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2第二章 交流采样技术及其应用


第二章

交流采样技术及其应用

上一节讨论了采用变送器测量交流电气量的原理和方法,简单介绍了电压变送器、电 流变送器、三相有功功率变送器和三相无功功率变送器,包括后面要讨论到的电能变送器, 它们都是从二次回路中获取信号,通过电子变换电路,输出与某电气量成正比的模拟信号。 随着微机技术的广泛应用, 与采用微机技术的测量方法相比, 这种电气量

测量方法暴露出明 显的缺点。例如: 第一、每个变送器只能测取一个或两个电气量,变电站中必须使用较多的变送器,投 资大、占用空间大。 第二,变送器输出的模拟信号要通过远动系统远传或送到当地计算机监控,尚需对模 拟量进行模/数变换,以数字量形式传送或显示。 第三,这些电量变送器都是电力互感器二次回路的负载,接入变送器越多,二次回路 负载越重,互感器的实际变换误差就越大。 第四,变送器的响应时间较长,可达几百毫秒。 所谓交流采样技术,就是通过对互感器二次回路中的交流电压信号和交流电流信号直 接采样,根据一组采样值,通过对其模/数变换将其变换为数字量,再对数字量进行计算, 从而获得电压、电流、功率、电能等电气量值。在变电站中,使用交流采样技术,可取消变 送器这一测量环节, 也有利于测量精度的提高, 交流采样技术已在中低变电站中的远动装置 和综合自动化系统中广泛使用。

第一节 交流采样原理

对一个信号采样就是测取该信号的瞬时值,它可由一个采样器来完成,如图 2-13 所 示。 保 持 器

图 2-13 信号的采样与保持

(a)采样器保持; (b)信号波形 采样器按定时或不定时的方式将开关瞬间接通, 使输入采样器的连续信号 f(t)转变为 离散信号 f (t)输出,设采样开关按周期 T0 瞬间接通,则采样得到的离散信号为:
*

f*(t)= ?
?

? f ( nTs ) 0

当 t ? nTs 当 t ? nTs

(2-40) 式中 n──正整数。 在交流采样技术中,只用一个单独的采样器是无法工作的,因为采样所得信号要经过 A/D 变换成数字量,而 A/D 变换需要一定的时间才能完成,并要求变换过程中被变换量保 持不变。所以采样器必须有一个保持器配合工作,如图 2-17 所示。在两次采样的间隔时间 内,保持器输出信号 fh(t)保持不变。对于需要同时采样的那些电量,应配备各自的采样保 持器。 采样将一段时间的连续信号变为离散的信号,改变了信号的外在形式,这通常是为了 使之易于处理或借助于更好的工具对其进行处理。 因此, 信号经过采样后不应改变原有的本 质特性,或者说,根据采样得到的 f (t),可以复现 f(t)的所有本质信息。从直观上看,采 样周期越短,即采样频率越高,fh(t)越接近 f(t)。 香农(shannon)定理可叙述为:为了对连续信号 f(t)进行不失真的采样,采样频率 ω s 应不低于 f(t)所包含最高频率ω max 的两倍。即 ω s ≥2ω max (2-41)
*

图 2-14 信号及其采样后的频谱 (a)信号频谱; (b)ω s>2ω max; (c)ω s=2ω max; (d)ω s<2ω max

在此不拟对这个定理加以证明,只简要说明其意义。图 2-14 所示是一个多频函数的 频谱。图 2-14(a)表明,该多频函数的频谱,其最高频率为ω max。图 2-14(b) (d) (c) 分别给出了ω s>2ω max、ω s=2ω max 和ω s<2ω max 时 f (t)的频谱。由图可知,f (?)是 f(?) 以?nω s 为中心的无限次重复,其幅值从 f(0)变为 f(0)/T。当ω s≥2ω max 时,f (?)无重叠 现象。而ω s<2ω max 时 f (?)有重叠现象。对于图 2-14(b)所示的 f (?),利用通滤波器可 将采样输出的高频部分全部滤掉, 而只剩下与基本频谱相对应的部分, 即原输入信号完全可 以从采样信号中复现,故这样的采样是不失真的。相反,当ω s<2ω max 时,任何低通波器不 能将信号复原,因而是失真采样。 若被采样信号是频率为 50H 的正弦交流信号, 则根据采样定理, 在该正弦信号的一个周 期内,任意多于两点的采样(ω s≥2ω max) ,就可以由采样所得的两点值确定正弦信号。设该 正弦信号为 (2-42) 式中 。若在时刻 t1 和 t2,分别得到采样值 a1 和 a2,则 (2-43)
* * * * *

