水电站计算机监控技术(第3章)

第三章 计算机监控系统的数据采集与处理
第一节 数据采集与处理的作用和分类
数据采集是指将生产过程的物理量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

水电站计算机监控系统的数据采集系统的任务，就是采集各类传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机；计算机根据需要进行相应的计算、处理并输出，以便实现对水电站生产过程的自动监控。

一、监控系统采集数据的分类
在水电厂计算机监控系统中，数据采集与处理主要是实现现场过程和系统有关环境的监视和控制信号的收集、处理和传输。

监控系统所采集和处理的数据大致可包含如下类型：
1、输入模拟量。

它是指将现场的电气量和非电气量直接或经过变换后输入到计算机系统的接口设备的模拟量,适合水电厂计算机监控系统的输入模拟量参数范围包括0～5V(dc)、0～10V(dc)、0～20mA、±5V(dc)、±10V(dc)、±20mA、4～20mA等几种；
2、输出模拟量。

它是计算机系统接口设备输出的模拟量，水电厂中适用的典型参数为4～20mA或0～10V(dc)；
3、输入开关量。

它是指过程设备的状态或位置的指示信号输入到计算机系统接口设备的数字量(开关量)，此类数字输入量一般使用一位“0”或“1”表示两个状态；
4、输出开关量。

它是指计算机系统接口设备输出的监视或控制的数字量，在电厂控制中为了安全可靠，一般输出开关量是经过继电器隔离的；
5、输入脉冲量。

它是指过程设备的脉冲信息输入到计算机系统接口设备，由计算机系统进行脉冲累加的一位数字量，但其处理和传输又属模拟量类型；
6、数字输入BCD码。

它是将BCD码制数字型的输入模拟量输入到计算机系统接口设备,一个BCD码输入模拟量一般要占用16位数字量输入通道；
7、数字输入事件顺序记录SOE(Sequence Of Events)量。

它是指将数字输入状态量定义成事件信息量,要求计算机系统接口设备记录输入量的状态变化及其变化发生的精确时间,一般应能满足5ms分辨率要求；
8、外部数据报文。

它是将过程设备或外部系统的数据信息以异步或同步报文通过串行接口与计算机系统交换的数据。

二、水电厂的信息源
水电厂的信息源可按信息类别、设备对象、控制系统结构划分，下面按设备对象划分介绍水电厂信息源：
1、发电机组提供的信息源有：机组电气测量与机组运行监视信息、发电机组继电保护信息、定子绕组及铁芯温度、推力轴承和导轴承温度、轴承油温、空气冷却器进出口的水和空气温度、轴承油位、轴承的振动与摆度、
推力轴承高压油系统、机组冷却系统、制动系统等；
2、调速器系统提供的信息源有：机组转速接点、过速保护、导叶开度、导叶限制位置、开停机电磁阀位置、功率反馈设定、水位反馈设定、压油罐油压、压油罐油位、机组转速测量、调速器运行方式、调速器设备监视等监视控制信息；
3、发电机励磁设备提供的信息有励磁主回路测量、励磁设备监视、励磁设备的保护等；
4、机组/变压器断路器和开关提供的信息有主断路器位置、隔离开关位置、接地开关位置、SF6全封闭组合电器GIS气压监视、断路器和隔离刀闸操作设备的监视、各线路的电气测量监视；
5、厂用交直流电源设备提供的信息有厂用变压器高低压测的电气测量和监视、断路器位置信息、厂用电源备自投监视、厂用直流系统监视；
6、开关站设备提供的信息有线路和母线电气测量、断路器位置、隔离刀闸位置、接地刀闸位置、GIS气压监视、断路器刀闸操作设备的监视、开关站继电保护设备启动复归监视；
7、水轮机和水泵设备提供的信息有导轴承温度、导轴承油温、导轴承油位、轴密封水流、轴冷却水流、轴空气围带气压、轴振动、导叶剪断销、导叶位置、锁定位置、桨叶位置、蜗壳水压、尾水管水位、水轮机润滑系统等监视；
8、公用设备提供的信息有高压空压机系统监视、低压空压机系统监视、渗漏排水系统监视、检修排水系统监视、技术供水系统监视；
9、引水系统设备提供的信息进水口闸门位置、进水阀位置、压力管道压力、平压阀门位置、上下游水位、引水管流量、引水系统控制设备控制信息等。

