电力系统信息采集方案解析

在电网监控系统中，为了实现对电网的监视和控制，必须首先获得表征电网实时运行状态的遥测量值和遥信状态，并对这些信息进行适当加工处理，形成控制电网安全、稳定和经济运行的遥控、遥调命令。数据的收集与测量，在电网中主要由厂站端的RTU装置来完成，数据采集系统如图2-1所示。

图2-1　数据采集系统原理框图

由图2-1可见，由电力系统RTU及传感器输送的系统结构状态信息和运行状态信息通过模拟和数字量输入系统将信息传送到接口电路，然后送至调度控制中心计算机系统。其主要任务是实现对现场信号的采集处理。按其功能可分为模拟量输入、输出子系统和数字量输入、输出子系统。

模拟量子系统是计算机对电网现场的模拟量进行采集，该子系统将传感器送来的模拟信号经过信号调节，经放大、滤波、多路开关分时采样后，进行模数转换后经接口通道送至调度中心计算机系统。

模拟量输出子系统主要用来对控制设备进行调节控制，通过数模转换，有的经适当放大后，再去控制对象。

数字量输入通道用于处理生产过程中的数字信号，如开关量信号、状态信号、限值的高低后脉冲信号等。

数字量输出系统是为控制对象提供数字信号或控制其动作。当电网一些重要的开关或状态发生变化时，计算机立即处理，一般将这种状态量接入中断处理。

（一） 模拟量输入通道

模拟量输入通道由传感器或变送器、多路模拟开关、放大器、采样保持器S/H、A/D转换器以及接口和控制逻辑电路构成，如图2-2所示。

图2-2　模拟量输入通道

1.采样保持电路

时间取量化的过程称为采样。采样过程是将模拟信号f（t）首先通过采样保持器，每隔Ts秒采样一次 （定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保持电路里，供A/D转换器使用。经过采样以后的信号称为离散时间信号，它只表达时间轴上的一些离散点 （0，Ts，2Ts，…，n Ts，…）上的信号值f（0），f（Ts），…，f（nTs），…，从而得到一组特定时间下表达数值的序列。

采样电路的工作原理可由图2-3来说明。它由一个电子模拟开关AS，电容Ch以及两个阻抗变换器组成。开关AS受逻辑输入端电平控制。在高电平时AS闭合，此时，电路处于采样状态。电容Ch迅速充电或放电达到uin在采样时刻的电压值。电子模拟开关AS每隔Ts短暂闭合一次，将输入信号接通，实现一次采样。如果开关每次闭合的时间为Tc，那么采样器的输出将是一串重复周期为Ts，宽度为Tc的脉冲，而脉冲的幅度，则是重复着的在这段Tc时间内的信号幅度。

电子模拟开关AS的闭合时间应满足使Ch有足够的充电或放电时间即采样时间。显然，希望采样时间越短越好，因而应用阻抗变换器Ⅰ，它在输入端呈高阻抗，而输出阻抗很低，使Ch上的电压能迅速跟踪uin值。电子模拟开关AS打开时，电容Ch上保持着AS打开瞬间的电压值，电路处于保持状态。同样，为了提高保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器，它对Ch呈现高阻抗。而输出阻抗很低，以增强带负载能力。阻抗变换器可由运算放大器构成。

采样保持过程如图2-4所示。Tc为采样脉冲宽度，Ts为采样周期（或称采样间隔）。

图2-3　采样保持电路原理图

图2-4　采样保持过程示意图

2.采样方式

下面简略介绍在以相等时间间隔Ts为采样周期的采样方式。假设输入信号为带限信号（已通过理想低通滤波器），使用的采样频率满足采样定理的要求。

（1）单一通道的采样方式。根据采样点的位置以及采样间隔时间与输入波形在时间上对应关系，采样方式可以分为异步采样和同步采样。

1）异步采样也称定时采样。等间隔周期Ts永远保持固定不变，即Ts=常数。在自动控制技术中的采样频率fs通常取为电力系统工频f0的整数倍N，但在电力系统运行中，基频f1可能发生变化而偏离工频，事故状态下偏离甚至很严重。这时采样频率f1相对于基频f1不再是整数倍关系，即采样脉冲和输入信号位置发生异步。这种采样方式会给许多算法带来误差。

