（电力系统及其自动化专业论文）电网实时监控系统中电参量计算方法的研究.pdf

a b s t r a c t t h er e a l - t i m es u p e r v i s o r yt os u c hp a r a m e t e r so f p i v o t a ln o d e si np o w e r n e t w o r k a sv o l t a g e ，a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e ra n dp h a s ea n g l ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o a c q u i r et h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r sa c t u a l l ya n d e n s u r ep o w e rn e t w o r kr u n s a f e l ya n de c o n o m i c a l l y i nt h i sp a p e r , s y n c h r o n o u sc a r dp c i 2 0 0 8 a di su s e dt oc o m p l e t et h es y n c h r o n o u s s a m p l i n go fm u l t i - s i g n a l o fv o l t a g ea n dc u r r e n t p r o g r a m m i n gw i t h i n t e r r u p t i o n m a k e st h ec o l l e c t i o no fd a t aa n dt h ep r o c e s sd a t a s e l f - g o v e r n e d ，g i v i n gt h ep r o c e s so f d a t ae n o u g ht i m e t h r e em e t h o d so fo r t h o g o n a l r e s o l u t i o n ，q u s i s y n c h r o n o u s a n d t h r e e - p o i n t o r t h o g o n a l r e s o l u t i o na r e a n a l y z e d i nt h i s p a p e r f o ro r t h o g o n a lr e s o l u t i o n ，t h e o r t h o g o n a lc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n th a r m o n i e sa r ea c q u i r e df r o mp l u r a lv o l t a g e a n dc u r r e n ts i g n a l sb yt h em e a n so ff f r w i t hk n o w nf r e q u e n c ya n ds y n c h r o n o u s s a m p l i n g f o rq u s i - s y n c h r o n o u sm e a s u r e m e n t m u l t i r e a n r s i o ni su s e d 幻e n s u r et h e p r e c i s i o nc l o s et ot h ei d e a lo n eo fs y n c h r o n o u ss a m p l i n g ，b u ti tt a k e sl o n g e rt i m e t h e c o m p u t a t i o n a lt i m ei sr e l a t i v e l yl i t t l ei nt h et h r e e - p o i n to r t h o g o n a lr e s o l u t i o nm e t h o d ， i th a sn o t h i n gt od ow i t l lf r e q u e n c y , b u tn o ts u i t a b l ef o rh a r m o n i c s t os a v et i m ea n d i m p r o v e t h ev a l i d i t yo f p a r a m e t e r s ，t h ef i r s tm e t h o d i sa d o p t e di nt h i sp a p e r t or e d u c et h ea f f e c to ft h ef r e q u e n c y d e v i a t e ，t h eo r t h o g o n a lr e s o l u t i o nm e t h o d b a