水电厂信息源包含大量信息，根据其特征可以分为：
电气模拟量：包括电流、电压、功率、频率等，这类模拟量的主要特征是瞬时变化能力，其测量要具有较快的效应能力。

另外这类变量中可以找到直接的关联。

非电气模拟量：包括温度、压力、液位、位移、流量、振动等非电气模拟量经各类变换器变换成的电气模拟量，它们的特征是大多数变化过程较缓慢。

大部分非电气模拟量是作为运行设备的状况监视，要设定越限报警。

数字输入量：主要有数字状态类型、数字报警点类型、时间顺序点类型、脉冲累加点类型、BCD码类型。

三、水电厂数据采集的要求
数据采集给水电厂计算机监控系统提供大量的过程信息，它是综合自动化系统最基本的功能，采集功能的好坏直接影响整个系统的品质。

为实现监控任务，水电厂数据采集需满足下列几个方面的要求。

（一）实时性
1、对电气模拟量采集实时性的要求
一般情况下，通过直流电压（或电流）变送器进行电量有效值采集的采样周期不大于1s，提高到更短的采样周期更利于实现系统的实时性。

通过交流采样方式进行电量采集电量瞬时值或波形，采样周期一般不超过2ms。

2、对非电气模拟量采集实时性的要求
对那些需作出快速反应的非电气模拟量，如轴承温度、气压水压、振动摆度、发电机气隙和流量等采样不大于1s或者小于1s。

其他大多数非电气模拟量的采样周期可大于1s，但不超过2s。

3、对数字量采集实时性的要求
对于数字状态点、数字报警点、脉冲累计点和BCD码的采集周期一般要求不大于1s，实际上提高采样周期并不困难，尽可能提高一些将对系统实时性更为有利。

对于SOE点的采集应有很快的响应，一般要用中断方式，如用周期方式则采样周期应满足事件顺序分辨率的要求。

（二）可靠性
电力生产过程中数据采集会出现各种干扰信号，采集数据失真，严重时会破坏系统，要求对数据通道、数据接口设备和接地等硬件设备应采取有效的措施，防止干扰；软件方面也要采用防错纠错的手段。

下面是DL/T 5065——1996规定的相应最低限度值。

1、对模拟量输入通道的可靠性要求
模拟量输入通道的抗干扰水平应达到：
（1）共模电压大于200VDC或AC峰值；
（2）共模干扰抑制比（CMRR）大于90dB直流到交流50HZ；
（3）常模干扰抑制比 (NMRR) 大于60dB交流 50HZ；
（4）抗静电干扰（ESD）大于2KV。

2、对数字输入通道的可靠性要求
数字输入通道的抗干扰水平应达到：
（1）浪涌抑制能力（SMC）大于1KV；
（2）抗静电干扰大于2KV；
（3）防止输入接点抖动应采用硬件和软件滤波，防抖时间约25ms；
（4）抗静电干扰（ESD）大于2KV。

（三）准确性
数据采集中，对于模拟量数据，准确性即测量精度，它是两个方面的综合值，一是模数转换的精度，包括受环境温度变化的影响；另一方面是模拟量变换器的精度。

其综合精度需满足生产过程监控的准确性要求。

对于数字量数据准确性要求除状态输入变化稳定可靠外，对数字SOE点
还需要有状态变化的精确时间标记，其基准时钟应该是满足精度要求的。

（四）简易性
数据采集随数据类型、数据量的不同使其复杂程度有所不同，为实现数据采集功能所配置的硬软件设备，需具有简易性，包括模件类型或容量增减方便，及维护测试方便。

（五）灵活性
根据综合自动化系统的总体要求，对数据采集功能和性能可能有不同的要求或有修改变化的要求，如改变采样周期时间、改变报警级别、改变限定值、改变死区值等，数据采集系统可灵活设置满足上述变化要求。

四、水电厂常用的自动化元件
水电厂常用的自动化元件主要包括交流电压变送器、交流电流变送器、功率变送器、直流电压变送器、直流电流变送器、压力变送器、液位变送器、流量变送器、位移变送器等。

这些变送器的输出有电压型和电流型两种，对应输出电压范围：0～5V/0～10V、—10V～10V、4～20mA等，位置元件是开关的辅助接点、位置接点等。

有关介绍见附录Ⅱ。

在计算机监控系统中，为了实现对生产过程的监测和控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息传递和变换的连接通道，这个通道称为过程通道。

