9 交流采樣測(cè)量裝置

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1、第十章交流采樣測(cè)量裝置交流采樣測(cè)量裝置是將工頻電量量值電流、電壓、頻率經(jīng)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算的各電量量值（電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、頻率、相位角和功率因數(shù)等）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳送至本地或遠(yuǎn)端的裝置。交流采樣測(cè)量裝置是廠站自動(dòng)化系統(tǒng)中的測(cè)量部分，它代替了傳統(tǒng)的電測(cè)量指示儀表和變送器，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一、交流采樣原理：1.交流采樣是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高精度的PT、CT隔離變成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交流小信號(hào)，然后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。直接計(jì)算U、I，然后計(jì)算P、Q、cosΦ、kWh、kvarh，由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，效率高，相位失真小，適用于

2、多參數(shù)測(cè)量。2.交流采樣法：是按一定規(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)值算法求得被測(cè)量，它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣法取決于兩個(gè)條件：測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量速度。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)生的量子化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的微型機(jī)、單片機(jī)處理速度大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)

3、了種類(lèi)繁多而且性能價(jià)格比較好的高速A/D轉(zhuǎn)換器，為交流采樣法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非同步采樣法等幾種，下面對(duì)此作簡(jiǎn)要介紹：1）同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔Ts與被測(cè)交流信號(hào)周期T及一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N之間滿足關(guān)系式T=N·Ts。N選取越大，越接近理想波形，但實(shí)時(shí)性差，計(jì)算量大。如考慮15次諧波能夠再現(xiàn)，根據(jù)采樣定理N至少30以上，一般選取32或64。同步采樣法又被稱(chēng)作等間隔整周期采樣或等周期均勻采樣。同步采樣法需要保證采樣截?cái)鄥^(qū)間正好等于被測(cè)連續(xù)信號(hào)周期的整數(shù)倍。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是硬件同步采樣法；二是軟件同步采樣法。硬件同步采樣硬件同步采

4、樣法在采樣計(jì)算法發(fā)展的初期被普遍采用。理論上只要嚴(yán)格滿足T=N·Ts且N＞2M（M為被測(cè)信號(hào)最高次諧波次數(shù)），用同步采樣法就不存在測(cè)量方法上的誤差，但實(shí)際上采樣周期與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步有一定的困難。從對(duì)周期信號(hào)的復(fù)原與頻譜分析角度考慮，當(dāng)采樣頻率和信號(hào)基頻不同步時(shí)，模擬信號(hào)用離散信號(hào)代替會(huì)出現(xiàn)泄漏誤差。在對(duì)某些用電系統(tǒng)中包含有多次諧波分量的電壓和電流周期信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，這是造成誤差的主要來(lái)源。為此，常采用鎖相環(huán)來(lái)構(gòu)成頻率跟蹤電路實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣。但電力系統(tǒng)諧波含量較大時(shí)，會(huì)造成鎖相跟蹤電路不穩(wěn)，甚至造成失步，產(chǎn)生很大測(cè)量誤差。特別是含有偶諧波時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)可能有二次過(guò)零。2

5、．軟件同步采樣軟件同步采樣法的一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期T，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N，得到采樣間隔，并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。該方法省去了硬件環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于信號(hào)的頻率是在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)其周期T不能準(zhǔn)確測(cè)量，按不準(zhǔn)確的周期T計(jì)算的采樣間隔進(jìn)行N次采樣后，不能與實(shí)際信號(hào)的周期同步，即存在同步誤差。用軟件方法很難得到理論上的采樣間隔。這是因?yàn)椴蓸娱g隔由單片機(jī)定時(shí)器控制，受其時(shí)鐘周期Td（取決于晶振）有限的限制，由定時(shí)器給出的采樣間隔與理論計(jì)算所得采樣值相比將存在著截?cái)嗾`差，該誤差積累N點(diǎn)后，必然引起周期誤差和方法誤差?？梢圆捎貌蓸舆^(guò)程中修

6、改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，動(dòng)態(tài)確定采樣周期，來(lái)減小周期誤差，提高準(zhǔn)確度。2）準(zhǔn)同步采樣在實(shí)際采樣測(cè)量中，采樣周期不能與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即N次采樣不是落在2π區(qū)間上，而是落在[2π+Δ]區(qū)間上（Δ稱(chēng)為同步偏差或周期偏差，其值可正可負(fù)），此時(shí)測(cè)量結(jié)果就將產(chǎn)生同步誤差。即在

7、Δ

8、不太大的情況下，通過(guò)適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度的新方法。它不要求采樣周期與信號(hào)周期嚴(yán)格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對(duì)第一次采樣的起點(diǎn)無(wú)任何要求，使測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化電路。與同步采樣法一樣，兩者均要求被測(cè)信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。準(zhǔn)同步采樣法的不足之處在于：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

9、迭代運(yùn)算的方法來(lái)消除同步誤差，其所需數(shù)據(jù)較多，計(jì)算量遠(yuǎn)大于同步采樣，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，不適合多回路、多參量實(shí)時(shí)性要求高的在線交流測(cè)量系統(tǒng)。此外，還有非同步采樣是使用固定的采樣間隔，通過(guò)軟件判斷處理調(diào)整采樣值，使采樣周期與信號(hào)周期（或信號(hào)周期的整數(shù)倍）的差值小于一個(gè)采樣間隔的測(cè)量方法。優(yōu)點(diǎn)：采樣不需同步，硬件簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)：軟件處理復(fù)雜。綜上所述：采樣測(cè)量方法幾乎都針對(duì)穩(wěn)定信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)正弦條件下檢出的在負(fù)載波動(dòng)大且波形畸變較大時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度大大降低。采樣測(cè)量