s e do n f r e q u e n c y - e s t i m a t i o n i s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r a f t e re s t i m a t i n g t h e f r e q u e n c yb yz e r o - c r o s s i n gm e t h o d ，t h es y n c h r o n o u ss a m p l i n gd a t au n d e rt h e f r e q u e n c yo f 5 0 h za r ec o n v e t t e di n t ot h o s ew i t ht h ea c t u a lf r e q u e n c y b y t h em e a n so f l i n e a r i n t e r p o l a t i o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t i tc a nm e e tt h e c o m p u t a t i o n a l p r e c i s i o na n d t a k el i t t l et i m e c o m p a r i n g t h em e t h o d so f z e r o c r o s s i n g ，t h r e e p o i n t a n d f o u r - p o i n t ， z e r o c r o s s i n gm e t h o d i sa d o p t e dt oe s t i m a t et h ef r e q u e n c yw i t hh a r m o n i ca n d y a w p i n a c t u a l s i g n a l s b e c a u s ez e r o - c r o s s i n gm e t h o di s r e l a t i v e l y s e n s i t i v et ot h ey a w p n e a r b yt h ez e r o p o i n t ，f i rl o w - p a s sf i l t e ro fe i g h tr a n k si su s e dt ot r e a tt h es i g n a l s t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o ne s t i m a t i n gt h ef r e q u e n c yw i t ht h ed a t aa f t e r f i l t e r i n gs a t i s f i e st h et e c h n i c a ld e m a n d s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，r e a l - t i m es u p e r v i s o r y , e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sc o m p u t i n g ， o r t h o g o n a lr e s o l u t i o nm e t h o d ，丘e q u e n e ye s t i m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 专窒亟 签字日期：却乒年，月，j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李建茛 签字日期：曲。毕年，月j ，日 导师签名：雳j f 两豳 签字日期：去pl ，年f 月盯曰 !翌二至竺笙 第一章绪论 电量数字化测量技术是随着计算机技术而发展起来的，它通过快速s 放 大器和a d 转换器对连续变化的模拟信号进行离散化，用数字量运算代替模拟 量运算。经过近三十年的深入研究，出现了同步采样算法、准同步采样算法、非 同步采样算法、加窗函数法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、模拟 数字混合采样法、小波函数法等等。在这些数字化测量方法中，有的发展得较为 完善成熟，有的正处在发展和探索阶段。 1 1 电量数字测量技术的研究现状 电量检测仪器的检测对象是电能、功率、功率因数、电压、电流、频率等电 气量。根据所采用技术的先进性，可将电量检测仪器的发展划分为四个阶段： 第一阶段：基于电磁原理的指针式仪器，如指针式电压表、电流表、功率表 等。由于其机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般来说精度较低，稳定 性较差。 第二阶段：基于简单的模拟和数字电子技术的数字式仪器，如数字万用表等。 这类仪器与指针式仪器相比，精度有了很大提高，能直观读取测量结果，但功能 较为单一，且不能适应测量环境的变化。 