1、變電站綜合自動化原理變電站綜合自動化原理 第二章第二章 變電站綜合自動化變電站綜合自動化 信息的測量和采集信息的測量和采集 第二章第二章 變電站綜合自動化信息的測量和采集變電站綜合自動化信息的測量和采集 2.1 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 2.2 2.2 變電站模擬量信息的變送器測量及采集變電站模擬量信息的變送器測量及采集 2.3 2.3 交流采樣技術及應用交流采樣技術及應用 2.4 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 2.5 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 2.6 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建立和應用 3

2、若想實現變電站綜合自動化，必須掌握變電站的運行狀況，即首先要測量若想實現變電站綜合自動化，必須掌握變電站的運行狀況，即首先要測量 出表征變電運行及設備工作狀態的信息。出表征變電運行及設備工作狀態的信息。 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 包括由模擬量、開關量、脈沖量以及設備狀態等。包括由模擬量、開關量、脈沖量以及設備狀態等。 4 模擬量信息主要包括：模擬量信息主要包括： 聯絡線的有功功率、無功功率和有功電能；聯絡線的有功功率、無功功率和有功電能； 線路及旁路的有功功率、無功功率和電流；線路及旁路的有功功率、無功功率和電流； 不同電壓等級母線各段的線電壓及相電壓；不同電壓等級母線

3、各段的線電壓及相電壓； 三繞組變壓器三側或高壓、中壓側的有功功率、無功功率及電流，三繞組變壓器三側或高壓、中壓側的有功功率、無功功率及電流， 兩繞組變壓器兩側或高壓側的有功功率、無功功率及電流；兩繞組變壓器兩側或高壓側的有功功率、無功功率及電流； 直流母線的電壓；直流母線的電壓； 所用變低壓側電壓；所用變低壓側電壓； 母聯電流、分段電流、分支斷路器電流；母聯電流、分段電流、分支斷路器電流； 出線的有功功率或電流；出線的有功功率或電流； 并聯補償裝置電流；并聯補償裝置電流； 變壓器上層油溫等。變壓器上層油溫等。 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 5 開關量信息主要包括：開關量信息

4、主要包括： 變電站事故總信號；變電站事故總信號； 線路、母聯、旁路和分段斷路器位置信號；線路、母聯、旁路和分段斷路器位置信號； 變壓器中性點接地隔離開關位置信號；變壓器中性點接地隔離開關位置信號； 線路及旁聯重合閘動作信號；線路及旁聯重合閘動作信號； 變壓器的斷路器位置信號；變壓器的斷路器位置信號； 線路及旁聯保護動作信號；線路及旁聯保護動作信號； 樞紐母線保護動作信號；樞紐母線保護動作信號； 重要隔離開關位置信號；重要隔離開關位置信號； 斷路器失靈保護動作信號；斷路器失靈保護動作信號； 有關過壓、過負荷越限信號；有關過壓、過負荷越限信號； 有載調壓變壓器分接頭位置信號；變壓器保護動作總信號；

5、有載調壓變壓器分接頭位置信號；變壓器保護動作總信號； 斷路器事故跳閘總信號；斷路器事故跳閘總信號； 直流系統接地信號；直流系統接地信號； 控制方式由遙控轉為當地控制信號；控制方式由遙控轉為當地控制信號； 斷路器閉鎖信號等。斷路器閉鎖信號等。 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 6 設備異常和故障預告信息主要包括：設備異常和故障預告信息主要包括： 有關控制回路斷線總信號；有關控制回路斷線總信號； 有關操作機構故障總信號；有關操作機構故障總信號； 變壓器油溫過高、繞組溫度過高總信號；變壓器油溫過高、繞組溫度過高總信號； 輕瓦斯動作信號；輕瓦斯動作信號； 變壓器或變壓器調壓裝置油溫過低

6、總信號；變壓器或變壓器調壓裝置油溫過低總信號； 繼電保護系統故障總信號；繼電保護系統故障總信號； 距離保護閉鎖信號；距離保護閉鎖信號； 高頻保護閉鎖信號；高頻保護閉鎖信號； 消防報警信號；消防報警信號； 大門打開信號；大門打開信號； 站內站內UPS交流電源消失信號；交流電源消失信號； 通信線路故障信號等。通信線路故障信號等。 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 7 變電站綜合自動化系統采集的數字量變電站綜合自動化系統采集的數字量主要指系統頻率信號和電能主要指系統頻率信號和電能 脈沖信號，前者主要出現在保護和低頻減負荷裝置中，電能脈沖量則脈沖信號，前者主要出現在保護和低頻減負荷裝置

7、中，電能脈沖量則 主要用于遠方對系統電能的計量。主要用于遠方對系統電能的計量。 2.1 變電站綜合自動化信息變電站綜合自動化信息 8 交流電壓交流電壓U、交流電流、交流電流I、有功功率、有功功率P、無功功率、無功功率Q、變壓器油溫、變壓器油溫T等等 U、I、P、Q可從變電站二次回路中取得信號，通過二次測量得到。可從變電站二次回路中取得信號，通過二次測量得到。 測量方法：測量方法： 直流采樣（變送器）直流采樣（變送器）均值、有效值均值、有效值 交流采樣交流采樣 瞬時值瞬時值 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 9 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 交

