电网参数测试仪的设计

２０１２年１０月　第２８卷第５期　陕西Ｎ＿ｚ－学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｍ￣ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　０ｃｔ．２０１２　Ｖｏ１．２８　ＮＯ．５　

［文章编号］１６７３—２９４４（２０１２）０５—００１５—０５　

电网参数测试仪的设计　

张立众　

（陕西理工学院电气工程学院，陕西汉中７２３００３）　

［摘要］　说明了电网参数仪表测量与实现的方法，以ＡＴ８９Ｃ５１单片机芯片为微处理器，采　

用模块化设计方法，给出了电网参数检测系统硬件电路和软件设计的方法和要点。　

［关键词］ＡＴ８９Ｃ５１单片机芯片；　电网参数检测；模块化设计　

［中图分类号］ＴＭ９３３　［文献标识码］　Ａ　

电网的一般参数有电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等，对企业供电线路上的这些电　

网参数的监测是掌握供电线路和设备运行状态的基础，是企业保证功率补偿有效性和合理性的决策依　

据。…各重要节点的电压、电流、用电量及绝缘设备老化程度等，都对整个系统的安全稳定运行起关键　

作用，所以要实时监测电网的各种运行参数，并根据检测数据分析运行品质，预防设备故障。　。　

本文在研究测试仪表参数检测原理的基础上，设计了基于单片机平台的电网参数测试仪。　

１　测量方法的选择与具体实现　

一个测试仪表能否进行各参数的精确测量，主要取决于其测量算法的精确性，测量算法的精确性很　

大程度上取决于测量算法的选择。在该测试仪的研制过程中，算法的选择主要基于三个方面：１）仪表　

硬件结构要简单可靠；２）算法能用汇编语言方便实现，且能达到与其它语言同等级的精度；３）电网输出　

电压电流含有高次谐波的情况下，算法具有较高精度。针对测试仪的软硬件特点，同时考虑到算法的抗　

干扰性，本测试仪选用瞬时值法作为测量方法。在电力系统的电参数测试中，电压、电流、频率和功率是　

四个最基本的检测量，利用采样值可直接计算出这四个量。在此基础上，根据公式可间接求取其它基本　

电量，如功率因数、有功功率、无功功率等。　４　

从提高平均功率测量的准确度来讲，采样瞬时值法测量是最适合的。不管电压电流波形的畸变有　

多严重，只要是周期信号，该方法就适用。应用该方法测量电力参数时，要做到：１）确定被测电力信号　

的周期　或频率厂；２）满足测量精度的情况下，根据　选取采样次数Ｊ７、，和采样时间　；３）计算平均功率　

时必须在同一时刻测量　和ｉ　的瞬时值。　

测量方法的具体实现包括采样次数的确定、测量算法的实现、测量误差分析、软件校正同步误差四　

个步骤。　

１．１采样次数的确定　

电网工频参数的测量实际上属于交流信号的测量范畴。＿５　本文设计的系统是针对工频交流电参数　

的测量而研制的，所以理想情况下被测电力信号的频率是５０　Ｈｚ，周期为２０　ｍｓ，工频电流、电压信号为　

纯正弦波。实验结果表明，随着采样次数的增加，各个电参数的测量误差均呈下降趋势，但当下降到一　

收稿日期：２０１１—１２—２７　作者简介：张立众（１９６９一），男，辽宁省辽中县人，陕西理工学院讲师，硕士，主要研究方向为智能控制系统、现场总线及　工业以太网。　

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　陕西理工学院学报（自然科学版）　第２８卷　

定值时误差便不再减小，说明系统存在一定的系统误差。对于电压与电流，采样次数为２Ｏ次时误差极　

限为０．２７％，对于功率，采样次数为５次时误差极限为０．１％，这是满足测量精度的。综合三者误差最　

小时所要求的采样次数，同时根据信号频率及Ａ／Ｄ转换速度，选取一个周期内采样次数Ｎ＝２０。　

１．２测量算法的实现　

