基于硬件同步采樣法的工頻電參數(shù)測量方法

付家才

(黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院, 哈爾濱 150027)

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基于硬件同步采樣法的工頻電參數(shù)測量方法

付家才

(黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院, 哈爾濱 150027)

為準確測量工頻電參數(shù)，采用硬件同步數(shù)字采樣方法設計了工頻電參數(shù)測量系統(tǒng)，提出了測量無功功率及頻率的新方法，給出了將頻率線性轉(zhuǎn)化為直流電壓測量的數(shù)學公式及測量方法的理論誤差估計公式。工頻電參數(shù)測量系統(tǒng)系統(tǒng)誤差分析表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對工頻電參數(shù)的準確測量。

硬件同步采樣; 測量系統(tǒng); 頻率測量; 系統(tǒng)測量誤差

數(shù)字采樣測量方法是基于采樣定理、結合數(shù)字分析方法、自成一體的測量方法。近年來,隨著電子技術與計算機技術的發(fā)展,該測量方法已經(jīng)越來越多地應用于電網(wǎng)工頻電參數(shù)的測量。在數(shù)字采樣技術的幾種方法中，同步采樣技術運算速度最快，運算量也較小。筆者設計的測量系統(tǒng),采用實時性最強的硬件同步數(shù)字采樣測量方法測量工頻交流電流、電壓有效值和有功功率、無功功率值等[1-3]交流工頻電參數(shù)。

1　測量原理

1.1電壓、電流有效值和有功功率測量

將工頻電壓信號N倍頻采樣脈沖作為A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)采樣保持器的轉(zhuǎn)換脈沖,實現(xiàn)在一個工頻電壓周期內(nèi)對交流工頻電壓與電流瞬時值的等間隔同步采樣。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后,tj時刻的瞬時功率值為P(tj)。采樣N點瞬時值后,單片機根據(jù)數(shù)值矩形積分算法[4-11],分別得到有功功率

(1)

電流有效值

電壓有效值

1.2無功功率測量

設一個周期內(nèi),采樣N點電壓、電流的瞬時值為{i(j)}、{u(j)},則電壓采樣j點數(shù)字移相90°后的值為

采用矩形數(shù)值積分算法求得無功功率:

2　系統(tǒng)硬件電路設計

2.1測量系統(tǒng)電路

圖1為測量系統(tǒng)的硬件電路。單片機采用89C52,轉(zhuǎn)換器采用內(nèi)部含有采樣保持器的8路逐次比較型12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。

圖1　系統(tǒng)硬件電路Fig. 1　Hardware circuit of system

整形電路的上升沿輸出信號使D觸發(fā)器置位,A相電壓信號接入單片機89C51的中斷輸入端INT0。A/D轉(zhuǎn)換器設置為外部采集控制工作模式。50 HzN倍頻電路的輸出信號作為A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘?？刂撇蓸映跏冀?保證工頻電壓信號在一個周期內(nèi)通過矩形數(shù)值積分算法得出的各電參數(shù)測量值誤差最小，讀取測量頻率值。A/D轉(zhuǎn)換器完成對電壓與電流瞬時值的N點采樣后,89C51將D觸發(fā)器清零。

一點的瞬時值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,由MAX的INT腳輸出信號觸發(fā)單片機89C52的外部中斷輸入端INT0,89C52響應中斷讀入瞬時值的二進制數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存入6264隨機存儲器RAM中。在6264隨機存儲器中,規(guī)定分別存儲N個A、B、C相電壓與電流采樣數(shù)據(jù)存儲單元。存儲單元的地址與采樣時間順序一致,以先進后出的FIFO原則存儲數(shù)據(jù)。

并行數(shù)據(jù)通訊接口電路存儲的電參數(shù)測量數(shù)據(jù)，按電力通訊規(guī)約完成與其他計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊,以組建分布式計算機處理系統(tǒng)。

2.2測頻電路

圖2為工頻頻率轉(zhuǎn)化為直流電壓信號的電路。設被測工頻電壓為

us(t)=Umsin(2πfxt),

式中:fx——頻率;

Tx——周期,Tx=1/fx。

圖2　頻率測量電路Fig. 2　Frequency measurement circuit

一個工頻電壓信號周期內(nèi),電容C兩端的電壓變化率為雙端穩(wěn)壓二極管EW的穩(wěn)壓電壓的2倍,即

ΔU=2EW。

電容C經(jīng)過工頻電壓一個周期的充放電后,電荷變化量為

ΔQ=2EWC。

通過運算放大器A3、電阻RF、電容CF構成的低通濾波器,微分電流i1(t)的平均值濾波直流電流為

每周期Tx內(nèi),電容電荷變化率為

(2)

