交直流采样原理

1、直流采样原理（模块编码：ZY2900202002） 遥测量包括电压、电流和功率等物理量，采集遥测量时，它是用电量变送器转换成直流模拟电压，再接入远动装置。这些模拟量为第一类，另外有些物理量，如水电厂中水库的水位，主变分头位置,它是数字量，可直接用数字方式提供给远动装置，这是第二类。第三类是脉冲量，主要是脉冲电度表测得的。转盘式脉冲电度表发出的脉冲数与转的圈数成正比，远动装置把脉冲数累计下来就可折算成电度。这三种量都是遥测量，但各有特点。厂站中的电压、电流和功率等被测物理量通常是经电量变送器变换成额定值为5的直流模拟电压。电量变送器的输出电压与其输入量（如交流电压、电流的有效值，有功、

2、无功功率的平均值等）成正比。电压和电流变送器等的输出为单极性05直流电压。功率变送器输出电压的极性与功率的流动方向有关。如果我们定义功率向某一个方向流动时为正，反方向流动时就为负，功率变送器的输出为双极性的-55直流电压。电量变送器输出的直流模拟电压必须经模数转换器转换成数字量后才能进入计算机。实现模数转换的基本方法有积分法和逐次逼近法等。积分法对输入信号进行积分，取其平均值，瞬间干扰和较高频率的噪声对转换结果影响较小，但积分式的转换时间较长，一般需几十毫秒。逐次逼近式的抗干扰能力不如积分法，但转换速度较快，完成一次转换低速的约100s，高速的不到10s。模数转换器芯片大多用于单极性输入电压，

3、也可以将芯片做成适用于双极性输入电压。例如可以先对输入电压的极性进行判别，确定符号位，然后对数值部分进行转换。转换结果最高位是符号位，通常以“0”表示正极性，以“1”表示负极性；其余是数值部分。这种转换的结果实际上是以原码方式来表示带符号的数。遥测采集过程一般由以下几个单元组成：一、12位AD转换器AD574A图ZY2900202002-1  AD574A内部结构框图  AD574A是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的12位逐次逼近型快速AD转换器。转换速度一般为25s，转换精度0.05，是目前我国市场应用较广泛、价格适中的AD转换器。AD574A芯片内

4、配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型8位或16位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。由于AD574A芯片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切AD转换功能，应用非常方便。AD574A的内部结构框图如图ZY2900202002-1所示。它由模拟芯片和数字芯片混合集成，其中模拟芯片就是该公司生产的AD 565A型快速12位单片集成DA转换器芯片。数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。AD574A的主要特性总结如下。1)非线性误差：AD574AJ为&#

5、177;1LSB；AD574AK为±12LSB。2)转换速度：转换时间25s，属于中档速度。3)输入模拟信号范围可为0+10V、0+20V，也可为双极性±5V或±10V。4)AD574A有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围。10Vin适用于±5V的模拟输入，20 Vin适用于±10V的模拟输入。输出为12位，即DB0DB11。5)利用不同的控制信号，既可实现高精度的12位变换，又可作快速的8位转换。转换后的数据有两种读出方式：12位一次输出；8位、4位分两次输出。设有三态输出缓冲器，可直接与8位或16位的微处理器接口。6)需三组电源：+5V

6、，Vcc(+12+15V)，VEE(-12V-15V)。由于转换精度高，所提供电源必须有良好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频噪声的干扰。7)低功耗：典型功耗为390mW。AD574A为28引脚双列直插式封装，其引脚配置如图ZY2900202002-2所示，各引脚功能如下: 图ZY2900202002-2   AD574A引脚配置图  VL(1脚)：数字逻辑部分电源+5V。128(2脚)：数据输出格式选择信号管脚。当1281(+5V)时，双字节输出，即12条数据线同时有效输出；当128=0(0V)时，为单字节输出，即只有高8位或低4位有效。CS(3脚)