第三阶段：基于微型计算机的微机化仪器。这类仪器通过模数转换器将输入 的模拟信号转换为数字信号，微处理器在数字域内完成对被测量的计算。微处理 器有强大的数字滤波、误差补偿、故障检测、人机交互等功能，使电量检测仪器 有了质的飞跃。 第四阶段：基于人工智能技术的智能仪器。将人工智能技术引入仪器，使仪 器拥有自己的知识库，有自学习、自推理机制，像人的大脑一样思维。目前，国 内外的研究工作者正积极致力于将人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ， a n n ) 、模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 、专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 等人工智能理论 与技术应用于仪器领域，如传感器线性化、噪声干扰消减、检测对象的识别与分 类等等。 交流电参量的测量方法主要分为两大类：模拟电路测量方法和采样计算式测 量方法。其中模拟电路测量方法准确度高、稳定性好，但不太适用于多参数测量： 采样计算式测量方法比较适用于多参量测量。随着电子技术的发展，如今的微型 机、单片机的处理速度大大提高同时也出现了种类繁多而且性能价格比较好的 高速a d 转换器，给采样计算式测量方法提供了强有力的支持，使采样计算式 第。章绪? 论 测量方法得到了广泛的应用。交流电4c 量采集的方法丰要有两种：直流采样法年 交流采样法。 直流采样法，即采样的足经过整流后的直流量。采用直流采样法测量电j l i 、 电流时，均是通过测量平均值柬测量电参量的有效值。此方法软件设计简m ，计 算速度快，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但是，直流采样力 法存红一些问题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响：整 流电路参数调整团难而上l 受波形因数的影响较人等。例如：当被测信号为纯t 频5 1 i 弦量时，有效值u 与平均绝对值u 。，之州的父系为u = 1 1 l 虬。但是，在输 入信号中含有谐波时【，与u 。之侧的关系将发生变化。谐波含量不嘲，两者之 问的关系也不同。分析表明：在谐波污染较为严重的情况下，这种测量方法的误 差可达1 0 以上。在直流采样方法中，对于功率的计算先分别计算l u 压、i u 流 的有效值和它们之间的相位角，再代入功率计算公式中进行计算。在含有谐波的 情况下，由于计算出的电压、电流有效值和相角均有较大的误差功率计算的结 果必然会有很大的误差。 交流采样法，即对被测对象直接采样，在按一定规律对被测信号的瞬时值进 行采样后，用一定的数值算法求得被测量的特征参数。它与直流采样的差别是用 软件功能代替硬件功能。是否采用交流采样取决于两个条件：测量准确度和测量 速度。交流采样的误差主要有两项：时间上的离散误差和数值上的量化误差。 1 9 7 4 年，美国n b s ( 国家标准局) 的r s t a r g c l 博士首次将计算机数字采样测 量( d i g i t a ls a m p l i n gm e a s u r e m e n t 。简称d s m ) 技术应用于i u 功率测量应 用数值积分的方法计算测量功率1 。在频率从d c 到l k h z 的范围内这台d s m 功率测量仪与n b s 的电动式功率标准的不一致性只有0 0 2 。在电量数字测量 技术发展的最初阶段，人们普遍使用的是同步采样法( s y n c h m n o u ss a m p l i n g m e a s u r e m e n t ，简称s s m ) 即采样时间问隔是周期时间的整数等分。第一台d s m 功率测量仪采用锁相技术实现同少采样。在这以后，英国l l u l l 人学的j o h n j h i l l 与n e il u 力公司的w e h l d e r s o n 提出了软件同步采样法。两位学者指出： 存电力系统监控与电机保护等领域中，同步采样法将有拥当大的实际意义。和 d s m 功率测量技术与仪表的发展中，英国的c i i o l x 起了重要作用，他首次闸明 s s m 办法在一弦信号和非难弦信号情况下的误差问题。在他的论文中指出：在l r 弦周期信号下，采样点为，被测膨个周期，若2 m t n 为整数，则功率测量误 差为零“1 。尽管当时埘d s m 误差的研究是简单的，但这标志着刈d s m 功率测蜒方 法的研究有了。个跨越式的发展。 上世纪八十年代足d s m 功率测量方法发展最快的时期。1 9 8 2 年，荧刚通j _ j 电机研究室( g e n e r a lm o t o r sr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s ) 的m f m alo l j k a 采用腑m 一 塑：皇丝堡 _，_，_，_-_-_一 方法设计了数字功率表，并成功地用于电。( 汽年驰动系统的测试和交流电机的测 试之中。