电器智能化原理及应用第4章.ppt
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第第4章章被测模拟量的信号分析被测模拟量的信号分析与处理与处理概述概述被测模拟量的采样数据是智能电器监控器处理数据的来源,也是完成各种功能的基础。
采样数据处理的意义采样数据处理的意义直接影响智能电器测量和保护的精度。
关系一次开关元件操作的准确性和智能电器自身及其监控和保护对象安全、可靠运行。
概述概述本章是智能电器监控器处理现场参量的算法基础,与软件设计有关。
主要内容有1.如何正确选择被测模拟量的采样方法和采样频率。
2.对采样结果的预处理方法。
3.实现测量和保护功能的基本算法。
4.智能电器处理与测量和保护相关的数据时引起的误差及分析。
4.1被测模拟量的信号分类被测模拟量的信号分类被测参量的采样结果,是监控器获得的各种信息的载体,也是智能电器完成要求功能的基本依据。
模拟参量信号的类型模拟参量信号的类型根据是否能用确定的函数形式描述其信号波形,被测模拟参量的信号可分为两类。
模拟参量信号的类型模拟参量信号的类型信号分类示意图信号分类示意图模拟参量信号的类型模拟参量信号的类型(11)确定性信号)确定性信号能用明确的函数关系来表达按函数的周期性分为周期和非周期两种。
特征特征对理想的、稳定的确定性信号进行反复测量,总能得到一致的结果。
(22)非确定性信号)非确定性信号(非规律信号)不能用明确的函数关系来表达。
根据信号变化的稳定性分为平稳和非平稳两种。
平稳的非确定性信号是不能用确定的函数形式描述其信号波形的缓慢变化模拟量。
非平稳的非确定性信号是随机信号。
特征特征都是不可能得到重复测量结果的信号。
信号的处理方法信号的处理方法在智能电器监控器设计中,确定性信号与平稳的非确定性信号通过模拟量通道输入,由中央控制模块采样并处理。
非平稳的非确定性信号需要通过物理电路滤波器(硬件)或数字滤波(软件)进行处理。
4.2被测模拟量采样及采样速率的确定被测模拟量采样及采样速率的确定概述概述运行现场的各种模拟参量经传感器和调理电路,变换成能被采样环节采样的模拟量电压信号。
对电量和非电量信号采样和处理方法不同。
电量信号电量信号正常运行和过载时的电压、电流可认为是角频率为电网角频率的正弦周期函数。
短路电流是非正弦、非周期函数。
概述概述/电量信号电量信号电量信号被采样后,都能用相应的数值算法对采样结果进行处理。
正常运行的电参量采样结果主要用于智能电器的测量和运行状态监测。
故障时的采样结果用作保护操作及管理人员进行事故分析。
电参量采用直接交流采样,每个电源周期采样点数直接影响处理结果精度。
概述概述非电量信号非电量信号非电量对时间的变化缓慢,且与现场环境(空间大小、温度等)因素有关,很难用精确的函数表达式来描述。
采样的方法、采样的速率与电参量不同,采样结果的处理算法也不同。
4.2.1采样速率对测量结果的影响分析采样速率对测量结果的影响分析智能电器监控器完成监控和保护功能,是通过对被测模拟量信号的采样结果进行数字处理实现的。
对周期变化的模拟量信号采样时,采样速率与最终的处理结果精度有密切的关系。
1.交流电参量采样速率对智能监控器的影响交流电参量采样速率对智能监控器的影响周期变化的交流信号的采样速率不仅与被测参量处理结果有关,也影响监控器的设计。
交流电参量采样速率对智能监控器的影响交流电参量采样速率对智能监控器的影响11)高速率采样)高速率采样在对电量信号采用直接交流采样时,采样速率越高,一个周期中的采样点数越多,测量精度越高。
要求A/D转换速率高,数据存贮量大,内存容量增加。
处理器件处理工作量增加,处理速度和处理能力必须提高,软件开发工作难度加大。
监控器成本增加。
交流电参量采样速率对智能监控器的影响交流电参量采样速率对智能监控器的影响22)低速率采样)低速率采样采样结果无法重新复现原始模拟信号的基本特征,数值计算的方法误差增大,处理结果误差增加甚至错误。