7、：片选信号端，低电平有效。A0(4脚)：字节选择控制线。在转换期间，A0=0，AD574A进行全12位转换。在读出期间：当A00时，高8位数据有效；当A01时，低4位数据有效，中间4位为“0”，高4位为三态。因此，当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则。RC(5脚)：读数据转换控制信号。当RC=l时，ADC转换结果的数据允许被读取，当RC0时，则允许启动AD转换。CE(6脚)：启动转换信号，高电平有效，可作为AD转换启动或读数据信号。Vcc、VEE(7、1l脚)：模拟部分供电的正电源和负电源，为±12V或±15V。REFOUT(8脚)：10V内部参考电压输出端。REF

8、 IN(10脚)：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF(12脚)：补偿调整。接至正、负可调的分压网络、以调整ADC输出的零点。10Vin 、20 Vin (13、14脚)：模拟量10V及20V量程的输入端口，信号的一端接至AG管脚。DG(15脚)：数字公共端（数字地）。AG(9脚)：模拟公共端(模拟地)。它是AD574A的内部参考点，必须与系统的参考点相连。为了在高数字噪声含量的环境中从AD574A获得高精度的性能。AG和DG在封装时已连接在一起，在某些情况下，AG可在最方便的地方与参考点相连。DB0DB11(1627脚)：数字量输出。STS(28脚)；输出状态信号管脚。转换开始时S

9、TS达到高电平，转换过程中保持高电平，转换完成时返回到低电平。STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发中断申请，通知AD转换已完成，CPU可以读取转换结果。AD574A是逐次逼近式12位模数转换器，芯片内有三态输出缓冲器、可与8位或l6位微机的数据总线直接相连。与16位微机的数据总线相连时12位转换结果可一次读出；与8位微机的数据总线相连时转换结果分两次读出，先读高8位，后读低4位和补零的其余4位。二、采样保持电路采样保持电路的工作原理：把采样时刻得到的模拟量的瞬时幅度完整地记录下来，并按需要准确地保持一段时间称为采样保持。通过采样保持可将连续时间信号变换成离散时间信号

10、序列，从而完成对信号在时间上离散化的任务。采样保持电路每隔TS时间就测量一次输入模拟信号在该时刻的瞬时值，然后将该瞬时值存放在保持电路里面以待A/D转换器使用。在A/D转换器进行转换期间，采样保持电路的输出应保持不变。图ZY2900202002-3 采样保持电路原理图采样保持电路的形式很多，其工作原理如图ZY2900202002-3所示。它由一个受逻辑输入控制的模拟电子开关S、电容Ch以及两个阻抗变换器所组成。当逻辑输入为高电平时，开关S闭合，电路处于采样状态，Ch被迅速充电或放电到被采样信号在该时刻的电压值；当逻辑输入为低电平时，S断开，电容Ch上保持住S断开瞬间的电压，电路处于保持状态。显

11、然，在采样过程中，我们希望开关S的闭合时间越短越好。因为S的闭合时间越短，电容Ch上的电压值就越接近被采样时刻信号的瞬时值。但实际上电容Ch的充电或放电都是需要时间的，因此，开关S必须有一个足够的闭合时间，这段时间称为采样时间。在这种情况下，采样器的输出是一串周期为TS而宽度为的脉冲，如图ZY2900202002-5所示。该脉冲的幅度重现了在时间内信号的幅度。为使尽量缩短，在采样电路中采用了阻抗变换器。它在输入端呈高阻抗，而输出端呈低阻抗，这样使Ch上的电压能迅速地跟踪到被采样信号。 图ZY2900202002-4 被采样信号  图ZY2900202002-5 采

12、样脉冲图ZY2900202002-6 采样输出信号对于保持电路来说，希望Ch上的电压保持时间越长越好，以减轻对A/D转换器转换速度的要求。为提高保持能力，电路中仍然使用了阻抗变换器，它的输入阻抗很高，而输出阻抗很低，可增强带负载的能力。一个模拟时间信号在经过采样电路后的信号波形如图ZY2900202002-6所示。 三、模拟量多路开关厂站端远动装置要采集的模拟量远不止一个。为了公用一套模数转换器件，通常都采用模拟量多路开关。多路模拟开关用来轮流接入一路模拟量，以进行AD转换。由电量变送器送来的各个模拟量在多路开关的控制下分时地逐一经模数转换器转换成数字量再进入CPU。逐次逼近式的模数

