采樣計算式測量方法的特點及應(yīng)用

1、1999年第9期電測與儀表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)總第36卷第405期采樣計算式測量方法的特點及應(yīng)用李慶波王菽蓉哈爾濱理工大學(xué)(150040)徐勇天津農(nóng)墾集團總公司(300381)摘要在交流電參量多參數(shù)測量中,目前普遍采用的是采樣計算式測量方法,本文通過對各種采樣方法的比較,較全面詳細(xì)地介紹了直流采樣方法和各種交流采樣方法(同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等)的特點及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞交流采樣法引言交流電參量的測量方法主要分為兩大類:模擬電路測量方法和采樣計算式測量方法。其中模擬電路測量方法準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好,但不

2、前當(dāng)被測信號為純工頻正弦量時,有效值Urms與平均絕對值Uaav:Urms=1.11U。,Urms與,這將給計算結(jié)果帶,在諧波污染較為嚴(yán)重的情1,這種測量方法的誤差可達10%以上。采用直流采樣法計算功率的方法,通常是先分別計算電壓、電流的有效值和它們之間的相位角,再直接代入功率計算公式中進行計算。在含有諧波的情況下,由于計算出的電壓、電流有效值和相角差均有較大的誤差,所以功率計算的結(jié)果也必然會有較大的誤差。2交流采樣法交流采樣法是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣,再用一定的數(shù)值算法求得被測量,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條件:測量準(zhǔn)確度和測量速度

3、。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:一項是用時間上離散的數(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;另一項是將連續(xù)的電壓和電流進行量化而產(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、單片機處理速度大大提高,同時也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價格比較好的高速A/D轉(zhuǎn)換器,為交流采樣法奠定了堅實的基礎(chǔ)。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種,下面對此作簡要介紹。太適用于多參數(shù)測量;采樣計算式

4、測量方法比較適用于多參數(shù)測量,尤其隨著電子技術(shù)的發(fā)展,如今的微型機、單片機處理速度大大提高,同時也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價格比較好的高速A/D轉(zhuǎn)換器,給采樣計算式測量方法提供了有力的硬件支持。采樣計算法的理論基礎(chǔ)是采樣定理,即要求采樣頻率不小于信號最高次諧波頻率的二倍。電氣量采集和計算的方法主要有兩種:一種是直流采樣法,另一種是交流采樣法。直流采樣法直流采樣法,即采樣的是經(jīng)過整流后的直流量。采用直流采樣法測量電壓、電流時,均是通過測量平均值來測量電參量的有效值。此方法軟件設(shè)計簡單、計算方便,對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但是直流采樣方法存在一些問題,如:測量準(zhǔn)確度直接受整流電路的

5、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響;整流電路參數(shù)調(diào)整困難,而且受波形因數(shù)的影響較大等。目41999年第9期電測與儀表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)總第36卷第405期同步采樣法同步采樣法是指采樣時間間隔Ts與被測交流信號周期T及一個周期內(nèi)采樣點數(shù)N之2.1行N次采樣后,不能與實際信號的周期同步,即存在同步誤差。為減少同步誤差,可采用“準(zhǔn)同步采樣法”和“加窗函數(shù)法”,其中“加窗函數(shù)法”是把時域被測函數(shù)與某種低旁瓣特性的函數(shù)相乘之后,再進行所需的數(shù)據(jù)運算或處理2。采用這種方法的優(yōu)點是采樣周期不要求與被測信號周期嚴(yán)格同步,但它以較長的測量時間為代價,Td(取

6、決于晶振)有,由定時器給出的采樣間隔與理論計算所得采樣值相比將存在著截斷誤差,該誤差積累N點后,必然引起周期誤差和方法誤差。7可以采用“雙速率同步采樣法”或在采樣過程中修改定時器的計數(shù)值,動態(tài)確定采樣周期,來減小周期誤差,提高準(zhǔn)確度。2.2準(zhǔn)同步采樣法在實際采樣測量中,采樣周期不能與被測信號周期實現(xiàn)嚴(yán)格同步,即N次采樣不是落在2區(qū)間上,而是落在2+區(qū)間上(稱為同步偏差或周期偏差,其值可正可負(fù)),此時測量結(jié)果就將產(chǎn)生同步誤差。為解決該項誤差,在八十年代初清華大學(xué)戴先中先生提出了準(zhǔn)同8步采樣法,即在|不太大的情況下,當(dāng)滿M時,通過適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)足N>2量和增加迭代次數(shù)來提高測量準(zhǔn)確度的新方