由式(2-43) 、式(2-44) 可得

(2-44)

式中Δ t=t2-t1。令 t1=0 ,可得 (2-45) 故由式(2-44)和式(2-45)求得的 Am 和?,可确定式(2-43)所假定的正弦信号。 特别地,当 ω Δ t=90?或 270? 时, (2-46) 于是式(2-42)成为

应当指出,当 a1=0,a2 =0 时,不能求出 Am。 采样定理是选择采样频率的理论依据,实际应用中,采样频率总要选得比已知被采样 信号最高频率高两倍以上。例如,采样工频交流信号,采样频率 fs 一般为工频频率的 8-10 倍,甚至更高,使信号中 3-5 次等的谐波分量能在采样信号中反映出来。

第二节 交流采样算法
一、电气量交流采样时域算法 为了获得被测电量值,必须对采样所得的一组离散量进行计算。由交流采样计算电气 量的算法比较多,例如:积分型算法、正交变换算法等。在此仅介绍交流信号有效值、三相 功率、电能的积分型算法。同时,假定在一同期中信号采样是等间隔的。 1. 有效值算法 设 f(t)是一个周期信号,其周期为 T,最大值为 Am。根据有效值的定义,f(t)的有效 值 A 可表达为 (2-47) 当 f(t)是交流电压 u(t)和交流电流 i(t)时,可得到交流电压和交流电流的有效值 U 和 I, 即 (2-48) (2-49) 因此,有效值的计算主要包括两个部分,即积分运算和开方运算。 在计算机中,运算的对象是离散的数字量。因此,计算机的积分运算首先必须离散化。 对于式(2-47)中的积分 间 来近似 ,则在时刻 ,将积分区间[0,T]等分为 N 个子区间,每个子区 时的被积函数值就是 、 高为 ,其中 ,N。若用 与

, 即用宽为

矩形脉冲面积近似相应时间宽度内

时间轴围成的面积,如图 2-15 所示。于是 (2-50) 式中 fk =f(kΔ t),它可由 f(t)一个周期内等间隔采样得到。

图 2-15 连续周期信号积分的离散化 如果 f(t)是一个不含高次谐波的正弦信号,即



(2-51)

在上述积分离散化过程中,N 取多大时才能使式(2-50)对于正弦信号成为严格等式 呢?显然,当 N=1 时,不符合采样定理;N=2 时,除个别初相位外,式(2-50)不能保证严 格相等。以下证明,当 N≥3 时,正弦信号 f(t)在一个周期内的方均值与经 N 等分离散化的 方均值相等。即 (2-52) 事实上,根据欧拉公式有 考虑到



于是

经化简得

(2-53) 比较式(2-51)和式(2-53)可知,当 N≥3 时,该积分不存在离散化计算误差。 如果 f(t)是正弦交流电压

或正弦电流

则当 N≥3 时,有 (2-54) 以及 式中 uk、ik 是电压、电流在一周期 N 次采样中的第 k 次采样值。 若采样的信号是线电压或线电流,则按公式计算得到的就是线电压和线电流;若采样 的信号是相电压或相电流,则按公式得相电压或相电流。 2. 三相有功功率的算法 (2-55)

(1) 单相功率及其算法 在变电站监控和调度控制中,需要广泛测量有功功率和无功功率,功率变送器就是用 来测量交流电路中有功功率和无功功率的仪器。 线路的功率有单相功率和三相功率之分, 在 变电站综合自动化系统中,主要测量三相功率,但三相功率是基于单相功率测量来实现的, 因此,先讨论测量单相功率的功率测量元件。 在交流电路中,单相有功功率 P 定义为 P=
1 T

=

1 T

(2-12)