8、流交流直流直流 傳感器傳感器是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的 總稱，通常由敏感元件和轉換元件組成。總稱，通常由敏感元件和轉換元件組成。 當傳感器的當傳感器的輸出輸出為為規定的標準信號規定的標準信號時，則稱為時，則稱為變送器變送器。在綜自系統中，主要有。在綜自系統中，主要有電流變電流變 送器送器、電壓變送器電壓變送器、三相有功功率變送器三相有功功率變送器、三相無功功率變送器三相無功功率變送器及及溫度變送器溫度變送器等。等。 從二次回路中獲取信號從二次回路中獲取信號，通過電子變換電路，輸出與被測

9、電氣量成，通過電子變換電路，輸出與被測電氣量成正比正比的電流的電流/ /電壓信電壓信 號。號。 10 插針式直流插針式直流 電壓傳感器電壓傳感器 交流電壓傳感器交流電壓傳感器 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 單相功率傳感器單相功率傳感器 三相四線制有三相四線制有 功功率傳感功功率傳感 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 11 交流電流的測量交流電流的測量 電流互感器電流互感器電流變送器電流變送器 輸入電流輸入電流測量機構測量機構 從交流電流到測量機構的方框圖如下：兩級測量從交流電流到測量機構的方框圖如下：兩級測量 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 1

10、2 電流變送器的基本原理：電流變送器的基本原理： p 中間電流互感器將數安培的輸入電流按比例變換為毫安級的交流電流，中間電流互感器將數安培的輸入電流按比例變換為毫安級的交流電流， 經過電阻經過電阻R1轉換為轉換為交流電壓交流電壓； p 精密交流、直流轉換電路將輸入信號變換為絕對值信號后，經低通濾精密交流、直流轉換電路將輸入信號變換為絕對值信號后，經低通濾 波成波成直流電壓信號直流電壓信號全波整流全波整流； p 恒壓輸出電路實際上是一個電壓跟隨器，其輸出直流電壓既符合標準恒壓輸出電路實際上是一個電壓跟隨器，其輸出直流電壓既符合標準 輸出范圍，又具有良好的電壓源特性（強帶載能力）；輸出范圍，又具有

11、良好的電壓源特性（強帶載能力）； p 電壓電壓/電流變換電路將直流電壓變換成直流電流，并具有良好的帶負載電流變換電路將直流電壓變換成直流電流，并具有良好的帶負載 能力。能力。 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 13 電流變送器的基本原理：電流變送器的基本原理： 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 測量交流電流采用的是有效值的測量交流電流采用的是有效值的平均值測量算法平均值測量算法，輸出直流電壓輸出直流電壓U0 與線路電流有效值與線路電流有效值I2成正比成正比。 14 霍爾電流變送器的基本原理：霍爾電流變送器的基本原理： p 霍爾電流傳感器是應用霍爾

12、效應和磁平衡原理開發的磁平衡式霍爾電流霍爾電流傳感器是應用霍爾效應和磁平衡原理開發的磁平衡式霍爾電流 傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形 的電流，且具有較寬的頻響特性，線性度高，輸出為電流信號。的電流，且具有較寬的頻響特性，線性度高，輸出為電流信號。 p 霍爾效應是磁電效應的一種，當電流垂直于外磁場通過導體時，磁場會霍爾效應是磁電效應的一種，當電流垂直于外磁場通過導體時，磁場會 對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力（洛倫茲對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力（洛倫茲 力），

13、從而在導體的兩端產生電壓差。力），從而在導體的兩端產生電壓差。 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 15 霍爾電流變送器的基本原理：霍爾電流變送器的基本原理： p 當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流IP會產生磁力線，原邊磁力線會產生磁力線，原邊磁力線 集中在磁芯氣隙周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力集中在磁芯氣隙周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力 線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過后續電子電路可把這個線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過后續電子電路可把這個 微小的信號轉變成副邊電流微小的信號轉

14、變成副邊電流IS ； p 其輸出計算式為：其輸出計算式為：NP*IP=NS*IS 其中其中IP：初級電流，：初級電流，NP：初級匝數，：初級匝數，IS： 次級電流，次級電流，NS：次級匝數。：次級匝數。 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 16 交流電壓的測量：交流電壓的測量： 電壓互感器電壓互感器電壓變送器電壓變送器 輸入電壓輸入電壓測量機構測量機構 從交流電壓到測量機構的方框圖如下從交流電壓到測量機構的方框圖如下： 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 17 電壓變送器的結構與電流變送器類似，差別在于輸入級采用的是中電壓變送器的結構與電流變送器類似

15、，差別在于輸入級采用的是中 間電壓互感器，并省去電流轉變為電壓的電阻。間電壓互感器，并省去電流轉變為電壓的電阻。 U0 中間電壓中間電壓 互感器互感器 精密交、直精密交、直 流電路流電路 恒壓恒壓 輸出電路輸出電路 恒流恒流 輸出電路輸出電路 u2 I0 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 交流電壓的測量：交流電壓的測量： 18 三相功率的測量三相功率的測量 ：功率變送器就是用來測量交流電路中有功功率和功率變送器就是用來測量交流電路中有功功率和 無功功率的儀器。無功功率的儀器。 單相有功功率測量元件：單相有功功率測量元件：有功功率是瞬間功率在一個周期內有功功率是瞬間功率在

16、一個周期內 的平均值，故有功功率也稱平均功率。若能從瞬間功率中去除其正的平均值，故有功功率也稱平均功率。若能從瞬間功率中去除其正 弦分量，即能得到有功功率。弦分量，即能得到有功功率。 在交流電路中，在交流電路中，單相有功功率單相有功功率P定義為：定義為： 11 ( )( ) ( ) TT Pp t dtu t i t dtUIcos TT ( )( ) ( )2()cos-(2) (2) p tu t i tUIsin tsintUIUIcost PUIcost 由瞬時功率的基本定義可變形為：由瞬時功率的基本定義可變形為： 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 瞬時功率是有