13、转换器转换速度是比较快的，例如低速的ADCl210完成一次转换约需要100µs，中速的AD574A仅需25s。由电量变送器送来的模拟量其变化速度一般是比较缓慢的，在进行一次模数转换期间，模拟量几乎没有什么变化。图ZY2900202002-7  AD7506框图各种型号的模拟量多路开关集成芯片它们的功能基本相同，即按要求接通某一路开关，不同之处是：在切换的开关数、开关接通时的电阻和断开时的漏电流以及输入的模拟量电压值等方面有所差别。以AD7506为例，它是具有16路模拟输入通道，一路公共输出通道的模拟量多路开关CMOS集成芯片，如图ZY2900202002-7所示。模拟量多路

14、开关是由三部分组成：地址输入缓冲器和电平转换器使输入端对TTL、DTL和CMOS逻辑电平兼容；译码和驱动器把地址译成通道号代码，控制相应的模拟开关；模拟开关，在译码和驱动器的控制下使对应的模拟开关导通，将有关通道的输入模拟电压引至公共输出端。表ZY2900202002-1  AD7506真值表EN11111111111111110A30000000011111111×A20000111100001111×A10011001100110011×A00101010101010101×开关号12345678910111213141516- 

15、 这种模拟量多路开关导通时仍有一定电阻，AD7506导通时的电阻约为400。为了保证传送精度，负载电阻必须远大于通道电阻和信号源内阻之和。AD7506只有16路，如需要更多的通道可以采用多片模拟量多路开关，通道地址选择由CPU统一控制。通道地址由CPU通过接口和译码器来选择。被选中的那一路模拟电压经电压跟随器后送AD574A。电压跟随器是放大系数为1的运算放大器，用于提高输入阻抗，降低输出阻抗。AD7506的真值表如表ZY2900202002-1所示。AD7506是具有16路输入通道，一路公共输出的多路开关CMOS集成芯片，当允许输入端EN有效（高电平）时，输入不同的地址A3、A2、

16、A1、A0时，就有一路与它对应的开关接通。例如A3、A2 、A1 、A0为0001时，1号开关（S1）接通。而当EN为“0”时，所有开关都断开。CPU通过并行输出接口的A3、 A2、A1、 A0及EN给多路开关输入不同的地址编码时，就可对相应的测点采样。EN是片选信号输入端，如果要用多个AD7506时，可由EN端来实现。例如，有32路模拟量共用一个AD转换器，则可用两片AD7506作为多路采样开关。要采集一路模拟量，先要给模拟量多路开关发送通道号，选择所需的模拟量。在指定的模拟量开关完全导通后再给模数转换器发启动转换信号。如采用中断方式，则当转换结束由STS申请中断，CPU响应后就可读入转换结

17、果。若采用等待方式，则需经过一定时间等转换结束后再取数。在此等待期间CPU可从事其它工作。图 ZY2900202002-8 多路开关模数转换过程模拟信号经过多路开关送往模数转换器进行处理,转换结果经I/O设备送至CPU,如图ZY2900202002-8所示。CPU在给模数转换器发出启动转换的信号后可以用不同的方式判别转换是否已完成。(1)扫查。不断扫查STS的状态，当转换结束，即STS0则，就可读取转换结果。(2)中断。利用STS在转换结束时由高电平转换成低电平来申请中断，请求CPU读取转换结果。(3)等待。等待一段略长于转换所需的时间，转换应已结束，可不必扫查STS状态立即读数。也可在等待足

18、够时间后再查看状态标志STS，以验证转换确已结束再行读数。等待期间CPU可从事其它工作，提高了计算机工作效率。 四、标度变换远动中的遥测量有电压、电流、功率等等，情况各不相同，但对调度工作人员而言，需要知道的是实际物理量的大小。在遥测值达到额定值时，测量值在经过电压、电流互感器，电量变送器和模数转换后最终得到的满量程值都是全1码，就像用指针式表计测量电压时，110KV或220KV电压经电压互感器引到电压表，满量程的电压在电压表上的反映都是满量程的偏转角，对110KV、220KV来说都一样。为了使指针式电压表能指示相应的电压，需要在测量110KV或220KV的电压表满量程处，分别标上与