同年，英国的卜j j c l a r k e 和i r s t o c k t o n 在c h d 1 x 对s s m 跌旌的 研究基础上，对s s 助率测量方法进行了较深入的研究，并首次以数学方狮迷 了各次谐波刈s 洲功率测量的影晌订。在c 1 1 d i x 和f j j ，c l a r k e 的研究工作 之后，s s m 力法在理想条件( 不考虑器件影桷) 下的功率测量误筹理论已初县雏 形，这是存s s m 功率测量研究过程中的一个罩程碑。经过近十年的实践。s 洲方 法逐渐暴露出一砦弱点，像锁相环( p l l ) 设计调试复杂，有时锁柏倍频环会出现 失锁现象。 为了克服s s m 方法的缺点，】9 8 4 年英固n b s 的g n s t e n b a k k e n 提出了一| i = j 叫 少采样测量的方法( a s y n c h r o n o u ss a m p l i n gm e a s u r e m e n t ，简称a s m ) 1 4 1 a s m 办法将s s m 办法的基波测量范围从l k h z 扩展到了1 0 k h z ，谐波频率范围扩展剑 l o o k ，。g n s t e n b a k k e n 在文献【4 】中详细叙述了a s m 法，并给出测量功率、 电压、电流的实现方案。更重要的是：g n s t e n b a k k e n 在文中详细分析了a s m 方法的误差，定义了一些灭于交流采样测量误差方面的术语，并给出了a s m 功率 测量方法在正弦和非正弦情况下的误差表达式。他的工作为a s m 功率测量方法的 发展奠定了基础。巧i 久，新西兰物理工程实验室的 c c o r n e y 和新西兰t 业部 的r t p u l l m a n 应用a s m 方法研制了准确度为0 0 1 5 的功率表。 s s m 方法和a s m 方法是当今用丁功率电能测量领域最普遍的数字采样测量方 法，s s m 方法多用于准确度较高的实验室仪器，a s m 方法多用于在线功率测量仪 表。c h d i x 、f j j c l a r k e 和g n s t e n b a k k e n 有关s s m 和a s m 方法的误差分 析都是在a i d 转换器没有误差的前提下进行的，即只分析了原理误差，并没有 涉及器件误差，这x - f 测量仪表的设讣无疑是一个缺陷。 我凼科技工作者在电量数字测量技术领域做了大量的研究工作，并设计了动： 多d s m 类型的电量测量仪器。1 9 8 4 年，清华大学戴先中博士提出了准同步采样 方法( q u s i - s y n c h r o n o u ss a m p l i n ga l g o r i t h m 简称q s s a ) 6 1 这种方法省略 了s s m 方法中的锁相同步环甘。它使用定间隔的= f 式采集r l l 信号，采用多次递推 的计算方法获取被测量的有关特征值，在理论上w 使电量参数测量准确度达至q 近 似理想同少采样的程度但计算量比较大。也就是说，通过增j 1 i l 算时问换取测 量的准确度。为了解决q s s a 的速度阀题，戴先中博士指出了应用中需注意的问 题，旨任用较少的迭代次数狄得希望的准确度。存文献 7 1 中给出了q s s a 方法 的复化矩形算法公式、复化梯形算法公式和复化辛甫牛算法公式，这埘于推广应 用q s s a 办法起到积极的作用。1 9 8 9 年，晗尔滨工业大学涂君载教授和张寅f f 上 分析了a s m 方法的误差特点指出a s m 方法测量电参量的误差与采样的初始) _ f _ f 有 关，剪用简洁的数学关系式表达功率、电流、电压测量误差与采样仞始角之m 的 笙二兰丝喧一 关系。他们的研究成果可以在a s m 方法和o s s a 方法中使用t 实现方便j 二l 物理意 义清晰，有普遍意义。1 9 9 0 年，尔南大学浠文提出了准同步采样的补偿法t 该 方法能大大改善a s m 方法的误差。和他的文献中分别研究了复化矩形求积一矩 形补偿，复化梯形求积一梯形补偿两种方法。其它还有许多研究成果，如上海电 气科学研究所的林在荣用s s m 办法设计了f u 工测试专用a d 模块，计量科学院 的陆祖良研究了a s m 方法误差的改进方法，哈尔滨理工大学的费t f 生教授研制了 基于a s m 原理的电机参数综合测试装置等等。这些研究为我国d s m 的电量测量技 术发展奠定了良好的基础。 1 9 8 8 年，荚困t e k 公司的a l u t h r a 提出了一种非均匀采样方法， 兑明了 p a r s c v a l 方程与非均匀采样方法之闻的关系，并用推出的关系式估计了讵弦波 功率测量的误差。l u t h r a 的方法主要用于高频j f 弦信号测量测量信号的频率 从2 0 m h z 至8 0 肋胃z 。 1 9 8 9 年，意犬利d ig a r i 大学的g a n d r i a 提出了一种加窗函数法，用于改 善l 【l 量测量的准确度。加窗函数法是改善f b 量测量准确度的有效手段，但在使用 中显得有些繁杂，且运算时阃较长。 