交流信号采集与处理 摘要在电网监控系统中为了实现对电网的监视和控制首先
必须获得表征电网实时运行状态的遥测量值和遥信状态以便对这些
信息进行加工处理得到控制电网安全、稳定、经济的运行命令电
量变送器就是这种将电量变换为供测量用的一种电量的仪器。交流被
量进入测量装置时带有谐波干扰信号需要滤波器将其滤除。经数
据处理后的信号已成标幺值无法表明该遥测量的大小需要进行标度
变换将其变成数值以便操作人员进行监视与管理。
引言
目前数据采集量器的市场需求量很大以数据采集器为核心够成
的最小系统应用广泛高性能的数据采集器有很大的市场。伴随着计
算机领域的飞速发展数据采集与处理系统逐步渗透各个领域如医
药、化工、食品等领域的生产过程中往往需要随时检测各生产环节
的温度、湿度、流量、压力等参数。同样我们的电网监控与调度自动
化系统也需要这样的数据采集与处理装置能够适应各种恶劣的环
境及时收发反应电网的状况的信息以便自动调度保证电网系统安
全、可靠、稳定地运行。
一交流电流变送器
在电力系统监控系统中对发电厂、变电站、母线、输电线路等
回路的电流都应该加以测量。一般这些线路上的电流都很大不可能
直接进行测量因此先用电流互感器TA将大电流转换为小电流
而交流电流变送器捷成TA 的负载。图1为电流变送器与电流互感器
的连接。
(一)电流变送器原理框图
电流变送器以电流互感器二次电流作为输入信号电流输入信
号首先通过变送器内部的中间电流互感器使变送器输入与后级线路
电气隔离中间电流互感器输出电路经过一个电阻转变为电压信号。
精密交—直流变换电路将交流电压变为0—5V的直流电压经过恒流
输出电路得到0-1mA或4-20mA的直流输出信号。电流变送器的原理
框图见图2。
1中间电流互感器
在电流变送器中中间电流互感器主要起隔离作用同时也能进
一步减小输入电流值降低后级功耗。中间电流互感器的结构与普通
电流互感器相同。
2.精密交流―直流变换电路
精密交流―直流变换电路由线性整流电路和低通滤波电路组成。
采用线性整流电路可以改善由于整流二极管的非线性对交流―直流
变换线性度的影响低通滤波器消除全波整流后的工频二次以上的谐
波输出全波整流信号的平均值。
1 全波线性整流电路如图3所示
由于运算放大器的输入阻抗很大输出阻抗很小
因而负载效应
小易于级间配合。整流信号从运算反大器A1的同相端输入
并从A1输出端取得输出。
当Ui>0时Ai输出为正,V1导通V2截止其等效电路图如
图4a所示。很明显U1=Ui.对于运算放大器A2同相输入产生的输出设为U01反相输入产生的输出设为U02则 U01 =(1+R4/(R2+R3))Ui (1) U02=-R4/(R2+R3)Ui (2) 将R4=2R1=2R2=2R3代入式12得
U01=2 Ui U02=- Ui 从而Ui >0时
U0= U01+ U02 = Ui (3)
Ui <0时A1输出为负V1反偏V2导通其等效电路见图4b。
由图可得
U1=(1+R2/R1)Ui
U01=(1+R4/R3)Ui=3Ui U02=-(R4/R3)U1=-4Ui 从而Ui <0时 U0= U01 + U02 =- Ui 同时考虑式34得到 U0 =|Ui| 2有源低通滤波电路。经过全波线性整流的信号通过有源低通滤波便可以得到一个平滑的直流电压信号。图5所示为有源低通
滤波电路原理图。在这个电路中运算放大器A3的输出U03 全部
反馈到它的同相输入端从而C2两端的电压近似为U03。
3.恒压输出电路与恒流输出电路
1恒压输出电路。恒压输出电路如图6所示它是一个单位反
馈的同相放大电路。由图6可知U04=Ui。
2恒流输出电路。一般都要求变送器都能具有较好的恒流输出
因而需要有一个恒压―恒流转换电路。图7所示是输出电流为0~1mA
的恒流输出电路。它主要由一个运算放大器和两个NPN管V1、V2组
成电路的输入信号加于运放的反相输入端V1接成倒相放大V2
作为射极跟随器。电路的负载串于V2的射极。此外从V2的射极
R7的两端引出反馈信号至运放的输入端。由于运放和V1的倒相因
为引至运放反相输入的信号形成正反馈引至运放同相端输入端的信
号形成负反馈。图7可见负反馈强于正反馈输出端有恒定的电流输