19、110KV或220KV相对应的标尺。同样是电压表满量程的偏转角，可以用不同的标尺，指示出不同的电压值，这即称为标度变换。标度变换的过程也就是乘系数的过程。以12位模数转换为例，转换结果是12位，其中一位是符号位，其余11位是数值。在电力系统中，符号位“0”，“1”表示电网的潮流方向，分别表示“正”和“负”。关于遥测的“正”和“负”，我们一般人为定义以母线为参考点，入母线的遥测潮流符号位为“1”，即表示为“负” ；出母线的遥测潮流符号位为“0”，即表示为“正”。112048。若遥测量的实际值为，模数转换后的值为，标度变换系数为，则，由此可得     /为了

20、使有效位数不至于减少过多，可以将被测模拟量的满量程值放大。例1某220KV线路，CT变比为600/5，PT变比为220/0.1，远动系统传输满刻度值是2048，系统采用二次值传输，主站系统收到数据后，如果把数据还原为一次值，采集的有功、无功、电流转换系数应该是多少？如果采集电压值，系数是多少？由于采集的二次回路中，有功和无功的最大值为100V×5A×1.732=866W；电流的最大值为5A。因此，当二次有功和无功为最大值866W时，应该对应12位模数转换结果的最大值。在12位数据中，由于最高位是符号位，其余11位是数值，满量程时转换结果应该为全“1”码，所以满刻度值为211

21、2048。同理，当电流为最大值5A时，应该对应满刻度值为2112048。当线路CT变比为600/5，PT变比为220/0.1时，一次有功、无功的额定值为：220KV×600A×1.732=228624kW= 228.624MW；电流的额定值为：600A由于系统采用二次值传输，所以主站系统收到数据后，应把数据还原为一次值，因此，有功、无功二次值转换为一次值的系数为：228.624MW/2048=0.1116328125电流二次值转换为一次值的系数为：600A/2048=0.29296875即2048，就会造成数据“溢出”造成数据错误。这时，一般采用在发送数据端人为地将数据缩小

22、1.2倍，然后，在接收端在乘上一个1.2倍，这样使得数据能够在合理范围内传送。在采用常规变送器时，由于变送器输出电压最大值为直流5V，变送器输出整定的意义更大。当有功、无功输入最大额定值时，变送器输出应该为直流5V，在负荷较轻时，变送器输出则很小，为保证变送器输出处于精度较高的线性范围，我们可以把被测值的满刻度量程值缩小。而对于电压这样的被测值，一般将满刻度量程值放大。在实际应用中，有时我们也会遇见实际数值超过额定值的情况。如例1中，CT变比为600/5，当线路实际电流超过600时，远动系统传输的数据就会“溢出”，主站接收的数据会从599，600突变为0或最大值，当实际电流继续增大时，数据出现

23、为0，1，2，或错误数据，即发生高位数据“溢出”。这种现象的发生，一方面会造成一二次设备的损坏，另一方面会造成遥测数据的不准确，另外由于输入电压超出了远动设备中A/D转换等部件的设计范围，会造成装置损坏故障。五、越限处理遥测功能是将变电站的某些运行参数采集并传送到调度所，如变电站进出线路的有功功率和无功功率，主变压器中通过的电流，母线的电压等等，这些连续变化的电气参数称为模拟量。一般都采用将模拟信号转换为数字信号后再传送的方式。虽然大量的被测量在不断变化，但电网处于稳定运行状态时，大部分被测值基本不变或变化缓慢。电力系统中有的被测量运行参数受约束条件的限制，不能超过一定的限值，例如规定某线路的

24、传输功率不能大于某一限值，母线电压不允许太高或太低，这就需要规定上限值和下限值。系统应将设置的上下限值存放在内存中的遥测量常数区，并及时检查遥测数据是否越限，如超越限值，就应告警。根据比较的结果，可设置是否越限的标志。在发现遥测越限时，系统就发告警并记录越限的时间和数值。当遥测量恢复正常时也需记录恢复的时间和数值。在实际运行过程中，运行参数常常会在限值附近波动，这时候就会出现越限和复限不断交替，频繁告警，这会干扰值班员。为了缓解这种情况可设置越限“死区”，即对各个遥测参数规定一个“门槛值”，只有变化量超过了这个“门槛”值时才传送，没有变化或变化量小于“门槛”值时则不予传送，这个“门槛”值被称为

