部分。2.滤波器的主要指标（1）频域特性图5-2低通滤波器的频率特性（2）时域特性与任何交流电路一样，滤波器可用它们的时域特性（如上升时间、过冲、回落及稳定时间来描述）。如图所示，上升时间tr是指达到最终值的90%所需的时间；峰值时间tp是指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间；稳定时间ts是指维持在最终值的某指定数量级内所需的时间。过冲和回落是针对滤波器的某些不受欢迎的特性而设的指标。3.滤波器的类型（1）低通滤波器，通带从零到某一截止频率fc。（2）高通滤波器，通带从截止频率fc到无穷大，由于受到有源器件及杂散参数的影响，其带宽是有限的。（3）带通滤波器，通带位于两个有限非零的上、下限频率之间。（4）带阻滤波器，阻带位于两个有限非零上、下限频率之间。其各自的幅频特性如图所示，每个特性曲线均包含通带、阻带和过渡带3个部分，图中Aup表示增益，Aup为增益的幅值。图各类滤波器幅频特性4.滤波器实例--二阶低通有源滤波器常用的二阶低通有源滤波器如图所示。由于C1接到集成运放的输出端，形成正反馈，使电压放大倍数在一定程度上受输出电压控制，且输出电压近似为恒压源，所以又称之为二阶压控电压源低通滤波器，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。当时，可求得其传递函数为 令 式中，为截止角频率；Q为品质因数；Aup为增益系数。由Q可得时，电路才能稳定工作，若，电路将自激振荡。图单端正反馈型低通滤波5.3模拟信号放大器传感器输出的信号往往是微弱的电信号，因此必须将信号进行放大。模拟信号的放大通常是由集成运算放大器完成，由于传感器输出的信号形式和大小各不相同，因此要根据不同的场合选用合适的放大器。集成运放的一般选择原则是：在满足所需的电气特性前提下，选择性价比高、通用性强的运放。例如，若信号源内阻很大，则可选用高输入阻抗的运放；若放大电路要求低噪声、低漂移，则应选用高精度、低漂移的低噪声运放。随着集成技术的发展，集成运算放大器的性能不断完善，目前集成运放已广泛应用在各种放大电路中。典型集成运放可分为仪表放大器、差动放大器、高输入阻抗放大器、可程控增益放大器、隔离放大器和高精度放大器等，本节将主要介绍电气测试系统中一些常用的典型运算放大器。1.运算放大器的主要指标集成运放性能的优劣主要从其性能指标来判断，其主要性能指标有输入失调电压、输入失调电压漂移、输入偏置电流、输入失调电流等。（1）输入失调电压：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为0，这个电压就为输入失调电压。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非0电压。1µV以下属于极优秀的，100µV以下属于较好的，最大的有几十mV。（2）输入失调电压漂移：当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时，输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值，称为输入失调电压漂移。一般以温度漂移为主，范围从0.002µV/°C到几十µV/°C。（3）（4）输入失调电流：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值，大小主要取决于运放输入端结构，采用FET作为输入级的运算放大器失调电流同样比较小，一般在pA量级上。2.仪用放大器仪用放大器是由一组放大器构成的，它的特点是：输入阻抗高、失调电压低、温度漂移小、增益高，具有很强的共模抑制能力。仪用放大器是一种精密的差动电压放大器，它在复杂的环境下仍可以保持优良的性能，在数据采集系统中得到广泛应用。仪表放大器内部通常具有两个或者更多的运放结构，最典型的是三运放结构。三运放仪用放大器原理图三运放仪用放大器经分析可得 其增益为 式中，RP为电位器，通过可调节电位器设定增益。仪表放大器具有极高的共模抑制比，对信号的差值极为敏感而对共模量不敏感，还有极高的输入阻抗，适宜与传感器配合使用测量远传信号，但是它的输入引脚有工作限制：第一不得悬空，第二不能承载太高的电压。3.差动放大器差动放大器是由一个运放和若干个激光校准电阻对集成在一起的电路，差动放大电路将两个输入信号分别接到运算放大器的同相和反相端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，抑制两个信号的共模成分。基本差动放大电路差动放大电路有利于抑制共模干扰和减小温度漂移，利用线性叠加原理，可得 如果满足，则式（5-11）改写为 4.高输入阻抗放大器有些传感器的输出阻抗很高，可达108Ω以上，这就要求测量放大电路具有很高的输入阻抗。为了提高运算放大电路的输入阻抗，可在输入端接电压跟随器，但这样会引入跟随器的共模误差，在要求较高的场合下，可采用高输入阻抗集成运算放大器组成自举电路：采用MOSFET作为输入级的集成运算放大器，其输入阻抗可高达1.5×106MΩ，如CA3140、CA3260等；采用FET作为输入级的集成运算放大器，输入阻抗为106MΩ，性能稳定且不易损坏，如LF356、LF310等。5.程控增益放大器当传感器的输出与测试系统相连接时，连续的模拟信号经放大后送给A/D转换器进行采样。任何A/D转换器都有其输入范围，当模拟输入信号很小时，其输出的数字量也很小，容易引起较大的误差。为解决这一问题，常采用增益可变化的放大器，实现放大器量程的自动切换，无论放大器输入信号幅值有多大，通过改变放大器的增益使其输出满足A/D转换器的模拟输入范围，这样便能在小信号时提高A/D转换精度，减小误差。可编程增益放大器的增益通过逻辑电路来控制，如图所示为可编程增益放大器原理。通过电路中的4个模拟开关，可实现0～15中任意整数的增益，开关的通断可改变放大器的输入电阻，从而改变电路的增益，其闭环放大倍数可表示为 其中，，当开关均接通时，即，；当，时，。依次类推，则可得到24个增益值，若采用n个开关，则可得到2n个增益。图可编程增益放大器原理将运算放大电路、电阻网络和模拟开关及译码电路等集成在一起，称为集成可编程增益放大器，如LH0075、AD8231、AD526等。程控增益放大器的增益设定主要有两种实现方式，一是多个引脚配合设定二进制增益，二是通过数字通信接口给放大器写入命令。主要用于被测信号幅度变化较大且不可事先预知的情况，程控增益放大器的输出经过A/D转换器进入处理器中，处理器分析所得数据，如果发现信号变化范围太小，可以发出指令，用程序增大放大器的增益，如果信号变化范围过大，可以用程序实现增益的缩减，最终使得放大器处于随时可调的最佳增益状态。6.隔离放大器隔离放大器是指输入回路、输出回路和电源回路之间电流和电阻都相互隔离、没有直接电路耦合的放大器。可用于输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式，常采用的耦合方式有变压器耦合和光耦合两种。隔离放大器主要用于便携式测量仪器和电气测试系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。为了提高微弱电信号（电压或电流）和低频信号的测量精度，减小漂移，常采用调制解调式放大器。实现方法上，直流电源首先经振荡器变成交变信号，通过变压器或光耦合器耦合到输入回路，然后再整流和滤波、稳压作为输入回路和输出回路的直流电源，输入回路的调制开关信号和输出回路的解调开关信号通过变压器或光耦合器耦合过来，输入回路和输出回路之间的信号联系也用变压器或光耦合器来实现。AD202是美国AD公司的一种通用隔离放大器，它的原理图如图所示，其中左边是信号输入区域，右边是输出区域，两个区域是完全隔离的，仅能通过上部的信号变压器、下部的电源变压器实现信号和能量的传递，两区域之间的隔离电压可以高达2kV。左侧有一个独立的运放，以及随后的调制环节，把低频信号变成25kHz的调制信号，通过隔离变压器传递到右侧，随后解调输出。为了实现隔离，还要给信号输入侧提供单独的隔离电源，图5-21中下部是能量传递，由右侧给左侧提供电源，内部输出电压±VISO为7.5V。