第一章自动装置及其数据的采集处理详解
电力系统自动装置第1章 自动装置及其数据的采集处理
n1
(an
c os nt
bn
sin
nt)
n次谐波的余弦振 幅
an
2 T
T
2 T
2
f (t) cosnt
n次谐波的正弦振
幅
bn
2 T
T
2 T
f (t) sin nt
2
2
T
page23
交流采样的电气量计算和前置处理
n=1时，基频分量 的余、正弦振幅
f(t)中的基频分量为：
a1
2 T
T
2 T
2021/1/28
page20
软件组成
☆系统软件 ★Linux ★WinCE
☆应用软件 ★信号采集与预处理程序：信号采集、标度变换、滤波、存储 ★主算法程序：将各个功能模块组成为一个程序系统。 ★运行参数设置程序：参数量程、采样通道号、采样周期等设置。 ★通信程序：上位机与各个站之间的通信。
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（3）线性化处理 变送器输出信号与被测参数间可能有非线性关系，为 提高测量精度，可采取线性拟合措施，消除非线性误 差。 （4）数字滤波 可减少或避免采用阻容元件滤波引起的时间滞后。 算术平均滤波、加权平均法、一阶递归滤波等。
2021/1/28
手动切换与手动同期装置
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微机自动准同期控制器
有 效 性 检 验
线 性 化 处 理
数 字 滤 波
数 据 保 存
page29
实际应用中，计算机采集的模拟量种类较多，用不同 的传感器将这些模拟量转换为电压或电流量，经A/D 变换为数字量，以不同的通道号代表不同的物理量， 存入指定的存储单元，送计算机处理。 数据还要进行前置处理，内容有 （1）标度变换 同样进入A/D的电平信号，代表的意义可能不同。 （0-10V或4-20mA），可代表蒸汽压力或温度，或电 压量值。由算法乘以不同的标度变换系数，将量值恢 复到原来的物理量。 （2）数据的有效性检验 由物理量的特性进行判断，剔除错误或干扰信号。
自动化系统的数据采集与处理
自动化系统的数据采集与处理在现代工业和科技领域，自动化系统的数据采集与处理是一个不可或缺的重要环节。
通过自动化系统，我们可以实现大规模、高效、准确的数据采集，并对采集到的数据进行处理和分析，从而为决策和优化提供有力支持。
本文将从数据采集和数据处理两个方面，介绍自动化系统在这两个环节的应用与意义。
一、数据采集数据采集是自动化系统中的第一步，它是指通过各种传感器、检测设备等手段，将实时的物理量、参数、状态等信息转化成数字信号，供计算机系统进行处理和分析。
数据采集在自动化系统中具有至关重要的作用，它直接影响到后续数据处理的质量和准确性。
在自动化系统中，数据采集可以通过多种方式实现。
其中，最常见的方式是使用传感器进行实时监测和采集。
传感器可以根据需要，量化测量温度、压力、流量、湿度、速度等各种物理量，并将其转化为电信号输出。
这种方式具有快速、准确的特点，适用于各种不同的工业和科技领域。
此外，数据采集还可以通过人机交互界面实现。
在一些特定的场景中，人们可以通过触摸屏、键盘等手段，将数据输入到系统中进行采集。
这种方式操作简单、灵活性高，适用于需求变动频繁和精细度要求不高的场景。
二、数据处理数据采集完成后，接下来就是对采集到的数据进行处理和分析。
数据处理是将数据进行清洗、整理、转换和分析的过程，旨在从原始数据中提取出有用的信息，并为决策和优化提供支持。
在数据处理的过程中，最常见的方式是使用计算机过程自动化（Computer Process Automation, CPA）技术。
CPA技术可以通过编写代码、使用特定的软件工具等方式，对采集到的数据进行清洗、整理等操作，并运用统计分析、机器学习等方法，从中发现规律和趋势。
数据处理的结果可以呈现为各种形式，如报表、图表、图像等。
这样的结果可以直观地展示数据的特点和规律，帮助使用者更好地理解和分析数据。
同时，数据处理还可以将结果输出为数据文件，供其他系统或模型进行进一步处理和分析。
电力系统自动装置原理附录思考题答案上课讲义
电力系统自动装置原理附录思考题答案第一部分 自动装置及其数据的采集处理1-1．采用式1-13对电流进行分解，0a 、n a 、n b 的物理意义分别是什么？ 【答案提示】0a ：直流分量；n a ：n 次谐波分量的实部；n b ：n 次谐波分量的虚部。
