基于ad7656交流采集模件中的测量误差分析研究

3 4 8 2 0 0 7 年 l 1 月 水电厂 自 动化 第 4期总第 1 1 4期 基于 AD7 6 5 6交流采集模件中的测量 误差分析研究 周 霞 王亦 宁 彭文才 刘 国敏 ( 国网南京 自动化研究院自动控制研究所江苏省南京市2 1 0 0 0 3 ) 【 摘要】 分析 了影响交流采集模件 中测量精度 的几个主要 因素， 并提 出了硬件改进措施 和软件补偿方法， 根据功率的计算原理， 提 出了新的相移补偿算法， 取得 了较好的效果。 【 关键词】 交流采集 测量误差 模数转换器 AD 7 6 5 6 【 数据库分类号】 S Z o 7 0 引言 交流采集模件在电力系统 自动化系统 中担负着将交流模拟量转化为数字量 的重要任务 ， 是实 现电力系统 自动化的根本基础， 测量 的精度和可靠性直接影响整个系统 的可靠性和稳定性。交 流 采集模件在频率波动和叠加谐波的情况下 ， 要求测量误差变化不超过变差范围。本文就引起交流 模件测量误差的几个方面提出了一些改进或补偿方法能够使交采模件满足实际工程需要。 1 基本原理及 AD 7 6 5 6外围电路设计 1 1 基本原理 交流电压和交流电流分别经电压变换器 P T和电流变换器 C T进行 降幅隔离， 电流变换器 的 二次侧电流再经过 i u 转换电路变成电压信号， 各路电压信号经过低通滤波器经 A D转换， 变成数 字量进行处理。 为保证测量的精度 ， 首先交流变换器 P T、 CT须选用线性度好 ， 相移小的器件 。其次低通滤波 器的设计也必须合理 ， 其截至频率的选择 以滤掉 1 3 次 以上谐波为原则 ， 这样一方面可以抑制噪 声和外界高频干扰 ， 另外 ， 满足采样定理 ， 以防频率混叠波形失真 。模数转换器选用了 A D7 6 5 6 ， 是 采用 i C MOS工艺制造的， 是高集成度 、 6通道 1 6 一b i t 逐次逼近t S AR ) 型 AD C， 内含 1 个 2 5 V基 准电压源和基准缓冲器。该器件的功耗比最接近的同类双极型 AD C降低 了 6 O 。AD7 6 5 6在每 通道 2 5 0 k S s 采样速率下的精度( 4 L S B最大值积分线性误差) 是同类产品的 2 倍 。基于 i C OMS 技术制造的 AD C可 以满足工业领域对高分辨率、 多通道 、 高转换速率和低功耗的要求。 1 2 AD l7 6 5 6外围电路设计 图 1 是 A D7 6 5 6在并行接 口模式下的外围电路图。其 中的 D Vc c 和 AV 分别是数字电压端和 模拟电压端， 它们在接入前要经过 1个去耦 电路 ， 如图 1 所示 。每个供 电电压输 入引脚都要连接 1 个去耦电路 ， 该电路由 1 只 1 0 F和 1 只 1 0 0 n F的电容器组成 。VD D 、 VS s 和 VD R 1 V E 同样要连接去 耦 电路 。需要注意在 P C B设计时 ， 不能让 6个 VAC C引脚公用一个去耦 电路 ， 否则外界干扰噪声 易传人 AD C模拟输入端， 影响测值的稳定性。 一 收稿 日期 ： 2 0 0 7 一 l 0 一 l O 。 维普资讯 1圭 交流 周 霞 等 基于A D 7 6 5 6 交 流采集模件中的 测量误差分析研究 3 4 9 十9 5V+16 5 V I AONDAVCC 。 _ 1而 V D D 1 ou F - i T l 1卜 - 0AGND o o n 0 u F f o n F 1 0 F 一19 oAu v i v + T 加 9 5v 1 6 模 5v 入 聿 六 通 道 模 拟 输 入 一 卡 f r D OD1 5 l 并行接口 一 CON VS T A B C0+一 c 5 ( ) 一 RD 0+一 BUS Y 0 RES ET S E R P AR H S W B RANGE 面 V DR I VE 图 1 AD 7 6 5 6并行 接口外 围电路 图 2 测量算法误差分析与处理 2 1 电压、 电流功率算法 交流采集模件主要测量的是稳态量 ， 取 的是有效值 ， 一般采用均方根算法 ， 其基本思想是根据 周期连续函数的有效值定义， 将连续函数离散化 。