图5-21AD202原理图芯片电源15V接入31、32引脚，被放大的信号通过1、2引脚输入，37、38引脚为其输出，外接反馈电阻由3、4引脚接入，当3、4引脚短接时，可构成一个增益为1的隔离放大器。7.精密放大器随着各种新型传感器的推出，人们对电子设备性能要求越来越高，大量自动化设备投入使用，低失调、低噪声的高精密放大器在医疗电子、测量仪表、汽车电子、工业自动化设备等领域得到广泛应用。一般来讲，带宽小于50MHz的，能够具有某些特殊指标优异性的运放，都属于精密运放。5.4集成模拟多路开关开关是电子电路中的一个基本器件，模拟开关在电路中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在电气测试系统中得到了广泛应用。例如，模拟开关常应用于程控增益放大器，通过各开关的控制改变放大器的增益。在数据采集系统中，常需要有多路参数的数据采集、巡回检测和控制，若每一路都采用各自的放大器、A/D转换等环节，不仅使系统的成本增加，而且各组件特性的分散性也将给校准带来极大的困难。因此，常采用集成摸拟多路开关，实现多路参数公用一个放大器和A/D转换器，使电路结构简单易实现。1.主要性能指标 模拟开关通常有3个端子：控制端、信号输入端、输出端。在选择开关时，主要考虑下列参数。（1）开关速度：根据传输信号的频率，选择相应的切换速度，一般与A/D转换的速度综合考虑。模拟开关的开关速度一般能达到兆赫兹的速度，可以快速实现电路切换。（2）导通电阻：在理想情况下，导通电阻为零。常见的模拟开关的导通阻抗一般从几欧姆到几百欧姆之间，在模拟信号和弱信号设计的时候使用模拟开关必须注意这个参数。（3）断开电阻：在理想情况下，断开电阻为无穷大。实际应用中则不然，开关断开时电阻为一个有限值，断开电阻代表着开关的关断能力，一般产品的断开电阻足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰。（4）泄漏电流：如果信号源内阻很高，传输的又是电流量，此时就要考虑多路开关的泄漏电流，希望泄漏电流越小越好。（5）（6）开关最大电流：模拟开关导通时能够承受的最大电流值，现在常见的模拟开关的开关最大电流一般在几百毫安以内。模拟开关的种类很多，如双极型晶体管开关、光耦合开关、结型场效应晶体管开关、MOS型场效应晶体管开关等。多路开关主要作用于信息的切换，在选择多路开关时，需要根据不同的场合，选择满足电路参数的开关。2.模拟多路开关电路模拟多路开关又称模拟多路转换器，它由地址译码和多路双向模拟开关组成，可以通过外部地址输入信号经内部地址译码器译码，选通相应的开关，从多路模拟输入信号中选取某一路传送到输出端。以差分4通道数字控制模拟开关CD4052为例，其应用电路如图所示，当单片机的串口紧缺时，通过CD4052扩充单片机的串口通信，从而实现串口资源的共享，丰富单片机的片上外设。CD4052有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有较低的导通阻抗和截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号，在电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当输入端INH=“1”时，所有通道截止。2位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出，其真值表如表所示。图CD4052应用电路表CD4052真值表INHBA“ON”0000X，0Y0011X，1Y0102X，2Y0113X，3Y5.5A/D转换器随着计算机和通信技术及微电子技术的高速发展，电子信息技术已渗透到军事、民用领域的各个角落，高速、高分辨率A/D转换器已经成为现代先进的电子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分。它广泛应用于雷达、卫星、导弹、测控系统、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能控制器与传感器、数字化仪表、各种电气测试系统以及包括无线电话和基站接收机在内的数字通信系统等领域。1.A/D转换器的基础理论模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。通常的A/D转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小，故任何一个A/D转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。A/D转换器的发展趋势像普通模拟集成电路的发展趋势一样走向高速、高精度和低功耗。对A/D转换器的电路结构设计来说，提高速度自然会牺牲分辨率和功耗，提高精度或分辨率就会牺牲转换速度和功耗，降低功耗则要相应降低速度和分辨率。因此，A/D转换器的速度、精度、功耗三者之间是相互矛盾、相互制约的。在电气测试系统应用中，如何选择适当类型和技术指标的A/D转换器，即如何对速度、精度、功耗三者进行权衡，必须从A/D转换器的电路结构入手。另一方面在对高速A/D转换器的电路进行微电子设计时，如何对速度、精度、功耗进行权衡又依赖于制造工艺的参数匹配。A/D转换器的发展经历了多次技术革新，从最初并行比较型、流水线型、逐次逼近型、积分型到最近几年新发展起来的Σ-∆型、折叠插值型、混沌型等能满足不同的应用场合。常见的几个典型转化器有并行比较型A/D转换器、流水线型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器及Σ-Δ型A/D转换器。2.A/D转换器的性能指标（1）分辨率：A/D转换器输出数字量的最低位变化1个数码时，对应输入模拟量的变化量。例如，最大输出电压为5V的8位A/D转换器的分辨率为5V/256=19.6mV。分辨率也可用A/D转换器的位数表示，位数越多能分辨的最小模拟电压值就越小。（2）积分非线性：表示A/D转换器器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差的最大值。也就是输出数值偏离线性最大的距离，单位是LSB（即最低位所表示的量）。（3）微分非线性：理论上，模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样的，就像一把疏密均匀的尺子。但实际并不如此，一把分辨率1mm的尺子，相邻两刻度之间也不可能都是1mm整。那么，A/D转换器相邻两刻度之间最大的差异就叫微分非线性值。微分非线性值如果大于1，那么这个A/D转换器甚至不能保证是单调的，输入电压增大，在某个点数值反而会减小。（4）转换误差：A/D转换器实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。例如，转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。（5）偏移误差：输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称零值误差。假定A/D转换器没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。（6）满刻度误差，又称增益误差。A/D转换器的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。（7）转换时间：A/D转换器完成1次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。（动态指标）（8）信噪比：信号功率对噪声功率的比值，反映了转换器的噪声背景。（动态指标）3.集成A/D转换器及应用从数字输出来分类，A/D转换器分并行A/D转换器和串行A/D转换器，随着SPI等串行总线迅速发展，串行数据输出的A/D转换器具有体积小、功耗低、性价比高等特点，从而被广泛应用于数据采集系统，如16位的串行A/D转换器AD7705、AD7706等。AD7705是AD公司生产的分辨率可达16位的逐次逼近型A/D转换芯片，只需2.7～3.3V单电源供电，其CMOS结构确保器件具有极低功耗，3V电压时最大功耗为1mW，掉电模式等待时的功耗减少至20W。