1 9 8 9 年，意火利的f r i l i c o r i 教授提出了随机非同步采样方法( r a n d o m a s y c h r o n o u ss a m p l i n gs t r a t e g y ，简称r a s s ) l b lr a s s 方法是针对频率较高时 d s m 方法不能准确同步采样测量这一问题提出的。f f i l i c o r i 在论文中详细叙述 了r a s s 测量原理，从统计角度分析了测量的误差限。提出了实现r a s s 方法的具 体方案。f f i l i e o r i 还利用计算机对r a s s 方法进行了仿真分析，结果表明浚办 法可以测量频率达1 0 0 k h z 的正弦信号，而采样平均闽隔却只需要1 0 凇。这种方 法在4 0 9 6 k h z 至8 2 2 k h z 频率范围的测量误差均在5 x 1 0 。数量级，f h 它4 i 适用 于对工频信号的准确测量。 上个世纪九十年代初，在采样测量技术中出现了模拟数字混合采样技术 ( a n a l o g u ed i g it a lc o m p o s i t os a m p l i n g ，简称a d c s ) 。a d c s 是对两个被测量中 一。个采用数字采样，另个采用模拟采样在乘法型d i a 转换器中宪成乘法运 算，从而测取两个被测量乘积的均值。a d c s 尤其适合功率的测量，它能解决功 率测量中角差的软件化补偿| - u j 题哼1 ，上l 能利用较少位数的a i d 转换器得到较高 的准确度。a d c s 矗法是一种全新的办法，它不但可以测量l u 握、i u 流、l u 功率 等量，还可以对周期信号进行谐波分析，具有很强的实用性。 进入二十一f h ：纪以来，采样测量方法向多元化发展，其中有s t o c h a s l ic 采 样法、变错低频采样法( s t a g g e r e du n d e r s a m p i n g ) 、自适应窗函数采样法 ( a d a p t i v ew i n d e wf u n c t i o nm e t h o d ) 、无s ，h 采样法等。 小波变换理论通常用于瞬时信号的检测，近年来出现了离敞多小波变换 第一章绪论 ( d i s c r e t em u l t i w a v e l e tt r a n s f o r m s ) 、双正交小波变换在全线相继速动保护 中的应用，小波字空间的采样理论( s a m p l i n gt h e r o mf o rw a v e l e ts u b s p a c e ) 、 非二进小波变换应用于电力系统微机保护数字滤波器，以及小波变换无功功率测 量方法等等。 神经网络一般用于模式识别、计算机视觉等领域。由于神经网络具有高度并 行处理能力、高度的非线性全局作用、高度的容错性和联想记忆功能、自适应和 自学习能力，近年来引起检测领域研究人员的关注| 1 - 1 3 1 0 采用自适应线性神经 网络已经实现了三相畸变电流的检测。采用模拟电路自适应线性神经网络已成功 地用于有源滤波器( a p f ) 的滤波电流检测。 1 2 本文研究的对象与任务 在过去，对电网稳定性( 静态、动态、暂态) 问题的分析研究，都是采用离线 计算方法，主要计算发电机相对功角变化，根据其动态行为来分析、判断系统的 稳定性并依据计算结果来校核实际运行方式的稳定性。但受数学模型选取、参 数不准等影响，计算结果的可信度差，实际检验其精度又十分困难。 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，尤其是基于g p s 的全网同步技术的 出现，使实时监测电网动态参数成为可能。这方面北美走在了前面，他们在电网 上安装了很多动态测量装置：p p s m ( p o n a b l ep o w e rs y s t e mm o n i t o r ) ，p m u ( p l a s e r m e a s u r e m e n tu n i t ) 。这些装置准确地记录了1 9 9 6 年2 次大事故中的数据。依据 这些数据，他们研究了模型的有效性、影响阻尼的因素、调速器的作用等，并提 出功角极限是系统可能发生振荡的重要特征。 实时地监视电网关键点的电压、有功、无功、相对功角等参数，对掌握电翻 实际的静态和动态行为，指导电网安全、经济运行有着重要的工程实际意义。近 年来，基于g p s 的电网状态监测系统在我国陆续出现。1 9 9 6 年，清华大学电机 系和黑龙江省电力公司合作，在黑龙江省东部电网实现了区域稳定控制和电网同 步相量测量与传输，涉及3 个变电站、2 个发电厂和约3 0 条2 0 0 k v 输电线。2 0 0 0 年，他们再次合作，开发了新一代区域稳定控制系统，安装在方正5 0 0 k v 变电所 和鸥岗发电厂。广东省中调于1 9 9 8 年在广州地区安装了动态负荷测辨系统，经 过两年多的运行得到大量数据。在此基础上，对过去系统出现的一些短路事故， 用实测动态特性负荷模型进行仿真，首次验证了实测负荷模型的有效性，同时也 证明了所采用的负荷建模理论的正确性。 动态实时监控及管理系统由动态仿真、广域测量、模型有效性评估、动态参 数辨识及动态参数库、实时数据利用和控制策略库建立6 个部分组成。