电压、 电流、 功率、 功率因数的离散化算法如下 ： 厂 一 ) ( 1 ) 厂 1 一 U 2 k ( 2 ) P一 “ ( ) ( ) ( 3 ) Q 一 墓 ( 一 ) (4 ) C O S 一 ( 5 ) | P 2 + V 【 一 其中 N 为每周期采样点数 ， k为采样序列 中第 k个采样值。 2 2误差 分析 与处理 2 2 1 基波频率偏移的影响 根据采样定理， 采样频率必须是基波频率的整数 N( N2 ) 倍， 如果采用定周期采样， 当基波频 率发生偏移时 ， 用上述方法计算出的电压 、 电流和功率值会 出现较大误差。解决这一问题的方法通 常是采用定点采样， 即跟踪基波频率 ， 及时调整采样频率 ， 使采样频率始终为基波频率的整数 N( N 2 ) 倍。 2 2 2 相移误差的补偿算法 交流电压 、 电流信号通过相关 电路降幅、 滤波到 AD数模转换器 ， 即使 A D转换器对各个通道 采取 同步采样转换， 由于器件 的差异性 ， 会引起 电压、 电流相位偏移 ， 如果所引起 的电压、 电流相位 维普资讯 3 5 0 2 0 0 7 年1 1 月 水 电 厂 自 动 化 箜 塑 ：望 笪 塑 的偏移比较大， 就使得功率和线电压( 针对星型接线方式) 的测值不满足测量精度要求。 假设电流滞后电压相位为 ， 由于相位偏移不同产生的相位差为 ， 测量计算的相位差为 ， 不考虑量化误差 ， 那么有 ： = 一 A9 ( 6 ) 已知 ： P U c o s ( 7 ) Q 一 s i n ( 8 ) c 。 s 一 丽 P ( 9 ) V i s i n( 9 一 _ _ = 二兰=二 ( 1 0 ) 。 P +Q 把式 ( 6 ) 分别代入式( 7 ) 、 式( 8 ) ， 可得 ： P = Ul c o s ( 9 一 A 9 )一 U c o s i C O S A9+ U， s i n 9 s i n A9一 P, c o s A( 9 + Qi s i n A 9 ( 1 1 ) Q Ul s i n ( 9 一 A 9 )一 UI s i n 9 c o s A 9一 U c o s s i n A 9一 Q c o s A 9一 P s i n A 9 ( 1 2 ) 其中 P 、 Q 分别为不考虑相位偏移计算所得的有功功率和无功功率。当电压、 电流接入 同相 位信号， 即 9 i 为零， 这时计算所得的有功功率和无功功率分别为 P 和 Q 。由式 ( 1 1 ) 、 式 ( 1 2 ) ， 结 合式 ( 9 ) 、 式( 1 0 ) 可得 ： C O S A q ) 一： ： ： ( 1 3 ) 。 P 2i 0 + V i z 0 s i n ( 9 = = = _=兰 = ( 1 4 ) P +Q 得到了 C O S A 9和 s i n 的值后 ， 然后按照式 ( 3 ) 、 式 ( 4 ) 计算得到有功功率 P 和无功功率 Q 代入式( 1 1 ) 、 式( 1 2 ) 进行功率补偿计算 。 实践证明， 由上述算法所得的有功功率 、 无功功率 、 功率因数有非常高的精度 ， 可以很好地满足 实际需要。 2 2 3 装置硬件设计的影响 以上所述方法均由软件实现， 实际上模件不合理的硬件设计也会带来较大的测量误差 。例如 对于多路模拟转换开关 ， 理想状态的多路转换开关其导通 电阻为零， 断开 电阻为无穷大 ， 而实际的 多路转换开关无法达到这个要求 ， 对于集成模拟开关 ， 导通电阻约为几百欧 ， 断开时仅处于高阻状 态。多路转换开关的通道数 目越多 ， 寄生电容和漏 电流越大。因此， 在选择多路转换开关时， 在切 换速度要求高， 路数多的情况下 ， 应尽可能根据通道量选取通道多的 AD转换器 ， 或者单片即能完 成的模拟开关， 因为在这种情况下， 每路参数可基本一致 。另外 AD转换器的分辨率对测量精度也 有影响， 尽量选用分辨率高的 AD模数转换器 。基于以上考虑， AD7 6 5