1-2．采样的前期处理讨论： 【答案提示】如果正态分布均匀，那么采用4只电阻串联采样的方式要比采用一只电阻采样的精确度高；是用算术平均法进行滤波有两种方式，其一：10~1021a a a a+++= ；其二：2~211a a a +=，2~~312a a a +=，2~~423a a a += (2)~~108a a a +=。
第二种方法只占有3个内存变量，每一次计算结果覆盖了前一次的采样数据，节省内存，另外，第二种方法滤波后的权重比例合理，10a 占权重为50%，更加接近采样的后期，因此计算机采样中经常采用。
第一种方法的权重完全一样，10个采样数据各占10%，另外它需要11个内存变量。
总的来看，第二种方法的误差和实际意义都大于第一种。
第二部分 自动并列2-1．略 2-2．略2-3．已知：两个区域电网的等值机系统如附图1-1所示，其电压幅值相等，频率分别为：t f cos 1.0501+=Hz ，t f 2sin 1.0502+=Hz ，现准备进行恒定越前时间准同期互联操作，设远程通讯和继电器动作时间之和为0.14秒，求调度中心发出合闸信号的时刻。
第二部分 自动并列2-3．已知：两个区域电网的等值机系统如附图1-1所示，其电压幅值相等，频率分别为：t f cos 1.0501+=Hz ，t f 2sin 1.0502+=Hz ，现准备进行恒定越前时间准同期互联操作，设远程通讯和继电器动作时间之和为0.14秒，求调度中心发出合闸信号的时刻。
【答案提示】合闸相角差表达式为：⎩⎨⎧-=-=-==20100212sin 2.0cos 2.0)(22δδδππππδe s e t t f f f 先不考虑提前量，则有：01.02cos 1.0sin 2.0]2sin 2.0cos 2.0[0→++=+-=⎰πππδππδt t dt t t e e251sin 01sin sin 1sin 21sin 212cos sin 222-=⇒=--=+-+=++t t t t t t t 8078.32+=πk t 或6662.02-=πk t8078.31=t ， 5.61692=t ，……考虑时间提前量0.14秒，则调度中心发出合闸信号的时刻可为：3.6678秒，5.4769秒，等等。
工业自动化系统中的数据采集与分析
工业自动化系统中的数据采集与分析随着工业化的不断深入和科技的快速发展，工业生产过程变得越来越复杂。
为了提高效率和质量，工业生产需要实现自动化控制。
工业自动化系统通过一系列的传感器、执行机构、控制器和计算机等装置，实现对生产过程的自动化控制和监测，从而提高生产效率和质量。
在工业自动化系统中，数据采集与分析是重要的环节。
本文将分析工业自动化系统中的数据采集与分析技术，探讨其意义和应用。
一、数据采集技术工业自动化系统中的数据采集是指通过一系列的传感器、采样器和信号调理器等装置，将生产过程中的各种参数和信号采集下来，并转换成数字信号传输到计算机系统中进行处理和分析。
数据采集技术的好坏直接关系到后续数据分析和控制的效果，因此数据采集技术的选择和优化应得到重视。
传感器是工业自动化系统中实现数据采集的关键设备，其质量和稳定性直接影响到数据采集的准确度和稳定性。
常见的传感器有压力传感器、温度传感器、流量传感器、液位传感器、速度传感器等，这些传感器可以测量各种物理量，并将其转换成电信号进行传输。
在选择传感器时应考虑其可靠性、精度、响应速度、防护等级、通信协议等因素。
采样器是将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号的装置。
采样器按照采样速率、分辨率、通道数等因素来区分，一般采用高速采样和多通道同时采样的方式。
如今，越来越多的采样器具有直接存储和上传数据的功能，可以实现数据的实时传输和云平台集中管理。
信号调理器主要用于在传感器输出信号中加入校准、放大、滤波等处理，以保证数据的准确度和稳定性。
信号调理器应根据实际情况进行选择，以充分发挥传感器的性能。
二、数据分析技术工业自动化系统采集到的数据可以分为历史数据和实时数据两种。
历史数据是指在过去某个时间段内所采集到的数据，可以用于分析生产过程和提高生产质量；实时数据是指当下正在生产过程中所采集到的数据，可以用于实时监测和控制。
数据分析技术可以让我们更好地利用采集到的数据，并将其转换成可用的信息，为后续的生产决策提供帮助。
第一章第一节自动装置及其数据的采集处理.
