交流采樣原理

1、交流采樣原理（模塊編碼：ZY2900202003）在微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)應(yīng)用初期，RTU的遙測(cè)數(shù)據(jù)采集普遍采用直流采樣，即對(duì)經(jīng)過(guò)直流整流后的直流量進(jìn)行采樣測(cè)量。在直流采樣中，遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集采用經(jīng)變送器的直流采樣方法來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集工作。即將所需采集的有關(guān)信息，如交流電壓、交流電流、有功功率、無(wú)功功率等，通過(guò)利用變送器模擬電路（主要是運(yùn)算放大器）變換成相應(yīng)的直流量，一般轉(zhuǎn)換為05V(有功、無(wú)功為±5V)的直流電壓供微機(jī)檢測(cè)。此方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)采樣值只需作一次比例變換，即可得到被測(cè)量的數(shù)值，因而可使采樣周期大大縮短。在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的初期，這種方式得到了廣泛的應(yīng)用。但直流采樣方法存在

2、以下一些不足：1)測(cè)量精確度直接受整流電路的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大等。2)變送器有較大的時(shí)間延遲，難以及時(shí)反映被測(cè)量的突變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)的采集。一般國(guó)產(chǎn)普通電流變送器的上升時(shí)間均大于300ms。檔次較高的進(jìn)口變送器上升時(shí)間約為6070ms，但其價(jià)格昂貴，難以普遍使用。不能及時(shí)反應(yīng)被測(cè)量的突變，具有較大的時(shí)間常數(shù)。3)當(dāng)被測(cè)波形中有諧波時(shí)，會(huì)附加產(chǎn)生較大誤差。4)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度直接受變送器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響。5)變送器投資較大，增加監(jiān)控系統(tǒng)的造價(jià)，且維修較為復(fù)雜，設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)困難。交流采樣變送器是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交

3、流小信號(hào)，按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后通過(guò)運(yùn)算，求出被測(cè)電壓、電流的有效值和有功功率、無(wú)功功率等。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，相位失真小。它用軟件代替了硬件的功能，因而使硬件的投資大大減小。由于以上原因和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)交流采樣技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，與傳統(tǒng)的直流采樣方法相比，交流采樣方法速度快、投資省、工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單且具有較大的靈活性，是一種很有前途的新方法，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。 交流采樣法主要取決于兩個(gè)因素：測(cè)量精度和測(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，其理論

4、誤差主要有兩項(xiàng)：一項(xiàng)是用時(shí)間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時(shí)間上的連續(xù)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要取決于A/D的轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理速度；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，如今的微機(jī)、單片機(jī)的處理速率大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價(jià)格比很好的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一、采樣定理一個(gè)隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量f(t)，如圖29002009-1(a)所示，經(jīng)過(guò)采樣后，得到一系列的脈沖序列f*(t)，它是離散的信號(hào)，稱為采樣信號(hào)，如圖29002009-1 (c)所示。圖29002009-

5、1 采樣過(guò)程采樣信號(hào)f*(t)，怎樣才能如實(shí)地反映被采樣信號(hào)f(t)的變化特征呢?根據(jù)香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)(包括噪聲干擾在內(nèi))的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f2fmax進(jìn)行采樣，那么所給出的樣品系列f1*(t)，f2*(t)，就足以代表(或恢復(fù)) f(t)了，實(shí)際中常采用f(510) 2fmax。香農(nóng)定理就是著名的采樣定理。對(duì)于50Hz的正弦交流電流、電壓來(lái)說(shuō)，理論上只要每個(gè)周波采樣兩點(diǎn)就可以表示其波形的特點(diǎn)了。但為了保證計(jì)算準(zhǔn)確度，需要有更高的采樣頻率。一般取每個(gè)周波12點(diǎn)、16點(diǎn)、20點(diǎn)或24點(diǎn)的采樣頻率就足以保證計(jì)算電流、電壓基波有效值的準(zhǔn)確度了。

