交流采樣原理

1、交流采樣原理（模塊編碼：ZY2900202003）在微機(jī)遠(yuǎn)動應(yīng)用初期，RTU的遙測數(shù)據(jù)采集普遍采用直流采樣，即對經(jīng)過直流整流后的直流量進(jìn)行采樣測量。在直流采樣中，遙測數(shù)據(jù)的采集采用經(jīng)變送器的直流采樣方法來完成數(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、無功功率等，通過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、無功為±5V)的直流電壓供微機(jī)檢測。此方法軟件設(shè)計簡單，計算簡便，對采樣值只需作一次比例變換，即可得到被測量的數(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)變送器有較大的時間延遲，難以及時反映被測量的突變，無法實現(xiàn)實時信號的采集。一般國產(chǎn)普通電流變送器的上升時間均大于300ms。檔次較高的進(jìn)口變送器上升時間約為6070ms，但其價格昂貴，難以普遍使用。不能及時反應(yīng)被測量的突變，具有較大的時間常數(shù)。3)當(dāng)被測波形中有諧波時，會附加產(chǎn)生較大誤差。4)監(jiān)控系統(tǒng)的測量準(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，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得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計算機(jī)可測量的交

3、流小信號，按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進(jìn)行采樣，然后通過運(yùn)算，求出被測電壓、電流的有效值和有功功率、無功功率等。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進(jìn)行采樣，因而實時性好，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因素：測量精度和測量速度。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：一項是用時間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時間上的連續(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，同時也出現(xiàn)了種類繁多而且性能價格比很好的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD574、MAC197等，為交流采樣奠定了堅實的基礎(chǔ)。一、采樣定理一個隨時間連續(xù)變化的物理量f(t)，如圖29002009-1(a)所示，經(jīng)過采樣后，得到一系列的脈沖序列f*(t)，它是離散的信號，稱為采樣信號，如圖29002009-1 (c)所示。圖29002009-

5、1 采樣過程采樣信號f*(t)，怎樣才能如實地反映被采樣信號f(t)的變化特征呢?根據(jù)香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時間變化的模擬信號(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，實際中常采用f(510) 2fmax。香農(nóng)定理就是著名的采樣定理。對于50Hz的正弦交流電流、電壓來說，理論上只要每個周波采樣兩點就可以表示其波形的特點了。但為了保證計算準(zhǔn)確度，需要有更高的采樣頻率。一般取每個周波12點、16點、20點或24點的采樣頻率就足以保證計算電流、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，則需要采用每個周波32點的采樣速率，即采樣頻率為1600Hz。 二、什么是交流采樣交流采樣是相對直流采樣而言，它是指對交流電流和交流電壓采集時，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。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，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，經(jīng)過一個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，如圖29002009-2所示。在交流采樣方式中，對于有功功率、無功功率和功率因數(shù)，是通過采樣所得到的

7、u、i計算出來的。 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)律對被測量的瞬時值進(jìn)行采樣，然后按一定的算法求出被測量，因此，國內(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試裝置。在變電站的實際運(yùn)行中，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種瞬時干擾，如投切電容器、開關(guān)合閘、跳閘等，因此在選擇交流采樣軟件時，一般均需與某種濾波算法相配合，才能達(dá)到較準(zhǔn)確地測量各種正弦與非正弦信號的目的。遞推最小二乘算法是近年來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、輸入信號中估計基波電壓或基波電流復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部，利用它們對電流、電壓、有功功率和無功功率的有效值進(jìn)行計算，同時利用電壓相角的變化可計算頻率和功率因數(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的量較少、對計算速度要求較高，但對準(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的量較多，對算法準(zhǔn)確程度的要求較高，對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，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，以一個周期內(nèi)有限個采樣電

9、壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式中Tm-相鄰兩次采樣的時間間隔；um-第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N-1個周期的采樣點數(shù)。若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即Tm為常數(shù)T，考慮到N=(T/T)+1，則有 上式就是根據(jù)一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公式。同理，電流有效值計算公式如下：計算一相有功功率的公式離散化后為式中 im、um-同一時刻的電流、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)計原理將三相電路的電壓及電流信號經(jīng)過電壓互感器和電流互感器變成幅值為-5V5V的交流輸入信號，然后采用低通濾波電路對

