（电路与系统专业论文）基于网络的交流电量检测系统研究.pdf

独 创 性 声 明 秉承祖 国优 良道 德 传 统和 学校 的严 谨学风郑 重 申明 : 本 人 所 呈交 的学位 论 文是我 个人在导师指导下进行 的研 究工作及取得的成果 。尽我所知 ，除特别加 以标注和致谢 的地方外 ，论文 中不包 含 其他 人 的研 究成 果 。与我一 同工作 的 同志对 本文所研 究 的工 作和成果的任何 贡献均 已在 论文 中作 了明确 的说 明并 己致谢 。 本论文及其相关 资料 若 有不 实之处 ， 由本人承担 一切相 关责任 论 文 作 者 签 名 :且 立卿 年 : “ 确 学 位论 文使用授权 声明 本 人 卫 _衣 _ _在 导 师 的 指 导 下 仓 。 作 完 成 毕 业 论 文 。 本 人 己 通 过 论 文 的 答 辩 ， 并 己经在 西 安理工大 学 申请博 士 / 硕 士学位 。本人作 为学位 论文著 作权拥 有 者 ，同意 授权西安理工大学拥有学位论文 的部分使用权 ，即: l )己获学位 的研究生按学校规定 提 交 印刷 版 和 电子版 学位 论 文 ，学校 可 以采 用 影 印 、缩 印或 其 他 复制 手 段 保 存研 究生 上交 的学位 论文 ，可 以将 学位 论文 的全部 或部分 内容 编入 有关数 据库进 行检 索 ; 2 ) 为 教 学和 科研 目的 ，学校 可 以将 公 开 的学位 论文 或解 密 后 的学位 论 文 作 为 资料 在 图书馆 、 资料室等场所或 在 校 园 网上供 校 内师 生 阅读 、浏览 。 本人 学位 论 文 全 部 或 部 分 内容 的公布(包 括 刊 登 ) 授 权 西 安 理 工 大 学研 究 生 部 办 理 。 (保 密 的 学位 论 文 在 解 密 后 ，适 用 本 授 权 说 明 ) 论 文 作 者 签 名 : 蓝 导 师 签 名 一口 多 月 耳 日 摘要 论文题 目: (基于 网络 的交流 电量检测系统研 究 ) 学科专业 : 电路与系统 研 究 生 : 田云 指导教师 : 李敏远 教授 签名 : 签名 摘要 随着 电力系统走 向市场化 的今天 ，电力 能源 的需求在不断增 加 ，为做到合理 高效地利 用 电能 ，这就需要对 电量参数进 行 实 时 、准确地检测 。同时 ，许 多工业 设备运 行过程 中 ， 为 了解其各种 电量参数 ，也需要对其进行实时在线测量 。另外 ，为了提高特种 电源 的转换 效率 ，也需要对特种 电源 的逆变输 出电量参数进行实时、准确地检测 。因此 ，电力系统 以 及 电力用户都迫切需要一种 高质量 、高可靠性 、功 能齐全 、价格低廉 的多功 能 电参量检测 系统 ，能有效地对 电量参数进行 检测 。 本文 以 msp430f449 单片机 为核心 ，研究 了一种基于 网络 的交流 电量检测系统 。从系 统实现 的主要功能 、测量方法 、硬件 电路 、软件流程和误差分析进行 了阐述 。本 系统 的测 量包括 电信号的频率 、相位差 、电压有效值 、电流有效值和有功功率等 电参量 ，实现 了被 测信 号量程 的 自动切换功 能 ，扩 大 了电压和 电流信 号 的测 量范 围。采 用 了步进 采 样技 术 ， 提 高 了系统测 量频率 的范 围。提 出了一种动态调整采样 周期 的方法 ，减 小 了同步误 差 ，提 高 了测 量 的准确度 。同时 ，本系统 的数据通信 采用 了高效率 的 can 总线 ，可 以组 网用 于分 散式工业 检测控制 系统 中，对数据进 行快速 、准确地传送 。 基于 网络 的交流 电量检测 系统采用 交流采样技术 ，以软件代 替传统仪器 中的大量硬 件 ， 结构简单 ， 功能丰 富 ，为交流 电信号提供 了精确 的数字化测量 ，具有很好 的实用价值 。 关 键词 :交流采样 ; 同步误 差 ; msp43o; ca n总线 户 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 止 鲤 竺 匕 一 一 t itle : ( s t u d y o n t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m o f a c e l e c t r !c p a r a m e t e r s b a s 6 d o n n e t wo r k ) m a j o r: (c ire u i t a nd s ystem ) nam e: yun t一 an si gnature:丫 、 丁 耐 s u p e r vis o r:p ro f. m in y u a n l i 5 ig n a tu re