2）同步采样，也称跟踪采样。跟踪采样的采样周期Ts不再恒定，而是使采样频率f1跟踪系统基频f1的变化，始终保持fs/f1=N 为不变整数。N 的恒定通常是通过硬件或软件测取基频f1的变化，然后动态调整采样周期Ts来实现。采用跟踪采样技术后，数字滤波以及一些算法能彻底消除基频波动引起的计算误差，从而能在基频f1偏离工频很大时准确地取出当时系统的基频分量、谐波分量或序分量。跟踪采样，其采样频率fs不再是一个常数。定义当信号基频为工频时的采样频率为中心采样频率fs0。当系统频率发生变化时，采样频率fs自动在fs0上下波动。因为N=fs/f1为不变的整数，习惯上用N 作为采样频率高低的指标，并称之为每基频周期N 点采样。异步采样的fs为常数，通常取fs为工频f0的整倍数N=fs/f0，称之为每工频周期N 点采样，这时总是有fs=fs0成立。

（2）多通道采样方式。按照对各通道信号采样的相互时间关系，有同时采样、顺序采样和分组同时采样三种采样方式。

1）同时采样。在每一个采样周期对所有需要采样的各个通道的量在同一时刻一起采样叫同时采样。一般情形，保持各个（或某些个）输入离散化的同时性对自动装置才有意义。同时采样的实施技术有两种：一种是每一个通道都设置A/D转换器，同时采样后同时进行A/D转换，如图2-5所示，由于A/D转换器价格较贵，功耗较大，这样在经济上不合适；另一种广为流行方案是全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，依次A/D转换，如图2-6所示。

图2-5　同时采样，同时A/D转换

2）顺序采样。在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及A/D转换后，再开始对下一个通道进行采样叫顺序采样，其结构示意图如图2-7所示。顺序采样必然会给各通道采样值带来时间差。由于目前采用的采样器与A/D转换器的速度远大于系统基波变化速度，所以顺序采样是利用这种快速性来近似地满足同时性。当然，这只适合采样及A/D转换速度高，并且对同时性要求不高的场合。顺序采样的优点是只需一个公用的采样保持器，并且对其技术要求较低。目前采样及A/D转换板几乎都是工作在顺序采样方式。

3）分组同时采样。将所有输入通道分成若干组，组内各通道同时采样，组间人为地增加一时延再开始采样叫分组采样。

图2-6　同时采样，依次A/D转换

分组同时采样虽然会带来额外时延，但能大幅度地减少计算量和简化软件结构，不过此法显然只适用于旋转角度很小的情况，否则延时太大，将延误自动装置的动作。

3.采样频率的选择

图2-7　顺序采样，依次A/D转换

图2-4中所示采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。采样频率的选择是硬件设计中的一个关键问题，为此要综合考虑很多因素，并从中作出权衡。采样频率越高，要求CPU的速度越高。因为水电站自动化是个实时系统，数据采集系统以采样频率不断地向CPU输入数据，CPU必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种操作和运算，否则CPU将跟不上实时节拍而无法工作。相反，采样频率过低将不能真实地反映被采样信号的情况。可以证明，如果被采样信号中所含最高频率成分的频率为fmax，则要求采样频率fs＞2fmax，否则将造成频率混叠。设被采样信号x（t）中含有的最高频率为fmax，若将x（t）中这一成分xfmax（t）单独画在图2-8 （a）中，从图2-8 （b）中可以看出，当fs=fmax时，采样所看到的为一直流成分，而从图2-8 （c）中看出，当fs略大于fmax时，采样所看到的是一个差拍低频信号。这就是说，一个高于fs/2的频率成分在采样后将被错误地认为是一个低频信号，或称高频信号 “混叠”到了低频段，显然在fs＞2fmax后，将不会出现这种混叠现象。

图2-8　频率混叠示意图

因为在故障初瞬间，电压、电流中含有相当高的频率分量，为防止混叠，fs将不得不用得很高，从而对硬件速度提出过高的要求。若自动控制的原理是反映工频量时，在这种情况下可以在采样前用一个低通模拟滤波器将高频分量滤去，这样可以降低fs，从而降低对硬件提出的要求。

实际上，由于数字滤波器有许多优点，因而通常并不要求低通模拟滤波器滤掉所有的高频分量，而仅用它滤掉fs/2以上的分量，以消除频率混叠，防止高频分量混到工频附近来。低于fs/2的其他暂态频率分量，可以通过数字滤波来消除。

采样总是按一定的频率工作的，为了满足香农 （Shannon）采样定理，必须限制输入信号的最高频率，也就是说必须给予输入信号一定的带限，前置低通模拟滤波器的主要作用便在于此。

采用低通模拟滤波消除频率混叠问题后，采样频率的选择在很大程度上取决于自动控制原理和算法的要求，同时还要考虑硬件速度的问题。

（二） 数字滤波器

在微机自动控制系统中，原则上有两种形式的滤波器可供选择：一种是传统的模拟式滤波器；另一种是所谓的数字式滤波器。在采用模拟滤波器时，模拟量输入信号首先经过滤波器进行滤波处理，然后对滤波后的连续型信号进行采样、量化和计算，其基本流程如图2-9所示。而采用数字式滤波器时，则是直接对输入信号的离散采样值进行滤波计算，形成一组新的采样序列，然后根据新采样值进行参数计算，其流程如图2-10所示。