其关系如 图1 一l 所示。 第一章绪论 图l - 1电网动态实时监控及管理系统流程图 从图1 - 1 可以看出：广域测量系统( w a m s ) 是极其重要的，它是其它一切工 作的基础。它的测量对象主要是相角、电压、电流、有功及无功等。保证这些参 数的准确度，对提高整个动态实时监控及管理系统的性能有着重要的意义。 图1 - 2测量系统的整体结构 服务罄 本文的研究工作是针对图卜2 所示的测量系统展开的。这个测量系统由6 p s 、 三台工业控制机、数据服务器组成，测量对象主要是电压、电流。本文首先了解 系统的基本组成，尤其是模拟量采集卡的基本工作原理。在此基础上，实现中断 方式下的数据采集。系统中的每台工业控制计算机有9 6 路模拟量采集、3 2 路开 关量采集、8 路模拟量控制、4 8 路开关量控制，同时要求它们在2 0 m s 内把整理 好的电压、电流、有功、无功、频率、相角传输给数据服务器。众多的监控对象 和繁重的传输任务不允许工业控制机花费许多资源用于电压、电流、有功、无功、 频率、相角的计算。因此，寻找合适的数值计算方法显得非常迫切。本文在电量 参数数字化计算方面做了以下几点工作： 6 第一章绪论 在明确功率定义的基础上，讨论了正弦稳定状态下计算有功功率和无 功功率的正交分解法和积分求和法： 对于非正弦系统，用复化的电压电流信号进行傅立叶变换，根据各次 谐波下电压电流信号的正交分量，计算出电压有效值、电流有效值、 有功、无功和相角： 用过零法、三点法、四点法估计系统的频率，比较它们在不同信号成 分时的优劣。 针对噪声( 包括量化噪声) 的主要成分是高频分量的特点，采用低通 滤波器对信号作预处理。 比较正交分解法、准同步法和三点正交分解法的优缺点。综合考虑计 算对象所处的环境和需要的计算精度，按滤波、过零法、线性插值、 正交分解法的步骤，即基于频率估计的正交分解法，计算出电压有效 值、电流有效值、有功、无功和相角。 ) ) ) ) ) “ q 第二章数据采样 第二章数据采样 数字化测量仪器需要解决的第一个问题就是如何把模拟量转化为数字量。在 模拟量到数字量的转化过程中，在时间上存在着离散误差，在数值上存在着量化 误差。为减少这种误差，应适当提高a d 转换器的采样速率和增加其分辨率。 功率的计算需要电压信号和电流信号，如果用多路异步方式采集信号，功率计算 的精度会受到影响。考虑到众多因素，本文用p c i 2 0 0 8 a d 同步采集卡作为数据采 样的硬件支持。本章在介绍p c l 2 0 0 8 a d 同步采集卡功能的基础上，详细叙述中断 方式下实现数据采集的编程思想。 2 1a v d 的工作原理 个模拟信号在时间上是连续的，在幅度上是任意的，经过a ，d 变成时闻 上是离散的、精度上是有限字长的数字信号。a i d 转换器与计算机联合使用时， 由计算机发出抽样命令，获得某一瞬间的信号值并将这个信号保持- d , 段时间。 抽样保持的功能由抽样保持器完成，如图2 。l 所示。当抽样命令( 脉冲) 到来时， 电子开关s 闭合，屯( ，) 向电容c 充电( 因电子开关闭合时有几百欧的电阻，所 以充电回路内不另加电阻) ，c 很快就充电到x o ( t ) 。s 在预定的时间延迟后断开， s 的接通时间就是抽样时间( 一般是毫秒、微秒级或更低) 。s 断开后，c 上的 电压因为没有放电通路可保持到下一个抽样命令的到来。抽样保持器的输出为台 阶形的连续函数矗乃。 图2 - 1 抽样保持器 爿，d 转换器的种类很多，图2 - 2 是一个3 位并行4 d 转换器这种4 ，d 转 换器包括带有基准电源的分压器、比较器、寄存器和编码器四个部分。模拟信号 输入是经抽样保持的抽样值扎d 。台阶形的模拟信号x u 0 刀和分压器的电压 ( 从v j l 4 到1 3 v r 1 4 ) 输入到比较器c l ，c 2 ，c 7 。由于基准电源经分 8 第二章数据采样 压器分压，所以送到c 1 ，c 2 ，c ，的电压分别为1 4 ，3 1 4 ，1 3 v , 。1 4 ， 各比较器的输出是0 或1 ，视x ，( n t ) 与该比较器输入的基准电压孰大孰小而定。 例如x 。0 功= 0 4 ，则c ，c 2 ，g 的输出为l ，而c 4 ，g c 6 ，c 7 的输出为 0 。将比较器c ，c ，的输出分别送到7 个d 触发器e ，e ，e 的d 端。 当时钟脉冲( c p ) 出现时，e e 的q 端为l ，的q 端为0 。经过编 码器有a ：a 以输出一个三位的二进制数0 l l ( a ，= 0 ，a 。= 1 ，a 。= 1 ) 。这样，就把 矗0 d = 0 4 量化为3 ，单位为7 。这里的7 就是它的最大分辨率。 蕊蕊1 磊r 1 丽广 图2 - 23 位并行a d 转换器 低位 在下一个抽样问隔里，抽样保持器的输出为l 伽+ 1 ) 邪，输入到比较器的电 压是屯 仍+ 1 ) r 】，编码器又有一个新的输出。如此下去，每个抽样值被量化并编 成一个三位的二进制数码。 如果要想提高数字信号的精度，则需要把基准电压的分压分得更细。但需要 增加比较器和寄存器的个数，且使编码器也变得复杂。