对输入信号可分为单极性或双极性，带有1个差分基准输入，并且内部通过寄存器增益可调。如图所示为AD7705应用原理图，AD7705与STM32F407采用SPI进行通信，通道2采用单极性输入，采集电源电压，参考电压为1.225V，供电电压为3.3V。电源电压值计算公式为，其中为采集到的电源电压值，为通道2采样后的电压值。图AD7705应用电路图5.6微控制器在电气测试系统中，传感器信号经A/D采样后，需要传输到微控制器进行信号处理，然后通过微控制器进行数据的远传或直接驱动执行机构。微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其生产成本越来越低，而性能却越来越强大，尤其是最近几年随着科学技术不断发展和革新，应用已经无处不在，遍及各个领域。现阶段主流的微控制器典型代表有单片机、DSP、ARM及FPGA等。1.单片机单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在电气测试领域被广泛应用。按照单片机数据总线的宽度，可将单片机分为8位、16位、32位。2DSP数字信号处理器简称DSP，就是用数值计算的方式对信号进行加工处理的技术。DSP能够轻松地对数字信号进行变换、滤波等处理，还可以进行各种复杂的数学运算。随着数字电路与系统技术及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，DSP已广泛应用于电气测试系统，如数字滤波器、傅里叶变换实现、谱分析、语音、图像、振动等信号处理等。3ARMARM是一个架构，主要由ARM公司提供和ARMHoldings开发。ARM处理器的主要特点是：体积小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高等。因为它具有极高的性价比、代码密度、及时出色的实时中断响应和极低的功耗，并且占用硅片的面积极少，从而使它成为嵌入式系统的理想选择，被广泛应用在电气领域。4FPGAFPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线3个部分。FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，能够在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了DSP的运算能力，同时软件工具提供了编程环境，基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源，因此，FPGA被广泛应用于各个领域。5.7D/A转换器1.D/A转换原理D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的集成电路，它的模拟量输出（电流或电压）与参考量（电流或电压）及二进制数成比例，一般来说，可用下面的式子表示模拟量输出与参考量及二进制数的关系： 式中，为模拟量输出；K为比例常数；VREF为参考量（电压或电流）；B为待转换的二进制数，通常B的位数为8位、12位等。数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量与模拟量的转换，D/A转换原理图如图所示。 其中，，，，，则有： 图D/A转换原理图通过D/A转换器进行D/A转换就是按照一定的解码方式将数字量转换成模拟量，按照解码方式的不同可分为二进制加权电阻网络型D/A转换器、梯形电阻网络型D/A转换器及权电流型D/A转换器。2.D/A转换器的主要指标（1）分辨率：D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，即 分辨率= 例如，10位D/A转换器，其分辨率为1/（2101）。D/A转换器的位数越多，分辨率就越小，能分辨的最小输出电压值就越小。（2）（3）转换精度：D/A转换器的转换精度是一个综合指标，不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且与环境温度、运算放大器的温度漂移及转换器的位数有关。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用D/A转换器的位数外，还要选用低漂移、高精度的求和运算放大器。通常以满量程相对误差来说明D/A转换器的转换精度，其中，（Δu）max为最大绝对误差。 （4）建立时间：建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数，它是指从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需要的时间，建立时间决定了D/A转换器输出信号所能达到的最小重复周期。（5）温度系数：在满刻度输出的条件下，温度每升高1°C，输出变化的百分数定义为温度系数。5.8人机交互设计人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。在当今的各种自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，这些设备包括键盘、显示器、打印机、鼠标等，通过这些设备实现信息形式的转换和信息的传输。1键盘接口技术键盘是一组按键的组合，它是单片机最常用的输入设备，在单片机应用系统中，键盘是人机交互的主要设备，用于向单片机应用系统输入数据、程序和操作命令。键盘中的每个按键都是一个常开的开关电路，按下时则处于闭合状态。无论是独立式按键还是矩阵式键盘，都需要通过接口电路与单片机相连，以便将按键的开关状态通知单片机。单片机检测按键状态的方式有以下几种2LED显示技术LED发光二极管和数码管是单片机应用系统的主要显示设备，常用的LED显示器为8段发光二极管，可接成共阳极和共阴极两种，数码管也可用于数字和字符的显示，其外形及引脚如图所示。在控制中有静态显示和动态显示两种，与单片机的接口有并行和串行两种方式。显示器接口是实现单片机信息输出的重要接口，用户的程序、数据、命令都需要通过显示装置来判断输入正确与否。实际应用中应该根据LED数码管的位数、电流大小来决定接口电路的形式。图LED数码管3LCD显示技术LCD是一种新型的显示器，具有功耗极低、抗干扰能力强、体积小、价格低廉等特点，目前已广泛应用在各显示领域，尤其是在袖珍仪表及低功耗应用系统。近年来，随着液晶技术的发展，出现了彩色液晶，彩色液晶显示器作为高科技的结晶产品，它不但平面超薄，色彩逼真，而且体积小、耗电省、寿命长、无射线、抗震、防爆，是工业仪表、机电设备等更新换代的理想显示器。字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块，由若干个5×8或5×11点阵块组成的字符块集。每一个字符块是一个字符位，每一位都可以显示一个字符，字符位之间空有一个点距的间隔，起着字符间距和行距的作用。4数据通信技术为了实现数据的集中管理、统一调度，电气测试设备采集的数据信息还要利用通信网络传输到监控中心，以便工作人员远程进行数据的查询、管理等。目前，在电气测试系统中常用的通信网络可分为有线通信和无线通信，有线通信方式主要有以太网、CAN总线、电力载波等，无线通信方式主要有GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。图LCD接口显示电路5.9抗干扰设计干扰又称电路噪声，是电磁兼容设计中的“服务对象”。它的来源主要由空间电磁波、电力线终端负载，以及控制系统本身引起的大电流变化、高频辐射等。电路噪声是正常控制中不希望存在却又不可避免的电信号。抗干扰，又称电磁兼容设计，是针对电路噪声（干扰）的一种应对统称，目的是为了抑制甚至消除电路噪声。在电气测试系统中，干扰轻则影响测量和控制精度，重则使系统失灵，损坏设备，因此采用适当的抗干扰措施是十分必要的。1电磁干扰（1）干扰的来源干扰的种类很多，产生干扰信号的干扰源一般可分为内部和外部两个方面。内部干扰：主要是指电气设备和测试系统内部各种电路或器件自身产生的噪声干扰。