（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的互感器二次负荷在线测试系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h em a r k e tr e f o r m a t i o ni ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，t h e a c c u r a c yo f e l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ti sm u c h r e g a r d e d p a r t i c u l a r l yc h i n a h a sb e c o m e am e m b e ro fw o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n ，s oh o wt ow e l la n dt r u l yr e c k o nt h ee x p e n s eo f c o n s u m i n ge l e c t r i cp o w e re n e r g yi sa ni m p o r t a n c et a s ko ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h e v e r a c i t y o ft h ee l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n te q u i p m e n th a s p l a y e d ap r o m i n e n tp a r ti n e l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，a n d t h es e c o n d a r yl o a do ft h et r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o ro f t h ew a n s f o r m e re r r o r , t h et r a d i t i o n a lt e s t i n gm e 山o do ft 1 1 et r a n s f o r m e re r r o ri st ot e s tt h e e l - f o ro ft h et r a n s f o r m e rr u n n i n gr a t e dl o a do rl o w e rl i m i tl o a di nt h et e s t i n gl a b o r a t o r y ，b u t t h em e t h o dc a n tt r u l ym e a s u r et h ee r r o ro ft h et r a n s f o r m e r r u n n i n ga c t u a ll o a d o n s i t et h e t e s t i n gw o r ki sv e r yd i f f i c u l tf o rt h es e c o n d a r yc u r r e n to fp ta n dt h es e c o n d a r yv o l t a g eo f c q 、a r ea l ls m a l l a tt h es a m et i m et h et e s t i n gp r o c e d u r ei st i m e - c o n s u m i n ga n dm u l t i f a r i o u s o na c c o u n to f s h u t t i n go f f e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di nt h ep r e s e n c eo f m a n y i n s t r u m e n t s w i t ht h el a s t d e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lm e a s u r i n gt e c h n i q u et h et h e s i sh a ss t u d i e da n o n l i n e t e s ti n s t r u m e n ts y s t e mf o rs e c o n d a r yl o a do