25、“死区”，如图ZY2900202002-9所示。RTU一般采用循环传送所有遥测的方法。为防止扫描周期太长，漏掉重要参数的变化信息，有的RTU采用多重扫描周期的方式，即将遥测值按其重要程度分为2s、5s、10s等几种周期传送，重要的遥测量具有短的扫描周期。 图 ZY2900202002-9 遥测越限“死区” 判别示意图设置越限“死区”可缓解某些运行参数在限值附近波动时频繁告警的干扰，但越限判别的工作量稍有增加，“死区”限值的大小要根据实际情况确定。   在遥测设置越限“死区”报警的同时，有的系统还对遥测越限时间应加以处理。如母线电压越限报警，即当电压偏差超出允许范围

26、且越限连续累计时间达30s(或该时间按电压监视点要求)后报警；线路负荷电流越限报警，即按设备容量及相应允许越限时间来报警；主变压器过负荷报警，按规程要求分正常过负荷、事故过负荷及相应过负荷时间报警；系统频率偏差报警，即在系统解列有可能形成小系统时，当其频率监视点超出允许值的报警；消弧线圈接地系统中性点位移电压越限及累计时间超出允许值时报警；母线上的进出功率及电度量不平衡越限报警；直流电压越限报警。越限报警的各个参数量，有一个允许运行时间限额，为此除越限报警外还应向上级调度(控制)人员提供当前极限运行时间，即允许运行时间减去越限运行的累计时间。 六、模块小结 本培训模块以介绍

27、自动化系统直流采样原理为目的，介绍了自动化系统遥测采集过程中几个组成单元的作用，详细介绍了以AD574A  AD转换器芯片和AD7506模拟量多路开关芯片组成的电路以及标度变换和越限处理的处理方法。 七、作业练习1. 遥测采集过程一般由哪几个单元组成？2. 在遥测采集过程中，采样保持电路的工作原理及作用是什么？3. 什么是标度变换？4关于遥测的“正”和“负”是怎样定义的？ 八、参考书目 1.  国家电网公司电力安全工作规程（热力和机械部分）（试行），国家电网公司，2005年3月，中国电力出版社；2.  地区电网调度自动化技术与应用，龚

28、强、王津，2005年7月，中国电力出版社；科目类别：专业知识培训科目：数据采集及处理章    节：自动化系统数据采集及处理原理培训模块名称：交流采样原理培训级别：级（高级工）培训模块编码：ZY2900202003模块名称交流采样原理模块编号ZY2900202003模块描述本模块包含交流采样原理；通过对交流采样的过程和特点及采样定理和交流采样的一般算法的介绍，达到对交流采样原理掌握的目的。教材编写提纲一、采样定理  二、什么是交流采样   三、交流采样的算法  四、交流采样硬件设计原理 

29、 五、直流采样和交流采样方式的比较 1、直流采样的特点 2、交流采样的主要特点  六、微机变送器的特点    交流采样原理（模块编码：ZY2900202003）在微机远动应用初期，RTU的遥测数据采集普遍采用直流采样，即对经过直流整流后的直流量进行采样测量。在直流采样中，遥测数据的采集采用经变送器的直流采样方法来完成数据的采集工作。即将所需采集的有关信息，如交流电压、交流电流、有功功率、无功功率等，通过利用变送器模拟电路（主要是运算放大器）变换成相应的直流量，一般转换为05V(有功、无功为±5V