6、如果為了分析諧波，例如考慮到13次諧波，則需要采用每個(gè)周波32點(diǎn)的采樣速率，即采樣頻率為1600Hz。 二、什么是交流采樣交流采樣是相對(duì)直流采樣而言，它是指對(duì)交流電流和交流電壓采集時(shí)，輸入至AD轉(zhuǎn)換器的是與電力系統(tǒng)的一次電流和一次電壓同頻率、大小成比例的交流電壓信號(hào)。由于電力系統(tǒng)、發(fā)電廠或變電站的一次電流和電壓都是大電流或高電壓的信號(hào)，不能直接送至A/D轉(zhuǎn)換器，所以必須將變電站電壓互感器或電流互感器輸出的強(qiáng)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)小電壓互感器或小電流互感器，變換成AD轉(zhuǎn)換器所能接受的電壓信號(hào)，如圖29002009-2所示。在交流采樣方式中，對(duì)于有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，是通過(guò)采樣所得到的

7、u、i計(jì)算出來(lái)的。 圖 29002009-2 交流采樣示意圖三、交流采樣的算法由于微機(jī)變送器是按一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后按一定的算法求出被測(cè)量，因此，國(guó)內(nèi)外已提出許多交流采樣的算法。按采樣的速度和精度區(qū)分，有快速算法和精度較高的算法，國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是快速算法用于繼電保護(hù)系統(tǒng)，高精度算法多用于測(cè)試裝置。在變電站的實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)存在諧波，還會(huì)有各種瞬時(shí)干擾，如投切電容器、開(kāi)關(guān)合閘、跳閘等，因此在選擇交流采樣軟件時(shí)，一般均需與某種濾波算法相配合，才能達(dá)到較準(zhǔn)確地測(cè)量各種正弦與非正弦信號(hào)的目的。遞推最小二乘算法是近年來(lái)提出的一種較新的算法，利用這種算法，可以有效地從受干擾污染的

8、輸入信號(hào)中估計(jì)基波電壓或基波電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部，利用它們對(duì)電流、電壓、有功功率和無(wú)功功率的有效值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)利用電壓相角的變化可計(jì)算頻率和功率因數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)中交流采樣所采用的算法與微機(jī)保護(hù)裝置中有關(guān)的采樣算法在原理上具有相似性、但兩者的目的和要求并不完全一致，微機(jī)保護(hù)裝置中的采樣算法需檢測(cè)的量較少、對(duì)計(jì)算速度要求較高，但對(duì)準(zhǔn)確程度的要求比監(jiān)控系統(tǒng)要低一些；監(jiān)控系統(tǒng)中交流采樣算法需檢測(cè)的量較多，對(duì)算法準(zhǔn)確程度的要求較高，對(duì)于速度一般只要求跟上系統(tǒng)的采樣速度即可。因此這兩種系統(tǒng)中的采樣算法各有特點(diǎn)，不能盲目照搬。下面介紹交流采樣的一般算法。若將電壓有效值公式離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電

9、壓數(shù)字量來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式中Tm-相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um-第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N-1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即Tm為常數(shù)T，考慮到N=(T/T)+1，則有 上式就是根據(jù)一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公式。同理，電流有效值計(jì)算公式如下：計(jì)算一相有功功率的公式離散化后為式中 im、um-同一時(shí)刻的電流、電壓采樣值。功率因數(shù)可由下式求得：cos=P/UI 四、交流采樣硬件設(shè)計(jì)原理將三相電路的電壓及電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器變成幅值為-5V5V的交流輸入信號(hào)，然后采用低通濾波電路對(duì)

