2第二章 厂站遥测变送器解读

第二章厂站遥测变送器一、变送器及其类型在电网监控系统中，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深入的加工处理，形成控制电网安全、稳定和经济运行的遥控、遥调命令。

电工测量变送器（简称电量变送器）是将一种将电气量变换为供测量用的另一种电气量的仪器，因而也称电量变换器，它在电网监控系统中属首要环节，起着十分重要的作用。

在电力系统中，电量变送器可用来测量发电厂和变电站的电压、电流、有功功率、无功功率、电能、频率、直流电压、直流电流等各种电气量。

因此电量变送器可按被测电气量的不同分为以下几种：①交流电流变送器和交流电压变送器；②有功功率变送器和无功功率变送器；③有功电能变送器和无功电能变送器；④频率变送器；⑤功率因数变送器；⑥直流电流变送器和直流电压变送器。

除电量变送器外，监控系统中还需要用于非电量测量的非电量变送器，例如温度变送器，温度变送器将厂站中的变压器油温等温度变换成与之成正比的直流电压和直流电流信号。

由此可见，在电力系统中变送器的类型较多，本章仅根据电网监控的需要,介绍前三种电量变送器和温度变送器的工作原理。

二、电量变送器输入/输出信号在电力系统中，被测的电气量通常具有较高的电压或较大的电流，一般不能直接输入变送器。

此外，被测电量的量程范围很大，也不宜按量程大小选用多种量程的变送器。

例如，被测电压量程可以在不到千伏到几百千伏之间变化，被测电流量程可以在数安培至数万安培之间变化。

因此，必须通过电压互感器和电流互感器，使输入变送器的交流电压为0～120V （电压变送器输入交流电压应不大于120V），输入变送器的交流电流为0～5A（有些场合允许输入交流电流为0～1A）。

电量变送器输出信号通常采用统一的直流信号。

交流电流变送器、交流电压变送器、功率变送器的输出信号是直流电压和直流电流，电能变送器的输出信号反映电能的积算量值或反映与功率成正比的频率脉冲，对该脉冲计数就可得到电能量。

变送器输出的直流信号有多种变化范围，在电网监控系统中，为了方便与后级远动装置接口，常取直流电压作为输出信号，而对于电能变送器通常取电脉冲作为输出信号，便于远动装置的采集，智能电能表可直接输出电能的数字量。

电量变送器输入/输出信号的类型和变化范围见表2-1。

表 2-1 电量变送器输入/输出信号的类型及变化范围三、电量变送器测量误差电量变送器是对电气量进行测量的一个组成部分。

由于构成变送器的元件不是理想的，变送器电子线路设计水平和变送器使用环境影响等因素，使变送器的输出信号与输入信号之间不构成严格的比例关系，即变送器的测量误差总是存在的。

下面将主要介绍测量误差和准确等级等概念。

1.绝对误差与相对误差被测量的测得值A 与被测量的真值0A 之差称为绝对误差。

绝对误差用∆A 表示，即0∆=-A A A （2—1）然而，用绝对误差∆A 不能反映变送器的性能，变送器的性能应考察此绝对误差∆A 与其真值0A 的比值大小。

因此，一般用绝对误差∆A 与其真值0A 之比来表示测量误差，称其为相对误差ε，相对误差通常用百分比表示，即0%100%A A ε∆=⨯ （2—2）由于0A 不可得到且与实际输出值A 相差不大，相对误差ε也可改写成0%100%100%A A A Aε∆∆=⨯≈⨯ 2.引用误差与最大引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，它是相对于仪表满量程的一种误差，引用误差γ定义为测量的绝对误差与仪表的满量程值之比，引用误差也常用百分数表示。

%100%（测量范围的上限-测量范围的下限）γ∆=⨯A （2—3） 比较相对误差和引用误差的公式可知，引用误差是相对误差的一种特殊形式，用满量程值L 代替真值0A ，便于应用。

即%100%A Lγ∆=⨯ 然而，在仪表测量范围内的每个示值的绝对误差∆A 都是不同的，因此引用误差仍与仪表的具体示值有关，使用仍不方便。

为此，又引入最大引用误差的概念，它既能克服上述的不足，又更好地说明了仪表的测量精度。

在规定条件下，当被测量平稳增加或减少时，在仪表全量程内所测得各示值的绝对误差（取绝对值）的最大者与满量程值的比值之百分数，称为仪表的最大引用误差max γ。

max max %100%（测量范围的上限-测量范围的下限）γ∆=⨯A （2—4） 最大引用误差是仪表基本误差的主要形式，它能更可靠地表明仪表的测量精确度，是仪表最主要的质量指标。