采用瞬时值法测量平均功率时，必须保证电压、电流采样的同时性，否则将产生一定的误差。本系　

统采用了单Ａ／Ｄ结构，用软件进行误差校准。电参数的计算采取边采样边计算的方式，采样结束时即　

可给出各个电参数的值，大大减小了内存的占用。瞬时值法不但没有增加软件的复杂性，而且大大提高　

了软件的执行速度。　

１．３测量误差分析　

测量误差（包括硬件和软件引起的）的来源有传感器的精度、器件的参数漂移（温漂、时漂）、Ａ／Ｄ转　

换器的精度、不能严格保证同步采样所带来的误差、运算中由于中间结果的舍入而导致的累积误差、测　

量现场的共模干扰和串模干扰（包括叠加在被测信号上的高频谐波干扰），电网频率波动引起系统周波　

发生变化也会影响测量结果。对于前三项原因所引起的误差，可以通过尽量选用性能好、精度高的仪器　

件来克服；对来自测量环境的干扰，可以通过一些硬件抗干扰措施，如屏蔽、接地、隔离等减小。　

测量算法存在的误差分析如下：　

１）谐波对测量结果的影响。在电网输出的电压电流含有高次谐波的情况下，与无谐波时相比，相　

对误差并没有增加很多，从而可以说明，有谐波时利用瞬时值法测量交流电参量给出的结果是比较准确　

的；　

２）　和ｉ　采样同步误差对平均功率测量精度的影响。干扰的存在使被采样的信号不可能为纯正　

弦量，所以只分析采样信号为含有谐波的周期信号时同时采样和分时采样对平均功率测量精度的影响。　

１．４软件校正同步误差　

电网频率波动对测量结果有一定的影响。在测量工频电网参数时，一般都取频率为固定的５０　Ｈｚ，　

并利用固定采样间隔和采样点数的方法来进行信号采样，也就是说测量理论和方法是建立在理想同步　

采样基础上的。但实际上，电网的频率并不是一个固定值，而是不断波动的，这就造成实际采样时刻与　

同步采样时刻的偏差，即存在同步采样时间误差。所以，测量精度必定会受到影响。　

电网频率的允许波动范围为±１％，在这个范围内，固定采样间隔和采样　

点数的采样方法的最大相对误差为±５％，这是允许的。但通过实际检测和　

仿真分析表明，电网频率变化经常会超过允许范围。当电网频率变化超过　

±１％，即０．５　Ｈｚ时，对测量误差的影响已不容忽视。当采用连续循环采样　

方法时，其累计误差将会更大。应该采用软件校正同步误差的方法，并要对　

校正效果进行仿真分析。产生同步误差的主要原因是采样周期　不能随信　

号周期动态改变。即周期变化时，采样间隔并没有随之变化，而仍以固定问　

隔进行采样，从而造成采样点的实际采样时刻与理想同步采样的采样时刻之　

间存在偏差，正是该时刻偏差导致测量结果出现误差。针对其产生原因可提　

出相应的软件校正方法，根据信号周期动态确定采样周期　。该方法不需要　

对测量数学模型进行任何修改，只需在采样程序前再增加一小段程序即可。　确定采样次数Ⅳ　

Ｉ　

测量信号频率，　

Ｉ　

周期Ｔ＝－ＩＮＴ（１／ｆ１　

Ｉ　

＝ＩＮＴ（Ｔ／Ｎ）　

Ｉ　

信号采样　

软件　矍　凳　弱　鬈霉　期，图１软件校正流程图　该方法首先要测出信号周期，才能根据信号周期计算出采样间隔时间，　…　～　一　

因此要从第二个信号周期才能开始采样，即至少要两个信号周期时间才能完成信号的采样过程。测量　

速度有所下降，但测量误差大大减小了，非常适合于对测量速度要求不高对精度要求很高的场合。　

综上所述，本系统采用的动态跟踪法对降低测量误差是十分有效的。　

２硬件电路设计　

通常把硬件分为主机、过程通道、人机联系部件、通信接口、传感器及工作电源等几个模块，而把软　

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　第５期　张立众　电网参数测试仪的设计　

件分成监控程序（包括初始化、键盘与显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等）、中断处理程序及各种　