ft r a n s f o r m e ra c c o r d i n gt ot h et a r g e to fa n o v e la n dp r a c t i c a l i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h e c o r e t e c h n i q u eo fi n s t r u m e n ts y s t e m i s s o f t w a r es y n c h r o n o u ss a m p l i n gi np e r i o d i cs i g n a lm e a s u r e m e n ta n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h ei n s t r u m e n ts y s t e mc a na c c o m p l i s ht h em e a s u r e m e n to f s e c o n d a r yl o a da n da l le l e c t r i c p a r a m e t e r sb a s e do nd i g i t a ls a m p l i n gm e a s u r e m e n ta n dm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ea u t h o rh a s i n t r o d u c e dta l li n s c a p eo fh eh a r d w a r ea n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o d so ft h es o f t w a r ew h i c h a l et h ei m p o r t ，a d j u s t m e n t , a n a l y s i sa n d p r o c e s s i n go fs i g n a l t h em a t t e r sn e e d e d a t t e n t i o no f c h o o s i n ga n dd e s i g n i n gt h ep a r t so f t h es y s t e ma r ea l s op r o v i d e d t h ei n s t r u m e n ts y s t e mc a r l m e a s u r et h es e c o n d a r yl o a do ft r a n s f o r m e rf a s ta n dc o n v e n i e n t l yo ns i t e i th a sm a n ym e r i t s a sh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n , h i 曲m e a s u r e m e n t e f f i c i e n c y , s oi t sr e c o m m e n d a b l e i n p o w e r s y s t e m k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r s o f t w a r e s y n c h r o n o u ss a m p l i n g s e c o n d a r y l o a do n l i n et e s t i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t 一_ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 l i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 电磁测量技术的发展 科学技术的发展与测量的发展是紧密联系在一起的。科学是从测量开始的，测量 对人类的科技进步有着至关重要的作用，没有测量人类的科学研究和实验根本无法开 展。作为信息获取、信息处理的测量技术是信息社会的基础技术。在自然界众多的现 象与规律中，电和磁自身的规律、它们相互间的规律，以及它们与其它物理、化学等 现象间的广泛联系为电学量、磁学量和几乎所有的非电量的测量提供了多种多样的方 法和手段。 学术界对测量的经典定义是以实验的方法将被测量与已知标准量进行比较来实现 定量认知的过程。电磁测量技术则是研究电学量、磁学量以及可转化为电学量的非电 量的测量原理、方法、所用仪器、仪表的科学技术1 2 1 0 常用的测量方式有直接测量、间接测量和组合测量三种。 