數(shù)字化測(cè)量工頻電參數(shù)

徐二當(dāng) 閆立勇

【摘 要】文中論述了應(yīng)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，選用單片機(jī)和基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集新技術(shù)對(duì)工頻電參數(shù)檢測(cè)的原理和方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析論證，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電流、電壓、功率等電參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】采樣技術(shù)；高速數(shù)據(jù)采集；檢測(cè)方法

1.引言

工頻檢測(cè)就是測(cè)量電網(wǎng)中電壓、電流、頻率、相位等參數(shù)，它在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用。早期電氣參量測(cè)試儀器儀表的功能都比較單一、精度不高，對(duì)電網(wǎng)中的各次諧波無(wú)法進(jìn)行分析。這樣，給測(cè)試和分析帶來(lái)了困難，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果之間的可比性難以實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是數(shù)字化采樣技術(shù)的應(yīng)用，使得電參數(shù)檢測(cè)向高精度、快速性、系統(tǒng)智能化方向發(fā)展。研究電參數(shù)測(cè)試首先須研究各種電參數(shù)的定義原理，然后考慮采用的檢測(cè)手段。

2.了解工頻電參數(shù)定義原理，掌握主要檢測(cè)對(duì)象

在工頻電中，電壓、電流有效值和有功功率三個(gè)電參數(shù)是基礎(chǔ)，其他電參數(shù)均可通過(guò)這三個(gè)參數(shù)運(yùn)算求得。

（1）周期交流電流有效值的定義

根據(jù)電工理論基礎(chǔ)可知，電流有效值是指在一個(gè)周期內(nèi)，交流電流通過(guò)某純電阻負(fù)載所產(chǎn)生的熱量與一個(gè)直流電流在同一個(gè)純電阻負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，該直流電流的數(shù)值就是交流電流的有效值。根據(jù)焦?fàn)栆焕愦味?，?duì)于交流電，如果通過(guò)電阻R的電流是i（t），則它可在一個(gè)周期的時(shí)間T內(nèi)的發(fā)熱量為：

對(duì)于直流電，在同一周期內(nèi)，如果通過(guò)電阻R的電流是I，則它在一個(gè)周期時(shí)間T內(nèi)的發(fā)熱量為：

如果交流電流與直流電流的發(fā)熱量相等，即Q'= Q就可得到交流電電流有效值表達(dá)式為：

（3）平均功率（有功功率）的定義。

平均功率通常指交流電路的瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即交流電壓u（t）和交流電流i（t）瞬時(shí)值之積在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，據(jù)此計(jì)算則單相有功功率為：

設(shè)

則可得：

式中為電壓和電流的相位差。

3.研究采樣法，制定基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集方法

（1）采樣法的研究。

采樣計(jì)算方法主要有兩種：一種是直流采樣法，另一種是交流采樣法。直流采樣法，即采樣的是經(jīng)過(guò)整流后的直流量。采用直流采樣法測(cè)量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測(cè)量平均值來(lái)測(cè)量電參量的有效值。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，對(duì)采樣值只需作比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問(wèn)題，如：測(cè)量準(zhǔn)確度直接受整流電路的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響、整流電路參數(shù)調(diào)整困難、而且受波形因數(shù)的影響較大等。交流采樣法是按一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法來(lái)求得被測(cè)量。是否采用交流采樣法取決于兩個(gè)條件：測(cè)量的準(zhǔn)確度和測(cè)量的速度。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其原理誤差主要有兩項(xiàng)：一項(xiàng)是用時(shí)間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時(shí)間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要是由每個(gè)正弦信號(hào)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)決定的，實(shí)際上它取決于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理時(shí)間；另一項(xiàng)是將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

交流采樣法又分為準(zhǔn)同步采樣法和同步采樣法。準(zhǔn)同步采樣：采樣周期不要求與信號(hào)周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它需要通過(guò)增加采樣周期和每周期的采樣點(diǎn)數(shù)并采用迭代運(yùn)算的方法來(lái)消除同步誤差，其計(jì)算量遠(yuǎn)大于同步采樣。因此，在目前以CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量中廣泛采用同步采樣。同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔TS與被測(cè)信號(hào)周期T及一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N之間滿足關(guān)系式電壓、電流信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)，經(jīng)過(guò)采樣和摸數(shù)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，以上兩式就可離散轉(zhuǎn)化為：