要求有多高的精确度则视 任务的要求而定。 笙三童塑塑墨堂 2 2p c i 2 0 0 8 a d 同步采集卡 p c i 2 0 0 8 a d 是阿尔泰科贸有限公司生产的1 2 位1 6 路同步采集卡。它采用 p c i 2 2 总线标准，同步工作频率可达3 3 m h z ，最高传输速率为1 3 2 m b s 。每卡通 道数1 6 ，且支持多路、多卡同步采集。模拟输入电压范围1 0 v ，输入阻抗大于 1 0 m q 。每通道均通过p g a l 0 3 放大器缓冲后接入多采保4 ，d 芯片a d 7 8 7 4 。彳d 分辨率1 2b i t ，非线性误差小于1 l s b ，转换时间4 0 u s 通道。另有1 6 k 字f i f 0 存储器。图2 3 是p c i 2 0 0 8 同步采集卡的结构框图。 r c l l 谶 图2 - 3p c i 2 0 0 9 a d 卡结构框图 在p c i2 0 0 8 同步采集卡上配置有9 个3 2 位的寄存器，它们的偏移地址、功 能和读写属性列于表2 - 1 。 表2 - 1 偏移地址功能概述读写属性 o x 2 0 0 频率计数器控制寄存器读，写 0 x 2 1 0 a d 转换芯片选择寄存器 口冒 o x 2 2 0 工作模式寄存器只写 o x 2 3 0 a d 转换允许寄存器 只写 0 x 2 4 0 外触发信号控制寄存器读写 o x 2 5 0 清a d 的f i f o 寄存器 只写 0 x 2 6 0 a d 数据寄存器 只读 o x 2 7 0 彳d 的f i f o 状态寄存器 只读 o x 2 8 0 中断允许寄存器只写 第二章数据采样 频率计数器控制寄存器用来存放a d 采样频率：a d 转换芯片选择寄存器 指出哪些路工作，哪些路不工作；工作模式寄存器规定了采样的触发方式。它有 内触发和外触发之分。板上4 0 m 晶振的输出连接到定时计数器的输入，计数器 的输出经分频得到内触发信号。 内触发信号也有输入输出端子，把其中的一个内触发信号接到其它板上，能 实现多卡同步采集。假如有三块p c i 2 0 0 8 卡，其中p c i 2 0 0 8 0 是三卡的同步采样 时钟源，按图2 - 4 的连接方式能够实现4 8 路同步采集。 p c i 2 0 0 8 - 0p c i 2 0 0 8 1p c i 2 0 0 8 - 2 图2 - 4p c i 2 0 0 8 三卡同步采集 2 3 数据采样软件编程 p c i2 0 0 8 数据采集卡有w i n d o w s 9 5 9 8 n w 2 0 0 0 下的多种语言驱动程序，其 语言种类有m i c r o s o f tv i s u a lc 什，m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c ，b o r l a n dc + + b u i l d e r ， b o r l a n d d e l p h i ，n il a b v i e w 等。 驱动程序采用动态虚拟技术( w i n d o w s9 5 ) 、微内核代码( w i n d o w sn t ) ， 可动态装载和卸载，也可以重入，即可实现多道任务同时访问硬件设备的功能。 为提高数据吞趾率以及实现实时数据处理，采用了数据采集和数据处理相独立的 设计思想，使创建的设备对象能够在w i n d o w s 系统空间管理一个一级强制性缓 冲队列。该缓冲队列有2 5 6 k 字节的长度，用先进先出策略和动态链表等技术管 理。设备对象在后台负责数据采集和传输，将其数据映射到相应的队列缓冲单元， 且维持一个动态链表，并向用户发送相应的通知消息。用户不必知道内部的任何 复杂操作，只须在这个消息到来时，使用r e a d d e v i c e i n t a d 函数读走一批a d 数 据即可。重要的是，在这个消息没有到来时，用户代码不必花任何c p u 时间去 问询等待，而用户正好利用这段空闲时间去处理更多的任务。这个队列缓冲的功 能和先进先出存储器f i f o 芯片基本一致，只不过这个缓冲是一个被软件仿真的 f i f o 存储器。这项技术的最大优点就是能够解决多任务环境中实现高速连续采 集数据的难题。如果希望应用程序有更好的处理能力和克服操作系统的陡然忙碌 对连续数据采集的影响，可以在用户模式中再使用二级缓冲队列。 由于驱动程序采用面向对象编程，使用设备时必须首先用c r e a t e d e v i c e 函数 第二草数据采样 ? 创建一个设备对象旬柄h d e v i c e 。有了这个h d c v i c e 旬柄，就拥有了对该设备的 绝对控制权。 用i n i t d e v i c e p r o a d 函数完成对，d 部件初始化，如采样通道、频率等。这 些参数被安放在p p c i 2 0 0 8 j 慷r a _ a d 类型的结构中。 