式中 p(t)——交流电路中 t 时刻的瞬时功率;

u(t)——交流电路中 t 时刻的交流电压; i(t)——交流电路中 t 时刻的交流电流;
T——交流电路中交流信号的周期。 上式可见,有功功率是瞬时功率在一个周期内的平均值,故有功功率也称平均功率, 定义式(2-12)对于任何周期的交流电路是普遍适用的。对于正弦交流电路,设

u ( t )= Um sinω t = 2 Usinω t i ( t )= Im sinω t= 2 Isin(ω t-?)
式中 Um,U ?? 交流电压的最大值和有效值; Im,I ?? 交流电流的最大值和有效值; ω ?? 角频率;

? ?? 交流电压超前于交流电流的相位差。
从而

p(t)= u ( t ) i ( t )=2UIsinω t sin(ω t-? )
=UIcos ? ?UIco s(2ω t?? )

将 p ( t )代入式(2-12) 可得 P=
1 T

=

1 T

=UIcos ? 因此可得 P 和 p(t)的关系为

(2-13)

p(t)=P-UIcos(2ω t-? )
上式表达的瞬时功率是有功功率与正弦分量的代数和。 P=
1 T

(2-14)

?

T

p A dt =

1 T

0

?

T

u A i AC dt

0

P=

1 N

? uAkiAk
k ?1

N

(2) 三相三线制电路的功率 三相三线制的电路无论对称与否,三相负载的瞬时功率都等于每相功率之和,即有:

p= p A + p B + p C
=uAiA+uBiB+uCiC 从而三相负载的有功功率应等于各相有功功率之和,即有 P=

(2-56)

? T

1

T

pdt =

0

? T

1

T

( p A ? p B ? p C ) dt

(2-57)

0

1) 已知各相电压、相电流时,三相有功功率的算法为 P=

? T
1 T

1

T

p A dt +
T

0

? T

1

T

p B dt +

0

? T

1

T

p C dt

0

=

?

[ u A i A ? u B i B ? u C i C ]dt

(2-58)

0

将连续积分运算离散化,可得 P=
1 N
? [uAkiAk+uBkiBk+uCkiCk]
k ?1 N

(2-59)

在三相三线制电路中

i A + i B + i C =0
对于对称三相电路
1 N
?
k ?1 N

(2-60)

uAkiAk=

1 N

?
k ?1

N

uBkiBk=

1 N

?
k ?1

N

uCkiCk

(2-61)

可将上式化简为 P= 考虑
3 N
?
k ?1 N

upkipk

(2-62) (2-63) (2-64) (2-65)

u A + u B + u C =0
P= P=
1 N 1 N
? [ u A k ( i A k - i B k )+ u C k ( i C k - i B k )]
k ?1 N

还可推得: 或

? [( u A k - u B k ) i A k +( u C k - u B k ) i C k ]
k ?1

N

2)已知相关线电压或相电流时,三相有功功率算法为 在三相三线制中,考虑到

i A + i B + i C =0
从而

p=uAiA+uBiB+uCiC

=uABiA+uBiA+uBiB+uCBiC+uBiC = uABiA+ uCBiC+uB(iA+iB+iC) = uABiA+ uCBiC 所以,三相有功功率可按下式计算 P=
1 T 1 T

(2-66)

?

T

pdt
T

0

= 经离散化可得 P= 同理可得 P= 以及 P=

?

[ u AB i A ? u CB i C ] dt

(2-67)

0

1 N

?
k ?1

N

[uABkiAk +uCBkiCk]

(2-68)

1 N

?
k ?1

N

[uACkiAk +uBCkiBk]

(2-69)

1 N

?
k ?1

N

[uBAkiBk +uCAkiCk]

(2-70)

(3) 三相四线制电路的有功功率算法 在三相四线制电路中,设中线电流为 IN,则有

iA+iB+iC=iN

(2-71)