从电磁测量技术的发展历史来看，可以分为五个发展阶段旺1 ： ( 一) 早期发展阶段 1 9 世纪2 0 年代以前。 ( 二) 初期发展阶段 1 8 2 0 1 9 1 0 年，这一时期由实验室研究走向工业应用，并且电磁测量仪表 工业开始初步建立。 ( 三) 第二发展阶段经典电磁测量体系的形成 由2 0 世纪初期到5 0 年代，此阶段电磁测量及有关工业有了很大的发展： 经典电磁测量形成了自己的科学体系：由于软磁材料和高磁能永久磁铁的发展， 机械式指示仪表的性能大大提高，并出现广角度指示仪表及内磁铁式磁电系仪 表；测量与控制相结合，使得非电量的电测量技术有了飞跃式的发展。 ( 四) 电磁测量的近期发展阶段 这一阶段主要是从2 0 世纪5 0 年代到9 0 年代。经典指示仪表向变换器式发 展；电磁测量领域中引入了数字技术与计算机技术。 ( 五) 电磁测量的现代发展阶段 二十一世纪。人类社会进入信息时代，随着电子技术、计算机技术和通信 技术的飞速发展，电磁测量技术也进入了全新的发展阶段。电磁测量技术也出 现了新的发展趋势：测量传感器向集成化、多功能化、智能化方向发展；测量 仪表向智能化仪器、虚拟化仪器、网络化仪器发展。 l 华中科技大学硕士学位论文 二十世纪六十年代以前的时期仪器仪表以机械式的模拟仪表为主，现在其可靠性有 了新的发展，并且与电子技术、新工艺、新材料技术等相结合出现了新型的模拟仪表。 4 0 年代发明的半导体技术在5 0 年代已经被广泛使用，并发展出集成电路、大规模 集成电路等，为模拟仪表的改造创造了条件。特别是，在电磁测量领域中引入了数字 技；忙与计算机技术。第一台数字电压表于1 9 5 2 年问世，这标志着电磁测量已进入了模 拟方式和数字化测量方式共同发展的阶段。随着电子技术和大规模集成电路技术的不 断发展，数字化仪表和测量技术发展更为迅速。与模拟仪表相比，数字化仪表采用了 完全不同的原理，它的核心是模数转换、数模转换、采样保持和计数器等。数字化仪 表的准确度高，可达计量准确级；速度快，便于与计算机联接以进行自动化测量，使 仪表本身智能化并结合成测量系统等。计算机的存储功能与数据处理功能使数字化仪 表的性能大为提高，是模拟仪表很难做到的。 1 9 7 4 年将时域采样技术引入数字化测量技术领域，这也使得电磁测量技术水平有 r 很大的提高。智能仪表从此时诞生，智能仪表( 仪器) 是指含有微型计算机或微处 理器，具备对数据的存储、运算、逻辑判断、自校准及自动化操作等功能的仪器仪表。 智能仪表大大增强了仪器的功能和使用的灵活性，使得许多用硬件逻辑难以解决和无 法解决的问题可以用软件来解决。 智能仪表经历了单机智能仪表到总线仪器系统再发展到个人计算机仪器系统。其 功能和特性有了很大的提商，它具有可编程特性、可记忆特性、有计算功能和数据处 理功能，智能仪表中的微型机( 微处理器) 不再是简单的发布命令和完成测量数据运 算的工具，而是与仪表结合在一起，可以改变测量原理和方法，创造出新的一代仪器 仪表。 随着现代计算机技术的发展，出现了计算机技术同现代仪器技术深层次相结合产 生的全新概念的仪器一一虚拟仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器仪表领域 的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器一一模拟式仪表、第二代仪器一一分立元件式 仪表、第三代仪器一一数字式仪表、第四代仪器一智能化仪器之后的新一代仪器。 测量仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的 显示四个部分。虚拟仪器同样实现下述功能： 信号采集与控制功能：虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对 信号的采集、测量、转换与控制。硬件平台包括两部分：计算机和仪器硬件。 数据分析处理功能：虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件 实现对输入信号数据的分析处理。处理内容包括数字信号处理、数字滤波、统计处理、 数值计算与分析等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的的智能仪器有更强 大的数据分析处理功能。 华中科技大学硕士学位论文 测量结果的表达：虚拟仪器充分利用了计算机资源如内存显示器来对测量结果数 据进行表达与输出：可以通过总线网络进行数据传输；通过磁盘和光盘硬拷贝输出： 通过文件存储在硬盘内存中；计算机屏幕显示和图形用户接口。 虚拟仪器的硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件是构造和使用虚拟仪器的 关键。