a b s tra c t w it h th e elec t r i e p o w er sy stem m a ke f o r m a r k et to d 眯 th e n eed o f electr i c en erg )厂 b eco m es m o re a nd m o re ten se， in o rd er to u se elect r ie en erg y a pp r o p r i a t ely a nd h ig h ef f icien t l又it 15 n eeessa r y to m easu r e a c eleet r ic p a r a me t ers aceu r a t ely a nd real一 tim e.a t t h e sa me tim e， d u r i n g th e o p er a tio n o f in d u st r ial d ev iees， it d em en d s real一 tim e a nd o n 一 lin e m easu r em en t to g et v 硕 o u s elec t r i e p a r a meters.o n t h e sid e， in o rd er to ad v a nce d iv ersio n ef f ieien ey o f sp eeial t y p e electr i ea l so u r ce， it d em en d s real一 tim e a nd aecu r a t ely m easu rem ent to get a c eleetrie p a r a meters t h a t th e in v er t er o f sp ecial t y p e eleetr i eal sou r ce ex p o r t s. t h e r ef o re， p o w er sy s t em a nd u sers d em a nd u r g en t ly a n ew ty p e o f h i g h 一 q u ality ，h ig h 一 relia bility ，co m p lete f u n etio n s a nd lo w eo st m eas而 n g sy stem o f a c p 盯ai t ctcrs. t h i s p a per resea r ch s a nd m a nu f a c t u r es a a c eleetr i e p a r a meter test sy stem b a s ed o n c a n b u s a r e ex po u nd ed in th i s p a per t h a t in elu d ed p r i m a r y f u netio n ， m easu r in g m et h o d ， h a r d w a r e ei r eu it， so f t w a r e p ro g r a m a nd er r or a naly sis.t h e sy stem ca n m easu re f r eq u en ey， p h ase seq u en ee， cu r ren t ， v o ltag e a nd a c tiv e p o w er ，a nd ca n rea l izes au to m a t ic t r a nsf o r m f u n etio n o f sig na l m easu r in g ra ng e， a nd ex pa nd s m easu r in g r a ng e o f v o lt a g e a nd eu r ren t . t h is sy s t e m a dop t s s t ep adv a nee tech nology， f r equ en ey ra nge of t h is sy stem 15 en h a n ced . t his pa p er bri ng f o r w a r d a sor t of dyna mie ad j usti ng m ethod of sa j刀 pling p er i o d ic， m in ish sy n ch r o n i z a tio n er r o r a nd im p ro v e m etrical v er a eity . a t t h e sa met加 e， d a t a traf f ie o