17、功功率與正弦分量的代數和瞬時功率是有功功率與正弦分量的代數和 若從瞬時功率中去除其正弦分量，也就得到了有功功率若從瞬時功率中去除其正弦分量，也就得到了有功功率 19 單相有功功率測量的原理圖：單相有功功率測量的原理圖：由一個模擬乘法器和低通濾波器組成。由一個模擬乘法器和低通濾波器組成。 模擬模擬 乘法器乘法器 低通低通 濾波器濾波器 u(t) i(t) p(t)P 模擬乘法器模擬乘法器實現電壓實現電壓u(t)和電流和電流i(t)的乘積，從而構成瞬間功率的乘積，從而構成瞬間功率p(t)；低；低 通濾波器濾去通濾波器濾去p(t)中的正弦分量。剩下直流分量中的正弦分量。剩下直流分量UIcos，即為有

18、功功率，即為有功功率P。 功率測量元件的輸出電壓與輸入二次功率的平均值成正比功率測量元件的輸出電壓與輸入二次功率的平均值成正比 測量單相有功功率實際上主要采用模擬乘法器和低通濾波器兩個單元測量單相有功功率實際上主要采用模擬乘法器和低通濾波器兩個單元 電路，其中模擬乘法器是其核心。電路，其中模擬乘法器是其核心。 單相功率傳感器單相功率傳感器 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 20 單相有功功率測量元件原理框圖如下所示：單相有功功率測量元件原理框圖如下所示： uy 中間電流中間電流 互感器互感器 模擬模擬 乘法器乘法器 低通低通 濾波器濾波器 中間電壓中間電壓 互感器互感器

19、 i2 RU0 u uxu0 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 21 三相有功功率變送器：三相有功功率變送器： 三相功率定義：三相功率定義：P = 3UPIPcos, Q = 3UPIPsin 三相有功功率變送器三相有功功率變送器由單相有功功率元件構成。根據三相電路的特點，由單相有功功率元件構成。根據三相電路的特點， 按功率變送器含有有功功率元件的個數不同，三相有功功率變送按功率變送器含有有功功率元件的個數不同，三相有功功率變送 器有單元件式、兩元件式、三元件式等幾種。其中：器有單元件式、兩元件式、三元件式等幾種。其中： 單元件式三相有功功率變送器單元件式三相有功功率變

20、送器適用于電壓對稱、負載平衡的適用于電壓對稱、負載平衡的 對稱三相電路功率測量；對稱三相電路功率測量； 兩元件式三相有功功率變送器兩元件式三相有功功率變送器適用于三相三線制系統中三相適用于三相三線制系統中三相 功率的測量；功率的測量； 三元件式三相有功功率變送器三元件式三相有功功率變送器適用于零序電流不為零的三相適用于零序電流不為零的三相 四線制系統中三相有功功率的測量。四線制系統中三相有功功率的測量。 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 三相功率變送器輸出電壓與被測線路三相功率成正比三相功率變送器輸出電壓與被測線路三相功率成正比 22 三相有功功率變送器：三相有功功率變

21、送器： 三相四線制有三相四線制有 功功率傳感器功功率傳感器 三相四線制無三相四線制無 功功率傳感器功功率傳感器 三相四線制功三相四線制功 率因數傳感器率因數傳感器 三相三線制有三相三線制有 功功率傳感器功功率傳感器 三相三線制無三相三線制無 功功率傳感器功功率傳感器 三相三線制功三相三線制功 率因數傳感器率因數傳感器 2.2 模擬量的變送器測量及采集模擬量的變送器測量及采集 23 直流采樣技術直流采樣技術是從二次回路中獲取信號，通過是從二次回路中獲取信號，通過電子變換電路電子變換電路，輸出與某電，輸出與某電 氣量成正比的氣量成正比的直流模擬信號直流模擬信號，其缺點有：，其缺點有： 第一、第一、

22、每個變送器只能測取一個或兩個電氣量每個變送器只能測取一個或兩個電氣量，變電站中必須使用較多的，變電站中必須使用較多的 變送器，投資大、占用空間大；變送器，投資大、占用空間大； 第二、變送器輸出的模擬信號是濾波后的第二、變送器輸出的模擬信號是濾波后的平均值平均值，不能反應實際的波形變不能反應實際的波形變 化情況化情況； 第三、這些電量變送器都是電力互感器二次回路的負載，接入變送器越多，第三、這些電量變送器都是電力互感器二次回路的負載，接入變送器越多， 二次回路負載越重，互感器的實際變換誤差就越大。二次回路負載越重，互感器的實際變換誤差就越大。 2.2 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 2

23、4 交流采樣技術交流采樣技術，就是通過對互感器二次回路中的交流電壓信號和交流電流，就是通過對互感器二次回路中的交流電壓信號和交流電流 信號直接采樣（信號直接采樣（瞬時值瞬時值）。根據）。根據一組采樣值一組采樣值，通過對其模，通過對其模/數變換將數變換將 其變換為其變換為數字量數字量，再對，再對數字量進行計算數字量進行計算，從而獲得電壓、電流、功，從而獲得電壓、電流、功 率、電能等電氣量值。率、電能等電氣量值。 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 優點是優點是可以可以由同一組采樣得到的數字量得到多個計算結果由同一組采樣得到的數字量得到多個計算結果，并能提高計算，并能提高計算 精度，