30、)的直流电压供微机检测。此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换，即可得到被测量的数值，因而可使采样周期大大缩短。在微机监控系统应用的初期，这种方式得到了广泛的应用。但直流采样方法存在以下一些不足：1)测量精确度直接受整流电路的影响；整流电路参数调整困难，受波形因素影响大等。2)变送器有较大的时间延迟，难以及时反映被测量的突变，无法实现实时信号的采集。一般国产普通电流变送器的上升时间均大于300ms。档次较高的进口变送器上升时间约为6070ms，但其价格昂贵，难以普遍使用。不能及时反应被测量的突变，具有较大的时间常数。3)当被测波形中有谐波时，会附加产生较大误差。4)监控系统的

31、测量准确度直接受变送器的准确度和稳定性的影响。5)变送器投资较大，增加监控系统的造价，且维修较为复杂，设备复杂，维护困难。交流采样变送器是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，然后通过运算，求出被测电压、电流的有效值和有功功率、无功功率等。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代替了硬件的功能，因而使硬件的投资大大减小。由于以上原因和微机技术的不断发展，近年来交流采样技术得到了迅速的发展，与传统的直流采样方法相比，交流采样方法速度快、投资省、工作可靠、维护简单且具有较大的灵活性，是一种

32、很有前途的新方法，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。 交流采样法主要取决于两个因素：测量精度和测量速度。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，其理论误差主要有两项：一项是用时间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差，这主要取决于A/D的转换速度和CPU的处理速度；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。随着电子技术的飞速发展，如今的微机、单片机的处理速率大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比很好的A/D转换器，如AD574、MAC197等，为交流采样奠定了坚实的基础。一、采样定理一个

33、随时间连续变化的物理量f(t)，如图29002009-1(a)所示，经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，称为采样信号，如图29002009-1 (c)所示。图29002009-1 采样过程采样信号f*(t)，怎样才能如实地反映被采样信号f(t)的变化特征呢?根据香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号(包括噪声干扰在内)的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么所给出的样品系列f1*(t)，f2*(t)，就足以代表(或恢复) f(t)了，实际中常采用f(510) 2fmax。香农定理就是著名的采样定理。对于50Hz的正弦交流电流、电压来

34、说，理论上只要每个周波采样两点就可以表示其波形的特点了。但为了保证计算准确度，需要有更高的采样频率。一般取每个周波12点、16点、20点或24点的采样频率就足以保证计算电流、电压基波有效值的准确度了。如果为了分析谐波，例如考虑到13次谐波，则需要采用每个周波32点的采样速率，即采样频率为1600Hz。 二、什么是交流采样交流采样是相对直流采样而言，它是指对交流电流和交流电压采集时，输入至AD转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。由于电力系统、发电厂或变电站的一次电流和电压都是大电流或高电压的信号，不能直接送至A/D转换器，所以必须将变电站电压互感器

35、或电流互感器输出的强电信号，经过一个小电压互感器或小电流互感器，变换成AD转换器所能接受的电压信号，如图29002009-2所示。在交流采样方式中，对于有功功率、无功功率和功率因数，是通过采样所得到的u、i计算出来的。 图 29002009-2 交流采样示意图三、交流采样的算法由于微机变送器是按一定的规律对被测量的瞬时值进行采样，然后按一定的算法求出被测量，因此，国内外已提出许多交流采样的算法。按采样的速度和精度区分，有快速算法和精度较高的算法，国内的现状是快速算法用于继电保护系统，高精度算法多用于测试装置。在变电站的实际运行中，电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，如投切电容器、开关合

36、闸、跳闸等，因此在选择交流采样软件时，一般均需与某种滤波算法相配合，才能达到较准确地测量各种正弦与非正弦信号的目的。递推最小二乘算法是近年来提出的一种较新的算法，利用这种算法，可以有效地从受干扰污染的输入信号中估计基波电压或基波电流复数振幅的实部和虚部，利用它们对电流、电压、有功功率和无功功率的有效值进行计算，同时利用电压相角的变化可计算频率和功率因数。监控系统中交流采样所采用的算法与微机保护装置中有关的采样算法在原理上具有相似性、但两者的目的和要求并不完全一致，微机保护装置中的采样算法需检测的量较少、对计算速度要求较高，但对准确程度的要求比监控系统要低一些；监控系统中交流采样算法需检测的量较