f t h is sy stem ad o p ts c a n b u s ef f ieien i ly， a nd ea n tran sm it d a t a q u iek l y a nd ex aetly . t he a c eleet r ie p a r a meter test sy stem b ased o n n et wo r k ad op t a c sa mp lin g teeh no lo g y . s o f t w a r e rep laees m u ch h a r d w a re o f t r ad itio n a l in stru rnen t， sim p lef r 别的e a nd a bu nd a nt 九n etion ， w h ieh o f f er aeeu r a t e d ig ital m easu te a nd also h a ve go o d p raeticali协厂 . k 即 w o rd s: a c sa mp lin g : sy n ch r o n iza t io n er r o r: ms p 4 3 0 二 c a n b u s 刁 l 上o o 1.1 课 题 的背景及重要意义 . 1.2 交流 电参量检测技术 国内外研究动态及发展趋势 . l 2 . 1 国内外的研究动态 . 1.2.2 电参量检测仪表 的发展趋势 . 1.3 本文主要完成 的任务 . 1.3.1 主要完成 的任务 . 1.3.2 本检测系统主要技术指标 . 六匕以u 一一一 2 电参量数字化测量方法研究 . 2.1 电参量数字化测量方法 . 2.2 同步采样法 . ” ” “” 2.2.1 硬件 同步 . 2.2.2 软件 同步 .， . .” ” “ ” 2.2.3 软件 同步误差及其抑制方法 . ， . 2 .3 步进采样法 . ” . “ ” 2.4 电参量算法分析 . 2.4.1 均方根算法 . 2.4.2 全波傅 氏算法 . 2.4.3 准 同步算法 . . 2.5 本章 小结 . 一一一 一一 3 控制器 局域 网 (ca n) 3.1 现 场 总线技术及 ca n的选用 3.2 can 总线 的特 点 . 3.3 can 总线协议 的技术规范 . 3.3.1 报 文 传输 及其 帧 结构 . 3.3.2 报文滤波 . 3.4 can 网络检测 系统 的设计 . 3.5 本 章小结 . 一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 一一川 4 测 量 系统硬件 设计 . 4.1 系统硬 件 总体概述 . 4.2 微 处理 器 选 取 . 4 . 3 系统硬 件 电路 . 4.3.1 电压 电流信 号输入 电路 . 4.3.2 波 形变 换 电路 . 4.3.3 量程 自动切换 电路 . 4.3.4 键盘控制 电路和 lc d显示 电路 . 4.3.5 电源 转换 电路 、晶振 时钟和 复位 电路 . 4 . 3.6 以n 总线通信 电路 . 4.4 本章 小结 . 西安理工大学硕士论 文 5 测 量 系 统 软件 设 计 .36 5.1 软件设计总体概述 . 3 6 5.2 软 件 功 能模块 设计 .3 7 5.2.1 频 率和 相位 差 的测 量及程序框 图. 37 5.2.2电压 、 电流有 效值 的测量及程 序框 图 . 3 9 5.2.3 有 功 功 率 的测 量 及程 序框 图 .4 0 5.3 can 总线通 信 程 序框 图. .4 2 5.3.1 发送 中断程 序 框 图 .43 5.3.2 接 收 中断程 序 框 图 .43 5.4 本 章 小 结 .4 4 6 实验 结果和误差分析 . 45 6.1 实验 结果 . ， . 45 6.2 误 差 分析 .4 8 结 论及 展 望 .5 0 致谢 .5 1 参 考 文献 .:. 5 2 附录 . .5 6 在 校 学 习期 间发表 论 文及 科研情 况 . 56 附 图 .56 绪论 绪 论 1.1 课题 的背景及重要意义 随着我 国国民经济 的不断发展 ，电力系统走 向市场化 的今天 ，电力 能源 的需求在 不断 增加 。因此 ，电能质量作 为衡量 电网传输 电能优 劣 的一个标准变得越 来越 重要 。为 了保 证 电能质量 ，国家要求对 电压 、谐波 、频率 、不平衡度 、闪变等五大 电能指标进行实时监 测 统计 。然而 ，随着现 代工业 中交 流调速 和 电力 电子技 术 的迅速 发展 ，非线性 电力 电子设 备得到 了广泛应用 ，这 导致 电网中 电压和 电流波 形 畸变越来越 严重 ，谐波 水平 不断上升 。 