24、在需要反應精度，在需要反應實際波形實際波形的地方更有直流采樣不可替代的優點。的地方更有直流采樣不可替代的優點。 采樣（保持）采樣（保持）A/D轉換轉換計算（算法）計算（算法） 25 () *( ) 0 ss s f nTtnT ft tnT 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 對一個信號采樣就是測取該信號的對一個信號采樣就是測取該信號的瞬時值瞬時值，可由，可由 一個一個采樣器采樣器來完成。來完成。 n工作原理：采樣器按定時或不定時的方式將工作原理：采樣器按定時或不定時的方式將開關開關 瞬間接通，使輸入的瞬間接通，使輸入的連續信號連續信號 f (t) 轉變為轉變為離散信號離散信號

25、f *(t)輸出。輸出。 n設采樣開關按周期設采樣開關按周期Ts瞬間接通，則采樣得到的離瞬間接通，則采樣得到的離 散信號為：散信號為： 采樣主要采樣主要目的目的是為了使之易于處理或借助更好的工具是為了使之易于處理或借助更好的工具 對其進行處理。對其進行處理。 信號經過采樣后，不應改變原始連續信號所包含的本信號經過采樣后，不應改變原始連續信號所包含的本 質特性。質特性。采樣得到采樣得到的離散信號的離散信號 f *(t)能夠完全復現（重構）能夠完全復現（重構） f (t)的所有本質信息。（不失真采樣）的所有本質信息。（不失真采樣） 從直觀上來看，采樣周期越短，即采樣頻率越高，從直觀上來看，采樣周期

26、越短，即采樣頻率越高，fh(t) 越接近越接近 f(t)。 一、采樣及采樣頻率的確定一、采樣及采樣頻率的確定 26 香農采樣定理：香農采樣定理： 為了對連續信號為了對連續信號f(t)進行不失真的采樣，采樣頻率進行不失真的采樣，采樣頻率s應不低于應不低于f(t)所包含最高所包含最高 頻率頻率max的兩倍。的兩倍。 頻率混疊頻率混疊(aliasing):以采樣頻率以采樣頻率fs對一個信號進行采樣時，信號中大于對一個信號進行采樣時，信號中大于fs/2的的 頻率成分將對稱的映射到頻率成分將對稱的映射到fs/2以下的頻帶中，并且和以下的頻帶中，并且和fs/2以下的原有頻以下的原有頻 率成分疊加起來，使得

27、復原信號失真。率成分疊加起來，使得復原信號失真。 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 27 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 采樣定理是選擇采樣頻率的理論依據采樣定理是選擇采樣頻率的理論依據 在實際應用中，采樣頻率總要選得比已知在實際應用中，采樣頻率總要選得比已知 被采樣信號最高頻率被采樣信號最高頻率高兩倍以上高兩倍以上。 采樣交流工頻信號時，采樣頻率一般為工采樣交流工頻信號時，采樣頻率一般為工 頻的頻的810倍及以上，以便使信號中倍及以上，以便使信號中35次次 諧波分量在采樣信號中反映出來。諧波分量在采樣信號中反映出來。 頻率混疊是數字信號處理中的特有現象，頻率

28、混疊是數字信號處理中的特有現象， 是數字信號處理中是數字信號處理中離散采樣引起離散采樣引起的。的。 28 二、電氣量交流采樣算法：二、電氣量交流采樣算法： 交流電壓、電流的有效值交流電壓、電流的有效值U和和I的公式為：的公式為： T dttu T U 0 2 )( 1 T dtti T I 0 2 )( 1 T dttf T A 0 2 )( 1 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 有效值的計算主要包括兩個部分，即積分運算和開方運算有效值的計算主要包括兩個部分，即積分運算和開方運算 1、有效值算法、有效值算法 2、三相有功功率算法、三相有功功率算法 3、三相無功功率算法、三相無功

29、功率算法 4、電能量的計算方法、電能量的計算方法 設設f(t)是一個周期信號，其周期為是一個周期信號，其周期為T，最大值為，最大值為Am，則，則f(t)的有效值的有效值A為：為： 29 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 T dttf T A 0 2 )( 1 11 2222 0 00 111 ( )() NN T k kk Aft dtfkttf TNtN 在計算機中，運算的對象是在計算機中，運算的對象是離散的數字量離散的數字量。因此，計算機的。因此，計算機的積分運算積分運算必須必須離離 散化散化。 積分的積分的幾何意義幾何意義：曲線包圍面積：曲線包圍面積 若用寬為若用寬為t

30、、高為、高為f 2(k t ) 的矩形的矩形 脈沖面積脈沖面積f 2(kt ) t近似相應時間寬近似相應時間寬 度內度內f 2(t ) 與時間軸圍成的面積，有：與時間軸圍成的面積，有： 將積分區間將積分區間0 ,T 等分為等分為N個子區個子區 間，每個子區間間，每個子區間tT/N，即在時刻，即在時刻 kt 時的被積函數值就是時的被積函數值就是 f 2(kt ) fk f 2(kt ) ，可由可由f (t )在一個周期內等間隔采樣得到在一個周期內等間隔采樣得到 連續積分運算連續積分運算 離散化離散化 30 11 2222 0 00 111 ( )() NN T k kk Aft dtfkttf