10、其進(jìn)行濾波，將濾波后的信號通過采樣保持電路進(jìn)行同步采樣和保持使之變?yōu)殡x散信號。為節(jié)約成本，采用同步采樣和分時轉(zhuǎn)換的設(shè)計思想，其硬件設(shè)計原理圖如圖29002009-3所示。設(shè)計中只采用了一個AD轉(zhuǎn)換器，硬件電路中用一個多路選通開關(guān)對所要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的通道依次進(jìn)行選擇。在每一個采樣點，AD轉(zhuǎn)換器要對多路通道分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因此，采樣保持器與AD轉(zhuǎn)換器的時鐘脈沖配合是設(shè)計的關(guān)鍵，一般采用頻率測量及跟蹤鎖相方法可以很好地解決這個問題。將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入微機(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)的測量。圖 29002009-3 交流采樣硬件設(shè)計原理圖五、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1)直流采樣對AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡單。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，因此采樣程序簡單，軟件的可靠性較好。2)直流采樣因經(jīng)過整流和濾波環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成直流信號，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，其時間常數(shù)較大(一般幾十毫秒幾百毫秒)，因此采樣結(jié)果實時性差，而且無法反映被測模擬量的波形，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交流采樣是直接對交流電流和電壓的波形進(jìn)行采樣，然后通過一定算法計算出其有效值，并計算出P、Q值。交流采樣有如下主要特點。1)實時性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)大的影響，因此在微機(jī)保護(hù)中必須采用交流采樣。2)能反映原來電流、電壓的實際波形，便于對所測量的結(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合，必須采用交流采樣。3)有功功率和無功功率是通過采樣得到的u、i計算出來的，因此可以省去有功功率和無功功率變送器，可以節(jié)約投資并縮小測量設(shè)備的體積。4)對AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率

13、和采樣保持器要求較高。為了保證測量的精度，一個周期內(nèi)，必須保證有足夠的采樣點數(shù)，因此要求AD轉(zhuǎn)換器要有足夠的轉(zhuǎn)換速度。5)測量準(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，因此采樣和計算程序相對復(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；尤其是計算機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，幾年前在價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：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)度自動化改造時，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遙測、遙信等量的擴(kuò)充，只要加一塊擴(kuò)充模塊即可。維護(hù)簡單：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。測量精度高：交流采樣RTU，對電流、電壓、有功、無功等的采樣精度能很容易達(dá)到0.5級，在用戶特殊要求下，可以做到0.2級。測量參數(shù)多：除了能測量三相電壓、電流、有功、無功、視在功率；還能測量有功電能、無功電能、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，各有各的特點和應(yīng)用場合。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。 六、交流采樣微機(jī)變送器的特點微機(jī)電量變送器根據(jù)交流采樣原理，以微處理機(jī)為核心，對電網(wǎng)的電流、電壓進(jìn)行瞬時采樣、運(yùn)算，從而得到各種電氣量的數(shù)字量，通過其接口送給RTU。它具有以下特點：1)省掉了常規(guī)變送器模擬運(yùn)算直流化過程，采樣中間環(huán)節(jié)少，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。2)減少了中間環(huán)節(jié)，可以提高測量精度及運(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，也提高了性能價格比。4)采用了三瓦特表和二瓦特表雙重測量方式，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，再隔離放大后，經(jīng)多路開關(guān)控制，送往AD轉(zhuǎn)換和時序控制電路，在工頻鎖相方波輸出電路軟件控制下，對同一周期內(nèi)同一時刻的電流、電壓進(jìn)行瞬時采樣，每一個相對周期即可采集一路三相電流和三相電壓的瞬時值，經(jīng)過軟件算法計算，可以得到被測回路的有功功率、無功功率、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。在實際應(yīng)用中應(yīng)注意以下問題：(1)采樣周期和采樣時機(jī)。大多數(shù)的計算對采樣周期選取8次、12次等低速率方式，這對微處理器及其設(shè)備的要求均較低，數(shù)據(jù)處理也相對簡單，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，將對精度有很大的影響。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現(xiàn)分段對鐵芯的非線性補(bǔ)償，補(bǔ)償程度根據(jù)鐵芯本身的特性，最好是能對每個鐵芯有一個相對應(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功能，鐵芯的磁滯角補(bǔ)償變