目前较为常用的虚拟仪器是数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统 以及三者之间的任意组合。 现在，计算机技术、通讯技术、网络技术、微电子技术、光子技术等高新技术的 迅速发展，在宏观上左右着仪器仪表的不断进步。其发展将遵循跟着通用计算机走跟 着通用软件走和跟着标准网络走的趋势发展新型的仪器仪表。继“计算机就是仪器” 和“软件就是仪器”概念之后，很可能会出现“网络就是仪器”的新概念1 3 1 1 2 课题来源和意义 电力的生产和其它的产品生产不同，其特点是发电厂发电、供电部门供电、用户 用电这三个部门连成一个系统，不能间断地同时完成，而且是互相紧密联系缺一不可， 这样三者互相之间如何销售和经济计算，就必须要电能计量装置在三个部门之间进行 测量计算出电能。电能计量装置主要由电能表和电力互感器( 包括电流、电压互感器) 组成4 1 5 1 t 6 1 在高电压、大电流系统中，一般的测量仪表不能直接接入被测电路进行测量，需 要先通过电压互感器和电流互感器变换成低电压、小电流后再进行测量。通常把电能 表与其配合使用的互感器以及电能表到互感器的二次回路连接线统称为电能计量装 置。 随着电力系统市场化步伐的加快，电能计量工作对准确性的要求越来越高t 7 1 0 特别 是我国加入世界贸易组织后，准确合理计收电费是电力计量部门的一项重要任务，电 能计量装置显得尤为重要。 为适应电力体制改革和电网商业化运营的需要，电力系统发供电量由单一的关口 电能表管理转向电能计量装置综合误差管理。如何正确计算电能计量装置综合误差成 为电力计量部门的一项迫切需要解决的课题。 电能计量装置的综合误差包括电能表误差、互感器的合成误差( 指与电能表以不 同的接线方式连接的电流互感器和电压互感器角差、比差的综合计算) 和二次回路压 降造成的误差三部分。 电力互感器( 包括p t 、c t ) 的误差是影响电能计量装置准确性的一个重要因素。 任何能量在传递过程中都有损耗，电力互感器也不例外咖9 1 。如果互感器没有误 差的话，则根据安匝平衡一次安匝等于二次安匝。实际上由于互感器铁心要消耗励磁 3 华中科技大学硕士学位论文 安匝，这个励磁安匝由一次安匝中提供，这样二次安匝就不等于一次安匝，电力互感 器就有了误差。 对电流互感器来说，它的二次负荷是指电流互感器二次所接电气仪表和联接导线 的总阻抗，它包括这些仪表或继电器的阻抗，以及连接导线的电阻和联接点的接触电 阻等所有二次外接负荷的全部阻抗。电流互感器的二次负荷必须在额定负荷和下限负 荷的范围内，如果电流互感器实际所接的二次负荷大于额定负荷或小于下限负荷，其 准确度将得不到保证，误差将超出国家标准规定的允许值。而且二次负荷的功率因数 也对误差产生影响。 对电压互感器来说，它的二次负荷是指电压互感器二次所接电气仪表和继电器的 总导纳。同样地，它实际所接的二次负荷大于额定负荷或小于下限负荷，其准确度将 得不到保证，误差将超出国家标准规定的允许值。而且二次负荷的功率因数也对误差 产生影响。 我国研究互感器的学者通过理论分析和实验研究表明：互感器的误差除了运行时 的二次电流( 和电压) 的大小有关外，还与互感器副边所接的二次负荷有关。根据标 准规定，互感器的二次负荷必须在额定负荷和下限负荷的范围内，各级互感器才不会 超出标准规定的范围。 因此，国家互感器检定规程也规定互感器的二次负荷是必检项目。 在电力生产实践中，互感器误差测试工作是一项常规任务。 对电力计量部门来说。测试时间短、安全性好、准确性高、操作方便、对被测系统 影响小是测试互感器误差工作的主要要求。互感器误差测试的传统方法是在额定负荷 或下限负荷下对互感器进行误差试验，且这种办法一般在试验室进行，不能准确反映实 际负荷运行情况下的互感器的实际误差。 为确保互感器的准确运行，其负荷应处于额定的上下限值范围内。因此测试电力 互感器的二次负荷是电力部门的一项重要工作。现场测试中由于p t 的二次电流和c t 的二次电压都很小，测试较困难，且需对系统停电并借助于多台仪器才能完成，整个 过程操作复杂、耗时长、任务繁重、测量准确度不高。为此我们研制了全新的电力互 感器二次负荷在线测试仪。 考虑到本测试仪现场在线测试的特点，按照便携式低功耗的智能化仪器设计。为 此选用美国t i 公司型号为t m s 3 2 0 f 2 0 6 的d s p 芯片作为整机的技术核心。通过周密的 设计，该测试仪能现场在线测试p t 、c t 的二次负荷以及电压、电流、相位、频率、有 功、无功、视在功率、功率因数等全部电气参数，测试速度快、准确性高，同时仪器 由内部电池供电( 无需外接电源) 、较大的液晶显示屏幕和中文菜单式操作指示、轻巧 的机身使得现场的在线测试工作非常方便。 