出。
二交流电压变送器
各发电厂变电站的母线电压值是衡量带你王运行质量的一个重
要参数看一般要求电压的波动不能超过给定的范围否则就要对系
统就要对系统进行调节保证电能质量。因为母线电压很高不能直
接用电压变送器测量而是先通过交流电压互感器TA将高电压变
为低电压后再把交流电压变送器接成电压互感器的负载。电压互感
器和电压变送器的里昂母线电压的连接如图8所示。
交流电压变送器与交流电流变送器相似它有中间电压互感器
TV、精密交流—直流变换电路、恒压输出电路、恒流输出电路组成其
原理框图如图9所示由图2与图9对比得交流电压变送器和交流
电流变送
器的工作原理基本相同差异仅在交流输入部分。
三其他变送器
电能变送器就是将过路的电能转化为与其成正比的电脉冲信号的
一种仪表。电能变送器先将功率转变为直流电压信号再将该电压信
号转变为脉冲信号然后将脉冲信号进行分频整形输出。
微机变送器是测取电压、电流、功率、电能等电气量并以数字
量形式输出给远动装置或就地显示的系统,。微机变送器将输入信号
经相应的电压互感器或电流互感器变换成0~5V交流电压信号这些
信号输入到多路模拟电子开关。CPU经并行接口芯片将当前需要采
集的路号地址送到多路转换开关MPXMPX立即将选定的模拟电压输
出到采样保持器。采样保持器按确定的采样时序信号采集该交流信
号当保持脉冲到达后其输出信号保持不变。之后CPU发出启动
A/D转换信号A/D转换器将采样保持器输出的模拟电压换成数字量。
当A/D转换结束后A./D转换器经与非门向CPU发出A/D转换结束
信号CPU 中断当前工作经并行接口电路读得A/D转换输出数据。
CPU 再次发出选择下一路采样的地址信号到MPX, ……。这种过程在
一个交流信号周期内重复L+m×N次(其中了L,m分别为微机变送
器采集的电压电流的路数)CPU获得了一个周期内每路输入信号的N
个采样值。CPU将已采集的数据进行处理并计算出线路上的各种电
气量值。
四电力系统数据预处理
由于发电机变压器及其各种非线性负荷的作用电力系统中除
了基波之外还存在着各种次谐波这给我们希望准确地测量交流系
统的各个参数带来了困难。在交流信号采样和变换的两侧都需要滤
波。可以通过一定的计算滤除不需要的谐波量并计算出希望得到
的交流量幅值和有效值。
一一阶低通Butterworth滤波电路
低通滤波器的基本电路特点是只允许低于截止频率的信号通过。
下图a和b是用运算放大器设计的两种一阶Butterworth滤波电路的
电路。图a是反相输入一阶低通滤波器实际上就是一个积分电路
其分析方法与一阶积分电路相同。
图b是同相输入的一阶低通滤波器。根据给定的电路图可以得到
对滤波器来说更关心的是正弦稳态是的行为特性利用拉氏变
换与富氏变换的关系有
下图是上式RC=2时的幅频特性和相频特性波特图。
RC=2时一阶Butterworth低通滤波器的频率响应特性
二有源高通滤波器
高通滤波器的特点是只允许高于截止频率的信号通过。
五显示部分以显示电压值为例
1.数字电压表原理框图
被测电压
2各芯片简介 A/D
转换
MC14433
译码器
CC4511
位驱动
MC1413
显示器
1MC 14433型集成双积分式A/D转换器
输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量然后在这个
时间宽度里用计数器记时计数结果就是正比于输入模拟量的数字
量。MC14433的电路结构图如下
MC14433的各管脚功能如下
①(VAG)—电压接地端
②(VR)—基准电压外接基准电压端。MC14433的正基准电压可测量
正、负电压。
③VX :被测电压输入端MC14433为双积分型A/D转换器未知电压
与基准电压有以下关系:读数=(VX/VR)1999. 满量程的Vx=VR。满量
程:1.999V
④⑤⑥ (R1.R1/C1.C1)—外接积分电阻电容元件端
⑦⑧(C01、C02)—外接失调补偿电容端
⑨(DU)—A/D转换结果输出显示控制端如与⒁脚相联则每次转换
结果都显示. ○10○11 (CLK1、CLK0)—时钟外接元件端, 选择电阻即可设定时钟频