7、法。它不要求采樣周期與信號周期嚴(yán)格同步,不要求同步環(huán)節(jié),對第一次采樣的起點無任何要求。準(zhǔn)同步采樣不僅降低了對信號頻率的要求,而且也降低了對采樣時間間隔的要求,降低了對振蕩器振蕩頻率的要求。因此準(zhǔn)同步采樣技術(shù)可以用要求低的振蕩器代替同步采樣中要求高的同步環(huán)節(jié),使測量裝置簡單,簡化電路9。與同步采樣法一樣,兩者均要求被測信號在短時間內(nèi)是穩(wěn)定的。準(zhǔn)同步采樣法的不足之處在于:它需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點數(shù)并采用迭代運算的方法來消除同步誤56間滿足關(guān)系式T=NTS。同步采樣法又被稱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斷區(qū)間正好等于被測連續(xù)信號周期的整數(shù)倍2。同步采樣法的

8、實現(xiàn)方法有兩種:一是硬件同步采樣法;二是軟件同步采樣法。21111硬件同步采樣法功率表。T=NTS且N>2M(M),用同步采樣法就不存在測量方法上的誤差。但實際上采樣周期與被測信號周期實現(xiàn)嚴(yán)格同步有一定的困難。從對周期信號的復(fù)原與頻譜分析角度考慮,當(dāng)采樣頻率和信號基頻不同步時,模擬信號用離散信號代替會出現(xiàn)泄漏誤差。在對某些用電系統(tǒng)中包含有多次諧波分量的電壓和電流周期信號進行測試分析時,這是造成誤差的主要來源。為此,常采用鎖相環(huán)來構(gòu)成頻率跟蹤電路實現(xiàn)同步等間隔采樣。如目前研制出的一種應(yīng)用數(shù)字鎖相環(huán)路(DPLL)原理,基于4倍頻器的同步采樣脈沖發(fā)生裝置,它能產(chǎn)生完全同步于被測信號基頻的采樣脈

9、沖,當(dāng)信號基頻發(fā)生漂移時,裝置還能自動跟蹤信號基頻并產(chǎn)生新的同步于信號基頻的脈沖,這樣從根本上消除了泄漏誤差產(chǎn)生的根源。21112軟件同步采樣法軟件同步采樣法的一般實現(xiàn)方法是:首先測出被測信號的周期T,用該周期除以一周期內(nèi)采樣點數(shù)N,得到采樣間隔,并確定定時器5的計數(shù)值,用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。該方法省去了硬件環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)簡單,但由于信號的頻率是在一定范圍內(nèi)變化,對其周期T不能準(zhǔn)確測量,按不準(zhǔn)確的周期T計算的采樣間隔進1999年第9期電測與儀表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)18總第36卷第405期差,其所需數(shù)據(jù)較多,計算量遠大于同步采樣

10、,運算時間較長,不適合多回路、多參量實時性要求高的在線交流測量系統(tǒng),而且受短暫突發(fā)性1011干擾影響的可能性要比同步采樣大。針對以上缺點,清華大學(xué)的鄧春先生提出了“快速準(zhǔn)12同步一次加權(quán)法”,東南大學(xué)的潘文先生提出了減少迭代次數(shù)的三種方法:“尋優(yōu)法”、“補13償法”“、數(shù)字濾波法”。這些方法縮短了測量時間,加快了數(shù)據(jù)處理速度,但需要準(zhǔn)確地測量信號周期,并且采樣起始點的選擇將影響測量的準(zhǔn)確度。2.3非整周期采樣法,使用準(zhǔn)同步采樣、-,。因此,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張建秋、陶然等提出了一種“非整周期采樣理14論”。所謂非整周期采樣就是以采樣時間間)(-1<<1稱為同步偏隔TS=N樣研制出“寬