4 华中科技大学硕士学位论文 前面已经介绍，电流互感器的二次负荷是指电流互感器二次所接电气仪表和联接 导线的总阻抗，它包括这些仪表或继电器的阻抗，以及连接导线的电阻和联接点的接 触电阻等所有二次外接负荷的全部阻抗；电压互感器的二次负荷是指电压互感器二次 所接电气仪表和继电器的总导纳。 简言之，测量互感器的二次负荷就是测量互感器二次回路的总阻抗或导纳。 在电路理论中，阻抗是正弦电流电路的个概念。我们可以把互感器的二次回路 看作不含独立电源的一端口。这样所要测定的二次负荷就是这个一端口的阻抗或导纳。 1 3 国内外同行的研究现状 如前面所述，互感器二次负荷的测量是为了测量互感器误差工作的需要。 互感器误差的传统测试方法是在额定负荷或下限负荷下对对互感器进行误差试 验，一般在实验室进行，而且为确保测试准确，应使其负荷处于额定的上下限值范围 内。 以电流互感器为例，在测量电流互感器误差时，要求标准电流互感器的实际二次 负荷与标定负荷之差，不应超过1 0 ；要求被试电流互感器的实际二次负荷与规定 的额定负荷或下限负荷之差，不应超过3 。 目前，互感器实际二次负荷下的误差测量方法一般有：测出互感器在任意二次负 荷下的误差进行推算：采用可以准确模拟实际二次负荷的特制负荷箱( 其功率因数和 伏安值均可改变) 来取代推算法t 1 0 1 带实际二次负荷直接测量。 公式推算法存在使用面不大，对二次有两组主二次绕组则推算较为麻烦，难以测 出准确结果。用负荷箱模拟实际二次负荷的方法是过去经常采用的一种传统方法，一 般在实验室进行，且需要借助于升流器、互感器校验仪等多台仪器才能完成，在现场 操作不便。在实验室中提供的二次负荷不可能真正模拟现场实际情况，而且因为负荷 箱的功率因数要求连续可调和伏安值可以改变的要求使得负荷箱的制造难度较大。尤 其是还需要对系统进行停电，给现场的测试工作造成很大的困难。 带实际= 次负荷赢接测量的办法的核心问题还是要在现场能够方便快捷地测出现 场运行的互感器的实际二次负荷。这样就可以进行电能计量装置的综合误差进行计算 和补偿。本课题就是采用带实际二次负荷直接测量的办法。 1 4 本仪器主要技术指标 本仪器的主要技术指标如下： 1 、电压测量范围：0 1 v 4 0 0 v准确度：1 0 2 、电流测量范围：0 ia 5 a准确度：直接测量i 0 华中科技大学硕士学位论文 钳表测量2 0 3 、相位测量范围：0 。3 6 0 。准确度：o 5 0 4 、功率因数：一1 0 1 0准确度：0 0 5 5 、导纳测量范围：1 0 0 m s 9 9 9 9 m s准确度：2 6 、p t 运行负荷测量范围：5 0 v a 5 0 0 v a准确度：2 7 、阻抗测量范围：0 1q 1 0 ，0 q准确度：2 8 、c t 运行负荷测量范围：0 1 v a 7 5 v a准确度：2 9 、c t 额定负荷：2 5 v a 2 0 0 v a准确度：2 1 0 、频率：4 5 h z 5 5 h z准确度：0 2 h z 1 l 、电压测量输入阻抗：1 0 0 k q 1 2 、电流测量输入阻抗： k r 。, , ，即功率 函数的最高次谐波，而不必满足采样定理所要求的n m 2 k 。的条件。 由于噪声的存在，虽然组成被采样波形的主干部分是重复的，但各周期的实际波形 仍然有差异，因此期望n 大一些，以减小噪声的影响。 如要求实时处理，m 的选择必须使采样间隔m t n 够长，以便有足够的时间完成所 需的运算。 以上是以电功率测量为例说明同步采样的原理及线路。因为平均值、有效值等公式 与功率公式在形式上极其相似：不难利用类似的线路和原理测量周期性交流电压电流 的平均值有效值等。由所求得的有效值可以进一步计算视在功率，再结合有功功率可 得到功率因数。这些运算都可以通过软件完成。 同步误差、截断误差及其补偿 以上的讨论都是假定n 次均匀采样间隔h 之和恰好等于一个周期t 或m 个周期 ( m t ) ；但由于环节和所用部件的不完善等原因，难于严格实现这一要求，出现一些 华中科技大学硕士学位论文 差异= h n m t ，称作同步误差。在实际测量中，很小的也会产生较大的测量误差。 对此，一些学者提出了各种改进措施。淦君载等提出，如将采样起点选在被测参数的 真实值附近，如此点处的波形变化不剧烈，可大为提高测量准确度 2 1 1 。陆祖良曾经提 出种利用插值计算截断误差的补偿措施“”1 。 设0 为采样起点，采样值为y 。，此起点可以取自波形任何地点。准确的整周期端 点位于n + 占处( j = a i h ) ，虽非采洋点，其采样值应当也是虬。端点前后的各采样点 分别为n 1 、n 、n + 1 、n + 2 等，对应的采样值分别为y n i 、y 、y n l 、y n 2 等在其论文中给出利用一周期的采样值y ，( j = o ，l ，2 ，n ) 经补偿而得到的更准确的 1r n 一i1 平均值公式： 平均值2 万i 善y ，十圭( 1 十国 。