另外 ，电弧炉 、大型轧钢机 、电力机 车运 行 时 ，还会产 生 电压波动 、闪变 、三 相 不平衡等 电能质量 问题 ，这些 电能质量 问题将 势 必影 响用 电设备 的正常运 行 2 。例如 : 电网电压 、 电流 的波动 ，将影响用 电设备 的功效发挥和寿命 ; 电网频率 的波动 ，不仅使过 多的电能转 换 为热 能浪 费掉 ，而且严重 时有 可 能损坏设备 。因此 ，这 就需要一种 对现场 电量参 数进行 实时、准确的测量仪器 ，从而保证 电网及用 电设备 的正常 、高效地运行 。同时，利用大功 率 电力 电子器件对 电能进 行变换和控制 时 ， 一些特 种 电源 的逆变输 出电压和 电流波 形也可 能发生畸变 ，为了提 高特种 电源 的转换效率 ， 也需要对 电量参数进行实时、 准确 的测量 3 。 因此 ，为 了电网运 行 的稳 定 ，改善 电能质 量 ，或者 是提 高特种 电源 的转换效率 ，这 些 电参 量 的测量值均是科研人 员十 分关心 的 。 传 统 的模拟仪表 只 能测 量一路信 号 ， 且功 能 比较 单一 ， 各项测试 结果之 间的可 比性 难 以实现 们 。近年来 ，随着各种新型单片机 的功 能不断增 强 ，各种低成本 、高可靠性 的专用 集成 电路应运而 生 ，由此促进 了微 处理器 在各类控制装 置 、仪器 仪表 中的应用 ，使 开发新 型 多功 能 电参量测试 系统成 为可 能 。随着 通信技 术 的发展 ，数字化 信 息传送 的网络 技术 开 始广泛应用 ，为了实现大量实时数据快速 、准确 的上传下达 ，都要求仪表能在 当地 处理信 息 ， 并在必要 时允许被 管理和访 问， 这 就使现场 仪表 与上级控制 系统 的通 信 量大增 。 另外 ， 实 际应用 中对仪表 的精度 、可操 作性 、可 维护性等方面 也提 出了新 的要求 。因此 ，一种 高 质量 、高可靠性 、功 能齐 全 、价格低廉 的多功 能 电参量测试 仪表 的研 制 受到 了各行各业 的 广泛 关注 。 本文在此背景下 ，研制 了一种 以 msp43o 单 片机 为核心 的基 于 网络 的交 流 电量检测 系 统 。本 系统可用于非 正弦交流 电压 电流 的频率 、相位差 、有 效值 、有 功功率 等 电参量 的综 合测量 ，具有 量程 自动切 换功 能 ，can 总线数据通信功 能 ，采用 lc d液 晶显 示 ，读 数直观 、 准确 ，具有广 阔的市场 和 发展前景 。 嗽 西安理工大学硕士论文 .2 交流 电参量检测技术 国内外研 究动态及发展趋势 .2.1 国内外 的研 究动态 2 0世 纪 9 0年代 以来 ，国 内外十分重视 电力系统 的运行质量 ，电能参数测 量仪器 和 电 表 校验 装 置 发 展迅 猛 。 在 国外 ，研 制 生产 的 电量参 数综合测试 仪 己基 本解决 了一系列 电量参数 的检测 问题 。 如 澳 大 利 亚 红 相 电力 设 备 公 司 生 产 的67 9型0.1 级 测 试 仪 ，德 国 emh公 司 推 出 的 p t s i .1 、 p t s i .3 型 0.2 级单 、 三 相 多功 能 电能表检测装 置 ，这些仪器可测 量各种 电 能参数 ，量程可 自动切换 ，采 用全数字处理 ，抗干扰 能力强 5 。另外 ，美 国 fl u k e公司 、 美 国 quatech 公司 、美 国 n 1公 司 、瑞 士 lem 集 团公司 、英 国 so l a r tro n公司 、意大利 h t 公司等著 名企业在 电能质 量参数 智 能化检测 仪器 方面进行 了大量 的研 究开发工作 ， 有 关 电 能参数测 量仪器 已形成批量产 品 ，产 生 了规模 效益 。 在 国 内，一些 企业也在 电能参数检测 问题做 了大量 的努力 ， 研制 并生产 了各 自的 电能 参数检测装 置 。如 以深圳 科 陆公司 为代表 的 cl302 系列三相 电量测量仪表 检测 装 置 ，南 京丹迪 克公 司 的 d k系列三 相 电测量 仪表检测装 置 ， 这些产 品从单一 的 电能计量 ，发展到 多功 能可检 测 电压 、电流 、频 率 、相 位 、功 率等 多种 功 能 的现 场测试 仪器 。同时 ，上 海 自 动化仪表股份有 限公司 、 北京航天华辉 自动化技术有 限公司、 广 东河源雅达 电子有 限公司、 安徽振兴科技发展有 限公司等单位也在 电能质量参数 的智能化检测方面做 了大量 的努力 。 但这 些产 品 中或 多或 少 的还存在 着 一些 问题 ，如产 品的体积大 、成本 高 、操作 不方便 ，并 且稳定性 、可靠性也需进一步完善提 高 。