测量和控制算法等功能模块。硬件模块连接方式采用以主机模块为核心，通过设计者自行定义的内部　

总线（数据总线、地址总线和控制总线）连接其它模块。软件模块的连接通过监控主程序调用各种功能　

模块来实现。　

对电压电流进行采样，根据采样信号的不同，可分为直流采样与交流采样两大类。交流采样是相对　

直流采样而言的，直接对交流电压和电流波形进行采样，然后通过一定的算法计算出电压电流的有效　

值、有功功率、无功功率等。交流采样对环境温度有一定要求，同时对Ａ／Ｄ转换器的转换速度和采样保　

持器要求较高。为了保证测量精度，一个周期内必须保证足够的采样点数，而且采样计算程序相对复　

杂，对ＣＰＵ要求较高。本设计中的电压电流的采样采用直流采样，其工作原理如图２所示。　

多　采　变　滤　路　样　电压电流　送　波　选　保　ＣＰＵ　信号　电　择　持　器　路　开　电　

关　路　

图２直流采样的工作原理图　

变送器采用ＲＬ．Ｄ０６交流信号隔离变送器。ＲＬ．Ｄ０６系列交流变送器是一种能将输入量的交流信　

号经隔离放大转换成一组输出量的直流信号，从而实现对被测信号精确测量的仪器。该变送器输入、输　

出、电源三方全隔离，抗干扰，且输入输出选择范围宽，准确度高，电源可选择，导轨安装便于检测与维　

护。滤波电路在系统中对电压电流信号进行滤波处理。系统中采用ＬＦ１９８采样／保持器。　

该系统硬件主要包括主机模块、信号调理模块、模／数转换模块、显示模块和电源模块等几个部分：　

１）微处理器采用ＡＴ８９Ｃ５１单片机。　

２）输入偏置电路。在本系统中选用ＡＤＣ０８０９芯片，因ＡＤＣ０８０９多路单极性输入，而所测电压电　

流是双极性的，因而在信号进入Ａ／Ｄ转换器之前，必须要经信号调理电路将其变成适合ＡＤＣ０８０９输入　

的信号。在ＡＤＣ０８０９芯片内部电路中，没有设置片内的偏置电路，但其模拟输入端允许进行电流或电　

压叠加。所以，可以通过外接简单的偏置电路，把单极性的Ａ／Ｄ转换器变成双极性的偏置二进码的　

Ａ／Ｄ转换器。　

３）模／数转换。在数字式测量装置中，Ａ／Ｄ转换器的分辨率是影ｐｌａｎ量精度的重要因数。但从实　

用角度看，片面追求Ａ／Ｄ转换器的分辨率是不可取的。在交流瞬时采样测量方式中，不仅要求变比足　

够精确，而且对相应误差和波形畸变的要求也十分严格。考虑到本检测系统有多路模拟输入以及测试　

仪的成本，选用廉价的Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９。　

４）显示模块。ＡＴ８９Ｃ５１单片机内部有个全双工的串行接口，它能同时发送和接收数据，从而可利　

用这两个串行口来设计显示电路。本系统选用工作方式０，即移位寄存器输入输出方式。７４ＬＳ１６４为串　

行输出移位寄存，将其并行输出端Ｄ０一Ｄ７分别与数码管的各管相连，即可完成数码显示。　

５）电源。本检测系统要三路直流稳压电源，即＋５　Ｖ，＋１５　Ｖ，一ｌ５　Ｖ。为此选用了７８０５，７８１５和　

７９１５三种集成稳压块，供电电路经整流、滤波后输入集成稳压块，在其输出端获得稳压电压。　

３仪器抗干扰措施　

仪器抗干扰措施内容主要包括硬件电磁兼容性设计、抗干扰的硬件设计、电源变压器设计、电源滤　

波器设计四个方面。　

３．１硬件电磁兼容性设计　

微机监控系统的干扰一般可分为三种，即来自电源的干扰、来自传输信道的干扰和来自空间的辐射　

干扰。其中来自空间的辐射干扰不太突出，而且可用良好的屏蔽、正确的接地方法以及采取必要的软硬　

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