例如，电阻中自由电子热运动引起的热噪声，晶体管的低频噪声，开关或导体相接时，由于接触不良，从而产生的接触噪声等。外部干扰：主要是指从外部侵入电子装置和设备的干扰。例如，雷电产生的火花放电，太阳黑子的辐射噪声，静电放电产生强大的瞬间电流，电磁脉冲及机器和设备产生的人为噪声干扰，还包括电力系统中的非线性负载（如电弧炉等）、间断电源等同态电源转换设备产生大量谐波涌入电网成为干扰源，50Hz交流电网强大的电磁场和大地漏电流产生的干扰等。（2）干扰的耦合方式干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道来对电气测试系统发生电磁干扰作用的。干扰的耦合主要是通过导线、空间、公共线等作用在电气系统上，主要有以下几种耦合方式。传导耦合：在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁干扰通过连接电路从干扰源传输电磁干扰至敏感设备。辐射耦合：电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，干扰电磁按电磁场的规律向周围空间发射。2干扰的抑制（1）接地技术接地一般是指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为。理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响。单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。单点接地最大好处是没有地环路，相对简单，但地线往往过长，导致地线阻抗过大。多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。多点接地的缺点是存在地环路，不太适合大电流。混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同接地结构。串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地，但是并联单点接地往往由于地线过多，没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。（2）滤波技术采用电磁干扰滤波器是抑制传导干扰最有效的手段。电磁干扰滤波器包括信号线滤波器和电源线滤波器。信号线滤波器允许有用信号无衰减通过，同时大大衰减杂波干扰信号。电源线滤波器又称电网滤波器，它以较小的衰减将直流、50Hz、400Hz电源功率传输到设备上，大大衰减了电磁干扰信号，保护设备免受其害。同时，电源线滤波器又能抑制设备本身产生的电磁干扰信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。表LC滤波电路源端阻抗特性应采用的滤波电路负载端阻抗特性高阻抗π型高阻抗高阻抗L型低阻抗低阻抗L型高阻抗低阻抗T型低阻抗（3）电磁屏蔽屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护的区域封闭起来，以抑制和控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射；屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁波辐射（和场耦合）的传输途径。电场屏蔽：电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。设有一导体A带正电，相邻的导体B将感应带负电，这就是静电感应现象。金属屏蔽体对电场可以起屏蔽作用，即可使导体A发出的电力线不能到达导体B。但必须注意，屏蔽体的屏蔽必须完善并良好接地，否则不起屏蔽作用，如图所示。磁场屏蔽：磁场屏蔽是为了抑制或消除因磁场耦合引起的干扰。不论是由电磁铁或是由交流线圈产生的磁场均在空间散布磁力线或磁通。磁力线所通过的路径称为磁路。磁力线主要集中在低磁阻的磁路中，因此对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合金等，这些高磁导率起一定的屏蔽作用，因此一般要接地。图电场屏蔽原理图低频磁场屏蔽原理对于高频磁场，磁屏蔽则依据另一种原理。高频磁场会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原始磁场，同时增强屏蔽体旁边磁场，使磁力线绕行而过，如图所示，当一金属板挡住高频磁场的磁力线时，磁力线将避开金属板绕行，这就起到了磁屏蔽作用。（4）隔离措施隔离主要有光耦隔离、电感隔离、变压器隔离、二极管隔离、三极管电路隔离等方式。光耦隔离因为是光信号传递，可做到完全隔离，如空调室内外机之间的通信。变压器隔离属于电流式的隔离，隔离的是电流回路。二极管和三极管电路隔离主要是防止反串扰，主要用于电源部分、控制输出部分，是相对隔离，不是绝对隔离。如图5-40所示为光耦TLP521隔离电路。图5-39高频磁场屏蔽原理图5-40光耦TLP521隔离电路（5）隔离措施元器件布局、信号线布线方法、电源和接地线处理3电源干扰的抑制在电气测试系统中，电源回路是电磁干扰最容易进入的通道，因此要采用比其他回路更多的抗电磁干扰措施。电网干扰串入测试系统主要通过供电线路的阻抗耦合产生，经过供电电源耦合进入。各（1）滤波法图单相交流电源噪声滤波器原理图（2）隔离法隔离变压器（3）吸收法图瞬间电压抑制器（TVS）应用于普通电源原理图5.10数据预处理在电气测试系统中，数据采集是最基本的一种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换为电信号，然后经A/D通道，把数字量送入处理器中。处理器在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的数据处理。数据处理离不开数值计算，而最基本的数值计算为四则运算。由于控制系统中遇到的现场环境不同，采集的数据种类与数值范围不同，精度要求也不一样，各种数据的输入方法及表示方法也各不相同。因此，为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，如数字滤波、数据的平滑处理、标度变换和越限报警等。1数字滤波方法由于工业生产的现场环境非常恶劣，存在很多干扰源，计算机系统通过输入通道采集到的数据信号，虽经硬件电路的滤波处理，但仍会混有随机干扰噪声。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量与控制，一般情况下还要进行数字滤波。数字滤波就是计算机系统对输入信号进行多次采样后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波，其可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，并且一种滤波子程序可以被多个通道所公用，因而成本很低，另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。数字滤波与硬件滤波相比优点较多，因此得到了普遍应用。常用的数字滤波方法有平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波、限幅平均滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法等。（1）平均值滤波算术平均滤波是在采样周期T内，对测量信号y进行m次采样，把m个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，即算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低测量精度。去极值平均滤波是对连续采样的m个数据比较后去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的m2个数据的算术平均值。