微机电力自动装置原理课微机电力自动装置原理课件第件第1 1章自装置及数采集章自装置及数采集第第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2第第1章章预备知识预备知识第第1章章预备知识预备知识第第1章章预备知识预备知识第第1章章预备知识预备知识第第1章章预备知识预备知识第第1章章预备知识预备知识第第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）系统结构）系统结构:如图如图1.5所示所示:它是它是一个开放式数字化系统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主接点，现场总线从接点和路由器等组成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.它可以外局域它可以外局域网输入和输出设备网输入和输出设备.B:现现场场总总线线从从接接点点:是是现现场场总总线线系系统统的的终终端端设设备备.它它能能完完成成现现场数据采集、传输和执行控制命令等功能。场数据采集、传输和执行控制命令等功能。C：路由器：路由器：起到路由、中继、数据交换等功能。：起到路由、中继、数据交换等功能。（*3）特特点点：数数字字化化开开发发系系统统，可可互互操操作作和和互互换换性性，可可建建立立大大系统系统9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信信号号采采集集处处理理软软件件；功功能能是是采采集集、量量化化、实实现现A/D转转换、数字滤波。换、数字滤波。2、运运行行参参数数设设置置软软件件：运运行行参参数数有有：采采样样通通道道、采采样样点点数、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：管理系统工作4、通通信信软软件件：通通信信协协议议、站站与与站站、站站与与上上位位机机之之间间的的数数据传输。据传输。10第第1章章预备知识预备知识总系统总系统11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对连连续续信信号号X（t),按按一一定定的的时时间间间间隔隔Ts,抽抽取取相相应应的的瞬瞬时值。时值。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(t)s2m12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、量化采采样样值值要要转转换换为为数数字字量量。可可以以是是8位位二二进进制制数数字字、16位位二二进进制制数数字。字。设设N为为数数字字量量的的二二进进制制代代码码位位数数：量量化化单单位位q定定义义为为量量化化器器满满量量程程电电压值压值UFSR与与2N的比值：的比值：q=UFSR/2N(1-12)所所以以量量化化就就是是把把采采样样信信号号的的幅幅值值与与q这这个个最最小小单单位位的的一一系系列列整整数数倍倍比比较，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示该幅值。2、编码、编码采采样样值值的的最最小小单单位位倍倍数数来来表表示示该该幅幅值值，若若二二进进制制代代码码位位数数N=8，则则用用8位位二二进进制制数数表表示示：最最小小单单位位倍倍数数为为1时时，得得二二进进制制数数为为00000001，最最小小单单位位倍倍数数为为2时时得得二二进进制制数数为为00000010，依依次次类类推推。该方法称为编码。该方法称为编码。13第第1章章预备知识预备知识3、量化误差、量化误差（1）含含义义：因因为为采采用用了了（采采样样值值的的最最小小单单位位倍倍数数来来表表示示该该幅幅值值）转转换换成成的的二二进进制制数数：使使得得其其与与实实际际值值之之间间存存在误差，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：所所以以，量量化化产产生生的的最最大大误误差差为为正正负负1/2LSB。LSB为为二二进制数最低有效位，（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。14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、系系统统组组成成：由由图图1.8可可知知:A/D转转换换装装置置是是由由比比较较器器、D/A转转换换器器、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元组成。2、工作原理：、工作原理：转转换换命命令令发发出出-，逐逐次次逼逼近近奇奇存存器器SAR首首先先清清0，接接着着最最高高位位置置1，其其余余位位置置0，此此数数输输送送到到D/A转转换换装装置置，转转换换为为电电压压Uf,Uf输输送送到到比比较较器器的的输输入入端端与与实实际际电电压压UA比比较较，如如果果UAUf,则则保保留留SAR最最高高位位为为1,反反之之更更改改为为0。然然后后对对次次高高位位进进行行转转换换,重重复复以以上上的的交交换换操操作作,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：(1110010.1010100)2就为转换结果。就为转换结果。15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说说明明：当当采采用用变变送送器器时时，其其输输出出直直流流量量可可与与实实际际输输入入的的直直流流量量相相对对应应；当当进进行行交交流流采采样样时时，要要进进行进一步处理。行进一步处理。