当电路对称时,i N=0,有功功率的计算仍可按三相三线制公式计算。当中线电流不为 零时,瞬时功率 p 仍可按(2-56)计算,从而三相有功功率计算公式(2-59 )仍可使用。 在三相四线制电路中,三相负载的瞬时功率 p 仍等于各相瞬时功率的代数和,即

p=p A +p B +p
据此,可导得

C

p =uABiA+uCBiC+uBiN
同理可得

(2-72)

p =uBAiB+uCAiC+uAiN
以及

(2-73) (2-74)

p =uACiA+uBCiB+uCiN

从而可得三相四线制有功功率计算的另三个公式。 即 P= P=
1 N 1 N
?
k ?1 N

[uABkiAk + uCBkiCk+uBkiNk] [uBAkiBk +uCAkiCk+uAkiNk]

(2 -75) (2 -76 )

?
k ?1

N

以及

P=

1 N

?
k ?1

N

[uACkiAk +uBCkiBk+ uCkiNk]

(2 -77)

3.三相无功功率的计算方法 在单相交流电路中,无功功率 Q 定义是 Q=UIsin ? 在三相电路中,三相无功功率 Q 应是各相无功功率的代数和,即 Q=QA +QB +QC =UA IA sin?A +UB IB sin?B +UC IC sin?C 与三相有功功率算法相对应,可推导出下列三相无功功率的计算公式 Q= 式中 i A k +
N 4

(2 -78)

1 N
N 4

? [uAkiAk+
k ?1

N

N 4

+ uBkiBk+

N 4

+ uCkiCk+

N 4

]
N 4

(2 -79 ) 取为

??第 k+

次电流采样值。当 k+

N 4

大于 N 时,i A k +

ik-

3 4

N



按三相无功功率的定义,还可构造出下列三相无功功率算法。 Q=
3 2N 3 3N 3 N

? [( u A k - u B k ) i C k +( u B k - u C k ) i A k ]
k ?1

N

( 2 -80)

Q=

? [( u B k - u C k ) i A k +( u C k - u A k ) i B k +( u A k - u B k ) i C k ]
k ?1

N

(2 -81)

Q=

? [ u A k ( i C k - i B k ) i A k + u B k ( i A k - i C k ) + u C k ( i A k - i B k )]
k ?1

N

(2-82)

以及

Q=

1 N

? [uAk(i
k ?1

N

Ak-

N 4

- i

Bk+

N 4

) + uCk (i

Ck-

N 4

-i

Bk+

N 4

)] (2-83)

其中式(2-81)是由广泛使用的 90°跨相法转化而来,可说明如下: 设 uA = Um sin( ? t ),

i A =I m sin( ? t -?)

则 uB = Um sin( ? t -120?), i B =I m sin( ? t -?-120?)

uC = Um sin( ? t +120?), i C =I m sin( ? t -?+120?)
3 3 3 3

[( u B - u C ) i A +( u C - u A ) i B +( u A - u B ) i C ]

=

[ 3 Um sin( ? t -90?)? I m si n( ? t -?)

+ 3 Um sin( ? t -120?)? I m sin ( ? t -?-120?)

+ 3 Um sin( ? t +30?)? I m sin( ? t -?+120?) =
U m Im 2

[cos(?-90?)+ cos(?-90?)+ cos(?-90?)

-cos(2 ? t -?-90?)-cos(2 ? t -?+30?)-cos(2 ? t -?+150?) =3UpIpsin? =Q 将上述 Q 式在一个周期内采样,即可得三相无功算式(2-81) 上述推导过程是基于对称三相电路这个前提条件,而在不对称三相电路中,这些计算 公式均存在一定的误差,请参考文献[ ]。 3. 电能量的计算方法 在交流采样技术中,计算电能量 W 比较简单。根据定义有

(2-84) 式中 M——电能计量时间起点至时刻 t 经过的正弦信号周期数,即 MT<t<(M+1)T; P(k)--第 k 个周期内的平均功率。 由于电力系统线路的电压或电流的周期随时间会发生波动,故式(2-108)应改写成 (2-85) 式中 T(k)— 第 k 个周期的时间长度。 当式(2-85)中 P(k)用千瓦而 T 用小时作单位时,则 W 单位就是千瓦 时(kW?h) , 即电度单位,当 P(k)用瓦而 T 用秒 T(k)单位时,W 仍用 kW?h(度)作单位,但式(2-85) 必须乘以系数。因此可得到有功电能 Wp(kW?h)为 (2- 86) 同理可得无功电能 Wq(kvar?h)为 (2- 87) 从电能量计算公式可知,只要计算出每个周期的周期长度 T(k)和该周期内的功率 P(k) 或 Q(k),就可以通过乘积和累加得到 Wp 或 Wq。