2.采样的基本概念采样的基本概念采样就是用周期为TS的离散时间变量替代连续的时间变量(模拟量)。
这个离散时间变量必须包含原始模拟量信号的基本信息。
采样的基本概念采样的基本概念x(t):
被测模拟信号;TS:
采样周期;y(t):
采样结果;r:
采样持续时间。
采样示意图设s(t)为采样函数。
采样结果s(t)=1(nTStnTS+r);s(t)=0(nTS+rt(n+1)TS)n=0,1,2采样的基本概念采样的基本概念采样持续时间远小于采样周期TS,可以近似认为r0,采样函数成为冲击函数(t)。
采样结果变y(t)变为由冲击函数组成的离散时间序列。
采样的基本概念采样的基本概念采样后,被测连续时间变量成为离散时间序列,两者都是时间函数。
当离散时间序列包含被测连续时间变量的全部或主要特征,采样值的处理结果就能基本反映被测量的值。
采样结果判断采样结果判断分析连续函数和对应离散函数的频率特性。
若离散函数的频谱分布完全或基本保留了原始函数频谱的特征,采样结果正确3.采样结果能原样恢复原始连续信号的条件采样结果能原样恢复原始连续信号的条件基本分析方法基本分析方法用傅里叶变换把原始连续信号与它的采样序列从时域变换到频域,分析它们的傅里叶像函数。
假定一个连续时间函数FX的傅里叶像函数是FX();按S的频率对函数FX采样,得到的离散时间序列FY的傅里叶像函数为FY()。
采样结果能原样恢复原始连续信号的条件采样结果能原样恢复原始连续信号的条件/基本分析方法基本分析方法C为FX()的截止频率,取值必须保证不影响原函数的基本特征。
当CS/2时,FY()是一个角频率为S的周期函数,每个周期基本重复C区间内原始信号的像函数。
采样结果能原样恢复原始连续信号的条件采样结果能原样恢复原始连续信号的条件/基本分析方法基本分析方法当采样频率S2C时,采样结果的傅立叶变换像函数图形将分别变为采样结果能原样恢复原始连续信号的条件采样结果能原样恢复原始连续信号的条件/基本分析方法基本分析方法结论结论截止频率C确定后,采样频率S是采样结果能使原始信号复现的重要参数,也是影响数字测量准确度的重要因素之一。
当S2C,采样结果的傅立叶变换像函数基本保持了原始信号频谱的基本特征,能够复原该原始信号。
采样结果能原样恢复原始连续信号的条件采样结果能原样恢复原始连续信号的条件/结论结论当S2C,采样结果的傅立叶变换像函数中,将会出现相邻采样周期原始信号像函数的重叠,即所谓的“混叠效应”。
这种情况下,采样结果就失去了原始函数的基本特征,将无法复现原始信号。
4.2.2采样频率的选择采样频率的选择以上分析表明,为了使采样结果能复现原始信号,必须正确地选择采样速率。
香农香农(Shannon)(Shannon)采样定理采样定理只有采样频率大于或等于原始信号频谱中最高频率的两倍,采样结果能复现原始信号的特征。
实际应用中,在确定采样频率时,首先应分析被测信号,确定截止频率。
香农香农(Shannon)(Shannon)采样定理采样定理截止频率截止频率为保证原始信号基本特征需要保留的最高次谐波的次数。
Shannon采样定理的表达式采样定理的表达式采样定理表明采样定理表明要保证监控器对现场参量的测量精度,采样频率必须满足采样定理。
香农香农(Shannon)(Shannon)采样定理采样定理C是保证被测参量原始信基本号特征需考虑的信号频谱中的最高频率。
确定被测信号的截止频率C,是正确选择采样频率的关键因素。
在C区间内,其傅立叶变换像函数应具有原始信号的基本特征。
C越高,越能真实地反映被测参量的原貌,处理结果精度越高。
香农香农(Shannon)(Shannon)采样定理采样定理提高提高CC存在的问题存在的问题采样频率必须提高。
选用的S/H捕捉时间要小,A/D器件转换速度、处理器性能必须提高,内存容量要加大,硬件和软件设计成本增加。
C的选择,必须综合考虑测量、保护精度要求及监控器硬件和软件的成本,针对不同应用场合正确选择。
4.3数字滤波数字滤波数字滤波的目的数字滤波的目的受到运行环境中的电磁干扰,信号经调理环节滤波后进入中央控制模块时,仍存在周期性或不规则的随机干扰。