对于计算机监控系统而言，主要包括有模拟量输人、模拟量输出、开关量输入、开关量输出四类物理量信息连接的通道。

第二节 模拟量的输入与输出
一、模拟量输入与输出通道
模拟量的输入与输出通道，是计算机监控的一个重要组成部分。

模拟量输入通道是将生产过程的模拟量转换成计算机可以识别的二进制数后传送给计算机的通道。

模拟量输出通道是将计算机发出的控制信息传送给执行机构的通道。

1、模拟量输入通道
模拟量输入通道一般由传感器、标度变换器、多路采样切换器、采样保持器、数字放大器，A/D转换器及控制电路等部分组成，如图3—1所示。

传感器能把现场的非电量转换成为电量，例如把控制现场的温度、压力、位移、流量、转速等非电量转换成为相应的电信号。

变送器能把控制现场的电量转换成为便于进行A/D转换的电信号，例如把发电机的电压、电流、有功功率、无功功率、频率等转换成为0～5V或0～10mA的电信号，以便 A/D 转换器对这些电量进行模一数转换。

标度变换器，是将生产现场经不同途径送来的不同量值的模拟信号变换
成统一电平信号的转换电路，以便用标准的A/D转换器进行模一数转换。

在生产过程中，被控制的参数有不同的量纲和变化范围，例如压力的单位是P
，
a 压力变送器输出的电信号是0～10mA或4～20mA，而热电偶所测的是温度，
图3—1 模拟量输入通道的构成
单位是℃，输出的信号为10～40mV。

这些参差不齐的输出电量，是不能直接送入A/D转换器的，必须把它们变换成为标准的电压，例如统一变成0～5V 或0～10V的直流电压。

标度变换器可以完成将不同电平的输入信号变换成为统一电平信号的任务。

对于各种不同的信号，标度变换器的电路结构是不同的，有的只是一个简单的电阻分压器，有的是一个电阻网络，有的是平衡电桥。

标度变换器的电路采用哪一种形式，只能由实际被测量对象及测量要求来决定。

电路并不是越复杂越好，恰恰相反，能用简便的电路去解决实际问题才算是好的电路。

并不是所有的被测对象都需要标度变换器，如果由现场测得的电量已经满足A/D转换器的输入要求，就可以不设置标度变换器。

多路采样切换器实质上是一个多路模拟开关，它可以是电子模拟开关，也可以是机械开关如继电器。

它能依次地或随机地将各输入信号接通到公用的放大器或A/D转换器上去。

放大器的作用足将采样得来的电压信号放大到A/D转换器所要求的输入电平，而A/D转换器则是模拟量输入通道的关键元件，它负责将模拟信号转换成为微型计算机能识别的数字信号。

一般只设一个A/D转换器，利用多路开关使各模拟信号依次接通A/D转换器，在主计算机的控制下实行分时模一数转换，并把转换后的数字信号送入计算机。

2、模拟量输出通道
模拟量输出通道是计算机给控制对象输出控制信号的通道。

利用该通道，把计算机输出的二进制代码的控制信号转换为相应的模拟信号，用这个模拟信号去控制有关设备。

例如，计算机送给调速器或励磁装置的有功功率给定信号或无功功率给定信号就可由模拟量输出通道送出。

模拟量输出通道一般由D/A转换、通道选择和输出保持电路等三部分组
成。

模拟量输出通道有两种基本形式。

一种是具有一个公共D/A 转换器的输出通道，如图3-2所示。

这种通道的优点是只用一个D/A 转换器。

但由于只用一个D/A 转换器，所以整个通道必须在计算机的控制下，依次对各路输入信号进行 D/A 转换。

这样带来的必然缺点是转换速度慢，可靠性较差。

图3—2 具有一个公用D/A 转换器的输出通道 图3—3具有多个D/A 转换器的输出通道
另一种为图3-3所示的多个D/A 转换器的模拟量输出通道。

这种输出通道由计算机送出数据和地址码，经I/O 接口和控制部件给某一路D/A 转换器数—模转换。

这类通道的D/A 转换器的内部都设有锁存器，以便用程序去控制它的工作。

在程序没有送来新的数据和地址码之前，D/A 转换器一直保持原来的信号，即控制命令一直保持在D/A 转换器的锁存器内。

这种通道的优点是速度快，可靠性高，缺点是D/A 转换器的数量多，但由于D/A 转换器的价格已大大下降，D/A 芯片用量多已不是主要问题。

因此，采用这种通道的趋势正逐步增多。

3、A/D 和D/A 转换器的说明
随着计算机硬件技术的不断发展，A/D 和D/A 转换器芯片本身越来越复杂，性能越来越好，而使用越来越简单。

电路设计人员只需按要求进行连接和简单的进行编程即可。

由于篇幅的限制，这里将不对A/D 和D/A 转换器的原理进行介绍。

如果读者有这方面的需求，可参考相关书籍。

下面，我们简要介绍一下与A/D 和D/A 转换器相关的技术指标，供大家在部件选用时参考。

（1）分辨率。

数据转换的分辨率定义为转换器数字量最低二进制位(LSB)对应模拟量最小电压变化值，它规定了A/D转换器能够区分的模拟量最小电压变化量，或规定了D/A转换器能够产生的模拟量的最小变化量。