另外 ，对特种 电源 的逆变输 出频率较 高 的电压和 电流 的测量装 置还很 少 。 .2.2电参量检 测仪表 的发展趋 势 回顾交流 电参量检测仪表 的发展过程 ， 检测仪表主要经历 了模拟式仪表 、 数字 式仪表 、 智 能化 仪表 的发展过程 6 。从仪器 的工 作 原理来 分 ，它经历 了三代 : 第 一代 是模拟 式 仪表 。 模拟 式 电测 量仪表 以模拟 技术 处理被测信 号 ，如大量 的指 针式 电压表 、电流表 、功率表及 一些通 用测 试 仪表均 是典型 的模拟式仪表 。其 中 ，指针 式 电压 表 、电流表 又 可分 为 磁 电系 仪表 、电磁 系 仪表 、电动 系 仪表 、感应 系仪 表 等 。例 如 七 十 年 代 的感应 系 d d1 7型 单 相 电能表 和d t s 型 三 相 四线 电能表 ，该类 电磁 感应 式 电能表 的工 作 原理 是用 电磁 感 应 元件 驱 动 机 械 计 数 装 置 ，然 后 通 过 计 数 装 置把 电量值 记 录 下来 。 但 是 ，这 类 电能表 仅 考 虑 了基 波 分 量 的作 用 ，对 高 次谐 波 的影 响考 虑较 少 ，所 以测 量 误 差将 随着 高次谐波 含 量 的增 加而增 大 。总之 ，模拟 式 仪表其 功 能简单 ，精度低 ，响应速度慢 。 绪论 第 二代 是数字 式仪表 。 数字式 电测 量仪表 的工作原理 是将 待测 的模拟信 号转换 成数 字 信 号进行 测量 ，结果 以数字 的形式输 出显 示 。5 0年代初 ，出现 了 由电子 管组 成 的第 一 台 数字式 电压表 ， 其体积庞大并且技术指标低 。随着 晶体管的出现及半导体器件集 成化程度 的不断提 高 ，数字式仪表获得 飞速 发展 ，进 入 了一个新 的阶段 。数字 式仪表 与模拟 式 仪表 相 比，高集成度 的小型化数字式仪表不仅精度高 ，测量速度快 ，读数清晰 、直观 ，而且价 格较低 ，结果可打 印输 出 。 第三代就是智能仪表 。自从 197 1年世界上 出现 了第一种微处理器 (美 国 工 ntel 公司 4004 型 4 位微处理器芯片 ) 以来 ，计算机技术得到迅猛发展 ，随着计算机技术 向测量技 术 的移植 ，交流 电参量测 量仪器在 它 的影 响下有 了新 的突破 ，出现 了 以微 处理器控制 的仪 表 和计算机控制 的专用 仪器 系统 ，即智 能仪表 。 它 是在数字化 的基础上用微机装备起 来 的 仪表 ，是计算机技术与 电子仪器相结合 的产物 。相 比前两代仪表 ，它具有在线性 、过程性 和 可编程性 ，能够对数据进行存储 、运算 和逻 辑判 断等 能力 ，可 自动校 正 、自动补偿 、 自 寻故障等功能 ，能根据被测参数 的变化 自选量程 。 另外 ， 虚拟 仪器 的 出现及其 应用领域 的不 断扩 大 ，也给 仪器仪表产业 指 明了一个 发 展 趋势 ，仪器标准逐渐 向计算机标准靠拢 。这样 ，可 以充分利用计算机 的软硬件 资源 。虚拟 仪器 可使用 相 同的硬件 系统 ， 通 过 不 同的软件 就可 以实现 功 能完全 不 同的各种测 量测试 仪 器 ，即软件 系统是虚拟 仪器 的核心 。 它通 过 软件 将计算机硬件 资源 与仪器硬 件有 机地 融合 为一体 ，从而把计算机 强大 的计算 处理 能力和仪器硬件 的测量 、控制 能力结合在一起 ，大 大缩小 了仪器硬件 的成本和 体积 ，并通过软件实现对数据 的显示 、存储 以及分析处理 。经 过 十几年 的发展 ，虚拟 仪器 技术 己经应用 于 电子测量领域和过程控制 等领域 。 .3 本 文主要 完成 的任务 .3.1 主要 完成 的任 务 本课题 的主要任 务是 : 针对我 国 电力系统供配 电的实 际情况 ， 借 鉴 国 内外研 制 电参 量 检测装 置 的经验 ，采用交流采样技 术研制和 开发一种基 于 ca n总线 的交流 电参量检测 系 统 。该系统 不仅 可 以对 电网实 际运行 时的 电参量进 行检测 ， 而且 可 以扩 宽测 量频率对 一些 特种 电源逆变输 出电压 、电流信号进行检测 ，从而适应 电力系统 自动化迅速 发展 的需要 。 主要工作包括 : 1 )通 过交流 电参量数字化测 量方法 的研 究 ，对 由软件 测 量方法可 能 引起 的测 量误 差 进 行 了分析 ，提 出一种 动态调整采样 周期 的方法 ，并给 出相应 的优 化 策 略 ，减 小 了同步误 差 ，提高 了测量精度 。 2 ) 对 当今几种 比较流行 的现场 总线进行 了分析对 比，并提 出本 系统选 择 ca入总线 的 西安理工 大学硕士论文 依 据 。 3 ) 对本系统设计 的硬件 电路进行 了全部实验 ，其 中量程 自动切换 电路和抗干扰 电路 达 到 了预 期 的 目标 。 