交流采樣原理

1、交流采樣原理（模塊編碼：ZY2900202003）在微機遠動應(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)的測量準確度直接受變送器的準確度和穩(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行采樣，然后通過運算，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、單片機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變送器是按一定的規(guī)律對被測量的瞬時值進行采樣，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系統(tǒng)，高精度算法多用于測試裝置。在變電站的實際運行中，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，才能達到較準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保護裝置中有關(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，微機保護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、其進行濾波，將濾波后的信號通過采樣保持電路進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)對所要進行轉(zhuǎn)換的通道依次進行選擇。在每一個采樣點，AD轉(zhuǎn)換器要對多路通道分別進行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)字信號送入微機進行處理，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。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、合用于微機保護和故障錄波。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，因此在微機保護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、遙信等量的擴充，只要加一塊擴充模塊即可。維護簡單：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、交流采樣微機變送器的特點微機電量變送器根據(jù)交流采樣原理，以微處理機為核心，對電網(wǎng)的電流、電壓進行瞬時采樣、運算，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。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)鐵芯非線性補償。微機交流采樣變送器能實現(xiàn)分段對鐵芯的非線性補償，補償程度根據(jù)鐵芯本身的特性，最好是能對每個鐵芯有一個相對應(yīng)的補償曲線，并且根據(jù)精度要求分段補償。()鐵芯磁滯角度的補償。由于微處理器有存儲功能，鐵芯的磁滯角補償變