在软件设计中必须采取消除措施。
最常用的方法是数字滤波。
常用的数字滤波算法常用的数字滤波算法一阶滞后滤波算法(智能电器不能用)程序判断滤波平均值滤波算术平均滤波滑动平均滤波防止脉冲干扰的滤波中值滤波(基本不用)1程序判断滤波法程序判断滤波法由经验确定被测信号连续两次采样值可能出现的最大偏差Y;求本次采样值与上次采样值之间的差是否超过Y,不超过则保留本次采样值,否则用上次采样结果替代本次采样值。
用于测量电量信号时,Yk-1为前一周期同一采样点的值。
2.平均值滤波平均值滤波常见的有算术平均值滤波、滑动平均滤波、加权平均滤波和防止脉冲干扰的滤波。
(1)算术平均滤波)算术平均滤波采用这种滤波,对每个采样点连续采样N个数据,用这N个数据的算术平均值Y作为本次采样点值。
平均值滤波平均值滤波/算术平均滤波算术平均滤波特点特点适用于对一般的具有随机干扰的信号滤波。
N越大,滤波效果越好。
作为电量信号滤波时,对A/D转换器性能要求高,内存容量增加明显,处理器件工作量相应增大。
(2)滑动平均滤波)滑动平均滤波滑动平均值算法是对算术平均算法的一种改进。
处理步骤处理步骤设一个长度为N的数据队列,依次存放N个数据。
队尾的数据是队列中前(N-1)个数据与本次采样的结果的算术平均值。
平均值滤波平均值滤波/滑动平均滤波滑动平均滤波/处理步骤处理步骤每进行一次采样,先把原来队列中的数据依次前移,除去原来队首的数据,保留(N-1)个数据。
重新计算队列中数据与本次采样值的算术平均值,存入队尾作本次采样值。
特点特点每个采样点只进行一次采样就能得到当前采样结果。
平均值滤波平均值滤波/滑动平均滤波滑动平均滤波/特点特点两次采样之间信号变化必须很小。
采样周期确定后,算法的实时性取决于数据队列的长度N。
不宜处理智能电器工作现场的电参量信号采样值。
(3)防止脉冲干扰的平均滤波算法防止脉冲干扰的平均滤波算法也是算术平均滤波算法的修正。
处理速度快,可用于电量测量的数字滤波。
平均值滤波平均值滤波/防止脉冲干扰的平均滤波算法防止脉冲干扰的平均滤波算法实现方法实现方法从当前采样点的N个采样数据中去掉一个最大值和一个最小值,计算余下的N-2个采样数据的算术平均值。
特点特点可以滤去正极性和负极性的脉冲干扰,对随机干扰也有较好的滤波效果。
计算方便,速度快,数据存贮量小。
4.4非线性传感器测量结果的数字化处理非线性传感器测量结果的数字化处理问题的提出问题的提出输入通道中传感器变换特性的非线性,将加重处理器件从采样数据求取被测模拟量结果时的处理负担。
电量传感器电量传感器在其规定的输入范围内基本线性。
非电量传感器非电量传感器多数是非线性。
输入通道非线性的补偿方法输入通道非线性的补偿方法硬件补偿法硬件补偿法输入通道中加入补偿电路,使被测量与输入A/D的模拟信号间的关系变成线性。
软件补偿法软件补偿法根据A/D采样结果求被测量实际值时,用程序对被测信号与A/D输入之间的非线性进行补偿。
常用软件补偿方法常用软件补偿方法直接计算法查表法插值法拟合法插值法与拟合法计算工作量大,不适合实时性要求高的智能电器的数据处理。
4.4.1直接计算法直接计算法适用条件适用条件传感器的输入/输出间有确定数学关系。
方法方法编制一段实现数学表达式的计算程序,直接对传感器输出的采样结果进行计算。
例如一个NTC热敏电阻,当前工作温度T对应的电阻值为R,环境温度T0下的电阻值为R0,与传感器材料有关的系数为B。
直接计算法直接计算法/方法方法已知R与温度T的关系式为传感器输出电阻值经调理后得到与之成正比的电压U=KR,可得当前被测温度T与电压U之间的关系为直接计算法直接计算法/方法方法采用直接计算法补偿非线性,需要根据R与U的关系式编制算法程序,由电压U的采样结果求解。
使用中存在的困难使用中存在的困难非线性传感器输入/输出的函数表达式一般
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- 电器 智能化 原理 应用