对潮流方向可能改变的线路,按式(2-86)和式(2-87)计算出的电能量仅是参考方 向下的电能量代数值。 为了计量两个方向的电能量大小, 可按功率符号的不同分别加以积算。 设 Wpp(kW?h)和 Wpn(kW?h)分别表示正向和反向有功电能,Wqp(kvar?h)和 Wqn(kvar?h) 分别表示正向和反向无功电能,则可得

(2- 88)

(2- 89)

(2- 90)

(2- 91) 交流信号是连续的模拟信号, 在相当短的时间内, 交流信号的周期和有效值几乎不变。 因此,交流信号不需要每个周期都采样。若每隔 N 个周期采样一个周期,并用该周期的周期 长度和功率代替相继 n-1 个周期内的相应量,则式(2-85)可改写为 (2- 92) 式中 T(nk)——第(nk)个周期长度; P(nk)——第(nk)个周期内的平均功率; [ ]—— 的整数部分。

据式(2-92) ,式(2-87)~(2-91)可改写成 (2- 93)

(2- 94)

(2- 95)

(2- 96)

(2- 97)

(2- 98) 式中 T(nk)——相应 n 个周期的平均值。 在考虑了线路电压、电流至 A/D 变换输出数字量之间的变换系数后,若令

则可得到一组计算相应实际电能量 We 的公式为 (2- 99)

(2- 100)

(2- 101)

(2- 102)

(2- 103)

(2- 104) 二、交流电气量的频域算法 根据富氏级数理论,任何一个周期为 T 的函数?(t),如果在[-T/2,T/2]上满足狄里赫 里条件,那么在[-T/2,T/2]上就可以展开为富氏级数。在?(t)的连续点上 ?(t)=A0+∑Ancos(n?t)+ Bnsin(n?t) ?=2?/T n=1---?

第三节 交流采样的硬件与软件概述
1. 交流采样硬件 在变电站综合自动化系统中,交流采样由单片微机为核心的硬件构成。它由中间电压 互感器、中间电流互感器、多路模拟开关、采样保持器、A/D 转换器、单片微机以及频率 跟踪等电路组成,如图 2-16 所示。

可编程接口

A/D 转换器 多路模拟开关

采样保持逻辑

采样保持器 1-N

多路模拟开关

信号调理电路

电压互感器(TV)组,电流互感器(TA)组

0—120V,

0—5A

图 2-16 交流采样硬件电路框图 (1)信号选择 交流采样信号取自二次回路。对于线电压信号其额定值是 100V,对 于相电压信号其额定值是 57.7V; 对于电流信号其额定值是 5A。 这些二次信号首先经中间电 压互感器 TVm、中间电流互感器 TAm 等变换成数伏的交流电压信号。多路模拟开关的功能是 根据输入的地址信号,选择其中的一路作为输出信号。 (2)采样/保持 采样保持器是在逻辑电平控制下,处于“采样”或“保持”两种状 态的电路器件。在采样状态下,输出跟随输入的变化而变化;在保持状态下,输出等于输入 保持状态时输入的瞬时值。