+ 蜘 心_ 1 6 ) 使用上式时，需要知道占值。占的求法有：利用+ 万前、后的采样数据，如y 。、y ” y 。、y 。、y ，+ ：等，采用插值法求取：用其他方法和以频率计测得准确的频率值( 周 期) ，或用过零检测器控制计数器工作，从而获得准确的周期t 值等，从而求得艿值。 陆祖良在其文中给出了误差公式。 为了减缓同步误差对采样的限制，即减缓n h 必须等于m t 的限制，在八十年代初 戴先中先生提出了准同步采样法 2 4 1 。下面对其作简要介绍。 2 2 2 准同步采样法 在实际采样测量中，采样周期不能与被测信号周期实现严格同步，即n 次采样不 是落在2 万区间上，而是落在2 万+ 区间上( 称为同步偏差或周期偏差，其值可正可 负) ，此时其结果就产生同步误差。 准同步采样法是在同步偏差( 周期偏差) i a i 不太大的情况下，当满足 n 兰；丝m 时，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的新 二7 r 方法。这种方法不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采 样的起点无任何要求。准同步采样不仅降低了对信号频率的要求，而且也降低了对采 样时间间隔的要求，降低了对振荡器频率的要求。因此准同步采样技术可以用要求较 低的振荡器代替同步采样中要求较高的同步环节，使测量装置简单，简化了电路，装 置的硬件甚至比根据同步采样原理组成的装置更为简单。 华中科技大学硕士学位论文 准同步采样法的缺点也很明显：它需要通过增加采样周期和每个周期的采样点数 并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其所需要的数据较多，计算量远远大于同步 采样法，运算时间较长，不适合多回路、多参量实时性要求较高的在线交流测量系统， 而且受短暂突发性干扰影响的可能性要比同步采样法大。在采样期间要求信号波形稳 定，这一点与同步采样的要求相同。 针对准同步采样的以上缺点，清华大学的邓春先生提出了“快速准同步一次加权 法t 2 5 1 东南大学的潘文先生提出了减少迭代次数的三种方法 2 6 1 ：“寻优法”、“补偿 法”、“数字滤波法”。这些方法缩短了测量时间，加快了数据处理速度，但需要准确地 测量信号周期，并且采样起点的选择将影响测量的准确度。 关于准同步采样的详细原理、公式推导及应用中应该注意的问题本文就不作介绍 了。戴先中等人在其多篇文献中对此均有阐述。 2 2 3 非同步采样法2 8 1 同步、准同步采样法适用于已知信号在某一频率( 或几个频率) 范围内变动的情 况，实际情况可能要求在较宽的频率范围内工作。此时使用非同步采样法是合适的。 非同步采样是使用固定的采样间隔，通过调整采样值，使采样周期与信号周期( 或 信号周期的整数倍) 的差值小于一个采样间隔的测量方法。非同步采样由于采样间隔 固定，因而不期望a = o 。利用高采样频率和在较多周期上采样以获取大量数据，则对 如此多周期求平均值时，即使存在，其影响将大为减小。 t 9 8 9 年意大利的f f i l i c o r i 教授提出了随机非同步采样方法n 7 1 ( r a n d o m a s y n c h r o n o u ss a m p l i n gs t r a t e g y ) ，并在其论文中详细讲述了非同步采样测量方法的原 理，从统计角度分析了测量的误差限，提出了实现此测量方法的具体方案。f f i l i c o r i 还利用计算机对非同步采样方法进行了仿真分析，结果表明此方法可以测量频率达 1 0 0 k h z 的正弦信号，而采样间隔只有1 0us 。这种方法在4 0 9 6 k h z 至8 2 2 k h z 频率 范围内，测量误差均在5 1 0 。3 数量级。由于非同步采样方法在1 5 h z 时误差高达3 1 8 1 0 2 数量级，不适合工频信号的准确测量。e f i l i c o r i 还在其论文中分析研究了非同步 采样测量方法的误差1 2 9 a c c o m e y 等人还根据非同步采样技术研制出了准确度为 00 1 5 的功率表1 3 0 1 , 为了提高电参数测量的准确度，加窗函数法得到研究和应用n 1 3 2 1 , 并取得一定 的进展。新的采样测量方法如：自适应窗函数采样法 3 3 1 无s h 采样法 3 4 1 s t o c h a s t i c 采样法1 3 5 1 交错低频采样法3 卯、基于小波变换的电参数测量方法扪咖1 等被提出。 针对测量系统的实际情况，合理选择采样技术和相关算法进行数据处理是提高准 确度的关键。 