37、多，对算法准确程度的要求较高，对于速度一般只要求跟上系统的采样速度即可。因此这两种系统中的采样算法各有特点，不能盲目照搬。下面介绍交流采样的一般算法。若将电压有效值公式离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则式中Tm-相邻两次采样的时间间隔；um-第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N-1个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即Tm为常数T，考虑到N=(T/T)+1，则有 上式就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同理，电流有效值计算公式如下：计算一相有功功率的公式离散化后为式中 im、um-同一时刻的电

38、流、电压采样值。功率因数可由下式求得：cos=P/UI 四、交流采样硬件设计原理将三相电路的电压及电流信号经过电压互感器和电流互感器变成幅值为-5V5V的交流输入信号，然后采用低通滤波电路对其进行滤波，将滤波后的信号通过采样保持电路进行同步采样和保持使之变为离散信号。为节约成本，采用同步采样和分时转换的设计思想，其硬件设计原理图如图29002009-3所示。设计中只采用了一个AD转换器，硬件电路中用一个多路选通开关对所要进行转换的通道依次进行选择。在每一个采样点，AD转换器要对多路通道分别进行AD转换。因此，采样保持器与AD转换器的时钟脉冲配合是设计的关键，一般采用频率测量及跟踪锁相

39、方法可以很好地解决这个问题。将AD转换后的数字信号送入微机进行处理，就可得出相应的有效值、平均功率及功率因数，从而完成交流电力参数的测量。图 29002009-3 交流采样硬件设计原理图五、直流采样和交流采样方式的比较上述分析可知，直流采样和交流采样主要是指对交流电流和电压的采样方法。两种方法的主要区别是直流采样必须把交流电流和电压经过整流和滤波，变成直流量，再送给AD转换器进行转换。(一)直流采样的特点1)直流采样对AD转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值，因此采样程序简单，软件的可靠性较好。2)直流采样因经过整流和滤波环节，转换

40、成直流信号，因此抗干扰能力较强。3)直流采样输入回路，因要滤去整流后的纹波，往往采用R-C滤波电路，其时间常数较大(一般几十毫秒几百毫秒)，因此采样结果实时性差，而且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合用于微机保护和故障录波。4)直流采样需要变送器屏，故增加了设备投资和占地面积。（二)交流采样的主要特点交流采样是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P、Q值。交流采样有如下主要特点。1)实时性好。它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响，因此在微机保护中必须采用交流采样。2)能反映原来电流、电压的实际波形，便于对所测量的结果进行波形分析。因此在需

41、要谐波分析或故障录波的场合，必须采用交流采样。3)有功功率和无功功率是通过采样得到的u、i计算出来的，因此可以省去有功功率和无功功率变送器，可以节约投资并缩小测量设备的体积。4)对AD转换器的转换速率和采样保持器要求较高。为了保证测量的精度，一个周期内，必须保证有足够的采样点数，因此要求AD转换器要有足够的转换速度。5)测量准确性不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。 随着电子技术的发展，交流采样技术已经非常成熟；尤其是计算机和A/D转换技术的发展，几年前在价格上还高不可攀的高速、高精度的交流采样技术，现已能在普及型工业产品中应用。RTU是

42、交流采样技术应用的一个典型例子。交流采样RTU与直流采样RTU相比有以下明显的优点：结构灵活：交流采样RTU可以集中式安装，也可以分散式安装；一些老的变电站进行调度自动化改造时，由于其屏的位置已经占满，分散式安装的RTU将是其比较好的选择。而直流采样RTU由于受到需要配备变送器等的限制，很难做到分布式安装。扩充方便：交流采样RTU一般为模块化结构，能够非常方便地做到对遥测、遥信等量的扩充，只要加一块扩充模块即可。维护简单：采用交流采样RTU免除了直流采样RTU中必须的变送器运行管理的工作，具有很高的性能价格比，不用经常调校，工作稳定可靠，大大降低了RTU的维护工作量。测量精度高：交流采样RTU，对电流、电压、有功、无功等的采样精度能很容易达到0.5级，在用户特殊要求下，可以做到0.2级。测量参数多：除了能测量三相电压、电流、有功、无功、视在功率；还能测量有功电能、无功电能、功率因数、频率等，能省缺脉冲电度表