图 2-17 交流信号的采样与保持 (a)电路原理;(b)工作波形 采样保持器的电路原理如图 2-17(a)所示,它由一个电子模拟开关 As 和保持电容 Ch 以及阻抗变换器 I、II 组成。开关 As 受逻辑电平控制。当逻辑电平为采样电平时,As 闭合, 电路处于“采样”状态,经过很短时间(捕捉时间)Ch 迅速充电或放电到输入电压 U,随后, 电容电压跟随 U 变化,故整个采样时间应大于捕捉时间。显然捕捉时间越短意味着 Ch 越小。 当逻辑电平为保持电平时,As 断开,电路处于“保持”状态,将保持 As 时的电压。从维持电 压考虑,Ch 容量越大越好。因此,为使采样保持器采样时间短,保持性能好,Ch 的容量要选 择合适,质量要好。当 Ch 选定后,为了缩短捕捉时间,要求采样回路的时间常数小,故用 阻抗变换器 I,其输出阻抗极小;为使保持性能好,保持回路时间常数要大,故用阻抗变换 器 II,它有极高的输入阻抗。 从上述分析可知,实际的采样器虽然采样时间做得很小,但不能为零。图 2—17(b) 所示给出了实际采样保持器的工作波形。 (3)A/D 转换 A/D 转换器将输入模拟信号是转换为数字量。其主要特性体现在下 列几个方面: 1)量化误差与分辨率。A/D 转换器的分辨率用两种方式表示,其一是输出数字量二 进制位数。例如,12 位 A/D 转换器的分辨率是 12 位。另一种是百分数表示。例如,10 位 A/D 转换器的分辨率(百分数)为 (2-105) 可见,A/D 转换器的二进制位数越多,其分辨率越高。 量化误差是由于有限数字对模拟量进行离散取值而引起的误差。从理论上讲,A/D 转 换器的量化误差是一个单位分辨率,即±1/2LSB。当分辨率越高,每个单位数字所代表的模 拟值越小,量化误差就越小。因此,量化误差与分辨率在本质上是一致的。 2)转换精度。A/D 转换器的转换精度描述实际 A/D 转换器与理想 A/D 转换器之间 的转换误差,故转换精度中不包括量化误差。转换精度用最小有效位 LSB 表示,也有用相对 误差表示的。若 8 位 A/D 转换器的精度为±1LSB,则其相对误差为 (2-106) 当同时考虑了量化误差后, 其最大偏差可以从图 2—18 中求得。 图中△为数字量 D 的最小有 效位当量,对于 8 位 A/D 转换器Δ =0.0039Um。图 2—18 表明,对于精度为±1 LSB 的 8 位

A/D 转换器,当输入模拟量在 D 的标称当量值Δ (±0.00586Um)范围内时,都可能产生相同 的数字量输出。

图 2—18 精度为±1LSB 的 A/D 转换动态特性 3)转换时间。A/D 转换器转换时间是完成一次 A/D 转换所需的时间。转换原理相同, 分辨率不同,转换时间也不同。对于常用的逐位比较式 A/D 转换器,转换时间 tA 一般为几 十至上百微秒。例如,对于 ADC0801~0805 和 ADC0808~0809 8 位 A/D 转换器,约为 66 -73 个转换时钟周期。转换时钟可以外输入,也可以通过外接 RC 电路产生。当转换时钟取 典型频率 fclk=640Hz 的方波信号时,tA≈100μ s。AD574 是 12 位 A/D 转换器,转换时钟由 内部产生,其 tA≈125μ s。高速 12 位 A/D 转换器 AD578J 的转换时间不大于 6μ s 。 2.几个需要考虑的问题 (1)多条线路轮换采样 一个变电站可能有 2 条以上的输入线路,十几条或几十条输

出线路,有一台或数台变压器, 要测取如此之多线路上的电压、电流信号,计算电压、电流、 有功功率、无功功率和电能量等,交流采样的任务是十分繁重的。考虑到交流电气量作为一 个模拟量不可能发生突变,故采用轮换的方式对每条线路采样。设需对 N 条线路进行采样, 在某一周期内,只对某一条线路进行采样,通过 N 个周期实现对 N 条线路均采样一遍,将所 采样信号计算电压、电流、有功功率,无功功率、电能量,并将其作为 N 个周期平均值输出 或保成。 (2)交流采样的同时性 按照功率的定义,一条线路上交流电压、电流的采样应同时

测取,为此,对于按相电压,相电流测取功率,至少需要 6 个采样保持器,对于按线电压、 线电流测取功率, 至少需要 4 个采样保持器, 所以在采样保持器后面应安排一个多路模拟开 关,依次选择一路信号输入 A/D 转换器。 (3)交流采样的等间隔性 交流采样的算法是按连续信号积分等间隔离散化而得,因