31、TNtN 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 1 22 0 0 11 ( ) N T k k ft dtf TN f(t)為標準為標準正弦信號正弦信號時，在時，在積分離散化積分離散化過程中，過程中，N取多大才能取多大才能 使上式成為嚴格的等式呢？使上式成為嚴格的等式呢？ 當當N3時，正弦信號在一時，正弦信號在一 個周期內的方均值與經過個周期內的方均值與經過N 等分離散化的方均值相等。等分離散化的方均值相等。 連續積分離散化連續積分離散化 等式等式 31 如果如果f(t)是正弦交流電壓或正弦交流電流：是正弦交流電壓或正弦交流電流： )sin()(umtUtu )sin()(imtI

32、ti 則當則當N3時時，有：，有： 1 22 0 0 11 ( ) k N T k ut dtu TN 1 22 0 0 11 ( ) k N T k it dti TN uk、ik為電壓、電流在為電壓、電流在一周期內一周期內N次采樣次采樣中的第中的第k次采樣值。次采樣值。 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 若采樣信號是若采樣信號是線電壓或線電流線電壓或線電流，則按公式計算得到的就是線電壓和線電流；，則按公式計算得到的就是線電壓和線電流； 若采樣的信號是若采樣的信號是相電壓或相電流相電壓或相電流，則按公式得到的就是相電壓或相電流。，則按公式得到的就是相電壓或相電流。 結論：結論

33、： 32 2、三相有功功率的算法：、三相有功功率的算法： 三相三線制電路有功功率的算法三相三線制電路有功功率的算法 三相負載的瞬時功率都等于各相功率之和，有：三相負載的瞬時功率都等于各相功率之和，有： TT dtppp T pdt T PCBA 00 )( 11 2.1.1已知各相電壓、相電流已知各相電壓、相電流，三相有功功率的算法為：，三相有功功率的算法為： TT dtiuiuiu T dtppp T PCCBBAACBA 00 )( 1 )( 1 將將連續積分運算離散化連續積分運算離散化，可得三相有功功率的算法為：，可得三相有功功率的算法為： 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應

34、用 =1 1 =+ N Ak AkBk BkCk Ck k Pu iu iu i N 33 N k BkCkCkBkAkAkiiuiiu N P 1 )()( 1 N k CkBkCkAkBkAkiuuiuu N P 1 )()( 1 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 =1 1 =+ N Ak AkBk BkCk Ck k Pu iu iu i N =1 3 = N pk pk k Pu i N 對于三相對稱電路：對于三相對稱電路： =1=1=1 111 = NNN Ak AkBk BkCk Ck kkk u iu iu i NNN 若考慮到：若考慮到：+=0,+ + =0 A

35、BCABC uuuiii 僅需測量兩相僅需測量兩相 相電壓或相電流相電壓或相電流 34 2.1.2已知相關線電壓或相電流已知相關線電壓或相電流，三相有功功率的算法：，三相有功功率的算法： 三相三線制中，考慮三相電流的瞬時值之和為三相三線制中，考慮三相電流的瞬時值之和為0，由此可以推出其三，由此可以推出其三 相有功功率的公式為：相有功功率的公式為： TT dtiuiu T dtppp T PCCBAABCBA 00 )( 1 )( 1 將將連續積分運算離散化連續積分運算離散化，可得三相有功功率的算法為：，可得三相有功功率的算法為： N k CkCBkAkABkiuiu N P 1 1 同理可得：

36、同理可得： N k BkBCkAkACkiuiu N P 1 1 N k CkCAkBkBAkiuiu N P 1 1 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 三相三線制電路有功功率的算法三相三線制電路有功功率的算法 35 在三相四線制電路中，設中性線電流為在三相四線制電路中，設中性線電流為IN，且有，且有iA+iB+iCiN 三相負載的瞬時功率三相負載的瞬時功率p仍然等于各相瞬時功率的代數和，即：仍然等于各相瞬時功率的代數和，即： CBApppp 上式也可以寫成以下三種表述方式：上式也可以寫成以下三種表述方式： NBCCBAABiuiuiup NACCABBAiuiuiup NCB

37、BCAACiuiuiup 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 三相四線制電路有功功率的算法三相四線制電路有功功率的算法 其其離散化離散化后三相有功功率的計算公式為：后三相有功功率的計算公式為： N k NkBkCkCBkAkABkiuiuiu N P 1 1 N k NkAkCkCAkBkBAkiuiuiu N P 1 1 N k NkCkBkBCkAkACkiuiuiu N P 1 1 36 在單相交流電路中，無功功率在單相交流電路中，無功功率Q的定義為：的定義為：QUIsin 在三相電路中，三相無功功率在三相電路中，三相無功功率Q應是各相無功功率的代數和，即：應是各相無功功率

38、的代數和，即： CBACCBBAACBAIUIUIUQQQQsinsinsin 與三相有功功率算法相對應，可推出三相無功功率的離散計算公式如下：與三相有功功率算法相對應，可推出三相無功功率的離散計算公式如下： N k N kCCk N kBBk N kAAkiuiuiu N Q 1 1 ) 4 () 4 () 4 ( 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 3、三相無功功率的算法：、三相無功功率的算法： iA(k+N/4)為第為第k+N/4次電流采樣值；當次電流采樣值；當k+N/4大于大于N時，時，iA(k+N/4)取為取為iA(k 3N/4) 37 在在對稱三相電路對稱三相電路中，