算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平滑性和灵敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，但对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加，即（2）中值滤波中值滤波是将信号y的连续m次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的有效采样值。本算法为取中值，故采样次数m应为奇数，一般3～5次即可。编写中值滤波的算法程序时，首先把m个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法（如冒泡算法），然后再取中间值。中值滤波对缓变过程中因偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，但不适用快速变化过程（如流量）的信号采样。（3）限幅滤波实际工程中采样值需要一定的时间才会发生变化，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度内。限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值y进行比较，如果小于或等于y，表示本次采样值y（k）是真实的，则取y（k）为有效采样值；反之，y（k）是不真实的，则取上次采样值y（k1）作为本次有效采样值。这能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但无法抑制周期性的干扰，而且平滑度差。2消除奇异项采样数据中的奇异项是指采样数据序列中有个别明显错误（丢失或粗大）的数据。这些奇异项的存在，会大大增加数据处理后的误差。例如，我们想求某一被测物理量的平均值，它们从t1～t4时刻的取值分别为8、10、10、12，其平均值应为10。若设t4时刻的取值由于某种原因丢失了，也就是说出现了奇异项，那么，这4个点的平均值就由10降至为7，从而产生均值误差。3消除趋势项等待处理的数据中，一般都包含有两种分量：一是周期大于数据采样周期的频率成分，称为趋势项；二是周期小于数据采样周期的频率成分，称为交变分量。在处理数据时，并不是在任何情况下，都需要这两种分量。由于处理要求不同，有时只对交变分量感兴趣，因此需要去除或提取趋势项分量。去除或提取趋势项的方法有两种：平均斜率法和最小二乘法，后者处理精度较前者高。4数据的平滑处理一般来说，数据采集系统采集到的数据中，往往叠加有噪声。噪声有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。数据平滑处理的原则是：通过数据平滑处理，既要削弱干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性。五点三次平滑法是利用最小二乘法的原理，用三次多项式逐次逼近，其计算公式为图平滑处理前后的加速度数据§6通信技术6.1概述电力系统由发电、输电、变电、配电和用户五大部分组成。为实现安全发电、经济供电、合理配电，有效防止并及时处理系统事故，就要求集中管理、统一调度，并建立与之相适应的通信系统网络，因此通信技术是电力系统不可缺少的重要部分，是电网实现调度自动化的重要环节，是确保电网安全性、智能化的重要技术手段。6.2通信方式本章按照传输信道介质的不同将系统划分为有线通信系统和无线通信系统，其中有线通信使用架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤等传输媒质实现信息传递；而无线通信则借助电磁波在空间的自由传播完成信息交互。通信技术直接关系着整个智能电网的自动化操作水平，而单一的通信方式难以满足整个电网的智能化需求，因此多种通信方式的混合使用在所难免。如图6-1所示，数据终端设备和数据通信设备之间通常采用RS232/RS485接口，而数据通信设备之间根据通信介质的不同常常包括以太网、CAN总线、电力线载波等有线通信方式和GPRS、Wi-Fi、ZigBee等无线通信方式。图6-1数据通信系统1有线通信方式变电站智能化的不断提升促进了通信技术的发展，通信技术的不断完善反过来又加快了变电站智能化的发展进程，变电站的智能化和通信技术的革新是相辅相成的。变电站内常用的有线通信方式如下。（1）RS232是美国电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）公布的一种串行通信接口标准，广泛应用于异步串行通信中。其中RS是RecommendedStandard的缩写，代表了推荐标准，该标准定义了数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）和数据通信设备（DataCommunicationsEquipment，DCE）之间通信接口的机械特性、电气特性和传输特性；232是标识符。RS232的数据线主要有发送数据线（TXD）和接收数据线（RXD）两根，RXD与TXD对地而言，采用非平衡电平方式，在不使用Modem前提下可以实现15m最大距离的通信。为了保证通信的可靠性，通信双方在对波特率、奇偶校验、停止位定义后达成一致的通信协议。RS232控制线由其余6根线组成，用于建立和维持通信连接。（2）RS485数据线只有A、B两根，采用差分、平衡电平发送和接收数据。如图所示，当发送端DI=1，UABo>0，UABi>200mV时，接收端RO=1；当发送端DI=0，UABo<0，UABi<200mV时，接收端RO=0。当发送使能端DE=1时，使能发送；当接收使能端=0时，使能接收。（3）控制器局域网（ControllerAreaNetwork，CAN）同RS485总线一样也属于现场总线的范畴，是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为实现分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。较目前许多RS485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性。（4）电力线载波（PowerLineCarrier，PLC）通信，是指利用高压电力线、中压电力线或低压配电线作为信息传输媒介，进行数据传输的一种通信技术。（4）电力载波通信的整个过程如图所示，发送端首先通过调制器将原始信号加载到一定频率的载波信号上变成调制信号，其次借助结合电容和耦合电容将调制信号注入电力线；接收端与发送端正好相反，先通过耦合电容和结合电容把调制信号从电力线分离出来，再通过解调器去除载波信号并恢复出原始信号，进而实现信息传递。电力载波通信的最大优点是不需要重新架设网络，只要有电线就能进行数据传递，但是电力载波通信也存在如下缺点。图电力载波通信原理（5）以太网作为当今居于主导地位的局域网技术，是建立在CSMA/CD机制上的广播型网络。冲突的产生是限制以太网性能的重要因素，早期的以太网设备如集线器是物理层设备，不能隔绝冲突扩散，从而限制了网络性能的提高。而交换机作为一种能隔绝冲突的二层网络设备，极大提高了以太网的性能，正逐渐替代集线器成为主流的以太网设备。然而交换机对网络中的广播数据流量则不做任何限制，这也影响了网络的性能。通过在交换机上划分虚拟局域网（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）和采用三层的网络设备——路由器解决了这一问题。以太网作为一种原理简单，便于实现同时又价格低廉的局域网技术已经成为业界的主流。而更高性能的快速以太网和千兆以太网的出现更使其成为最有前景的网络技术。（6）光纤通信是一种利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，使得光纤通信中的光波主要是激光，所以又称激光-光纤通信。与其他通信技术相比，光纤通信传输信道的带宽大，通信数据的容量大；信道对信号的衰减小，适宜远距离通信；抗电磁干扰；质量，耐腐蚀，易于施工。但是，线路连接比较困难；信号耦合比较麻烦；弯曲程度不能太小；强度不够，容易损坏。光纤通信原理：发送端的电端机将待传送的信息变成电信号，然后将电信号经光端机变成光信号并对光信号进行调制，使光的强度随电信号的幅度或频率的变化而变化；接收端与发送端正好相反，光端机中的检测器先将接收到的光信号变换成电信号，而后经解调后就可以恢复出原始信息；中继器主要用于补偿信号的衰减和畸变，从而实现远距离通信。