数字化测量工频电参数

1、数字化测量工频电参数 1. 引言 工频检测就是测量电网中电压、电流、频率、相位等参数， 它在电力系统中起着非常重要的作用。 早期电气参量测试仪器仪 表的功能都比较单一、 精度不高， 对电网中的各次谐波无法进行 分析。这样，给测试和分析带来了困难，各项测试结果之间的可 比性难以实现。随着大规模集成电路和微型计算机的发展和应 用，尤其是数字化采样技术的应用，使得电参数检测向高精度、 快速性、 系统智能化方向发展。 研究电参数测试首先须研究各种 电参数的定义原理，然后考虑采用的检测手段。 2. 了解工频电参数定义原理，掌握主要检测对象 在工频电中， 电压、 电流有效值和有功功率三个电参数是基 础，其

2、他电参数均可通过这三个参数运算求得。 (1)周期交流电流有效值的定义 根据电工理论基础可知， 电流有效值是指在一个周期内， 交 流电流通过某纯电阻负载所产生的热量与一个直流电流在同一 个纯电阻负载上产生的热量相等时， 该直流电流的数值就是交流 电流的有效值。根据焦尔一楞次定律，对于交流电，如果通过电 阻R的电流是i (t)，则它可在一个周期的时间 T内的发热量 为： 对于直流电，在同一周期内，如果通过电阻R的电流是I , 则它在一个周期时间 T 内的发热量为： 如果交流电流与直流电流的发热量相等，即Q= Q就可得到 交流电电流有效值表达式为： (3)平均功率(有功功率)的定义。 平均功率通常指

3、交流电路的瞬时功率在一个周期内的平均 值，即交流电压u (t)和交流电流i (t)瞬时值之积在一个周 期内的平均值，据此计算则单相有功功率为： 设 则可得： 式中为电压和电流的相位差。 3. 研究采样法，制定基于 CPLD空制的高速数据采集方法 (1)采样法的研究。 采样计算方法主要有两种： 一种是直流采样法， 另一种是交 流采样法。直流采样法，即采样的是经过整流后的直流量。采用 直流采样法测量电压、 电流时， 均是通过测量平均值来测量电参 量的有效值。此方法软件设计简单、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。但直流采样方法存在一些问 题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度

4、和稳定性的影响、 整流电路参数调整困难、 而且受波形因数的影响较大等。 交流采 样法是按一定的规律对被测信号的瞬时值进行采样， 再用一定的 数值算法来求得被测量。是否采用交流采样法取决于两个条件： 测量的准确度和测量的速度。 交流采样相当于用一条阶梯曲线代 替一条光滑的正弦曲线， 其原理误差主要有两项： 一项是用时间 上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差， 这主要 是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取决于 A/D转换器转换速度和 CPL的处理时间；另一项是将连续的电压 和电流进行量化而产生的量化误差， 这主要取决于 A/D 转换器的 位数。 交流采样法又分为准同步采样

5、法和同步采样法。准同步采 样：采样周期不要求与信号周期同步，不需要同步环节，但它需 要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方 法来消除同步误差，其计算量远大于同步采样。因此，在目前以 CPLD空制的高速数据采集系统的测量中广泛采用同步采样。同 步采样法是指采样时间间隔 TS与被测信号周期T及一个周期内 的采样点数N之间满足关系式电压、电流信号在一个工频周期 内，经过采样和摸数转换后，转化为离散的数字信号，以上两式 就可离散转化为： 上式中的U(n)和i (n)分别是电压、电流离散采样的序 列值。只要能够实现整周期的同步采样， 同时有足够的模数转换 精度，上式在理论上可达到较高的计

6、算精度。 当电压和电流信号经过离散化后，有功功率可表示为： 式中u (n)为离散化的电压值；i (n)为离散的电流值；n 为转换次数；工频周期 T (20ms) /转换器的转换时间为 N=20ms/0.025ms。 (2)基于CPLD空制的高速数据采集。 高速数据采集是基于 CPLD控控制的系统，除了采用高速 A/D 转换器、高速存储器等高速器件之外，还要解决如何高速寻址、 如何空制总线逻辑、 如何进行高速存储以及单片机如何读取数据 等问题。数据采集单元如果不带存储芯片， A/D 芯片每转换出一 个值，数据采集单元就要和单片机通讯一次， 以便将数据送入单 片机系统存储器，那么速率很低。(见图

7、1) 当然，为使此系统能有效工作，并充分发挥它的采集速度， 还需要好的驱动程序和应用系统程序来有效处理传输过来的数 据，这样才会使整个测空系统达到最优效果。 在需要采集多路模 拟信号、数字信号的单片机测控系统中，利用CPLD芯片可以很 好地将逻辑空制、 数据信号处理等功能集于一身， 从而有效提高 系统的可靠性并降低系统实现成本。 此外， 利用功能强大的仿真 软件工具，可以快速高效地完成 CPLD的各种逻辑功能设计。 4. 应用单片机技术， 实现工频电参数的数据运算处理和控制 数据的采集、处理和控制都能够由单片机统一指挥下来完 成，从而给电参数的检测提供了有力的硬件支持。 单片机实现工 频电参数

8、的数据运算处理和控制时， 信号采样模块按事先确定的 采样间隔对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换 后存入数据存储器， 等采样完预先确定的采样点数后采样过程结 束，单片机对采样值进行数据处理。根据电参数定义中的算法， 计算出电流、电压有效值，相位角、功率因数等参数，处理结果 可以在数码管上显示，也可以通过液晶显示器显示 单片机检测系统软件主要由三部分组成： 监控主程序、 命令 处理程序和中断处理程序。 监控主程序主要完成器件与参数的初 始化、系统自检以及根据输入在各命令处理子程序 （即功能模块） 之间切换。主监控程序：程序首先自检，之后对数码模块进行显 示功能初始化设置；对单片机内部的特殊功能寄存器进行设置： 对中断进行初始化设置； 内存中功能状态标志区设置为电参数测 量状态。 5. 结论 工频电参数检测系统用做电量监测、 管理及计量的