39、按三相無功功率的定義和中，按三相無功功率的定義和900跨相法可構造出下跨相法可構造出下 列三相無功功率的算法，即：列三相無功功率的算法，即： N k AkCkBkCkBkAkiuuiuu N Q 1 )()( 2 3 N k CkBkAkBkAkCkAkCkBkiuuiuuiuu N Q 1 )()()( 3 3 N k BkAkCkCkAkBkBkCkAkiiuiiuiiu N Q 1 )()()( 3 N k N kB N kCCk N kB N kAAkiiuiiu N Q 1 )()( 1 ) 4 () 4 () 4 () 4 ( 2.3 交流采樣技術及其應用交流采樣技術及其應用 38

40、 在交流采樣技術中，電能量在交流采樣技術中，電能量W的計算比較簡單。根據定義有：的計算比較簡單。根據定義有： 00 (1) 1 (1) 11 ( )( )( ) ( )( ) ( )( ) tMTt MT M kTt kTMT k MM kT kT kk Wp t dtp t dtp t dt p t dtp t dt p t dtTP k M電能計量時間起點至時刻電能計量時間起點至時刻t經過的正弦信號周期數，即經過的正弦信號周期數，即MT t 熱電偶熱電偶測溫原理是測溫原理是熱電效應：熱電效應： 熱電偶原理圖熱電偶原理圖 TT0 A B 熱端熱端 冷端冷端 兩種導體組成的回路稱為兩種導體組成

41、的回路稱為“熱電偶熱電偶”，這兩種導體稱為，這兩種導體稱為“熱電極熱電極”， 產生的電動勢則稱為產生的電動勢則稱為“熱電動勢熱電動勢”。 這種現象早在這種現象早在1821年首先由西拜克（年首先由西拜克（See-back）發現）發現,所以又稱西拜克所以又稱西拜克 效應。效應。 48 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 熱電偶傳感器特點：熱電偶傳感器特點： 熱電偶是一種熱電偶是一種有源傳感器有源傳感器，測量時，測量時不需外加電源不需外加電源，使用十分方便，使用十分方便 結構簡單，測量范圍寬：測溫范圍結構簡單，測量范圍寬：測溫范圍-501600，通常用來，通常用來測量測量300 以

42、上的高溫以上的高溫。 目前工業上常用的有四種標準化熱電偶 1. 1.鉑銠10 10- -鉑(S (S型） 2. 2.鎳鉻- -考銅(E(E型) ) 3. 3.鎳鉻- -鎳鋁(K(K型) ) 4. 4.鉑銠30 30- -鉑銠6 6（B B型） 1鉑鉑銠熱電偶 (S型) 正極：鉑銠合金絲,用90鉑和10銠(重量比)冶煉而成。 負極：鉑絲。 測量溫度：長期：1300、短期：1600。 特點 n 材料性能穩定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。 n 用途：實驗室或校驗其它熱電偶。 n 測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。 n 在高溫還原性氣體中（如氣體中含CO、H2等）易被侵蝕，

43、需用保護套管。 n 材料屬貴金屬，成本較高。 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶 (K型) 正極：鎳鉻合金(用88.489.7鎳、910鉻，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷冶煉而成)。 負極：鎳硅合金(用95.797鎳,23硅,0.40.7鈷冶煉而成)。 測量溫度：長期1000，短期1300。 特點 價格比較便宜，在工業上廣泛應用。 u 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易被侵蝕。 u 復現性好，熱電勢大。 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 3鎳鉻考銅熱電偶(E型) 正極：鎳鉻合金 負極：考銅合金（用5

44、6銅，44鎳冶煉而成）。 測量溫度：長期600，短期800。 特點： l 價格比較便宜，工業上廣泛應用。 l 在常用熱電偶中它產生的熱電勢最大。 l 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變質，適于在還原性或中性介質中使用。 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 4鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 正極：鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。 負極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。 測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。 特點： l 材料性能穩定，測量精度高。 l 還原性氣體中易被侵蝕。 l 低溫熱電勢極小，冷端溫度在50以下可不加補償。 l 成本高。 2.4 變壓器

45、油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 53 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 2 熱電阻是利用熱電阻是利用導體導體的電阻隨溫度變化的特性來測量溫度。的電阻隨溫度變化的特性來測量溫度。 測溫范圍測溫范圍-200500，常用于中、低溫區的測量。，常用于中、低溫區的測量。 3 熱敏電阻是利用熱敏電阻是利用半導體半導體的電阻值隨溫度變化而顯著變化的原理測量溫度。的電阻值隨溫度變化而顯著變化的原理測量溫度。 測溫范圍測溫范圍-50300。 阻值與溫度的關系非線性嚴重；阻值與溫度的關系非線性嚴重； 元件的一致性差，互換性差；元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩定性較差；元件易老

46、化，穩定性較差； 變電站溫度測量大多采用變電站溫度測量大多采用熱電阻熱電阻作為一次元件作為一次元件 應用較廣泛的熱電阻材料：應用較廣泛的熱電阻材料：鉑鉑和和銅銅；低溫測量采用銦、錳等；低溫測量采用銦、錳等 54 p 熱電阻作為溫度測量的一次元件，它僅將溫度高低轉變為電阻值的大小，熱電阻作為溫度測量的一次元件，它僅將溫度高低轉變為電阻值的大小， 只有測量出只有測量出電阻值的大小電阻值的大小才能推知才能推知溫度的高低溫度的高低。 p 在變電站綜自系統中，用熱電阻測量的溫度信號要遠傳到變電站控制室，在變電站綜自系統中，用熱電阻測量的溫度信號要遠傳到變電站控制室， 所以應采用溫度變送器將溫度變化引起的