上式中的U（n）和i（n）分別是電壓、電流離散采樣的序列值。只要能夠?qū)崿F(xiàn)整周期的同步采樣，同時(shí)有足夠的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，上式在理論上可達(dá)到較高的計(jì)算精度。

當(dāng)電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)離散化后，有功功率可表示為：

式中u（n）為離散化的電壓值；i（n）為離散的電流值；n為轉(zhuǎn)換次數(shù)；工頻周期T（20ms）/轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 N=20ms/0.025ms。

（2）基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集。

高速數(shù)據(jù)采集是基于CPLD控制的系統(tǒng)，除了采用高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速存儲(chǔ)器等高速器件之外，還要解決如何高速尋址、如何控制總線邏輯、如何進(jìn)行高速存儲(chǔ)以及單片機(jī)如何讀取數(shù)據(jù)等問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集單元如果不帶存儲(chǔ)芯片，A/D芯片每轉(zhuǎn)換出一個(gè)值，數(shù)據(jù)采集單元就要和單片機(jī)通訊一次，以便將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器，那么速率很低。（見(jiàn)圖1）

當(dāng)然，為使此系統(tǒng)能有效工作，并充分發(fā)揮它的采集速度，還需要好的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用系統(tǒng)程序來(lái)有效處理傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，這樣才會(huì)使整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)效果。在需要采集多路模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，利用CPLD芯片可以很好地將邏輯控制、數(shù)據(jù)信號(hào)處理等功能集于一身，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。此外，利用功能強(qiáng)大的仿真軟件工具，可以快速高效地完成CPLD的各種邏輯功能設(shè)計(jì)。

4.應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工頻電參數(shù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制

數(shù)據(jù)的采集、處理和控制都能夠由單片機(jī)統(tǒng)一指揮下來(lái)完成，從而給電參數(shù)的檢測(cè)提供了有力的硬件支持。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)工頻電參數(shù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制時(shí)，信號(hào)采樣模塊按事先確定的采樣間隔對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊的輸出進(jìn)行采樣，采樣值進(jìn)行A/D變換后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等采樣完預(yù)先確定的采樣點(diǎn)數(shù)后采樣過(guò)程結(jié)束，單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)電參數(shù)定義中的算法，計(jì)算出電流、電壓有效值，相位角、功率因數(shù)等參數(shù)，處理結(jié)果可以在數(shù)碼管上顯示，也可以通過(guò)液晶顯示器顯示。

單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由三部分組成：監(jiān)控主程序、命令處理程序和中斷處理程序。監(jiān)控主程序主要完成器件與參數(shù)的初始化、系統(tǒng)自檢以及根據(jù)輸入在各命令處理子程序（即功能模塊）之間切換。主監(jiān)控程序：程序首先自檢，之后對(duì)數(shù)碼模塊進(jìn)行顯示功能初始化設(shè)置；對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置：對(duì)中斷進(jìn)行初始化設(shè)置；內(nèi)存中功能狀態(tài)標(biāo)志區(qū)設(shè)置為電參數(shù)測(cè)量狀態(tài)。

5.結(jié)論

工頻電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)用做電量監(jiān)測(cè)、管理及計(jì)量的依據(jù)，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活密切相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)主要電參數(shù)測(cè)試的研究，根據(jù)基于CPLD高速數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算和控制原理，討論了本系統(tǒng)的各個(gè)組成部分功能。并對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)量部分、顯示部分等進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 徐志軍 徐光輝.CPLD/FPGA的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：

徐二當(dāng)（1978-），男，工學(xué)學(xué)士，維修電工高級(jí)技師，秦皇島技師學(xué)院教師。主要從事職業(yè)教育和電氣自動(dòng)化控制技術(shù)研究。

閆立勇（1979-），男，工學(xué)學(xué)士，秦皇島技師學(xué)院招生就業(yè)處副處長(zhǎng)。主要從事電氣教育技術(shù)和職業(yè)教育研究。