图2-9　模拟式滤波基本流程图

图2-10　数字式滤波基本流程图

自动控制装置都工作在故障发生后的最初瞬变过程中，这时的电压和电流信号由于混有衰减直流分量和复杂的谐波成分而发生严重的畸变。目前，大多数自动装置的原理是建立在反映正弦基波或某些整数倍谐波基础之上，所以滤波器一直是自动控制装置的关键器件。

就广义而言，滤波器是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。模拟滤波器是应用无源或有源电路元件组成的一个物理装置或系统。数字滤波器将输入的模拟信号x（t）经过采样和模数转换变成数字量后，进行某种数学运算，去掉信号中的无用成分，然后再经过数模转换得到模拟量输出y（t）。如果把数字滤波器框图看成一个双口网络，则就网络的输入、输出端来看，其作用和模拟滤波器完全一样。

所谓数字滤波器通常是指一种程序或算法，常用的数字滤波方法有如下。

1.算术平均滤波算法

算术平均滤波法是把连续采得的n次采样值相加，然后取算术平均值作为本次测量值，即

式中 yn——第n次滤波器输出；

xi——第i次采样值；

n——采样次数。

此方法适用于干扰是周期性的情况，n越大输出也越稳定，但灵敏度会下降。

2.加权平均滤波算法

此方法突出最近几次采样值在平均值中的比重，以提高系统对当前所受干扰的灵敏度，对不同时刻的采样值，赋以不同加权因子。它适用于纯延迟时间常数τ较大，采样周期较短的过程。

3.中值滤波法

中值滤波法就是对某一被测参数采集n次，然后把n次的采样值从小到大或从大到小依次排序，取中间值作为本次采样值。采取中值滤波，对滤去脉冲性质的干扰比较有效，但总的测量时间增长，所以一般根据实际需要取3～9次即可。

4.一阶滞后滤波法

一阶滞后滤波采用的算法是基于模拟一个RC滤波器，如图2-11所示。

由图2-11可知，RC滤波器输出y（t）与输入x（t）之间的传递函数为

其一阶微分方程为

图2-11　RC滤波器

若采样周期为Ts，式 （2-4）的差分方程为

其中，时间常数τ=RC；d y（t）=y（n）-y（n-1），d t=Ts。

整理后得

根据式（2-6）可以编制相应一阶滤波器程序，它完全可以替代图2-11的RC电路功能。从RC滤波器来看，当噪声或干扰频率很低时，需要较大电容量，在实际中有时难以实现，此时用数字滤波软件很容易实现，这种滤波方法称为惯性滤波。

（三） 模数转换器 （A/D）

A/D转换器种类很多，分类方法也不统一。若按转换数字量分类，有并行、串行、BCD等；若按转换速度分类，分为低速、中速、高速等。

由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量变为离散的数字量。下面介绍电力系统较常用的一种逐位电压反馈比较法的原理。

逐位比较法，顾名思义，是指数码设定方式是从最高位到低位逐次设定每位的数码为“1”或 “0”，并逐位将所设定的数码转换为基准电压与待转换的电压相比较，从而确定各位数码应该是“1”还是“0”。图2-12示出了一个应用一片8位A/D转换器和一个比较器实现模—数转换的基本原理的框图。

图2-12　模数转换器基本原理

当A/D转换器是在CPU的控制下，由软件来实现逐次逼近时，因其转换速度慢，实用价值并不大。水电站自动控制应用的A/D转换器都是由硬件控制电路自动进行逐次逼近的，并且整个电路都集成在一块芯片上。但从图2-12可以清楚的理解逐次逼近法A/D转换的基本原理。

图2-12的并行接口的PB0～PB7用作输出，由CPU通过该口往8位D/A转换器试探性地送数。每送一个数，CPU通过读取并行口的PA0的状态（“1”或 “0”）来试探性送的8位数相对于模拟量是偏大还是偏小。如果偏大，即A/D的输出uout大于待转换的模拟输入电压，则比较器输出 “0”，否则为 “1”。如此通过软件不断地修正送往A/D的8位二进制数，直到找到最相近的值，即为转换结果。

逼近的步骤采用二分搜索法，对于8位的转换器来说，最大可能的转换输出数为11111111，第一步试探可先试最大可能值的1/2，即试送10000000，如果比较器输出为“1”，即偏小，则可以肯定最终结果最高位必定为1；第二步应当试送11000000。如果试送10000000后比较器输出为“0”，则可以肯定最终结果最高位必定是 “0”，则第二步应送01000000。如此逐位确定，直至最低位，全部比较完成。