47、所以應采用溫度變送器將溫度變化引起的電阻值變化電阻值變化變換成統一的變換成統一的電信號電信號。 p 熱電阻測溫電路常用的是熱電阻測溫電路常用的是電橋電路電橋電路 2.4 變壓器油溫的測量和采集變壓器油溫的測量和采集 用熱電阻測量溫度：用熱電阻測量溫度： + - U0 55 變電站中的變電站中的狀態量狀態量信息主要包括傳統概念的信息主要包括傳統概念的遙信信息遙信信息和自動化系統和自動化系統設備運設備運 行狀態信息行狀態信息等等。 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 一、遙信信息及其來源：一、遙信信息及其來源： 遙信信息用來傳送斷路器、隔離開關的位置狀態，傳送繼電保護、自遙信信息

48、用來傳送斷路器、隔離開關的位置狀態，傳送繼電保護、自 動裝置的動作狀態，以及系統、設備等運行狀態信號。動裝置的動作狀態，以及系統、設備等運行狀態信號。 1斷路器狀態信息的采集：斷路器狀態信息的采集：斷路器的分、合閘位置信號通過其斷路器的分、合閘位置信號通過其輔助觸點輔助觸點引出，引出， 與斷路器的位置一一對應。與斷路器的位置一一對應。 2繼電保護動作狀態信息的采集：繼電保護動作狀態信息的采集：采集繼電保護出口繼電器的采集繼電保護出口繼電器的觸點狀態觸點狀態信息，信息， 并記錄動作時間。并記錄動作時間。 3事故總信號的采集：事故總信號的采集：采集事故總信號出口繼電器的采集事故總信號出口繼電器的觸

49、點觸點狀態信息。發電廠任狀態信息。發電廠任 一斷路器發生事故跳閘，將啟動事故總信號，用于區分正常操作與事故跳閘。一斷路器發生事故跳閘，將啟動事故總信號，用于區分正常操作與事故跳閘。 4其他信號的采集：其他信號的采集：通常采集對應元件、裝置的通常采集對應元件、裝置的觸點觸點狀態完成。狀態完成。 遙信信息的采集最終都可以轉化為對遙信信息的采集最終都可以轉化為對輔助觸點輔助觸點或或信號繼電器觸點信號繼電器觸點位置信號的采集位置信號的采集 56 24V或或220V R1R2R3 R4C V1 V2 AGND DGND 5V R5 遙信信號遙信信號 二、遙信采集電路二、遙信采集電路 遙信遙信 觸點觸點

50、2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 為了為了防止干擾防止干擾，在二次回路的觸點信息輸入時要采取，在二次回路的觸點信息輸入時要采取隔離措施隔離措施，目前常用，目前常用 光電耦合器件光電耦合器件來實現內外的電氣隔離。來實現內外的電氣隔離。 57 三、遙信輸入的幾種形式：三、遙信輸入的幾種形式： 1、采用、采用定時掃查方式定時掃查方式的遙信輸入：在變電站綜合自動化系統中，采用定的遙信輸入：在變電站綜合自動化系統中，采用定 時掃查的方式讀入遙信狀態信息，時掃查的方式讀入遙信狀態信息，128個遙信輸入電路如下圖所示。個遙信輸入電路如下圖所示。 遙信定時掃查工作在遙信定時掃查工作在實時時

51、鐘中斷服務程序實時時鐘中斷服務程序中進行，每中進行，每5ms執行一次。執行一次。 一旦發現一旦發現有遙信變位有遙信變位，則更新遙信數據區，同時，記錄遙信變位時間，則更新遙信數據區，同時，記錄遙信變位時間， 以便完成以便完成SOE信息的發送。信息的發送。 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 16選選1多路選多路選 擇開關擇開關 地址選擇輸地址選擇輸 入端入端 8片片74150 58 三、遙信輸入的幾種形式：三、遙信輸入的幾種形式： 2、循環掃描輸入循環掃描輸入遙信：遙信： 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 按定時掃描輸入遙信，只要時間間隔合適，完全能滿足按定

52、時掃描輸入遙信，只要時間間隔合適，完全能滿足遙信變位分辨遙信變位分辨 率率的要求，輸入以外的時間，的要求，輸入以外的時間，CPU尚可完成其他工作。（老式系統）尚可完成其他工作。（老式系統） 目前投運的新型綜自系統，由目前投運的新型綜自系統，由智能子模塊智能子模塊來完成遙信量狀態的采集和來完成遙信量狀態的采集和 處理工作。處理工作。CPU有更多的時間，以循環的方式對遙信量狀態進行更有更多的時間，以循環的方式對遙信量狀態進行更 短周期的采集，以提高站內遙信變位的分辨率。短周期的采集，以提高站內遙信變位的分辨率。 59 將讀入的將讀入的當前遙信狀態值當前遙信狀態值與存儲的與存儲的歷史遙信狀態值歷史遙

53、信狀態值進行進行異或異或運算：結運算：結 果為果為0則沒有遙信變位，否則有遙信變位，且對應為則沒有遙信變位，否則有遙信變位，且對應為“1”的位表征的遙信量的位表征的遙信量 有變化。有變化。 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 遙信變位的鑒別和處理遙信變位的鑒別和處理 60 遙信采集中的誤遙信及其克服遙信采集中的誤遙信及其克服 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 狀態量采集系統在實際運行中會產生不真實的遙信變位信號，給運行狀態量采集系統在實際運行中會產生不真實的遙信變位信號，給運行 人員的控制決策帶來誤導。誤遙信可分為兩類：人員的控制決策帶來誤導。誤遙信可分為