2无线通信方式（1）IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术，主要优点是无须申请频率的使用权、成本低、体积小、功耗低、连接方便、简单易用。此外，由于红外线发射角度较小，因此传输安全较高。但IrDA是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，只能用于两台设备之间的连接，因此视距传输问题及如何提高数据传输率已经成为当前IrDA通信的主流研究方向。（2）Bluetooth技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是一种为固定设备或移动设备建立连接的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mb/s的传输速率和10m的传输距离。（3）ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准制定的局域网协议，该协议下的通信技术具有短距离、低功耗的特点。如图6-5所示，整个ZigBee网络是由网络协调器（C）、路由器（R）和终端设备（E）构成，其具体功能如下。（4）无线高保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi通信速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。Wi-Fi通信是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi通信的连接速度一般将只有几百Kb/s。GPRS通信、3G通信6.3通信协议通信协议是通信双方交互信息的翻译官，通信接口的多样化和应用需求的多元化使得通信协议也变得多种多样。自定义协议，顾名思义是自己定义的协议，虽然可以实现一定的通信功能，但由于缺乏标准，目前仅限于功能测试使用。6.4通信功能设计实例箱式变电站是一种能够直接深入负荷中心，将一次设备（高压开关设备、配电变压器和低压配电装置）和二次设备（遥测功能装置、遥信功能装置、遥控功能装置）按一定接线方案连接而成，应用于配电网的配电设备。箱式变电站较传统变电站具有成套性好、占地面积小、建设周期短、移动方便、无人值守等优点，使其在配电网当中得到了广泛的应用。基于IEC61850的箱式变电站在线监测系统符合分层分布式结构，自下而上分别是过程层、间隔层和站控层。如图6-12所示，过程层箱式变电站监测终端的内部通过简单的RS232串行通信方式进行数据交互；过程层监测终端与间隔层监测IED采用实时性强、可靠性高的CAN/RS485通信方式，并遵循Modbus协议；间隔层监测IED将处理过的监测数据通过光纤以太网（扩展GPRS无线通信方式），并按照IEC61850标准进行信息建模，对数据进行封装处理，并上传至站控层的监控中心。图箱式变电站在线监测系统§7数据分析中心软件7.1专家软件作用掌握电气设备的状态，及时检测出电气设备在运行中有关参数及其变化趋势是电气测试的目标。对电气设备相关运行参数的获取有离线检测和在线监测两种方法。离线检测是指通过设备以外的各类检测仪表对设备状况进行必要的人工抽查。而在线监测则是通过装在设备上的各类监测仪表对设备的各类信号进行连续自动监测并上传至终端接收端。随着现代化工业生产自动化程度的逐渐提高，特别是当今社会计算机技术的飞速发展，各种设备功能日趋完善，工作效率也得到了极大提高。现代电气测试技术以电气设备离线检测和在线监测为主，其首先将数据上传至计算机进行分析、比较、判别，然后结合电气设备的各有关参数、出厂值、交接值和历次试验值与标准值、历史数据、相同设备等比较，再根据其运行情况、电网故障、内外过电压及保护动作对电气设备进行综合分析判断。在信息化时代的今天，有效地将计算机系统应用于电力企业生产的各个环节来提高生产效益，节约成本，同时提高生产管理的科学决策水平是一种必然趋势。为此，在电力系统的发电、输电、变电、配电和用电等环节，设计开发了多种在线监测、离线监测的信息一体化平台，数据通过多终端多渠道汇总到电力系统的数据库中，通过生产管理系统（PowerProductionManagementSystem，PMS）对电力系统实现集约化、规范化和精细化管理。目前，在电力系统中主要使用的软件系统如表所示。表目前电力系统中使用的主流软件电力环节软件名称电力系统生产管理系统（PMS）发电发电厂用电电气监控管理系统输电输变电设备状态检修辅助决策系统变电变电站微机五防系统变电站综合自动化系统数据采集与监视控制系统（SCADA系统）输变电设备状态检修辅助决策系统配电配网自动化与信息管理系统配变监测系统配电监测管理系统配电线路故障定位系统用电电能量采集管理系统用电信息采集系统智能电表能源管理平台系统7.2软件开发基础面向对象（ObjectOriented）是90年代以来软件开发方法的主流。软件系统本质上是信息处理系统，与传统方法相反，面向对象方法把对象作为由数据及可以施加在这些数据上的操作所构成的统一体，需要发消息请求对象主动执行某些操作并处理其私有数据。基于面向对象设计的软件则是让软件开发者自己先定义或选取解空间对象，然后把软件系统作为一系列离散的解空间对象的集合。与传统的程序设计方法比较，面向对象的程序设计有以下优点。1．与人习惯性的思维方法一致传统的程序设计技术是面向过程的设计方法，这种方法以算法为核心，把数据和过程作为相互独立的部分，其数据代表问题空间中的客体，而程序代码则用于处理这些数据。面向对象的软件技术以对象为核心，按照人们习惯性的思维方法建立问题域的模型，从而建立由特殊到一般的归纳思维过程，设计出由抽象类构成的系统框架，开发出尽可能直观、自然地表现求解方法的软件系统。2．稳定性好传统的软件开发方法以算法为核心，开发过程基于功能分析和功能分解，但用传统方法所建立起来的软件系统的结构过分依赖于系统所要完成的功能，一旦功能需求发生变化将引起软件结构的整体修改。而面向对象方法是基于构造问题领域的对象模型，以对象为中心，模拟问题领域中的实体，以对象间的联系刻画实体间的联系，当对系统功能需求变化时，仅做一些局部性的修改便可。3．可重用性好传统软件重用技术利用标准函数库，但是标准函数缺乏必要的柔性，不能适应不同应用场合的不同需要。而面向软件技术在利用可重用软件成分构造新的软件系统时，有很大的灵活性，有两种方法可以重复使用一个对象类：一是创建该类的实例，直接使用；另一种则是从它当中创造一个可以满足当前需要的新类。继承性机制使得子类不仅可以重用其父类的数据结构和程序代码，而且可以在父代码的基础上方便地修改和扩充，而不影响原有类的使用。4．较易开发大型软件产品在开发大型软件产品时，组织开发人员的方法不恰当往往是出现问题的主要原因。基于面向对象的设计开发软件时，构成软件系统的每个对象就像一个微程序，有自己的数据、操作、功能和用途，这样不仅降低了开发的技术难度，而且也使得对开发工作的管理变得容易，降低软件成本的同时提高了软件质量。5．可维护性好较之于传统方法，基于面向对象的软件设计方法稳定性较好，易于修改，容易理解，并且易于测试和调试。7.3数据分析基础1数据预处理实际电力设备监测所得的原始数据存在杂乱、冗余、不完整等一系列问题，同时数据库规模庞大、数据量大、信息类型繁多，且多半来自多个异构数据源，这些都给后续的数据分析带来了极大麻烦，低质量的数据甚至会导致后续算法产生错误的结果。为了有效利用软硬件资源、降低投入、节约成本，及时从大量数据中找到可靠有价值的信息加以利用，使工作人员获得有效的电网管控决策的高质量信息，需要对数据进行预处理以提高数据质量。 数据预处理是在对原始数据分析等主要处理以前，先对原始数据进行必要的清洗、集成、转换、离散和规约等一系列的预先处理工作。目前数据预处理的常规方法包括数据清理、数据集成、数据变换及数据归约，这些常规方法依次也为数据预处理的步骤。2故障诊断算法电力设备故障诊断就是根据采集的相关特征量与故障状态之间的联系通过一定方法判断出电力设备当前状态。良好的诊断策略对于缩短故障时间，防止事故扩大意义重大。