一、交流电量计算一、交流电量计算以以电电压压量量计计算算为为例例：如如果果每每周周期期采采样样N次次，测测得得第第K次次采采样样时时的的电电压压基基频频分分量量的的F氏氏余余系系数数UR和正系数和正系数U1分别如下：分别如下：16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: :17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)18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、有功功率和无功功率的计算对对于于三三相相功功率率的的计计算算与与三三相相功功率率表表的的接接法法有有关关：三三相相功功率率表表的接法有的接法有“三表法三表法”和和“俩表法俩表法”：（1）采采用用“三三表表法法”时时，必必须须采采集集A、B、C三三相相电电流流和和电电压压，所所以以用下标用下标A、B、C代表三相，代表三相，R、I分别代表付氏正弦和余弦系数。分别代表付氏正弦和余弦系数。视在功率为：视在功率为：有功功率和无功功率为有功功率和无功功率为19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视在功率、有功和无功功率分别为（其中电流、电压为有效值）；其中电流、电压为有效值）；20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21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ii和外功角和外功角a a 如上图所示。如上图所示。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:22第第1章章预备知识预备知识23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。（二二）数数字字滤滤波波方方法法：有有算算术术平平均均法法，加加权权平平均均法法，一一阶绨归法，阶绨归法，24第第1章章预备知识预备知识三表法三表法25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26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）相码）相符。符。英文字母英文字母AZ的的ASCII码从码从1000001（41H）开始顺序）开始顺序递增，字母递增，字母az的的ASCII码从码从1100001（61H）开始顺序）开始顺序递增，递增，这样的排列对信息检索十分有利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。27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二二进进制制加加法法与与十十进进制制加加法法相相类类似似，所所不不同同的的是是，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=01+0=10+1=11+1=0并进位并进位28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+1000111010100001129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=01-0=11-1=00-1=1有借位有借位当当不不够够减减时时需需要要借借位位，高高位位的的1等等于于下下一一位位的的2，即即“借一当二借一当二”。例如，两个二进制数相减：。例如，两个二进制数相减：10110100-010101110101110130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二二进进制制乘乘法法与与十十进进制制乘乘法法是是一一样样的的。但但因因为为二二进进制制数数只只由由0和和1构构成成，因因此此，二二进进制制乘乘法法更更简简单单。其其法法则如下：则如下：00=010=001=011=131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)10101.1乘数乘数(5.5)10110111101100000+110111001010.01乘积乘积(74.25)1032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)101101乘数乘数(13)10101100001011+101110001111乘积乘积(143)1033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二二进进制制除除法法是是乘乘法法的的逆逆运运算算，其其方方法法与与十十进进制制除除法法是是一一样样的的，而而且且二二进进制制数数仅仅由由0，1构构成成，做做起起来来更更简简单单。例如，求二进制数例如，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：110.1110100111110111110110110034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=(00101101)2符号符号位数值位数值35第第1章章预备知识预备知识(-45)10=(10101101)2符号位符号位数值数值2.反码法反码法在在计计算算机机的的早早期期，曾曾采采用用反反码码法法来来表表示示带带符符号号的的数。数。对于正数，其反码与其原码相同对于正数，其反码与其原码相同。例如：例如：(+45)10=(00101101)2也就是说也就是说正数用符号位与数值凑到一起来表示正数用符号位与数值凑到一起来表示。