54、兩類： 第一類第一類：一個真實的遙信信號變位后：一個真實的遙信信號變位后 緊接著幾個假遙信讀數，最終遙信穩定緊接著幾個假遙信讀數，最終遙信穩定 到真實變位后的狀態到真實變位后的狀態 原因原因：遙信信號變位時，繼電器不能：遙信信號變位時，繼電器不能 一次性閉合，其一次性閉合，其抖動信號抖動信號經光耦后成為經光耦后成為 連續幾個遙信信號連續幾個遙信信號 解決方法解決方法：可采取：可采取“延時重測延時重測”的方的方 法加以克服；法加以克服； 61 遙信采集中的誤遙信及其克服遙信采集中的誤遙信及其克服 2.5 變電站狀態量信息的采集變電站狀態量信息的采集 第二類第二類：某些遙信不定時的出現抖：某些遙信

55、不定時的出現抖 動，往往由遙信回路中的動，往往由遙信回路中的電磁干擾電磁干擾， 特別是特別是尖峰干擾脈沖尖峰干擾脈沖造成誤遙信造成誤遙信 解決方法解決方法：提高電源電壓提高電源電壓，采用站，采用站 用用220V直流電源代替直流電源代替24V電源、同時電源、同時 加入適當的電阻限流來克服。加入適當的電阻限流來克服。 世界時 國際原子時 協調世界時 閏秒 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建立和應用 幾個時間術語幾個時間術語 世界時(GMT) 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建立和應用 世界各地都有各地的地方時間。如果對國際上某一重大事情，用地方時間來記錄，就會感

56、到復雜不便統一以格林尼治的 地方時間為標準。 以平子夜作為0時開始的格林尼治（英國倫敦南郊原格林尼治天文臺的所在地，它又是世界上地理經度的起始點-本初子午 線）平太陽時，就稱為世界時（UT）。 北京時間 以地球自轉為基礎的時間計量系統。地球自轉的角度可用地方子午線相對于天球上的基本參考點的運動來度量。兩個基本 參考點：春分點和平太陽，由此確定的時間分別稱為恒星時和平太陽時。 將一年中每日平均長短的186400確定為1秒 世界時是以地球自轉為基礎建立起來的，由于地球自轉的不均勻性，作為計時其準確度只能達到10-8數量級。 國際原子時(TAI) 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建

57、立和應用 用銫原子鐘來計時可以達到相當高準確度，準確度可達10-1410- 15。需要2000萬年計時才差一秒鐘（NIST-F1）。 原子時間計量標準在1967年正式取代了天文學意義上秒長的定義 新秒長規定為：位于海平面上的銫Cs133原子基態的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9 192 631 770個周期所持續的時 間為一個原子時秒，我們稱之為國際原子時（TAI）。 另外規定原子時起點在1958年1月1日0時（UT），即在這一瞬間，原子時和世界時重合。 協調世界時(UTC) 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建立和應用 相對于以地球自轉為基礎的世界時來說，原子時是均勻的計

58、量系統，這對于測量時間間隔非常重要。 但世界時時刻反映了地球在空間的位置，并對應于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我們熟悉且在日常生活中必不可少的時 間。 為兼顧這兩種需要，引入了協調世界時（UTC）系統。UTC在本質上還是一種原子時，因為它的秒長規定要和原子時秒長 相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。 閏秒 2.6 變電站實時時鐘的建立和應用變電站實時時鐘的建立和應用 UTC在秒長上使用原子時秒，但是在時刻上，需要通過人工干預，使其盡量靠近世界時。 這就需要對UTC進行“閏秒操作”，即每當UTC與世界時UT時刻之差接近或超過0.9秒時，在當年的6月底或12月底的 UTC時刻上增加一

59、秒或減少一秒。 67 時鐘同步的概念：時鐘同步的概念： 2.6 變電站實時時鐘的建立和應變電站實時時鐘的建立和應 用用 時間同步也稱為時間同步也稱為“對鐘對鐘”，是通過，是通過時刻比對時刻比對，將分布在，將分布在不同地方的時鐘不同地方的時鐘 的鐘面時刻值調整到的鐘面時刻值調整到一定的準確度一定的準確度或一定的符合度。前者為絕對時間同步，或一定的符合度。前者為絕對時間同步， 后者為相對時間同步。后者為相對時間同步。 時鐘同步技術是現代分布式系統的重要支撐技術之一，其目的就是要維時鐘同步技術是現代分布式系統的重要支撐技術之一，其目的就是要維 護一個全局的、統一的物理或邏輯時間，以便使得系統中的各種

60、消息、事護一個全局的、統一的物理或邏輯時間，以便使得系統中的各種消息、事 件及節點等與時間相關的過程或行為有一個全局一致的、統一的解釋和標件及節點等與時間相關的過程或行為有一個全局一致的、統一的解釋和標 記，從而確保系統中各個節點運行時在時間和邏輯上具有正確性、協調性記，從而確保系統中各個節點運行時在時間和邏輯上具有正確性、協調性 及可追溯性。及可追溯性。 數字化變電站自動化系統的時鐘同步就是要將變電站內變電站層監控主數字化變電站自動化系統的時鐘同步就是要將變電站內變電站層監控主 機、間隔層機、間隔層IED以及過程層電子式互感器、智能開關、斷路器等設備的以及過程層電子式互感器、智能開關、斷路器