因为1LSB 能够分辨的模拟量取决于二进制的位数，所以常用二进制位数来表示转换器的分辨率，如8位、10位、12位或16位分辨率。

如果转换器的满刻度电压为V F ，二进制位数为 n，则转换器的分辨率(用伏表示)。

表4-3列出了满刻度电压为5V时不同二进制数位的分辨率(满刻度分度数值)。

1)/(2V n F −=由表可见二进制位数愈多，转换器的分辨率愈高。

对于一个实际系统，转换器位数n 的选择应根据系统对数据转换的具体要求，不要追求过高的分
辨率，因为，转换器的价格与位数是按大于1的指数方增长的。

表3-1 满刻度电压5V的分辨率与n的关系
二进制位数 8 10 12 16
转换器分辨率(V)0.019608 0.004902 0.001221 0.000076 （2）量化误差。

量化误差是由 A/D转换分辨率有限所引起的。

A/D转换的过程，实际上是一个用一组二进制数去逐步逼近模拟量的过程，这个过程就是整量化的过程。

由于二进制数字的权值特点，一组二进制数所能反映的十进制数是不连续的，只能是二进制数最低位值的整数倍。

例如果我们要用8位二进制数字去反映0～5V的模拟电压，则它们不能反映0～5V中的任意值。

例如二进制数10000000，能反映2.5V的模拟电压，而10000001只能反映2.5019608V的模拟电压。

如果模拟量刚好在2.5和2.5019608V之间，8位二进制数就无法表现这两个模拟电压，只能用舍入法近似表示。

这就是量化误差。

显而易见，转换器的量化误差为LSB/2，即分辨率的二分之一。

因此，高分辨率具有小的量化误差。

转换器的分辨率(即二进制位数)确定后就存在量化误差。

在实际系统的设计中必须考虑到量化误差的存在对系统数据精度带来的影响，合适的选择转换器二进制位数。

例如，为测量满量程为100°C温度，采用8位A/D转换器，其量化误差为100×LSB/2分辨率＝0.196度，对一般测量要求情况下已能满足转换精度要求。

然而，对精度要求更高的场合，则可选用较高分辨率的A/D换器件。

当选用12位时，上例温度测量的量化误差就仅有0.0122度了。

（3）D/A变换器的建立时间。

建立时间是D/A转换器的主要性能指标，它定义为：从对D/A转换器施加新的数字输人开始，到模拟输出达到预定的终值的时间间隔。

通常，建立时间是指：数字输入发生由全0到全1的满量
±
程变化，到模拟输出稳定值在LSB/2的范围为止。

（4）A/D变换器的转换时间。

转换时间是 A/D转换器的主要性能指标，它定义为：从对A/D转换器施加新的模拟电压开始，到转换结束的时间间隔。

对于一些慢过程，如温度量，该指标并不非常重要。

但对于一些需高速采样的过程，通常需选择高速A/D变换器。

现在，在市场上能见到的A/D变换芯片的转换时间一般为微秒级，可以从0.5us(高速)到100us(低速)。

第三节 开关量的输入与输出
一、开关量的定义
开关量系指生产过程运行设备的状态信号，因此又称为状态量。

为反映
电路中开关的“通”或“断”，阀门的“开”或“闭”，电动机的“运行”或“停止”等运行状态。

以上这些设备的状态都只是具有两种可能，可以由电平的“高”和“低”表示。

在计算机中即可用一个二进制数位的逻辑值为“1”，或“0”来表征。

对于具体设备的状态和计算机的逻辑值可以事先约定为，电平高为“1”，电平“低”为“0”，或者相反。

因此，开关量输入通道的任务就是把设备的状态转变为二进制逻辑送入计算机以供计算机判别。

在计算机监控系统中，有几种类型的输入开关量，它们主要包括：
1、普通输入开关量。

计算机在软件控制下，每隔一段固定时间对此类输入点扫描一次，以获得设备的运行状态。

在计算机监控系统中多数输入开关量属于此类。

2、中断开关量。

对于实时性要求高或当监控系统不仅要知道开关量的状态，而且要精确知道开关量状态发生变化的时间，就需要使用中断开关量。

其特点是当所监测的开关量状态发生变化时，由I/O接口向主机申请中断，主机在接受中断申请后，立即将状态的变化情况和发生的时间记下并进行相应的处理。

例如，在监控系统中的事故记录一般就是采用这种方法。

3、输入脉冲量。

输入脉冲量的特点是其输入为一维持时间很短的窄脉冲，为使得监控系统能准确的探测到该脉冲，一般也采用中断的办法。

脉冲量输入点一般用于对电度量的记录。

也可用于记录如蜗轮流量计、脉冲式转速(频率)计输出的电脉冲等。

二、开关量的采集与处理
无论何种开关量输入点，开关量输入计算机一般是通过专门的输入/输出(I/O)接口。