模拟信号和数字信号
现场总线 主节点
PC机
路由器：
路由、中继、 数据交换作用
现场总线 从节点
区域路由器 区域路由器
... ...
现场总线 从节点
... ...
现场总线 从节点
... ...
现场总线 从节点
模拟信号和数字信号
... ...
现场总线 从节点
... ...
现场总线 从节点
... ...
模拟信号和数字信号
通 信 控 制 器
通 信 收 发 器
D
滤波器
滤波器
滤波器
滤ห้องสมุดไป่ตู้器
模拟量输出
. . .
保持器
. . .
C1
C2
C3 ENB
R
A1 V1 V2 A2
Uin
S Us C
Uou
控制信号
传感器
S1
D
被 测 物 理 量 、 状 态 量
传感器 传感器
. . .
S8
模拟MUX
C2 C3
采 样 保 持 器 S/H
A/D 转 化 器
通信控制器用来控制通信过程，确定通信的数据、地址以及 建立/拆除通信的数据链路。
通信收发器用来处理通信的物理层功能。包括物理引线的排列、 机械特性和物理电平
微型计算机系统组成
7. CPU及外部设备
自动装置的核心部件。
对系统的工作进行控制和管理。
对采集到的数据作必要处理，然后根据要求作出判断和指令。
（一）微型计算机系统
定义：
定义较为广泛，这里把简单的、借助于特定开发平台才能编程 的系统。(面向单片机，pc机)
组成；
自动化过程中的数据收集与处理
自动化过程中的数据收集与处理随着科技的不断进步和自动化技术的广泛应用，越来越多的企业和组织开始采用自动化系统来提高生产效率和降低成本。
在自动化过程中，数据的收集与处理是至关重要的，它直接影响到系统的运行效果和决策的准确性。
本文将探讨自动化过程中的数据收集与处理的方法与技巧。
一、数据收集数据收集是自动化过程中的第一步，它涉及到从各种传感器和设备中获取信息并记录下来。
数据收集的目的是为了了解系统的运行状况和相关参数，以便进行后续的分析和决策。
以下是常见的数据收集方法：1. 传感器数据收集：自动化系统通常使用各种传感器来获取实时的物理量和环境信息，比如温度、湿度、压力等。
这些传感器可以直接通过模拟或数字信号与控制系统交互，将采集到的数据发送给数据采集器或中央处理器进行记录和分析。
2. 仪器设备接口：许多自动化设备和仪器都有标准的接口，可以通过有线或无线连接方式将数据传输给数据采集系统。
这样的接口包括以太网、RS-232、USB等。
通过这些接口，数据可以以数字格式传输，减少了数据传输中的干扰和误差。
3. 数据日志记录：在某些情况下，数据无法直接从传感器或设备中获取，或者需要长期监测某一参数的变化。
这时可以使用数据记录器或数据采集卡将数据定期记录，然后通过数据线或存储卡的方式传输给数据处理系统。
二、数据处理数据收集完毕后，接下来就是对数据进行处理和分析。
数据处理的目的是提取有价值的信息、发现潜在的问题，为决策和优化提供支持。
以下是常见的数据处理方法：1. 数据清洗：由于数据收集过程中可能受到噪声、干扰等因素的影响，收集到的数据可能存在错误或异常。
因此，在进行数据分析之前，首先需要对数据进行清洗和筛选，剔除无效数据，修正错误数据，确保数据的准确性和完整性。
2. 数据转换：有些数据收集到的是原始的物理量，比如温度、压力等，而在进行分析时，可能需要将这些物理量转换为其他形式的数据，例如标准单位、百分比等，以便于比较和统计。
自动装置及其数据的采集处理
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2
采样
对连续的模拟信号 x(t)，按一定的时间 间隔Ts，抽取相应 的瞬时值
1
第二节、采样、量化与编码技术
采样开关控制信号
采样过程 采样过程可以看作是脉冲调过程，采样开关可以看 作是调制器。输入信号与输出信号之间的关系可以表达为 假设采样脉冲为理想脉冲，且考虑到时间为负值无物理意义
一、采样
把量化信号的数值用二进制代码表示，称之为编码。
二进制的数码由多个码位组成，最左端的码位叫最高有效位（MSB)；最右端的码位叫最低有效位（LSB)。每个码位有“0”、“1”两个状态，量化引入的最大误差为
量化和编码都由A/D转换器完成