36第第1章章预备知识预备知识对对于于负负数数，用用相相应应正正数数的的原原码码各各位位取取反反来来表表示示，包包括括将将符符号号位位取取反反，取取反反的的含含义义就就是是将将0变变为为1，将将1变变为为0。例例如如，(-45)10的的反反码码表表示示就就是是将将上上面面(+45)10的的二二进制数各位取反：进制数各位取反：(-45)10=(11010010)237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)238第第1章章预备知识预备知识3.补码法补码法在在微微处处理理机机中中，符符号号数数是是用用补补码码(对对2的的补补码码)来来表表示示的的。用用补补码码法法表表示示带带符符号号数数的的法法则则是是：正正数数的的表表示示方方法法与与原原码码法法和和反反码码法法一一样样；负负数数的的表表示示方方法法为为该该负负数的反码表示加数的反码表示加1。 例例如如，(+4)10的的补补码码表表示示为为(00000100)2，而而(-4)10用用补补码码表表示示时时，可可先先求求其其反反码码表表示示(11111011)2，而而后后再再在在其其最最低低位位加加1，变变为为(11111100)2。这这就就是是(-4)10的的补码表示，即补码表示，即(-4)10=(11111100)2。39第第1章章预备知识预备知识同同样样，我我们们把把前前面面提提到到的的几几个个数数的的补补码码表表示示列列在在下面供参考：下面供参考：(+7)10=(00000111)2(-7)10=(11111001)2(+122)10=(01111010)2(-122)10=(10000110)240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例如如，有有两两个个二二进进制制数数10000100和和00001110，当当规规定定它它们们是是不不带带符符号号的的数数时时，则则它它们们分分别别表表示示(132)10和和(14)10。将这两个二进制数相加：。将这两个二进制数相加：10000100+0000111010010010（146）1041第第1章章预备知识预备知识在在微微处处理理器器中中，一一般般都都不不设设置置专专门门的的减减法法电电路路。遇遇到到两两个个数数相相减减时时，处处理理器器就就自自动动地地将将减减数数取取补补，而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。例例如如，(69)10(26)10=?可可以以写写成成(69)10+(-26)10。利利用用(69)10的的原原码码和和(26)10的的补补码码相相加加，即即可可以以得得到到正正确确的的结果。结果。42第第1章章预备知识预备知识必必须须注注意意两两个个同同符符号号的的数数相相加加时时，结结果果不不能能超超过过规规定的数值范围，否则产生定的数值范围，否则产生溢出溢出。例例如如，两两个个带带符符号号的的数数(01000001)2(十十进进制制数数+65)与与(01000011)2(十进制数十进制数+67)相加：相加：01000001+0100001110000100再再来来看看两两个个负负数数(10001000)2和和(11101110)2的的相相加加情情况。况。10001000+1110111001110110143第第1章章预备知识预备知识此此外外，在在微微处处理理机机中中还还会会遇遇到到不不带带符符号号数数的的运运算算。例如，两个例如，两个无符号数无符号数(11111101)2和和(00000011)2相加：相加：11111101+0000001100000000144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当小小数数点点固固定定在在最最高高有有效效位位的的前前面面时时，定定点点数数为为纯纯小数，其格式为：小数，其格式为：符号符号MSBLSB 小数点 数码 45第第1章章预备知识预备知识2.数的浮点表示法数的浮点表示法在十进制中，一个数可以写成多种表示形式。例如，在十进制中，一个数可以写成多种表示形式。例如，83.125可写成可写成1020.83125，1030.083125,1040.0083125等等。等等。同样，一个二进制数，也可以写成多种表示形式。同样，一个二进制数，也可以写成多种表示形式。例如，二进制数例如，二进制数1011.10101可以写成可以写成240.101110101,250.0101110101,260.00101110101等等。可以看出，等等。可以看出，一一个二进制数能够用一种普遍的形式来表示：个二进制数能够用一种普遍的形式来表示：2EF46第第1章章预备知识预备知识其其中中E称称为为阶阶码码，F叫叫做做尾尾数数。我我们们把把用用阶阶码码和和尾尾数数表表示示的的数数叫叫做做浮浮点点数数，这这种种表表示示数数的的方方法法称称为为浮浮点点表示法。表示法。在在浮浮点点表表示示法法中中，阶阶码码通通常常为为带带符符号号的的整整数数，尾尾数为带符号的纯小数数为带符号的纯小数。浮点数的表示格式如下：。浮点数的表示格式如下：数符数符阶符阶符阶码阶码尾数尾数小数点 47第第1章章预备知识预备知识很很明明显显，浮浮点点数数的的表表示示不不是是唯唯一一的的。当当小小数数点点的的位位置置改改变变时时，阶阶码码也也随随着着相相应应改改变变，可可以以用用多多种种形形式式来表示同一数。来表示同一数。可见，若浮点数的表示格式为可见，若浮点数的表示格式为符号符号阶码阶码符号符号尾数尾数1位R位1位P位 则可以看到，用这种编码所能表示的数的数值则可以看到，用这种编码所能表示的数的数值范围为范围为数值 48第第1章章预备知识预备知识前前面面的的二二进进制制数数1011.10101可可以以用用包包括括符符号号在在内内的的8位阶码，位阶码，16位尾数的规格化形式表示如下：位尾数的规格化形式表示如下：000001000101110101000000阶符 阶码 尾符 小数点 尾数 49