随着智能电网的崛起，传统的诊断方法已经不能满足故障诊断准确性和快速性的要求，因此许多智能故障诊断方法被提出。故障诊断方法由传统技术向智能化技术方向发展是该领域未来研究的重点和热点。由于电气测试涉及的电力设备众多，智能算法也是日新月异，以下着重介绍一些常用故障诊断方法。人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是一种模拟神经系统进行信息处理的数学模型，主要是基于输入和输出关系建立起来的，并由大量简单的处理单元（神经元）广泛互连而形成的复杂网络系统，对数据进行内部处理从而寻找一种函数关系将输入映射至输出，网络经过对大量数据的学习，从而得到一般规律，对未知的或无法预测的故障信息进行分析判断。目前，前馈神经网络较广泛地应用于电力设备故障诊断领域，其中最具代表性的是BP（BackPropagation，BP）神经网络和径向基（RadicalBasisFunction，RBF）神经网络。例如，以氧化锌避雷器的全电流和阻性泄漏电流等为输入，故障大小为输出，采用BP神经网络设计氧化锌避雷器故障诊断系统；在分析高压断路器分闸线圈时间信号的基础上，采用RBF神经网络对高压断路器进行故障分类；以水轮发电机组震动数据为输入利用RBF神经网络进行故障诊断；将小波变换和BP神经网络结合起来对风力发电机进行故障诊断；利用人工神经网络对输电线路故障进行故障定位和故障模式识别等。图基本神经元模型图神经网络结构一般神经网络包含三层：输入层隐藏层和输出层。神经网络的输入层对每个输入信号进行处理，以确定其强度（权重）。将所有输入信号的组合（加权和）作为中间层转移函数的输入，转移函数可以是阶跃函数或曲线函数。通过转移函数对输入进行函数转换，将可能无限域的输入化成指定的有限范（1）需要大量的训练样本以供学习，但获取完备优质的样本存在困难。（2）神经网络在诊断过程中被看成是“黑箱”，缺乏对自身行为的解释能力。（3）神经网络不善于处理启发式的规则。因此，基于神经网络的电力设备故障诊断方法的研究重点还是在选取有价值的训练样本、给予诊断过程解释能力。7.4智能变电设备在线监测实例1系统介绍智能变电设备在线监测中心包括监控系统与辅助决策系统，它整合完善智能变电站内所有监测单元，定义标准数据输入/输出接口，统一进行标准数据建模与展示，通过一个在线监测平台系统完成变电站内所有运行设备的在线监测，对设备运行状态进行状态诊断与评估，并对相关工作单元进行必要控制，从而形成在线监测统筹管理，实现变电站内部系统间的高效协作，提高运行设备故障定位效率和准确性，结合各类故障诊断策略完成对设备的最终诊断，以直观的报警形式体现被监测设备运行状态，在线通知运检人员，预防和预测被监测运行设备出现重大故障，当预测到重大故障时监测中心下发控制指令，消除萌芽故障，对需要调整或检修的部分给出参考建议，指导辅助检修，最终实现智能变电站安全稳定运行。设备故障诊断与评估依据国家电网颁布的《输变电设备评价导则》分类要求，将断路器、油㓎式变压器、避雷器、容性设备等运行设备进行多角度状态评估，得出综合性可靠结论。采用JavaWeb，基于Struts+Spring+Hibernate的主流框架整合，结合JSP和CSS开发设计，数据库使用多用户多线程的小型开源数据库MySQL。软件的B/S三层结构如图所示。客户端向Web服务器提交请求，服务器执行脚本后通过后台数据库将反馈结果页面传回客户端，这种模式用途广泛、易于维护，客户端只要安装浏览器，不论是接入局域网还是Internet都可使用本软件。图B/S三层结构图站控层的通信方式采用基于“光纤通信为主，Wi-Fi接入为辅”的方案，智能变电设备监控与决策辅助系统采用国家统一标准的数据存储格式，从智能电子装置及各类传感器获取监测的数据均符合IEC71850标准数据通信协议来设计实现。在设计开发中，注重软件的安全性、封闭性，在功能上可进一步实现与各类软件的交互整合，用户界面上采用菜单界面驱动方式，数据定义上符合国家标准。2油浸式变压器故障诊断电力变压器作为电力系统中的关键设备之一，其正常运行与否关系着电网的安全可靠性。目前，国内外大多利用DGA技术对变压器内部故障进行检测，此方法对于发现充油变压器内部早期潜伏性故障十分有效，是充油电气设备进行故障检测的常用方法。在DGA技术基础上，采用虹桥220kV智能变电站变压器油色谱监测IED采集到的油中溶解气体数据作为故障诊断算法的原始数据。由于变压器绝缘材料热分解所产生的可燃和非可燃气体可达20种左右，为了有利于变压器内部故障判断，本书选取氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）五种特征气体组分含量作为后续智能算法的输入属性数据，将变压器五种故障类型：正常、中低温过热、高温过热、低能量放电、高能量放电作为输出。通过现场变压器油色谱在线监测装置获得750组样本数据作为原始数据，每组样本数据包含5个属性及相对应于每组属性值的故障类型，同时对故障类型进行适当的编码，以方便算法编程。采用150组样本数据作为测试集，剩下的600组数据作为训练集或者根据具体算法需要分成训练集和验证集，为了方便对实验结果进行说明分析，部分测试数据如表所示。表7-3部分测试数据样本编号特征气体组分含量μL/L故障类型故障编码H2CH4C2H6C2H4C2H218.8115.020.4315.980.19正常N251.016.544.211.570.92正常N327.0926.451.872.730正常N414.653.7110.522.690.22正常N556.0477.1218.9421.050.1中低温过热T1657.2176.9819.0420.910.1中低温过热T17160.31129.9733.4297.180.77中低温过热T18166.6128.29672.1512.430.33中低温过热T1956.5442.71167.381413.317.2高温过热T21098.52554.97200.031636.118.35高温过热T211172.89334.13172.9812.5237.71高温过热T212242.8176.344.42173.112.4高温过热T21341.284.511.51.816.2低能量放电D11461.5224.611.355.6420.5低能量放电D115979.8873.0458.1511.790.14低能量放电D116538.3312.628.6814.120.35低能量放电D117138.8152.16.7762.7510.57高能量放电D218148.329.210.3124.832.97高能量放电D219256.6282.856.4382.37116.07高能量放电D220345.51112.3427.5251.4958.78高能量放电D23软件实现智能变电设备监控与决策辅助系统后台软件统一根据模块将智能变电站在线监测划分为：综合监测、变压器监测、断路器监测、避雷器/容性设备监测、系统参数配置、用户设置。针对以上设计，在此给出综合监测和变压器油中气体及微水监测的展示描述。图变压器油中气体监测当前数据图油中气体监测历史数据查询图油色谱故障诊断的操作实现界面§8电磁兼容试验8.1EMC试验技术发展电磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）是一门新兴的综合性学科，电磁兼容学科主要研究如何使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备和元器件都能正常工作，互不干扰，从而达到兼容状态。电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）则是指由电磁骚扰引起的设备或传输通道性能的下降。从概念上讲，骚扰是一种电磁能量，干扰是骚扰产生的结果或后果，所以骚扰和干扰是不同的。电磁干扰产生于骚扰源，大量骚扰源的存在造成电磁环境污染，导致电磁兼容性问题尖锐化。因此，EMC包括两方面的内容，一方面指系统或设备对所处环境中的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（ElectromagneticSusceptibility，EMS）；另一方面指设备在正常运行过程中对其所在环境的电磁干扰不能超过一定限值，即电磁干扰。