交流采樣裝置的構(gòu)成原理和實現(xiàn)

摘要：隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，交流采樣測量裝置的使用已越來越普及，交流采用測量裝置作為電網(wǎng)電測量參數(shù)的在線測量儀器，具有較好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。本文首先分析了交流采樣與直流采樣的異同，然后重點介紹了交流采樣的構(gòu)成原理和實現(xiàn)，最后提出了一些在交流采樣實現(xiàn)中的難點。

關(guān)鍵詞：交流采樣 測量裝置 原理 實現(xiàn)

在目前的電力系統(tǒng)應(yīng)用中，電量數(shù)據(jù)采集的方法根據(jù)采集信號的不同可以被分成兩種，一種是直流采樣，另一種是交流采樣。隨著交流數(shù)字技術(shù)的完善與成熟及電力建設(shè)的飛速發(fā)展，在發(fā)供電企業(yè)的新建、擴建及改造過程中，以新技術(shù)為特征的交流采樣測量裝置已得到全面普及。

1 交流采樣與直流采樣比較

直流采樣，它的采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經(jīng)過PT、CT（或者通過硬件電路變換）變小后，經(jīng)過整流、濾波，得到對應(yīng)電量的平均值，送入變送器單元，轉(zhuǎn)化為（0—5）V＼（0—10）V的直流電壓或（4—20）mA的直流電流，再由各種裝置和儀表采集，其示意圖見圖1。這種方法的好處是不經(jīng)過采樣裝置處理，但是它的測量結(jié)果存在誤差，設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)難等。所以，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。

交流采樣是將二次側(cè)的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變換，變成微處理器可測量的交流小信號，然后利用微處理器的高速，選擇一系列的時間點，對這些時間點的瞬時信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，送入微處理器進(jìn)行處理，得到測量值，其示意圖見圖2。測量得到的值為直接數(shù)字信號，可以直接傳輸給主控室的電腦顯示，也可傳送給遠(yuǎn)處的監(jiān)控系統(tǒng)，供遠(yuǎn)方巡視用。由于交流采樣是對被測量的瞬時值進(jìn)行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件替代硬件的功能又使硬件的投入大大減小。另外，由于它內(nèi)嵌了微處理器，使得它與主控制之間的雙向通信成為可能，并且可以接收、發(fā)出或執(zhí)行控制命令。因而采用了交流采樣的裝置往往稱為測控裝置，其作用已不再僅僅局限于測量了。實踐證明，采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

2 交流采樣算法簡介

由于交流采樣采集的是瞬時值，要得到電量的有效值，必須采取一定的算法，這里主要涉及到的是離散化算法。

3 交流采樣裝置的構(gòu)成原理

3.1 交流采樣裝置的主要構(gòu)成 在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，交流采樣裝置一般由計算機為核心的硬件構(gòu)成。它由中間電壓互感器、中間電流互感器、多路模擬開關(guān)、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機以及頻率跟蹤等電路組成。與交流采樣相關(guān)的軟件主要包括兩個部分：一是交流信號的采樣控制軟件；二是交流采樣數(shù)據(jù)的處理軟件。

3.2 交流采樣裝置的基本原理 交流采樣法是按一定規(guī)律對被測交流信號的瞬時值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)學(xué)算法求得被測量，用軟件功能代替硬件的計算功能。它是用一條階梯曲線代替一條光滑被測正弦信號，其原理誤差主要有2項：①用時間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要是由每個正弦信號周期中的采樣點數(shù)決定的，實際上它取決于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理時間；②將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量子化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

4 交流采樣的實現(xiàn)

由于微電子技術(shù)的發(fā)展，智能高速CPU不斷出現(xiàn)，交流采樣的實現(xiàn)越來越容易，其實現(xiàn)的硬件原理圖如圖4所示。

圖4中前置電路包括高精度的PT、CT變換以及電流/電壓轉(zhuǎn)換，它完成將二次側(cè)信號轉(zhuǎn)化為（-2.5-+2.5）V小信號的功能，并送入選擇電路；微處理器根據(jù)現(xiàn)場接線情況（單相、三相三線、三相四線），發(fā)出控制信號，控制選擇電路，選擇需要采集的電壓電流量，送入信號調(diào)理電路；在信號調(diào)理電路中，給所有的雙邊交流小信號疊加一個2.5V的直流分量，轉(zhuǎn)換為0-5V 的單邊信號，送采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；微處理器控制采樣保持電路，先打開采樣，然后同時關(guān)閉所有采樣并鎖存，使得所有的采樣值是處于同一個瞬間，即可以保持同步。

在交流采樣中，知道交流信號的周期T是非常必要的，完成這個功能靠的是過零比較電路。當(dāng)過零比較電路檢測到交流信號過零點時，發(fā)出一個脈沖，啟動微處理器的定時器開始計時；當(dāng)再次檢測到過零信號時，又發(fā)出一個脈沖，停止微處理器的定時器的計時。兩次時間之差的兩倍即為交流信號的周期T。得到了周期T，即可得出頻率f=1/T。

5 交流采樣實現(xiàn)中的難點

在交流采樣中，設(shè)T為交流信號的周期，N為一個周期的采樣點數(shù)，Ts為相鄰兩次采樣時間間隔，則要真實準(zhǔn)確的采樣，必須滿足T=N×Ts，也就是存在一個采樣頻率與交流信號頻率同步的問題。

眾所周知，電網(wǎng)頻率不是固定不變的，而是在50Hz（或60Hz）上下波動的，電網(wǎng)中越來越多的非線性設(shè)備的投入用，使得電壓、電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生了大量的高次諧波，這些都會影響采樣的交流信號的頻率。而由于硬件條件的限制，微處理器能處理的最小時間單位是一定的，定時器的分辨率有限，這就有可能導(dǎo)致由定時器給出的采樣周期與理論上的計數(shù)周期之間存在截斷誤差。如果存在采樣頻率與信號頻率不同步的情況，而不加以改進(jìn)，則隨著時間的推移，實際采樣點有可能嚴(yán)重偏離理論采樣點，帶來誤差的結(jié)果。

實現(xiàn)交流同步采樣可以采用軟件或硬件的方法。軟件處理方法簡單，不用另外添加硬件器件，節(jié)省成本和設(shè)備體積，最常見最簡單的一種方法是：當(dāng)過零比較電路監(jiān)測到交流信號過零點時，開始采樣；采完一個周期的N個點后，停止采樣，等待下一個過零點的到來；下一個過零點到來時，又開始采樣如此周而復(fù)始，即可以保證一個交流信號周期采樣N次，并且每個周期的采樣開始時間同步。這種方法適合于交流信號頻率變化不大的場合。當(dāng)交流信號頻率變化稍大時，第（k+1）次采樣時間與理論采樣時間可能相差甚遠(yuǎn)，帶來誤差甚至錯誤的結(jié)果。

硬件方法處理同步最常見的是采用鎖相環(huán)。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)。由鎖相環(huán)控制采樣的定時和速率，從而達(dá)到同步采樣的目的。

6 結(jié)束語

電力參數(shù)監(jiān)測的交流采樣方法由于比直流采樣更高的精度和更高的穩(wěn)定性，且具有更大的擴展空間，適應(yīng)未來數(shù)字化的發(fā)展趨勢，因而得到了廣泛的應(yīng)用?？梢韵胂螅S著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交流采樣必然取代直流采樣，在電力自動化系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

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作者簡介：李萍（1960-），女，山東煙臺人，工程師，研究方向：計量。