10、其進(jìn)行濾波，將濾波后的信號(hào)通過(guò)采樣保持電路進(jìn)行同步采樣和保持使之變?yōu)殡x散信號(hào)。為節(jié)約成本，采用同步采樣和分時(shí)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想，其硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖29002009-3所示。設(shè)計(jì)中只采用了一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，硬件電路中用一個(gè)多路選通開(kāi)關(guān)對(duì)所要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的通道依次進(jìn)行選擇。在每一個(gè)采樣點(diǎn)，AD轉(zhuǎn)換器要對(duì)多路通道分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因此，采樣保持器與AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘脈沖配合是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般采用頻率測(cè)量及跟蹤鎖相方法可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入微機(jī)進(jìn)行處理，就可得出相應(yīng)的有效值、平均功率及功率因數(shù)，從而完成交流電力參數(shù)的測(cè)量。圖 29002009-3 交流采樣硬件設(shè)計(jì)原理圖五、直流采樣和

11、交流采樣方式的比較上述分析可知，直流采樣和交流采樣主要是指對(duì)交流電流和電壓的采樣方法。兩種方法的主要區(qū)別是直流采樣必須把交流電流和電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波，變成直流量，再送給AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(一)直流采樣的特點(diǎn)1)直流采樣對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡(jiǎn)單。只要將采樣結(jié)果乘上相應(yīng)的標(biāo)度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，因此采樣程序簡(jiǎn)單，軟件的可靠性較好。2)直流采樣因經(jīng)過(guò)整流和濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，因此抗干擾能力較強(qiáng)。3)直流采樣輸入回路，因要濾去整流后的紋波，往往采用R-C濾波電路，其時(shí)間常數(shù)較大(一般幾十毫秒幾百毫秒)，因此采樣結(jié)果實(shí)時(shí)性差，而且無(wú)法反映被測(cè)模擬量的波形，尤其不適

12、合用于微機(jī)保護(hù)和故障錄波。4)直流采樣需要變送器屏，故增加了設(shè)備投資和占地面積。（二)交流采樣的主要特點(diǎn)交流采樣是直接對(duì)交流電流和電壓的波形進(jìn)行采樣，然后通過(guò)一定算法計(jì)算出其有效值，并計(jì)算出P、Q值。交流采樣有如下主要特點(diǎn)。1)實(shí)時(shí)性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)大的影響，因此在微機(jī)保護(hù)中必須采用交流采樣。2)能反映原來(lái)電流、電壓的實(shí)際波形，便于對(duì)所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行波形分析。因此在需要諧波分析或故障錄波的場(chǎng)合，必須采用交流采樣。3)有功功率和無(wú)功功率是通過(guò)采樣得到的u、i計(jì)算出來(lái)的，因此可以省去有功功率和無(wú)功功率變送器，可以節(jié)約投資并縮小測(cè)量設(shè)備的體積。4)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率

13、和采樣保持器要求較高。為了保證測(cè)量的精度，一個(gè)周期內(nèi)，必須保證有足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，因此要求AD轉(zhuǎn)換器要有足夠的轉(zhuǎn)換速度。5)測(cè)量準(zhǔn)確性不僅取決于模擬量輸入通道的硬件，而且還取決于軟件算法，因此采樣和計(jì)算程序相對(duì)復(fù)雜。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，交流采樣技術(shù)已經(jīng)非常成熟；尤其是計(jì)算機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，幾年前在價(jià)格上還高不可攀的高速、高精度的交流采樣技術(shù)，現(xiàn)已能在普及型工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。RTU是交流采樣技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典型例子。交流采樣RTU與直流采樣RTU相比有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活：交流采樣RTU可以集中式安裝，也可以分散式安裝；一些老的變電站進(jìn)行調(diào)度自動(dòng)化改造時(shí)，由于其屏的位置已經(jīng)占滿

14、，分散式安裝的RTU將是其比較好的選擇。而直流采樣RTU由于受到需要配備變送器等的限制，很難做到分布式安裝。擴(kuò)充方便：交流采樣RTU一般為模塊化結(jié)構(gòu)，能夠非常方便地做到對(duì)遙測(cè)、遙信等量的擴(kuò)充，只要加一塊擴(kuò)充模塊即可。維護(hù)簡(jiǎn)單：采用交流采樣RTU免除了直流采樣RTU中必須的變送器運(yùn)行管理的工作，具有很高的性能價(jià)格比，不用經(jīng)常調(diào)校，工作穩(wěn)定可靠，大大降低了RTU的維護(hù)工作量。測(cè)量精度高：交流采樣RTU，對(duì)電流、電壓、有功、無(wú)功等的采樣精度能很容易達(dá)到0.5級(jí)，在用戶特殊要求下，可以做到0.2級(jí)。測(cè)量參數(shù)多：除了能測(cè)量三相電壓、電流、有功、無(wú)功、視在功率；還能測(cè)量有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、頻率等