来自现场设备的状态分别接至I/O接口的对应位上由计算机取入。

当被监视的设备较远时，为避免沿程干扰，常采用光电耦合器隔离的为开关量光电耦合隔离输入简图。

措施，图3—4
1、开关量输出通道
开关量输出通道的任务是根据计算机给出的状态信号去控制运行设备，如推动继电器接点闭合或断开，以操纵电磁执行元件控制设备状态。

开关量输出也常常是通过专门的I/O接口来传送信息的。

开关量输出也需与现场隔离，一般都有光电耦合器，为驱动设备常加有放大器(达林管)，图3-5为开关量输出电路简图。

图3—5 开关量输出电路简图
此外，生产现场中有时也存在有脉冲输出信号，如输出用以控制步进电机的驱动脉冲。

第四节 采集数据的处理与转换
一、采集数据检查原因与方法
在对水电厂生产过程进行数据采集和传输时，由于各种原因（如干扰）使得采集系统所采集的数据可能包含有一些不真实的数据，我们需要对这些数据进行检查和适当的处理，以保证监控系统操作控制的可靠性和准确性。

数据采集系统对数据的处理可分为一次处理和二次处理。

一次处理的内容包括剔除数据奇异项、去除数据趋势项、数据的数字滤波、标度变换等。

二次处理则是根据控制系统的各项功能要求，对采集的数据作进一步的加工处理，如采集数据的累积值和平均值的计算，差值、变化率的计算，专题计算，以及根据运行情况对报警值进行计算等。

判断采集数据的正确性的方法可有以下几种：
1、以采集对象参数最大可能变化范围为依据。

当发现某项输入信号超出最大、最小范围时，即判断此数据错；
2、以相关参数相对关系为依据。

当相关参数的相对关系不符合运行规律时，即判断此数据错；
3、以同一参数前后周期所测值为依据。

当无法采用前述方法判断，又已知其参数变化缓慢时，可将前后二周期的数值进行比较，当差值大于某一极限值时，即判断此数据错。

4、采用冗余技术。

在系统结构上采用冗余技术以提高可靠性。

二、数字滤波技术
监控系统的模拟输入信号中，均含有各种噪音和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。

为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。

噪音有两大类：一类为周期性的；另一类为不规则的。

前者的典型代表为5OHz 的工频干扰。

对于这类信号，采用积分时间等于20ms 的整数倍的双积分A/D 转换器，可有效地消除其影响。

后者为随机信号，它不是周期信号。

对于随机干扰，我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重；故实质上它是一种程序滤波。

数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点:
（1）数字滤波是用程序实现的,不需要增加硬设备,所以可靠性高,稳定性好；
（2）数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波,克服了模拟滤波器的缺陷；
（3）数字滤波器可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,具有灵活、方便、功能强的特点。

由于数字滤波器具有以上优点,所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛的应用。

常用的数字滤波方法有以下几种:
1、算术平均滤波法
算术平均滤波是把连续采得的N 次采样值相加,然后取算术平均值作为本次测量值。

即
∑==N i i N X
N Y 11 (3-1) 式中：N Y 为经滤波后的测量值；X i 为第i次采样值，i=1，2，┅，N；N为采
样次数。

在编制程序时,可设定N=2n，n为大于一的整数,这可使程序大为简化。

2、中值滤波法
为了克服随机性脉冲噪声带来的干扰,以及误检或变送器不稳定而引起的失真信息,一种常用的数字滤波方法即中值滤波法。

中值滤波就是对某一被测参数连续采集N 次(N 取为单数),然后把N 次的采样值从小到大或从大到小依次排序,取中间值做为本次采样值。

按此思想设计的程序称作中值滤波器,它实际上是一种分类排序算法,然后取中值。

分类排序法在微机原理教材中都有介绍,需用时请读者查阅。

采用中值滤波对去掉脉冲性质的干扰比较有效,但对快速变化过程参数的检测不宜采用。

一般N 值取得越大,滤波效果越好,但总的测量时间将增长,故一般N 值需根据实际需要来定,常取3～9次即可。