8.2EMC试验项目EMC分为EMS和EMI，而EMS又分为传导抗扰度（ConductionSensitivity，CS）和辐射抗扰度（RadiationSensitivity，RS）两部分，其试验项目包括静电放电抗扰度试验（Electro-StaticDischargeImmunity，ESD）、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（ElectricalFastTransient/BurstImmunity，EFT）、浪涌抗扰度试验（SurgeImmunity）、射频辐射抗扰度试验（RadiationSensitivityImmunity）、工频磁场抗扰度试验（PowerFrequencyMagneticFieldImmunity）、电压暂降及短时中断抗扰度试验表8-1变电设备在线监测装置具备的电磁兼容性能序号试验项目试验标准试验满足要求1静电放电GB/T17626.2－20064级抗扰度2射频电磁场辐射GB/T17626.3－20063级抗扰度3电快速瞬变脉冲群抗扰度GB/T17626.4－20064级抗扰度4浪涌（冲击）GB/T17626.5－20064级抗扰度5射频场感应的传导骚扰GB/T17626.6－20063级抗扰度6工频磁场GB/T17626.8－20065级抗扰度7电压暂降、短时中断GB/T17626.11－2006电压暂降60%UT、持续10个周波8脉冲磁场GB/T17626.9－20065级抗扰度9阻尼震荡磁场GB/T17626.10－20065级抗扰度1静电放电抗扰度试验带静电的物体进行放电时会产生放电电流，该电流会产生短暂的高强度电磁场，可能引起电气、电子设备发生故障，甚至损坏，如导致半导体器件接口的烧毁、场效应管的失效、监测装置的短暂失控，以及设备重启、信号的紊乱、程序和数据的损失、逻辑错误等。综上所述，ESD抗扰度试验的目的就是检验电气、电子设备或监测系统在遭受这类静电放电骚扰时的抗干扰性能。其中，人体是损坏器件的主要ESD源。ESD抗扰度试验就是模拟人体、物体在接触设备时产生的静电放电或人体、物体对临近物体的放电。其作用的方式主要有两种：直接通过能量的交换引起器件的损坏；放电所引起的近场（电场和磁场的变化），造成设备的误动作。静电放电发生器（ESDGenerator）即静电放电模拟器（ESDSimulator），俗称静电放电枪（ESDGun），是电磁兼容测量与试验中静电放电抗扰度试验中的重要设备，目的是为了检验电子设备受到外来静电放电时能否正常工作，2电快速瞬变脉冲群抗扰度试验当电感性负载（如继电器、接触器等）在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处将产生瞬态骚扰。当电感性负载多次重复开关，脉冲群会以相应的时间间隙多次重复出现。例如，变电站中SF6或真空开关装置，当断开电感负载时产生反电势，反电势向寄生电容充电，随着充电电压的升高，开关断开处会出现击穿现象，此时，共用此电源的其他电路或装置就要受到该脉冲电压的影响。该试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到EUT的电源、信号、控制和接地端口的试验。试验脉冲的特点是：瞬变脉冲具有上升时间短、重复出现、能量低等特点。该试验的目的是检验电气和电子设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。EFT脉冲群试验中的脉冲群一般持续时间为15ms，脉冲群间隔为300ms，单脉冲宽度为50ns，脉冲上升沿为5ns，脉冲群重复率为2.5kHz，如图所示。试验中此脉冲群由信号发生器产生，配合其他设备来检测被测设备的EFT脉冲群抗扰度。3浪涌抗扰度试验浪涌，是超出正常工作稳定值的瞬间电压和电流峰值。在智能电网电力系统中有很多种情况会产生浪涌，主要分为内部浪涌和外部浪涌两种情况。内部浪涌主要指电力系统内部开关瞬态产生的浪涌，有以下几种情况。（1）主要的电力系统切换骚扰，如电容器组的切换。（2）配电系统中较小的局部开关动作或负载变化。（3）与开关器件（如晶闸管）相关联的谐振现象。（4）各种系统故障，如设备组合对接地系统的短路和电弧故障。而外部浪涌主要由雷电瞬态引起，主要有以下几种情况。（1）直接雷，它击于外部（户外）电路，注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压。（2）间接雷（即云层之间或云层中的雷击或附近物体的雷击产生的电磁场），它在建筑物内、外导体上产生的感应电压和电流。（3）附近直接对地放电的雷电电流，当它耦合到设备组合接地系统的公共接地路径时产生感应电压。§9电气测试技术设计实例分析9.1概述通过对电力系统中设备的电磁参量、温度、绝缘油中气体成分和含量、绝缘气体中的微水含量、密度等物理等参数进行测量，才能够清楚地了解电气设备的运行情况。例如，要获取电力系统各节点相角、功率等电能参数，则需要通过电压、电流计量互感器对电网的电压、电流进行测量；要确保电力系统的安全运行，则需要获取各种继电保护原理及相应的互感器测量对应的电参量，然后将这些信号送入微机继电保护装置，通过保护算法输出断路器的分/合闸控制信号；通过对电缆、变压器套管、避雷器等容性设备的绝缘性测试，可以了解这些设备的绝缘状况，从而确定被测设备是否需要维修、是否能够继续投入使用等。9.2主要电气设备的测试技术电力系统中电气设备的种类繁多，不同的电力设备具有不同的电气属性，需要不同的物理特征量来反映设备的运行状况，而不同的物理特征量又需要不同的电气测试原理与方法。下面的内容将针对各种电力设备需要测试的主要项目、测试要求及测试方法进行阐述。1发电机主要参数的电气测试（1）定子绕组的绝缘电阻和吸收比或极化指数。对此部分参数的测试要求包括：各相绝缘电阻的不平衡系数不应大于2，沥青浸胶及烘卷云母绝缘吸收比不应小于1.3，对环氧粉云母绝缘吸收比不应小于1.6。对于容量200MW及以上机组应测量其极化指数，极化指数不应小于2.0。（2）定子绕组的直流电阻。对此部分测试要求包括：直流电阻应在冷却状态下测量，测量时绕组表面温度与周围空气温度之差应在±3℃的范围内，且各相或各分支绕组的直流电阻在校正了由于引线长度不同而引起的误差后，相互间差别不应超过其最小值的2%。同时，与产品出厂时测得的数值换算至同温度下进行比较，其相对变化不应大于2%。（3）转子绕组的绝缘电阻。发电机运行时要求转子绕组的绝缘电阻值不宜低于0.5MΩ。若水冷转子绕组在使用500V及以下兆欧表或其他仪器测量时，所测绝缘电阻值不应低于5000Ω。当发电机定子绕组绝缘电阻已符合启动要求，而转子绕组的绝缘电阻值不低于2000Ω时，即可允许投入运行。采用绝缘电阻测试仪进行测量时，当转子绕组额定电压为200V以上时，则要采用2500V绝缘电阻测试仪；当额定电压为200V及以下时，则要采用1000V绝缘电阻测试仪。（4）转子绕组的直流电阻。对此部分测试要求在冷状态下进行，保证测量时绕组表面温度与周围空气温度之差在±3℃的范围内，将测量数值与产品出厂数值换算至同温度下进行比较，其差值不应超过2%。当误差超过规定时，还应对各磁极绕组间的连接点电阻进行测量。对于凸极式转子绕组，还应对各磁极绕组进行测量，一般地，发电机转子绕组的直流电阻测试方法与定子绕组直流电阻相同。（5）转子绕组交流耐压值。对于整体到货的凸极式转子，试验电压应为额定电压的7.5倍，且不应低于1200V。对于工地组装的凸极式转子，其单个磁极的耐压试验应按制造厂规定进行。对于隐极式转子绕组，可不进行交流耐压试验，直接采用2500V兆欧表测量其绝缘电阻即可。转子绕组交流耐压值测试时，一般采用试验变压器或串联谐振交流耐压装置进行耐压试验。2输电线路主要参数的电气测试输电线路电气参数一般包括直流电阻、正序阻抗、正序电容、零序阻抗、零序电容、相间电容，以及多回平行输电线路之间的互感阻抗和耦合电容等。这些参数是在进行电力系统潮流稳定分析、短路电流计算、继电保护整定、故障定位和选择电力系统运行方式等工作之前建立电力系统数学模型的必备参数。另外，输电线路的杆塔接地电阻对线路的防雷、短路故障等起着至关重要的作用；输电线路的温度与线路的使用寿命和传输容量也紧密相关。2008年我国南方电网一些地区的输电线路遭受冰灾，造