15、，能省缺脈沖電度表等較貴重的設(shè)備投資。綜上所述，直流采樣和交流采樣是兩種不同的采樣方式，各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。但從發(fā)展的眼光看，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的提高，AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率也不斷提高，而且交流采樣的算法也有多種方法可供選擇，因此采用交流采樣是一種發(fā)展的趨勢(shì)。 六、交流采樣微機(jī)變送器的特點(diǎn)微機(jī)電量變送器根據(jù)交流采樣原理，以微處理機(jī)為核心，對(duì)電網(wǎng)的電流、電壓進(jìn)行瞬時(shí)采樣、運(yùn)算，從而得到各種電氣量的數(shù)字量，通過(guò)其接口送給RTU。它具有以下特點(diǎn)：1)省掉了常規(guī)變送器模擬運(yùn)算直流化過(guò)程，采樣中間環(huán)節(jié)少，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。2)減少了中間環(huán)節(jié)，可以提高測(cè)量精度及運(yùn)行的穩(wěn)定性。3)采用

16、了微處理器作為核心處理部件，智能化程度高，也提高了性能價(jià)格比。4)采用了三瓦特表和二瓦特表雙重測(cè)量方式，可滿足平衡與不平衡電路的要求。5)處理數(shù)據(jù)容量大，并可靈活擴(kuò)充，以滿足不同廠站和調(diào)度中心的需要。6)便于安裝調(diào)試，減小了占用配電屏(架)的面積或臺(tái)數(shù)。微機(jī)電量變送器根據(jù)二次回路的電流與電壓經(jīng)二次TA、TV隔離變換成0500mV交流信號(hào)，再隔離放大后，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)控制，送往AD轉(zhuǎn)換和時(shí)序控制電路，在工頻鎖相方波輸出電路軟件控制下，對(duì)同一周期內(nèi)同一時(shí)刻的電流、電壓進(jìn)行瞬時(shí)采樣，每一個(gè)相對(duì)周期即可采集一路三相電流和三相電壓的瞬時(shí)值，經(jīng)過(guò)軟件算法計(jì)算，可以得到被測(cè)回路的有功功率、無(wú)功功率、電壓、電流、

17、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)的有效值和最大值等相關(guān)量。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意以下問(wèn)題：(1)采樣周期和采樣時(shí)機(jī)。大多數(shù)的計(jì)算對(duì)采樣周期選取8次、12次等低速率方式，這對(duì)微處理器及其設(shè)備的要求均較低，數(shù)據(jù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單，這在電網(wǎng)中高次諧波分量不太大的情況下是適用的，否則就必須提高采樣速率。另外，采樣的時(shí)機(jī)很重要，特別是在低速率采樣的方式中，如果采樣恰好在高次諧波的峰谷點(diǎn)，將對(duì)精度有很大的影響。所以，在器件和技術(shù)允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡量提高采樣頻率，這樣對(duì)電網(wǎng)中的干擾影響起抑制作用，有使數(shù)字平滑的作用。(2)鐵芯非線性補(bǔ)償。微機(jī)交流采樣變送器能實(shí)現(xiàn)分段對(duì)鐵芯的非線性補(bǔ)償，補(bǔ)償程度根據(jù)鐵芯本身的特性，最好是能對(duì)每個(gè)鐵芯有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償曲線，并且根據(jù)精度要求分段補(bǔ)償。()鐵芯磁滯角度的補(bǔ)償。由于微處理器有存儲(chǔ)功能，鐵芯的磁滯角補(bǔ)償變