l4 华中科技大学硕士学位论文 3 系统的输入通道及接口技术 3 1 概述 任何一个电子系统都可以分为三部分：第一部分是输入部分，信号在此被接收。 这类信号通常是一个电量信号或者有待于用传感器转换成电参数信号的非电气物理 量。第二部分是信号的加工处理部分。对信号的处理，有模拟和数字两种方法，也可 以两种方法结合使用。对不需要作复杂运算和处理的单一信号，比较简单的系统可以 用模拟电路来处理：对复杂系统需要用到微机等数字电路。第三部分是信号的输出部 分，信号在这一部分输出给终端显示或者驱动执行机构( 负载) 等。 下图为电子系统的典型示意图1 3 9 1 ： 系统首先采集信号( 信号从输入通道进入系统) ，这些信号通常来源于各种物理量的传 感器、变换器、接收器，或者来源于用于测试的信号发生器等。其中信号的( 预) 处 理环节的作用是利用隔离、滤波、阻抗变换等各种手段将信号从各种噪声、干扰中分 离出来并进行放大。所采集的信号经过处理、加工、运算、变换后应该能够为其他计 算机等系统所识别、接收：或能驱动执行机构完成其他的控制功能。 3 2 信号输入通道 对测试系统而言，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务。获取 被测对象的信号的主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，包括实时性和测 量精度，并能使这些测量信号满足计算机输入接口的电平要求。 作为本系统的核心二次负荷在线测试仪的硬件原理框图如图3 - 2 所示： 图3 - 2 硬件原理框图 华中科技大学硕士学位论文 整机的基本设计思想是从被测对象获取电流和电压信号经过模拟电路环节一系列 处理，得到期望的周期信号以便d s p 系统进行采样处理。d s p 系统可以完成数据的处理、 结果的存储、显示和通讯等。 本系统中，模拟信号的准确获取是关键。要求被测系统不停电、实现在线测试， 这使得模拟信号的获取成为系统要解决的关键问题之一。为此采用精密钳形电流表从 被测系统取出电流信号输入仪器内部电流取样电路，电压信号可直接引入内部电压取 样电路。这样避免了常规办法切断电路，造成系统停电。同时为了满足不需要在线测 量的场合，测试仪内部设计了二次电流信号直接输入仪器内部电流取样电路。由于目 前钳形电流表( 即电流互感器) 的精度未能有根本性的突破，直接测量二次电流的精 度要高于钳表测量的精度。 这样，本系统中对被测的二次电压信号通过电力专用测试导线引入仪器，仪器内 部的电压取样电路通过精密电压互感器取出与被测的二次电压信号成比例的电压信号 给后面的信号调理电路进行后续处理。对被测的二次电流信号则分为钳表测量和直接 测量两种方式引入仪器。其中钳表测量方式是二次电流信号经过钳形电流互感器取出 与被测的二次电流信号成比例的电流信号给后面的信号调理电路进行后续处理：而直 接测量方式是使被测的二次电流引入仪器后再经过精密电流互感器，取出与被测的二 次电流信号成比例的电流信号给后面的信号调理电路进行处理。因而直接测量方式必 须使系统先断电，再接线测量。 在测量中，输入通道采用仪用互感器变换量限而不采用传统的分流器和附加电阻 的方式，主要有以下优点： ( 1 ) 可以隔离高压，提高系统的可靠性。 ( 2 ) 降低系统功耗 3 3 取样互感器 在电气测量的工程应用中，经常需要测量高电压和大电流，由于测量仪表的量限 不可能无限大，不能用仪表直接去测量。此时需要使用一种能够按比例地变换被测交 流电压或电流的仪器：互感器。变换电压的称作电压互感器；变换电流的称作电流互 感器。 根据互感器的工作原理，可以将其分为以下几类巧1 ： ( 1 ) 电磁式互感器。 这是目前应用最多的互感器，基本工作原理与一般变压器相同，仅在结构、 材料、容量、误差范围等方面有所差别。按照应用范围可以分为电力互感器和仪 用互感器。电力互感器工作电压、电流较大，容量大，体积大。 华中科技大学硕士学位论文 仪用互感器是指用于测试仪表内部的互感器，其主要特点是体积小、准确度 高，所用材料和结构也与电力互感器有所不同。 ( 2 ) 电容分压式电压互感器 ( 3 ) 直流互感器 ( 4 ) 电子补偿式互感器 ( 5 ) 无线电电流互感器 ( 6 ) 光电互感器 这里再介绍一下取样用的互感器。 以电流互感器为例。电流互感器接在线路中主要为了变换线路的电流。电流互感 器可以分为电力系统用和仪用两大类。电力系统用电流互感器是发电厂、变电所等输 电、供电系统中不可缺少的一种电器设备，长期接在线路上运行，一般只有一个电流 比，又可以分为测量用和保护用电流互感器。测量用电流互感器主要与测量仪表配合， 在线路正常工作的情况下，用来测量线路上的电流、功率和电能等：而保护用电流互 感器则与继电装置配合，当线路发生短路、过电流等故障时，向继电装置供电切断故 障线路，以保护线路中的贵重设备，如发电机和变压器等。