4 ) 本 系统 软 件编 程 采 用 了一般 交 流采 样方法和 改进 后 的交 流采 样 方法 ，实现 了 电信 号 的频 率 、相 位 差 、 电压有 效值 、 电流有 效值 和 有 功功 率 等 电参量 的测 量 。 5 )运 用 can 总线 对 两 台 电量 检测 系统测 量 的数据 进 行 数据 通 信 。 6 ) 对 本 系统 进 行 了实验测 试 ，记 录 了各 电参量 的实验数据 值 ，并分析 了引起测 量误 差 的主 要 来 源 。 1 .3.2 本检测 系统 主要技 术指标 本 检测 系统 可 以对 非 正 弦 电流 、电压 的频 率 ，相位 差 ，有 效值 ，有 功功 率 等 电参 量进 行测 量 ，其 测 量 范 围如下 所 示 : 电压测 量 范 围 : 50v一 1 000v 电流 测 量 范 围 : 1 a 一 150 a 频 率 测 量 范 围 : 3 0 hz一 1 okh z 电参量数字化测量方法研究 2电参量数字化测量方法研 究 2.1 电参量数字化测量方法 交流 电参量测量方法有直流采样和交流采样两种方式 刘 。 直流采样法 ，即采集经过变送器整流后 的直流量 。 该方法 是通过测量平均值来计算 电 压 、电流有效值 。其优 点是 : 软件设计简单 、计算方便 ，对采样值 只需作 比例变换 即可得 到被测量 的数值 。其缺 点是 : 1 )测量准确度直接受变送器 的准确度和稳 定性 的影 响 。2 ) 不 能及 时反应被测量 的突变 ，具有较大 的时间常数 田 。3 )变送器 体积大 、价格较 贵并且 参数调整 困难，适应性差 。4 )只能反映被测信号 的单一信 息 ，而且 当信 号 中含有 高次谐 波或其它噪声时，测量误差较大 。如 当被测信号为纯正弦量 时，有效值 vrms 与平均绝对 值 va v e 之 间的关系为 : v r m s = 1 .1 i v a v e。当输 入信 号 中含有谐波 时，v r ms 与 v a ve 之 间 的关系将发生变化，并且谐波含量不 同， 两者之 间的关系也不 同，因此采用直流采样方法 会 带来较大 的误差 。 交流采样是按照采样定理对被测信号的瞬时值进行 时间上 的离散和幅值上 的量化 ， 然 后进行数值分析计算获取被测信 号 的信息 。与直流采样相 比， 交流采样所用变送器 只要将 交流信 号进行简单 的幅值变换 ，其价格低 、体积 小、反应快 。该方法 的实现 过程可 分为数 据采集和数据 处理两个步骤 。数据采集是信号在 时域 的离散化 ，是通过采样 实现 的 。首先 将信号变换到微型计算机测量 的形式和范 围 (一般是一 定大 小范 围内的 电压信 号 )，然后 再利用 a/d 数模转换进行交流采样 ， 获得用数字量表示 的离散 时间采样值序列 。 数据 处理 是运用适 当的理论设计适 当的数值算法 ， 利用微型计算机 的数字信号处理 能力对采样值序 列进行算法分析 ，以获得需要 的检测信息 。近 年来 ，由于 a/ d转换芯 片和微 处理器芯 片性 能显著提 高和价格大 幅度 下 降，为交流采样 的普遍 应用提 供 了有利 的条件 。 交流采样实现方法有 多种 ， 如 同步采样 剑 、 非 同步采样 。 、 步进采样 、 准 同步采样 “ t 2二 等等 。同步采样 (整周期采样 )，即该采样使信号截 断时间为被测信 号周期 t 的整数倍 ， 使采 样 次数 n 与采样 周期 ts 的乘积等于被测信 号周期 t 的整 数倍 ， 即 n t s二 mt (m 为正整数)。 非 同步采样 是使用一个 固定 的采样 间隔 ， 通过调整采样 点数值 ， 使采样周期与信 号周期 的 整数倍 的差值 小于一个采样 间隔的方法 。 该方法 的特 点是不跟踪信 号 的周期 ， 硬件投 资少 ， 结构简单 ，但需要选用合适 的数值算法 ，增加 了软件 复杂性 。由于交流 电信号一般 为周期 信 号 ，所 以采用 同步采样最有利于周期信 号的分析和检测 。但是 ，在 实 际测量 中实现严格 的整 周期采样 并不容 易 ， 采样往往存在 同步误 差 。 这 种误 差在准确度 要求 不太 高 的场 合 其 影 响不大 ， 往往 被人们忽 略 。 然而 ， 在 高精度检测 或某 些特 殊条件下对 电信 号参数检 测 时 ， 同步误差成 为测量误差 的主要原因，必须加 以重视 。 西安理工大学硕士论文 2.2 同步采样法 对周期为 t 的信号进行交流采样 ，在信号 l 个周期 内采样 n + l点 ，采样周期为 t s ， 实际采样 时刻分别为 t o ，tl， . . ti . . t n 一 1， t n . 令 t 二(殊 一t。 )一l t 兀 ， 二( t z + ， 一 t ，) 一 尽 i二0 ，l ， n 一 1， n . 若t =0 ，则采样 为 同步采样 ; 否则采样存在 同步误差t 。 若t s ;均 为零 ，则采样 为均匀采样 ; 否则第 i次采样存在均匀误差t s i。 目前交流 同步采样实现方法有硬件 同步采样和软件 同步采样 。 2.2.1 硬件 同步 硬件 同步 电路 即锁相环 同步 电路 ，原理 图如下 图 2一 1，它 由频率跟踪测量和锁相环 ( p l l ) 两 部 分 组 成 。 过过过过隔隔 零零零零离离 比比比比整整 较较较较形形 分分 频 器器 图 2一 1 锁相环 同步 电路 f ig u rez 一 1 p l l sy n eh r o n o u s eireu it 首先 ，使信号经过零 比较器和 隔离整形 电路后 ，变成频率等于信号频率 的方波信 号 ， 其 次 ， 锁相环使其两个输入 电信号频率相等且相位 同步 。当其一个输入频率 为频率跟踪测 量部分输 出的信 号频率 时，锁相环输 出 n 倍 于信号频率 的同步信号 ，通过这一信 号从而 实现采 样 的同步控制 。 2.2.2 软件 同步 软件 同步 即首先测 出被测信号 的周期 t ，用该周期 除 以一周期 内采样 点数 n ，计算 出 采 样 时 间间隔 ，并确 定 定 时器 的计 数值 ，用 定 时 中断方式给 出启动 采 样 的 同步 脉冲 。软件 同步 不 需要 专 用 的 同步 电路 ，相 比硬件 同步其硬 件 结构 简单 ， 但 要求微 机 采样 装 置 具备 信 号 频 率 跟 踪 测 量 环 节 。 电参量数字化测量方法研究 2.2， 3 软件 同步误差及其抑 制方法 l )周期量化误 差 由于采样 间隔 由单片机 定 时器控制 ，受其 计数脉冲 周期 t (取 决于 晶振 ) 的限制 ，所 以定 时器给 出的采样 间隔与理论计算所得采样值相 比存在着截 断误差 ，该误差积 累 n 点 后 ，必然 引起 周期误差 ，而且会 随着 n 的增加而增大 。根据 数字信 号处理理论可 知 ，若一 个周期 内采样点数越 多 ， 则测量抑制 随机干扰和模数转换 量化误 差 的能力就越 强 ， 测量精 度就越 高 。然而在高精度测量场合 ，n 通常需要取 的较大 ，这 时同步误差可能达到一个较 大 的值 。为 了减小 同步误差提 高测量精度 ，本文提 出了一种动态调整采样周期 的方法 ，该 方法是在信号一个周期 内，对每一次采样 时刻进行动态调整， 令 r o u n d (* ) 为舍入符号 ，将 r o u n d ( t加t ) t作 为第一 次采样 时刻 tl，tl+ r o u n d (t 一 tl) / 创 一1) t t作 为第 二次采样 时刻 t:， t: + rou n d【 (t 一 tz)/困 一2)tt作 为第三 次采样 时刻 t3， ，t。 一 : + rou n d【 ( t 一 t n 一 2)/zt l t作 为 第 n 一1 次采样 时刻 t n 一 1， t n 一 l+ r ou n d (t - t n - 1)/t t作 为第 n次采 样 时刻 tn，根据 每 次 除法运 算 时的四舍五入判断是否进行加 1 补偿 。 这就可 以保证在信 号一个周期 内，由采样周期量 化误差 引起 的同步误差不大于最 小分辨 时间 t 的一半 ， 使采样 同步精度大大提 高 。即在采 样过程 中修 改定时器 的计数值 ， 动态确 定采样周期来减 小 同步误差 ，从而提 高测量 的准确 度 。本系统就是采用该方法来减 小 由于周期量化误差而 引起 的 同步误差 。 2 ) 中断 响应 时间的分 散性 由于每 次 中断的响应都需要一定 的时间， 而且每次 中断响应 的时间不一样 ， 具有一定 的分散性 ，使得 实际采样 时刻不确 定 ，积 累 n点后必然 引起 周期误 差 。抑制该误 差可 以 通过动态调整采样 时间间隔 ，使实 际采样 时刻尽可 能地逼近理想采样 时刻 。 3)信 号周期 的不稳 定性 3 由于 噪声干扰 等 因素 的存在 ，使被测信 号周期或 多或少 的要波动 ，再加上测 量周期 存在误差 ，导致采样 时信号周期 的实 际值 t 与测量值 t 之 间存在偏差 ，产生 同步误差 。 抑制 该误差 的方法 是实现 频率及 时跟 踪和准 确测 量 ， 设 u i 一、 u i 一 l和 u ， 是实 际采 样 的第 i一 n 第 i一 1 和第 i 个采样值 ，t i二， t i一 ;和 t i 是其对应 的采样 时刻 。又假 设(t i一 n+t i) 处 于 t i一 l和 t i 附近 ，根据 线性插值 公式可得 : 。 