3.附加误差附加误差就是测量仪器在非标准条件下所增加的误差。

额定操作条件、极限条件等都属于非标准条件。

非标准(即参考)条件下工作的测量仪器的误差，必然会比参考条件下的固有误差要大一些，这个增加的部分就是附加误差。

它主要是由于影响量超出参考条件规定的范围对测量仪器带来影响所增加的误差，即属于外界因素所造成的误差。

因此测量仪器使用时与检定、校准时因环境条件不同而引起的误差就是附加误差；测量仪器在静态条件下检定、校准，而在实际动态条件下使用，则也会带来附加误差。

4.准确度等级变送器在不同的工作点工作，其引用误差值各不相同，可以规定用全量程中允许出现的最大引用误差来表示变送器的准确度等级。

准确度等级是衡量该仪器或仪表测量精度的一个重要指标，准确度等级值越小，表明该仪器或仪表精度越高，反之亦然。

在电网监控系统中，所有变送器的准确度等级一般为0.5级。

最后必须指出，电压、电流、功率、电能等电气量的测量精度，不仅与相应的电量变送器精度有关，还与变送器接线、电压互感器、电流互感器和显示仪表的精度有关。

第一节 交流电流/交流电压变送器在电网监控系统中，对发电厂、变电站输电线路电流、变压器一侧或各测电流、母线旁路、母联、分段、分支断路器等电流都应该加以测量监视。

一般地说，这些线路上的电流都很大。

为了测量这些线路电流，必须先将线路电流接入电流互感器TA ，电流互感器将大电流线性转换为小电流，而交流电流变送器则是TA 的负载。

图2-1所示为电流变送器与电流互感器的连接方式。

输出1i图2-1电流变送器与电流互感器的连接方式一、交流电流变送器1.交流信号有效值的测量原理一个交流信号)sin()(ϕω+=t A t f m 的大小，可以用它的峰值A ｍ、平均值A 或有效值A 来表征。

在电力系统中，交流信号的大小通常是用其有效值来表示的。

交流信号sin f t A t ωϕ+ｍ（）＝（）有效值的定义为A （2—5）对于正弦信号，/A A ｍ＝在电量变送器中，通常用两种方法来测量交流信号的有效值：一是按定义直接测量其有效值；二是通过测量交流信号的平均值间接测量其有效值。

（1）有效值的直接测量在直接测量有效值的电量变送器中，测量一般采用计算型的模拟变换电路来实现，如图2-2所示。

图中第一级是接成平方电路的模拟乘法器，其输入为f t （），输出为f t ２（）。

第二级为积分器，第三级是开方器，最后输出正比于A 的电压0u t （）。

图2-2 计算型交流/直流变送器由于图2-2所示测量交流信号的有效值是按定义实现的，被测信号即使叠加高次谐波，理论上将不存在因波形失真产生的误差，测量误差仅可能由于变换器电路的非线性和有限带宽等因素而产生。

但是，这种测量有效值的方法要用到乘法器、积分器、开方器等复杂电路，成本将很高。

（2）有效值的平均值法测量这里所谓有效值的平均值法测量，是指通过测量交流信号的平均值来间接测量其有效值，按平均值的数学定义，f t （）的平均值为 1d 0 ＝（）⎰T A f t t T （2—6） 对于周期信号，T 即为周期。

对于正弦信号A ＝0。

故正弦信号的平均值一般指经全波整波后信号的平均值，即1d TA f t t T ⎰　＝（） （2—7） 将sin f t A t ωϕ+ｍ（）＝（）代入式（2-7），则22sin d 2πωωωϕππ+⎰ｍｍ0 ＝（）＝A A A t t令信号的有效值与平均值之比为波形因数F k ，即F k 有效值＝平均值 （2—8）对于正弦信号F A k A ＝ 所以 F A k A A ＝＝　1.11 （2—9）按式(2-9)测量交流信号的有效值，只需将全波整流后的信号经过低通滤波器，即可得到与有效值成正比的电压信号。

故实现相当方便。

本章介绍的交流电流变送器和交流电压变送器均采用这种方法来间接测量交流信号的有效值。

必须指出，因不同信号波形其波形因数不同，故测量含有高次谐波的正弦量的有效值时，按平均值法间接测量量将产生波形变化引起的波形误差。

2.电流变送器原理框图及其输入/输出特性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流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2-3。

图2-3 电流变送器的原理框图（1）中间电流互感器在交流电流变送器中，中间电流互感器主要起隔离作用，同时也能进一步减少输入电流的幅值，降低后级功耗。

中间电流互感器的结构与前面介绍的电流互感器相同，即两个相互绝缘的绕组绕在同一铁芯上，设一次绕组的匝数为W 1，二次绕组的匝数为W 2，则变送器输入电流I １经过中间电流互感器后的电流21I I n １＝，其中21=W n W 。

（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器组成。

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-直流转换线性度的影响，低通滤波器滤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。

（3）恒压输出电路U O I O为了降低电子电路前后级之间的负载效应，变送器的电压输出力求达到理想的效果，即很低的输出阻抗和稳定的电压输出。

恒压输出电路就是用来实现变送器电压输出的，它可以采用一个简单的单位负反馈的运算放大器构成，它能实现较理想的电压输出特性，具有很强的负载能力。

（4）恒流输出电路与设计恒压输出电路同样的考虑，为了变送器的电流输出力求达到理想的效果，即很高的输出阻抗和稳定的电流输出。

恒流输出电路就是用来实现变送器电流输出的，它可以采用运算放大器和三极管分立元件构成，其中输出级的三极管用来增强输出驱动能力，这种恒流输出电路能实现较理想的电流输出特性，具有很强的负载能力。

（5）电流变送器输入/输出特性变送器输出信号应是一种不易受干扰影响，易于进一步测量，易于传输，并可在更大范围内统一的信号。

变送器所完成的工作，就是将不同类型、不同范围的输入信号变换成这种信号。

而这种变换力求线性，即要求变送器输出信号与其输入信号成线性关系。

所有电量变送器都是线性变换器。

因此，在理想状态下，电流变送器的输入、输出特性是一条直线，如图2-4所示。