此,交流采样必须在一个周期内等间隔完成。然而,交流信号的频率是随时变化的,不能按 照事先固定的频率去采样电压、电流信号,而是应据当前信号频率确定采样间隔,即应实现 当前频率的跟踪测量。图 2 -19 是频率跟踪和采样信号形成电路及相关波形。

图 2—19 频率跟踪及采样保持电路原理 (a)电路原理框图;(b) 频率跟踪及采样保持信号波形 将交流信号输入过零比较器,其输出是与交流信号同频率的方波信号,将该方波作为 锁相电路的一个输入信号, 锁相电路输出信号经 N 分频后与输入方波相比较, 适当地选择电 路元件参数,可将输出信号锁定。即锁相电路输出信号以 N 倍的频率跟踪输入信号的变化, 将这个输出信号经单稳态电路变换得到一定占空比的脉冲信号, 作为采样保持器的采样保持 控制信号,可实现一周期内 N 次等间隔采样。 2.交流采样软件概述 与交流采样相关的软件主要包括两个部分。一是交流信号的采样控制软件,二是交流 采样数据的处理软件,如图 2-20 所示。

图 2—20 交流采样软件框图 交流信号采样控制是在 A/D 中断服务程序中完成的。每当选定的一路信号经 A/D 转 换器转换结束后,CPU 响应中断,读入转换结果,接着将同时采样的同一线路另外一路信号 选通,启动 A/D 转换,并恢复现场返回。当一条线路本周采样全部结束时,就确定下一周 期采样的线路,并将其地址送多路开关。如图 2-21 所示。

图 2—21

A/D 中断服务程序

采样数据处理软件是将采样数据经格式变换、计算等处理转换成适合于远传和当地监 视的数据结构。其中包括①数据的预处理;②将数据按公式进行电气量计算;③标度变换; ④将电气量转换为远动规约传送格式; ⑤将电气量进行二——十进制转换等。 数据处理流程 如图 2-22 所示。

图 2—22 交流采样数据处理框图 数据预处理主要指数据滤波,用于滤除干扰及高频分量。U、I、P、Q、W 等电气量计 算已在前面作过讨论。系数变换涉及的因素较多,主要包括①TV、TA 变比系数;②A/D 转 换器位数;③采样频率等因素。 设 TV、TA 的变比分别为 knu 和 kni,A/D 转换器输入的峰值电压为±5V,二次信号至 A /D 转换器的变换系数为 ku1 和 ki1,则 ku1=
5 120 2 5 6 2

(2-107)

ki1= (2-108)

A/D 转换器的变换系数为 kad,对于 8 位、10 位、12 位、14 位的 A/D 系数 kad8、kad10、kad12、 kad14 分别为

kad8= (2-109)

2

8 ?1

?1

=

127 5

5

kad10= (2-110)

2

10 ? 1

?1

=

511 5

5

kad12=

2

12 ? 1

?1

=

2047 5

5

(2-111)

kad14= (2-112)

2

14 ? 1

?1

=

8191 5

5

因此,电压、电流的有效值系数 kue、kie 分别为 kue= kie= 从而 实际电压、电流有效值 Ue、Ie 计算公式为 Ue= kue?U Ie= kie?I (2-115) (2-116)
k nu k u 1 k ad k ni k i 1 k ad

(2-113) (2-114)

与电压、电流相同,可得有功功率、无功功率和电能量的系数 kpe, kqe , kwe 分别为 kpe=

k nu k ni k u 1 k i 1 ( k ad )
2

(2 -117)

kqe=

k nu k ni k u 1 k i 1 ( k ad )
2

=k pe

(2-118)

kwe=

nk nu k ni 3600000 k u 1 k i1 ( k ad )
2

(2-119)

式中 n——线路采样的工频周期数。 对所测取的模拟信号,均存在一个允许的变化范围,在存储器中存放着它们的上限和 下限值,每次计算得到的 U、I、P、Q,均需将它们与上限、下限比较,以确定其越限与否, 一旦越限,将给出标志,以作进一步处理提示。格式变换有两种基本形式,一是将电气量转 换成向上级监控中心传送的数据格式(一般二进制代码,随规约的不同而不同) ,另一种是 将电气量转换成适合当地监视和记录的十进制格式。


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