i 一:， = i 一 粉 ( t i 一:一 ， (2 一1 ) 又考虑到信 号 的周期性 ，有 : u (t， 一 入 : + t l ) = = u (t， 一 刀) = u ， 一 刃 根 据 上 面 两 式可 知 : (2 一 2 ) (2一 3 ) 、 . .尹 工 汤述 一 孟声 了、 t : = (t， 一t卜n ) + u卜 入 ，一 u， 一 1 u; 一 u卜 ; 西安理工大学硕士论文 从该公式可 以看 出，周期 t 只需 3 个采样值及其对应 的采样 时刻就可得到 。在采样 n + l个点后 ，每采样一个点就可计算 一次周期 ，为 了提高测量精度及抑制算法带来 的随 机干扰 ，可 以连续测量 多次求其平均值 。 2.3 步进采样法 由于模数转换的最大转换时间有 限， 加上启动定时器和重新设置计数值等指令所 占用 的时间，在 实际中最 小采样周期受到 限制 ，使得测量 的最 高频率就受到 限制 。由香农采样 定 理 ，nk u + k ;且 2*ma xku + k; (k。 、ki分 别 为 电压 电流 最 高 次谐 波 次 数 )。我 们 采 用 msp43of449 中的 adc12 模数转换模块 ，adc1 2的 内核是一个带有采样 与保持 功能 的 1 2位 转换器 ，本文为 了可靠地对模拟信号进行采样 ，采样 时间选用 8 个 时钟周期 ，采样完成之 后 ，转换马上开始 。完成转换总共需要 1 3个 时钟 周期 ，其 中 1 2个用于完成转换 ，l 个用 于存储 结果到 adc12mem 寄存器 中。加上 定 时器 启动和重新设置计数 时间 ，一共 需要 10 4 个 时 钟 周 期 ， 即最 小 采 样 周 期 。 当 n二 64时 ，可 测 量 的最 高 频 率 为 (8 x 1 0 6 )/ (6 4x 104 ) 二 120 1 .ghz，离设计要求 的测量频率上 限 iokhz 相差甚远 ，为 了既不增加硬件成本又 不影响测量精度 ，本文采用 了步进采样技术， 可使实际测量频率范 围大大提 高 。 步进采样 即在第 一个周期 内采完一个 点后， 以该点为始 点每 隔一个 周期 t 再采 一个信 号点， 经过 n 个信号周期后就采完 n 个 点， 然后进行相关 的计算 。 但是使用步进采样 的条件 是在这个 时 间 内信 号必须相对稳 定， 这样才 能保证较 高 的精度 。 2.4电参量算法分析 电参量计算算法有很 多种 ， 大致可分 为纯正弦信号 、 有谐波信号下 的正弦信 号和波形 畸变 的非正弦信号三种情况 的计算算法 。 电气信号检测主要是运用适 当的理论和适 当的数 值算法对采样 的数据进行分析计算 ，从而获得需要 的检测信息 ， 检测精度和 响应速度是衡 量算法 的两个主要指标 。 目前 电气信号检测 中应用较 多或较有应用前途 的理论和算法有 : 1 )纯正弦信号下 的电参量计算算法 电压和 电流 的表达式如下 : u = u m si n(。t+ eu) (2一 4) = im sin(。t+ e i) (2一 5) 式 中 ，u m 、1 m分 别 是 电压 的 峰 值 和 电流 的 峰 值 ; eu、e i 分 别是 电压 的初 相 角 和 电流 的初 相 角 ; 纯 正弦信 号下 的 电参 量计算算 法 主要有最 大值 算法 、单 点算法 、两 点采样 法 、半周 期 积分法及均方根算法等 。其 中均 方根算 法可参考 2.4.1 节 的介绍 。 电参量数字化测量方法研究 2 ) 有谐波信号下 的电参量计算算法 在含有谐波 的情况下 电压和 电流表达式如下 : u 艺uks n( kw +eu 、 ) (2一 6) 艺 ks n( kw +e i k) (2一 7) k = l 式 中，u k、ik是第 k 次谐波 电压 的峰值 、电流 的峰值 ; e u k、o i k是第 k 次谐波 电压 的初相角 、电流 的初相角 ; n 是所含有谐波 的最高次数 ; 含有谐波 的信号算法按 时域和频域处理标准可分 为均方根算法和全波傅 氏算法两种 。 其 中全波傅 氏算法可参考 2. 4. 2 节 的介绍 。 3 ) 非正弦信号的电参量计算算法 随着现代工业 中交流调速和 电力 电子技术 的迅速发展 ， 非线性 电力 电子设备得到 了广 泛应用 ，这导致 电网中电压和 电流波形畸变越来越严重 ，谐波水平不断上升 。另外 ，电弧 炉 、大型轧钢机 、电力机车运行 时，还会产 生 电压波动 、闪变 、三相不平衡等 电能质量 问 题 。同时 ，利用大功率 电力 电子器件对 电能进行变换和控制 时，一些特种 电源 的逆变输 出 电压和 电流波形也是非正弦波 。 对于上述情况 ，不适合按频域相关