本系统的被测对象就是在 现场运行的测量用电流互感器的实际二次负荷。 仪用电流互感器是在实验室内使用的一种电工仪器，也叫做精密电流互感器，主 要用来扩大电流仪表的量限，也叫扩大量限装置。它还可以作为标准电流互感器，与 标准电流表、标准功率表或标准电度表等配合来检定相应低准确度的电流表、功率表 或电度表等，或者以它为标准来检定低准确度的电流互感器。 电压互感器与电流互感器相似，不再介绍。 系统输入通道中所用的取样用互感器实际上属于仪用互感器。国内有很多单位生 产这类微型精密电压、电流互感器。这类互感器工作电流范围宽，误差线性好，量限 系列化，输出标准化。大部分非线性度达到：比差( o 1 ( 额定电压1 0 l o o ) ：角差 5 分( 额定电压8 0 1 2 0 ) 。 l7 华中科技大学硕士学位论文 4 信号调理及a d 转换 在测试系统中，各种被测的物理量通过传感器转变为电量信号；这样的电量信号 还不能直接给计算机系统处理。首先计算机只能接收数字信号，因而需要先进行模数 转换。传感器变换后的电信号太小，可以用放大电路进行放大；滤波器将信号中的噪 声滤除，得到光滑的输入信号：这种输入信号还是连续变化的模拟信号，要通过采样 保持电路进行离散化：再通过a d 转换器对离散的输入信号进行量化( 如输入模拟信 号的变化速度比a d 转换速度慢则不需要采样保持器) ：，得到幅度和时间均为离散的 数字信号，然后就可以输入微机处理。 本系统中由于被测信号已经是电信号，故无需传感器进行转换。被测信号经过输 入通道进入仪器后，还需要把信号调理成适合a d 转换需要的信号，形成周期信号， 便于d s p 系统处理。 4 1 信号放大 如前面所述，系统输入通道将被测对象变换后的电信号送给后面的电路，但往往 因为信号幅度小还不能直接进行模数转换。同时由于被测信号范围较宽，为了量程切 换的需要，需要对信号进行放大。对于二次电流经过变换后引入仪器内的电流信号还 需要进行i v 转换。对于小信号必须经过小信号放大环节。在大多数测量系统中，多 数被测信号是很弱小的，这必须经过放大电路放大才能达到预期的量值，以得到正确 的测试结果。可以说放大技术是测量系统的一项不可缺少的重要技术。 电子学中的放大技术是指将微弱的电信号增大到可以观察和利用程度的技术“” 4 t 1 1 4 2 1 。测量系统( 仪器) 首先从被测对象上获得模拟信号，再对其进行加工处理( 如 放大、变换、运算、非线性校正和滤波等) ，几乎所有的测量控制系统的模拟通道都是 采用集成运算放大器来完成的。 模拟信号放大电路是测量仪器、检测装置和自动控制系统等许多电子设备中不可 缺少的重要环节。从测量对象检测出来的电信号一般比较微弱，也可能很大，必须进 行信号的放大或缩小处理，以满足后级各种电路对信号幅值的要求。测量仪器的量程 切换改变仪器的灵敏度提高分辨率等也都是采用放大电路来实现。模拟信号放大电路 的性能指标常常直接影响测量仪器和检测装置的整机性能。根据信号放大电路在仪器 和系统中所处的位置和作用的不同，对信号放大电路提出的要求的侧重点也不一样。 一般对放大电路的要求如下1 4 0 1 ( 1 ) 稳定、准确的放大倍数； ( 2 ) 高的温度稳定性、低的零点漂移； ( 3 ) 低的输出噪声： 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = ；= = = = ；= = = ( 4 ) 一定的输入、输出范围： ( 5 ) 保证精度要求的频带宽度： ( 6 ) 一定的输入共模范围和高的共模抑制比； ( 7 ) 高输入阻抗和低输出阻抗等。 在集成运放性能指标日益完善的今天，晶体管分离元件构成的放大器( 电路) 正 在慢慢淘汰。几乎所有新设计的测量仪器和检测装置，都广泛采用各种类型的集成运 放来构成信号放大电路。 4 2 集成运算放大器 集成运算放大器是种实用性很强的集成化电子器件，有很多种类型。大致可以 分为两大类：通用型集成放大器和专用型集成放大器。其中通用型集成运放已经从第 代发展到现在的第四代产品，并且不断有新产品在推出。专用型集成放大器包括高 阻型、高速型、高精度型、宽带型、低功耗型、高压型、程控型、跨导型、电流差动 型、大功率型以及专用电压跟随器等。 理想情况下，运算放大器具有以下性能指标：开环差模增益( 放大倍数) 虬f o 。； 差模输入电阻r 。d - ；输出电阻r o = o ：共模抑制比k m = m ；上限截止频率f f m ：失 调电压u 。、失调电流i 。和它们的温漂均为零，且无任何内部噪声。 实际上集成运放的性能指标不可能达到理想运放的要求，其技术指标均为有限值。 不同的运放，精度不一样，性能指标也不同。合理地选择