交流采样装置的构成原理和实现

摘要：随着电力系统的快速发展，交流采样测量装置的使用已越来越普及，交流采用测量装置作为电网电测量参数的在线测量仪器，具有较好的准确度和稳定度。本文首先分析了交流采样与直流采样的异同，然后重点介绍了交流采样的构成原理和实现，最后提出了一些在交流采样实现中的难点。

关键词：交流采样 测量装置 原理 实现

在目前的电力系统应用中，电量数据采集的方法根据采集信号的不同可以被分成两种，一种是直流采样，另一种是交流采样。随着交流数字技术的完善与成熟及电力建设的飞速发展，在发供电企业的新建、扩建及改造过程中，以新技术为特征的交流采样测量装置已得到全面普及。

1 交流采样与直流采样比较

直流采样，它的采样对象为直流信号。它是把交流电压、电流信号经过PT、CT（或者通过硬件电路变换）变小后，经过整流、滤波，得到对应电量的平均值，送入变送器单元，转化为（0—5）V＼（0—10）V的直流电压或（4—20）mA的直流电流，再由各种装置和仪表采集，其示意图见图1。这种方法的好处是不经过采样装置处理，但是它的测量结果存在误差，设备复杂，维护难等。所以，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。

交流采样是将二次侧的电压、电流经高精度的CT、PT变换，变成微处理器可测量的交流小信号，然后利用微处理器的高速，选择一系列的时间点，对这些时间点的瞬时信号进行A/D转换后，送入微处理器进行处理，得到测量值，其示意图见图2。测量得到的值为直接数字信号，可以直接传输给主控室的电脑显示，也可传送给远处的监控系统，供远方巡视用。由于交流采样是对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件替代硬件的功能又使硬件的投入大大减小。另外，由于它内嵌了微处理器，使得它与主控制之间的双向通信成为可能，并且可以接收、发出或执行控制命令。因而采用了交流采样的装置往往称为测控装置，其作用已不再仅仅局限于测量了。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的准确度和稳定性。

2 交流采样算法简介

由于交流采样采集的是瞬时值，要得到电量的有效值，必须采取一定的算法，这里主要涉及到的是离散化算法。

3 交流采样装置的构成原理

3.1 交流采样装置的主要构成 在变电站综合自动化系统中，交流采样装置一般由计算机为核心的硬件构成。它由中间电压互感器、中间电流互感器、多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器、计算机以及频率跟踪等电路组成。与交流采样相关的软件主要包括两个部分：一是交流信号的采样控制软件；二是交流采样数据的处理软件。

3.2 交流采样装置的基本原理 交流采样法是按一定规律对被测交流信号的瞬时值进行采样，再用一定的数学算法求得被测量，用软件功能代替硬件的计算功能。它是用一条阶梯曲线代替一条光滑被测正弦信号，其原理误差主要有2项：①用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差，这主要是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取决于A/D转换器转换速度和CPU的处理时间；②将连续的电压和电流进行量化而产生的量子化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。

4 交流采样的实现

由于微电子技术的发展，智能高速CPU不断出现，交流采样的实现越来越容易，其实现的硬件原理图如图4所示。

图4中前置电路包括高精度的PT、CT变换以及电流/电压转换，它完成将二次侧信号转化为（-2.5-+2.5）V小信号的功能，并送入选择电路；微处理器根据现场接线情况（单相、三相三线、三相四线），发出控制信号，控制选择电路，选择需要采集的电压电流量，送入信号调理电路；在信号调理电路中，给所有的双边交流小信号叠加一个2.5V的直流分量，转换为0-5V 的单边信号，送采样保持电路和A/D转换电路；微处理器控制采样保持电路，先打开采样，然后同时关闭所有采样并锁存，使得所有的采样值是处于同一个瞬间，即可以保持同步。

在交流采样中，知道交流信号的周期T是非常必要的，完成这个功能靠的是过零比较电路。当过零比较电路检测到交流信号过零点时，发出一个脉冲，启动微处理器的定时器开始计时；当再次检测到过零信号时，又发出一个脉冲，停止微处理器的定时器的计时。两次时间之差的两倍即为交流信号的周期T。得到了周期T，即可得出频率f=1/T。

5 交流采样实现中的难点

在交流采样中，设T为交流信号的周期，N为一个周期的采样点数，Ts为相邻两次采样时间间隔，则要真实准确的采样，必须满足T=N×Ts，也就是存在一个采样频率与交流信号频率同步的问题。

众所周知，电网频率不是固定不变的，而是在50Hz（或60Hz）上下波动的，电网中越来越多的非线性设备的投入用，使得电压、电流波形发生畸变，产生了大量的高次谐波，这些都会影响采样的交流信号的频率。而由于硬件条件的限制，微处理器能处理的最小时间单位是一定的，定时器的分辨率有限，这就有可能导致由定时器给出的采样周期与理论上的计数周期之间存在截断误差。如果存在采样频率与信号频率不同步的情况，而不加以改进，则随着时间的推移，实际采样点有可能严重偏离理论采样点，带来误差的结果。

实现交流同步采样可以采用软件或硬件的方法。软件处理方法简单，不用另外添加硬件器件，节省成本和设备体积，最常见最简单的一种方法是：当过零比较电路监测到交流信号过零点时，开始采样；采完一个周期的N个点后，停止采样，等待下一个过零点的到来；下一个过零点到来时，又开始采样如此周而复始，即可以保证一个交流信号周期采样N次，并且每个周期的采样开始时间同步。这种方法适合于交流信号频率变化不大的场合。当交流信号频率变化稍大时，第（k+1）次采样时间与理论采样时间可能相差甚远，带来误差甚至错误的结果。

硬件方法处理同步最常见的是采用锁相环。锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环。由锁相环控制采样的定时和速率，从而达到同步采样的目的。

6 结束语

电力参数监测的交流采样方法由于比直流采样更高的精度和更高的稳定性，且具有更大的扩展空间，适应未来数字化的发展趋势，因而得到了广泛的应用。可以想象，随着电子技术、数字技术、网络技术的发展，交流采样必然取代直流采样，在电力自动化系统中发挥重要的作用。

参考文献：

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[3]李庆坡.采样计算式测量方法的特点及应用[J].电测与仪表，1999-09-10.

作者简介：李萍（1960-），女，山东烟台人，工程师，研究方向：计量。