采用逐次逼近式ADC。
3
2
1
4
2、编码
据上式计算出幅值和相位角。
根据傅氏采样算法，基波信号的实部和虚部分别为
DCS
FCS
数据采集测控站 通讯接口 上位机
现场总线主节点 现场总线从节点 路由器
01
04
02
03
运行参数设置程序
系统管理（主控制）程序
信号采集与处理程序
通信程序
二、软件
编码
把量化信号的数值 用二进制代码表示
3
量化
把采样信号的幅值 与某个最小数量单 位的一系列整数倍 比较，以最接近于 采样信号幅值的最 小数量单位倍数来 表示该幅值。
采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量： Ts太小：数据剧增，占用大量的内存单元 Ts太大：模拟信号的某些信息丢失，信号失真
采样定理：指出了重新恢复连续信号所必须的最低采样频率，以保证能不失真地恢复原信号x(t)
采样频率
自动化数据采集
自动化数据采集自动化数据采集是一种通过使用计算机技术和软件工具来自动获取、处理和存储数据的方法。
它能够提高数据采集的效率、准确性和可靠性，极大地方便了数据分析和决策制定的过程。
本文将讨论自动化数据采集的原理、应用领域和技术发展趋势。
一、自动化数据采集的原理自动化数据采集的原理基于计算机和网络技术的发展，结合传感器、无线通信和云计算等先进技术的应用。
它包括以下几个主要步骤：1. 数据获取：通过传感器、扫描设备、摄像头等感知设备将所需数据采集到计算机系统中。
这些设备可以获取物理量、图像、声音等各种形式的数据。
2. 数据传输：将采集到的数据通过网络传输到指定的存储设备或云平台。
这通常可以通过有线或无线网络连接来实现。
3. 数据处理：对采集到的原始数据进行处理和提取，根据需要进行转换、转码、压缩等操作，以便后续的数据分析和应用。
4. 数据存储：将处理后的数据存储在数据库、文件系统或云存储中，以便以后检索和使用。
二、自动化数据采集的应用领域自动化数据采集在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 工业制造：自动化数据采集可以监控和记录生产设备的运行状态和各项指标，帮助企业实时掌握生产情况，提高生产效率和质量。
2. 物流和供应链管理：通过自动化数据采集，物流和供应链企业可以实时追踪货物的位置、温度、湿度等信息，确保货物安全和质量。
3. 市场调研：自动化数据采集可以通过网络爬虫和数据挖掘技术从互联网上获取大量的市场数据，帮助企业了解市场趋势和竞争对手情况。
4. 环境监测：通过传感器和自动化数据采集技术，可以实时监测空气质量、水质、土壤污染等环境参数，为环境保护提供科学依据。
5. 金融和投资：自动化数据采集可以获取金融市场的实时行情数据，帮助投资者做出更明智的投资决策。
三、自动化数据采集的技术发展趋势随着科技的不断进步，自动化数据采集的技术也在不断发展和演进。
以下是一些当前的技术发展趋势：1. 无线传输技术：随着无线通信技术的进步，越来越多的数据采集设备采用无线传输方式，方便安装和移动。
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ns )]
ωs=2π/T为采样角频率,
连续信号的频谱为
E(j)
E( j)
Cn是傅氏系数,其值为：
采样信号的频谱为
E*(j)
Cn
1 T
0
0
(t)dt
1 T
E* ( j)
1
T
δT(t) =
1
e
jn s t
T n
-3ωs -2ωs -ωs -ωh 0 ωh ωs
e*(t) 1
e
(
t
)e
jn
s
t
T n
E* ( j)
1
E* ( j)
1
T
-ωs -ωh 0 ωh
ωs
E* (s)
1 -3ωTs
E(s
n-2ωs-ωs-ωh 0
T
jn s
ωh ωs
)
2ω
3ω
ωs ≥ 2ωh
s
s
-ωh 0 ωh 2ωs 3ωs
电力系统 自动装18置原理
量化
设N为数字量的二进制代码 位数，量化单位定义为量化 器满量程电压值VFSR（Full Scale Range）与2N的比值， 用q表示，即
含电源、机箱、总线板、键盘等 种类：STD,PO104等