率如时钟频率为66kHz时外接电阻取300kΩ。 ○12 (VEE:负电源端。VEE的电流约为0.8mA驱动电流并不流经此引脚对此负电压的电源电流要求不高。 ○13 (VSS ):输出信号接地端 ○14 (EOC):转换周期结束标示输出端. ○15 OR过量程标志输出端
○16○17○18○19 :多路选通脉冲输入端DS4:个.DS3:十.DS2:百.DS1:千
位. ○20 .○21 .○22 .○23 : BCD码数据输出端. ○24 : VDD正电源端 2 MC1403
MC1403 用来稳定电压保持
MC14433的比较电压。
3 CD4511
CD4511是专用于将二-十进制代码BCD转换成七段显示信号
的专用译码器它有4位锁存器7段译码器和驱动器。
4位锁存器它的功能是将输入的端A,B,C,和D代码寄存起来
该电路具有锁存功能在锁存允许端LE端控制下起锁存作用。
当LE=1时锁存器处于锁存状态四位锁存器封锁输入此时他的
输出为前一次LE=0时输入的BCD码当LE=0时锁存器处于选通状
态输出即为输入代码。可知利用LE 端的控制作用可以将一时刻
的输入BCD码寄存下来使输出不随输入的变化而变化。
七段译码电路将来自四位锁存器的输出BCD码译成七段显示码
输出MC4511中的七段译码器有两个控制端
◇1 LT灯测试端。当LT=0时七段译码器输出全为1发光数码管
各段全亮显示当LT=1时译码器输出状态由BI控制。 ◇2 BI消隐端。当BI=0时控制译码器为全0输出发光数码管各段熄灭。BI=1时译码器正常输出发光数码管正常显示。
上述两个控制端配合使用可使译码器完成显示上的特殊功能。
驱动器利用内部设置的NPN管构成的射极
输出器加强驱动能
力使译码器输出驱动电流可达20mA.
CD4511电源电压VDD.D的范围为5V-15V,它可以与NMOS电路或
TTL兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装注意应用时输
出端不允许短路可在电路输出端外接限流电阻。
4 MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构因此具有很高的电
流增益和很高的电流阻抗可直接接受MOS或
CMOS集成电路的输出信号进而把电压信号转
化成足够大的电流信号驱动各种负载MC1413
内有7个集成开路反相器该芯片有16个引
脚每一驱动器输出端均接有一释放电感负载
能量的续流二极管。
(6)数码显示管
数码显示管里有8只发光二极管分别为a,b,c,d,e,f,g,h,其
中h为小数点每一只发光二极管都有一根电极连接到外部引脚
上而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外面的引脚上记
作公共端com.。对于共阴极数码管把阴极作为公共端当发
光二极管的阳极接高电平时发光二极管被点亮从而相应的数
码段显示。而共阳极数码管则相反阳极为公共端。
3数字电压表芯片连接电路图及原理分析
模拟信号经A/D 转换后以动态形式输出数字量输出端Q0、Q1、
Q2、Q3上的数字信号经七段译码器MC4511译码后顺序输出。位选信
号DS1~DS4通过位选开关到四位数码管同时显示并且会出现不同的
数字的效果。
由于参考电压VR=2V时满量程显示1.999V通过外接分压电
阻将信号衰减十倍后接入MC14433的输入端通过限流电阻实现对相
应相的小数点显示位置控制设定在百位和十位之间从而可使满量
程显示为19.99V.。
最高位显示时只接LED的b,c段即只显示1或不显示而
最高位的g段用来显示负号由MC14433的Q2端通过MC1413的负极
性控制g段。
参考电路图如下
六.总结
本文介绍了电压变送器、电流变送器、电能变送器等的用途
还详细介绍了自制数字电压表的各芯片的引脚及用法该电压表用来
在电压变换器后测量直流模拟电压信号即为数据的处理部分而数
据采集的部分则是通过变送器来完成。
七参考文献
蔡灿辉主编2009年通信理论与信号处理学术年会 电子工业出版
社2009.11
张永健主编电网监控与调度自动化第二版 中国电力出版社
2007.2
百度文库