11、帶功率表”,當(dāng)畸變信號頻率從1Hz10kHz變化時,通過適當(dāng)調(diào)整采樣周期和增加采樣頻率(2.34kHz300kHz),使樣機18的測量準(zhǔn)確度達到0.1%,該表的準(zhǔn)確度較高,但它使用16位的A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器,電路復(fù)雜,成本較高。3結(jié)束語綜上所述,合理,將多樣化智能化和自動化水平大為提高,并已成為傳統(tǒng)儀器更新?lián)Q代的新趨勢。參123考文獻WattmeterUsingaSampling國電力,1998,31(2):17-191988,25(7-8):2-4Method.45678910111213差,T為信號周期,N為采樣次數(shù),K為采樣15周期數(shù)),對連續(xù)周期信號進行采樣。非整周期采樣諧波分析方

12、法所需要的數(shù)據(jù)可以僅為約一個周期,從而使諧波分析有可能跟蹤信號的波動,而且不管實際采樣是否同步,均能準(zhǔn)確地分析諧波。由于所需數(shù)據(jù)可以在一個周期內(nèi)獲得,該方法適合于快速測量,算法實時性較好。但采樣/保持誤差、A/D轉(zhuǎn)換器誤差、外部或內(nèi)部隨機干擾以及計算機舍入誤差對非整周期采樣諧波分析方法的影響,還有待于進一步研究。2.4非同步采樣法非同步采樣法是使用固定的采樣間隔,通過調(diào)整采樣值,使采樣周期與信號周期(或信號周期的整數(shù)倍)的差值小于一個采樣間隔的測16170.5%,1983年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局用非同步采6(4):337-3411998,(2):15-16測與儀表,1997,34(10):4-5?？茖W(xué)

13、技術(shù)出版社,1979.準(zhǔn)同步采樣方法應(yīng)用中的幾個問題.電測與儀電測與儀表,1997,.34(4):21-23儀器儀表學(xué)報,1984,5(4):390-396應(yīng)用.電測與儀表,1989,26(4):3-6表學(xué)報,1986,7(2):203-2071988,25(2):2-7究.儀器儀表學(xué)報,1997,18(4):337-342表,1990,27(6):6-814張建秋,陶然,沈毅,邸麗敏.(下轉(zhuǎn)第26頁左下)1999年第9期電測與儀表(ElectricalMeasurement&Instrumentation)總第36卷第405期接收電路把電流互感器二次側(cè)感應(yīng)出來的微弱信號,經(jīng)放大器變成

14、交流毫伏級電壓信號,經(jīng)選頻放大等多級電路環(huán)節(jié),得到較好的標(biāo)準(zhǔn)5V模擬信號,通過A/D轉(zhuǎn)換送到CPU。用電流互感器間接測量接地電阻的方法,在接地支路電阻(電阻以k為單位)越小時,電流互感器感應(yīng)信號越強。再把感應(yīng)過來的電流信號轉(zhuǎn)移成標(biāo)準(zhǔn)信號,通過A/D轉(zhuǎn)換器送入計算機處理。其原理框圖如圖6所示。主要技術(shù)參數(shù)被測系統(tǒng)電壓:48、110、220V檢測支路數(shù):60路/臺(可擴展120路)監(jiān)測系統(tǒng)電壓:超出或低于整定值報警每路檢測時間:1.52s直流電壓偏移量整定范圍:040V(用戶可用鍵盤輸入方式整定)結(jié)束語5,。該項目的改進設(shè),。我們在原有“單一頻率在線式”裝置基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和存在問題采用

15、了新的技術(shù),對原有裝置進行了改進研究,完善了裝置功能,并進行新的嘗試,在直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測與診斷研究方面有一個更大的進展。參考文獻121.158行,需要在實驗室的直流系統(tǒng)(220V)上模擬現(xiàn)場工況進行調(diào)試。由于實驗室的直流系統(tǒng)各支路的負(fù)荷小,支路數(shù)量小,干擾信號很小,整機調(diào)試結(jié)果非常令人滿意。當(dāng)信號源U=10V,改變接地模擬電阻值,實測數(shù)據(jù)見表1?；ジ衅饕淮坞娏?mA)模擬電阻(k)40低通放大電壓(V)1.16351.35301.59153.24100.250.390.480.640.94技術(shù).中國電力,1993(7)上海復(fù)旦大學(xué)出版社,19863崔實,張連斌等.直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測收稿日期:1999-05-29裝置研究與應(yīng)用.東北電力學(xué)院學(xué)報,1996(4)(楊長江編發(fā))(上接第6頁)非整周期采樣應(yīng)用于周期信號的諧波分析.儀器儀表學(xué)報,