STD总线工业控制计算机 的结构示意图
总线
电力系统 自动装置原理
集散控制系统结构框图
电力系统 自动装置原理
现场总线结构框图（网络型控制系统）
电力系统 自动装置原理
DCS & FCS 集散控制系统和现场总线系统
DDCCSS
FFCCSS
数据采集测控站 上位机
交流采样的电量计算和前置算法
傅里叶算法； 交流采样的电量计算
电压/电流量通常采用工频周期内12点采样法
UR
1 6
U 0
U6
3 2
U1
U11
U5
U7
1 2
U 2
U10
U4
U8
UI
1 6
U
3
U9
3 2
U 2
U4
U8
U10
1 2
U1
U5
U7
U11
Um
U
2 R
U
2 I
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t
g
1
UI UR
电力系统 自动装置原理
电网调度控制中心计算机网络应用示意图
电力系统 自动装置原理
二 软件
1. 信号采集与处理程序 2.运行参数设置程序 3. 系统管理（主控制）程序 4. 通讯程序
电力系统 自动装置原理
第二节 采样、量化与编码技术
采采样样
量量化化
编编码码
对连续的模拟信号 x(t)，按一定的时间 间隔Ts，抽取相应 的瞬时值
q VFSR 2N
有舍有入
将信号幅值分为若干层，各 层的间隔相等，且等于量化 单位q。当信号幅值小于量 化单位q/2时，舍去；当信 号幅值大于等于量化单位 q/2但小于量化单位q时，进 一个量化单位。
电力系统 自动装置原理
编码
电力系统 自动装置原理
逐次逼近式A/D转换器原理电路图
电力系统 自动装置原理
通常采用串行通信方式 上位机系统适用性强，实时性较好
现场总线主节点 （协调者） 现场总线从节点 （执行者） 路由器 （路由，中继，数 据交换）
全数字开放系统，互操作性和互用性 全分布控制系统，控制能力电强力系统
自动装置原理
计算机网络
电力系统采用了光纤为介质主干的计算机专用通讯网络， 是电力系统各级调度控制中心连接其所属各发电厂、变电 站、配电站中各监测装置、自动装置和控制器的纽带，结 合EMS软件等实现远程自动化功能。
把采样信号的幅值 与某个最小数量单 位的一系列整数倍 比较，以最接近于 采样信号幅值的最 小数量单位倍数来 表示该幅值。
把量化信号的数值 用二进制代码表示
电力系统 自动装置原理
电力系统 自动装置原理
采样过程
采样过程可以看作是脉冲调制过程，采样开关可以看 作是调制器。输入信号与输出信号之间的关系可以表达为
第一章 自动装置及其 数据的采集处理
武汉大学 电气工程学院 胡志坚
第一节 自动装置的组成
硬件构成形式:
1. 微型计算机系统
2. 工业控制计算机系统
3. 集散控制系统DCS和现场总线系统FCS
4. WAN系统等
电力系统 自动装置原理
微型计算机系统
电力系统 自动装置原理
电力系统 自动装置原理
工业控制计算机系统（STD,PC104等）
采样定理：指出了重新恢复连续信号所必须的最 低采样频率，以保证能不失真地恢复原信号x(t)
香农（Shannon）采样定理
采样频率
模拟信号频谱中最高频 率
s 2m
电力系统 自动装置原理
电力系统 自动装置原理
采样信号的频谱
δT(t) =
c
n
e
jn
s
t
n
E* ( j)
1 T
E[ j(
n
采样开关控制 信号
xs (nTs ) x(t)T (t) x(t) (t nTs )
假设采样脉冲为理想脉冲，且考虑到时间为负值无物理意
义
xs (nTs ) x(nTs ) (t nTs ) n0
电力系统 自动装置原理
电力系统 自动装置原理
采样定理
采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量： Ts太小：数据剧增，占用大量的内存单元 Ts太大：模拟信号的某些信息丢失，信号失真
有功功率和无功功率采用“三表法”和“两表法” 功角采用余弦定理获得
电力系统 自动装置原理
交流采样的电量计算和前置算法
数据的前置处理
标度变换 （换算系数）
数据的有效性检验 线性化处理 （消除非线性误差） 数字滤波
算术平均法
加权平均法
一阶递归法
电力系统 自动装置原理