s t r u c t p c i 2 0 0 8 一p a r a _ a d d w o r d b c h i p s a r r a y 【4 】； 采样通道阵列 d w o r d g a i n s 1 6 ； 程控增益( 分别控制1 6 个通道) d w o r d f r e q u e n c y ； 采集频率( h z ) d w o r d t r i g g e r s o u r c e ； 内触发和外触发方式选择 d w o r d o u t t r i g g e r e d g e ； 外触发上升沿和下降沿类型选择 d w o r d c l o c k s o u r c c ；同步触发时钟输入允许位 d w o r d b c l o c k o u t p u t ； 同步触发时钟输出允许位 用s t a r t d e v i c e p r o a d 函数启动a d 部件后，a i d 按照p p c i 2 0 0 8 _ p a r a _ a d 中设定的参数开始工作。 在非空查询方式下，用r e a d d e v i c e p r o a d _ n o t e m p t y 反复读取a d 的数据以 实现连续不间断采样。当需要暂停设备时，执行s t o p d e v i c e p r o a d ，关闭设备时， 执行r e | e a s e d e v i c e p m a d ( 但设备对象h d e v i c e 依然存在) 。 在半满查询方式下，用g e t d e v s t a t u s a dh a l f 函数查询存储器f i f o 的状态， 如果达到半满状态，可用r e a d d e v i e e p r o a dh a l f 函数读取一批半满长度的4 ，d 数据，然后再接着查询f i f o 的状态，若有效再读取。 如果采用中断方式，在创建了设备对象句柄h d e v i c e 后，应首先调用 c r e a t e s y s t e m e v e n t 函数，创建一个内核事件对象句柄h e v e n t ，它将作为接受a d 半满中断事件的变量，把它赋给i n i t d e v i c e i n t a d 函数中的相应参数，然后调用 i n i t d e v i c e i n t a d 函数和s t a r t d e v i c e i n t a d 函数。 为了实现中断工作方式，在w i n d o w s 下通常采用多线程技术，为每一个设 备对象创立一个独立的线程。在这线程中，用w i n 3 2 的a p i 函数 w a i t f o r s i n g l e o b j e c t 等待有关h e v e n t 中断事件的发生。在中断未到时，线程处于 睡眠状态( 不消耗c p u 时间) ，反之。立即被唤醒，执行它下面的代码。在该代 码中，用r e a d d e v i c e i n t a d 函数读取一批半满长度的a d 数据，然后回到 w a i t f o r s i n g l e o b j e c t 状态，再等待f i f o 半满中断事件的发生。在中断方式下， 也可以用s t o p d e v i e e p r o a d 函数暂停设备，用r e l e a s e d e v i e e p r o a d 函数关闭设 备。图2 - 5 是中断方式下的数据采集流程。 第二章数据采样 图2 - 5 半满中断方式a d 采集实现过程 第二章数据采样 在这里需要指出：r e a d d e v i c e i n t a d 函数也可只读取单点或几个点数据，但 这样会使下一次半满中断事件提早到来，不再是半满间隔。由于半满中断属于硬 件中断，其优先级别高于所有软件，不应让中断间隔太短，否则有可能使整个系 统被半满中断事件吞没，造成和死机相似的现象。 查询方式需要不断地查询数据采集状态，耗费大量的c p u 时间，它不适宜 数据运算量大的场合。本文研究的对象是多采集量、多控制量系统，就一台工业 控制计算机而言，它有9 6 路模拟量采集、3 2 路开关量采集、8 路模拟量控制、 4 8 路开关量控制。不仅如此，对于模拟量采集，每个工频周期需要6 4 个点的数 据，经过复杂的运算，把数据上传给服务器。因此，本文采用中断方式编程。在 程序中，按照每个工频周期提出一次中断请求的要求，把f i f o 的长度设为2 0 4 8 ， 即半满长度为1 0 2 4 ( 1 6 个通道，6 4 个点) 。 第三章正弦模型下的功率测量 第三章正弦模型下的功率测量 众所周知，无论是单相电路还是三相电路，正弦稳定状态下的有功功率是电 电阻性元件在一个周期内消耗能量的平均值，无功功率是电感元件、电容元件与 系统交换的最大能量。根据离散的电压信号和电流信号计算有功功率和无功功率 的方法很多，本文叙述常用的正交分解法和积分求和法。 3 1 正交分解法 假定图3 一l 中的电压信号为 “( r ) = , f 2 u s i n ( c a t + 吼) 电流信号为： f ( r ) = 豇s i n ( 耐+ 识) 用复数表示时，u = u 9 ，= 眨平，。 由电工理论可知，其复功率为： s = u i 以) 斗 图3 - 1 单相电路 ( 3 1 ) 其中j 是j 的共轭复数。 把用复数表示的电压信号和电流信号代入式( 3 一1 ) 得到： s = u l ( c o s q