其中,EW、C、RF均為常數(shù)(電路器件的值)。因此,頻率與輸出的直流電壓成正比,只要測量輸出電壓Vo,即可測出電網(wǎng)頻率。

3　測量系統(tǒng)誤差分析

3.1同步測量算法理論

如圖1所示,同一時刻電壓、電流瞬時值的采樣周期內(nèi),同步信號與被測信號遲滯有一定的采樣時間間隔,

任一采樣時刻ti的角度為

(3)

設測量系統(tǒng)中,工頻電壓信號、電流信號為

根據(jù)式(1),有功功率為

因此,式(1)產(chǎn)生的測量截斷誤差為

(4)

式(4)中,當α、β較小時

因此

圖1中,采樣脈沖最大滯后8個TTL傳輸時間,

ΔT=8×8×10-12=64×10-12s。

工頻周期為20 ms,因此,相對誤差為

每路信號一個周期內(nèi),對工頻電壓、電流信號分別采樣32點,即N=32,則

因此,同步采樣測量有功功率算法的理論誤差為

5.102×10-6%。

3.2單路有功功率系統(tǒng)測量誤差合成

3.2.1A/D轉(zhuǎn)換器測量誤差

3.2.2電壓、電流互感器誤差

系統(tǒng)設計采用高精度電壓、電流互感器,其誤差相等，為

γI=γV=0.01%。

3.2.3測量系統(tǒng)誤差合成

按照系統(tǒng)誤差分配原則,測量誤差主要包括電壓、電流互感器,A/D轉(zhuǎn)換器的測量算法理論誤差。因此,系統(tǒng)誤差采用平方根合成方法合成,為

3.3頻率測量方法

3.3.1比較器測量誤差

如圖2所示,運放A1、A2與電阻R1、R2構成了零回差的雙限比較器,其誤差由電阻R3及運算放大器A1、A2的動態(tài)遲滯誤差引起。如:二極管D1、D2結構完全對稱,所有系數(shù)完全一樣。設電阻R1、R2的阻值為R,R3的阻值為R3,A1、A2均為理想運算放大器。由誤差合成得比較器的電壓誤差為

γ1=γR3+2γR,

式中,γ1、γR均為給定的電阻誤差(屬于儀器誤差),因此,可以選擇高穩(wěn)定度的標準電阻來降低比較器測量誤差。

3.3.2頻率轉(zhuǎn)換直流電壓電路測量誤差

由式(2)可得頻率轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的誤差,即

頻率fx與直流電壓Vo是線性變化的,EW、C、RF均為測量電路參數(shù),取常數(shù),則

γfx=±γVo。

因此,直流電壓的測量準確度決定頻率的測量準確度。直流電壓的測量方法正確,測量方法理論誤差可達10-6。由于穩(wěn)壓基準二級管、電容、電阻的誤差取決于溫度等外部環(huán)境特性,因此頻率測量誤差為儀器誤差,按均方根合成得

可見,選取高穩(wěn)定度、高準確度的穩(wěn)壓基準二級管及標準電阻、電容可提高頻率的測量準確度。

3.3.3頻率測量方法理論誤差

由上分析,頻率測量方法的理論誤差主要是由比較器、頻率轉(zhuǎn)換直流電壓電路的誤差所決定,故測量方法理論誤差為

4　結　論

將該系統(tǒng)同步采樣算法用于工頻電參數(shù)測量,主要取得以下研究成果:

(1)采用單片機89C52與逐次比較式多路A/D轉(zhuǎn)換器MAX197設計了三相工頻電參數(shù)測量系統(tǒng)，分析了同步采樣矩形算法的理論誤差,并給出了誤差估計公式。電壓、電流互感器的誤差以及測量方法誤差對系統(tǒng)測量準確度有影響。

(2)提出了將頻率轉(zhuǎn)換成直流電壓的連續(xù)測量電網(wǎng)頻率變化的測量方法，對頻率測量方法誤差進行了定量分析,給出了測量誤差估計公式。

(3)由并行數(shù)據(jù)通信接口與其他系統(tǒng)構成的分時分布計算機處理系統(tǒng),有效地提高測量系統(tǒng)的實時性。

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(編輯晁曉筠)

Measurement method of AC electric parameters based on hardware synchronus sampling measurement

FUJiacai

(College of Electric & Information Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at accurately measuring AC electric parameters, this paper introduces the design of the measurement system of AC electric parameters, based on the hardware synchronous sampling measurement, proposes a novel method for measuring reactive power and frequency, and presents the math expression designed for translating linear frequency into DC voltage, and the expression of theoretical error of the frequency measurement. The analysis of the system error derived from the measurement system of AC electric proves that the measurement system promises to accurately measure AC electric parameters.

hardware synchronus sampling; measuring system; frequency measurement; system measuring error

1671-0118(2012)03-0269-04

2012-05-03

付家才(1954-),男,黑龍江省雞西人,教授,研究方向:數(shù)字信號處理與電氣測量,E-mail:fjc5404@163.com。

TM933

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