基于硬件同步采样法的工频电参数测量方法

付家才

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院, 哈尔滨 150027)



基于硬件同步采样法的工频电参数测量方法

付家才

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院, 哈尔滨 150027)

为准确测量工频电参数，采用硬件同步数字采样方法设计了工频电参数测量系统，提出了测量无功功率及频率的新方法，给出了将频率线性转化为直流电压测量的数学公式及测量方法的理论误差估计公式。工频电参数测量系统系统误差分析表明，该系统可以实现对工频电参数的准确测量。

硬件同步采样; 测量系统; 频率测量; 系统测量误差

数字采样测量方法是基于采样定理、结合数字分析方法、自成一体的测量方法。近年来,随着电子技术与计算机技术的发展,该测量方法已经越来越多地应用于电网工频电参数的测量。在数字采样技术的几种方法中，同步采样技术运算速度最快，运算量也较小。笔者设计的测量系统,采用实时性最强的硬件同步数字采样测量方法测量工频交流电流、电压有效值和有功功率、无功功率值等[1-3]交流工频电参数。

1　测量原理

1.1电压、电流有效值和有功功率测量

将工频电压信号N倍频采样脉冲作为A/D转换器内采样保持器的转换脉冲,实现在一个工频电压周期内对交流工频电压与电流瞬时值的等间隔同步采样。经过模数转换后,tj时刻的瞬时功率值为P(tj)。采样N点瞬时值后,单片机根据数值矩形积分算法[4-11],分别得到有功功率

(1)

电流有效值

电压有效值

1.2无功功率测量

设一个周期内,采样N点电压、电流的瞬时值为{i(j)}、{u(j)},则电压采样j点数字移相90°后的值为

采用矩形数值积分算法求得无功功率:

2　系统硬件电路设计

2.1测量系统电路

图1为测量系统的硬件电路。单片机采用89C52,转换器采用内部含有采样保持器的8路逐次比较型12位A/D转换器MAX197。

图1　系统硬件电路Fig. 1　Hardware circuit of system

整形电路的上升沿输出信号使D触发器置位,A相电压信号接入单片机89C51的中断输入端INT0。A/D转换器设置为外部采集控制工作模式。50 HzN倍频电路的输出信号作为A/D转换器的采样时钟。控制采样初始角,保证工频电压信号在一个周期内通过矩形数值积分算法得出的各电参数测量值误差最小，读取测量频率值。A/D转换器完成对电压与电流瞬时值的N点采样后,89C51将D触发器清零。

一点的瞬时值经A/D转换后,由MAX的INT脚输出信号触发单片机89C52的外部中断输入端INT0,89C52响应中断读入瞬时值的二进制数据,并将数据存入6264随机存储器RAM中。在6264随机存储器中,规定分别存储N个A、B、C相电压与电流采样数据存储单元。存储单元的地址与采样时间顺序一致,以先进后出的FIFO原则存储数据。

并行数据通讯接口电路存储的电参数测量数据，按电力通讯规约完成与其他计算机系统的数据通讯,以组建分布式计算机处理系统。

2.2测频电路

图2为工频频率转化为直流电压信号的电路。设被测工频电压为

us(t)=Umsin(2πfxt),

式中:fx——频率;

Tx——周期,Tx=1/fx。

图2　频率测量电路Fig. 2　Frequency measurement circuit

一个工频电压信号周期内,电容C两端的电压变化率为双端稳压二极管EW的稳压电压的2倍,即

ΔU=2EW。

电容C经过工频电压一个周期的充放电后,电荷变化量为

ΔQ=2EWC。

通过运算放大器A3、电阻RF、电容CF构成的低通滤波器,微分电流i1(t)的平均值滤波直流电流为

每周期Tx内,电容电荷变化率为

(2)

其中,EW、C、RF均为常数(电路器件的值)。因此,频率与输出的直流电压成正比,只要测量输出电压Vo,即可测出电网频率。

3　测量系统误差分析

3.1同步测量算法理论

如图1所示,同一时刻电压、电流瞬时值的采样周期内,同步信号与被测信号迟滞有一定的采样时间间隔,

任一采样时刻ti的角度为

(3)

设测量系统中,工频电压信号、电流信号为

根据式(1),有功功率为

因此,式(1)产生的测量截断误差为

(4)

式(4)中,当α、β较小时

因此

图1中,采样脉冲最大滞后8个TTL传输时间,

ΔT=8×8×10-12=64×10-12s。

工频周期为20 ms,因此,相对误差为

每路信号一个周期内,对工频电压、电流信号分别采样32点,即N=32,则

因此,同步采样测量有功功率算法的理论误差为

5.102×10-6%。

3.2单路有功功率系统测量误差合成

3.2.1A/D转换器测量误差

3.2.2电压、电流互感器误差

系统设计采用高精度电压、电流互感器,其误差相等，为

γI=γV=0.01%。

3.2.3测量系统误差合成

按照系统误差分配原则,测量误差主要包括电压、电流互感器,A/D转换器的测量算法理论误差。因此,系统误差采用平方根合成方法合成,为

3.3频率测量方法

3.3.1比较器测量误差

如图2所示,运放A1、A2与电阻R1、R2构成了零回差的双限比较器,其误差由电阻R3及运算放大器A1、A2的动态迟滞误差引起。如:二极管D1、D2结构完全对称,所有系数完全一样。设电阻R1、R2的阻值为R,R3的阻值为R3,A1、A2均为理想运算放大器。由误差合成得比较器的电压误差为

γ1=γR3+2γR,

式中,γ1、γR均为给定的电阻误差(属于仪器误差),因此,可以选择高稳定度的标准电阻来降低比较器测量误差。

3.3.2频率转换直流电压电路测量误差

由式(2)可得频率转换成直流电压电路的误差,即

频率fx与直流电压Vo是线性变化的,EW、C、RF均为测量电路参数,取常数,则

γfx=±γVo。

因此,直流电压的测量准确度决定频率的测量准确度。直流电压的测量方法正确,测量方法理论误差可达10-6。由于稳压基准二级管、电容、电阻的误差取决于温度等外部环境特性,因此频率测量误差为仪器误差,按均方根合成得

可见,选取高稳定度、高准确度的稳压基准二级管及标准电阻、电容可提高频率的测量准确度。

3.3.3频率测量方法理论误差

由上分析,频率测量方法的理论误差主要是由比较器、频率转换直流电压电路的误差所决定,故测量方法理论误差为

4　结　论

将该系统同步采样算法用于工频电参数测量,主要取得以下研究成果:

(1)采用单片机89C52与逐次比较式多路A/D转换器MAX197设计了三相工频电参数测量系统，分析了同步采样矩形算法的理论误差,并给出了误差估计公式。电压、电流互感器的误差以及测量方法误差对系统测量准确度有影响。

(2)提出了将频率转换成直流电压的连续测量电网频率变化的测量方法，对频率测量方法误差进行了定量分析,给出了测量误差估计公式。

(3)由并行数据通信接口与其他系统构成的分时分布计算机处理系统,有效地提高测量系统的实时性。

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(编辑晁晓筠)

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,黑龙江省鸡西人,教授,研究方向:数字信号处理与电气测量,E-mail:fjc5404@163.com。

TM933

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