基于准同步采样法的电参数在线监测系统

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文章编号：ｌ帅＆－０５７０（２００８）０７一ｌ—０３０ｌ—０３

基于准同步采样法的电参数在线监测系统

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Ｓａｍｐｂｎｇ

佰安邮电学院）魏秋月

Ｗ日Ｑｉｕ－ｙ岭

摘要：详细介绍了基于准同步采样算法的电参教在线监测系统．阐述了系统工作原理、硬件组成以及软件实现。该系统实现了电压有效值、电流有效值、输出功率和功率因数等参数的在线监飘和越限报警。系统硬件简单，成本低廉，操作界面友好、

直观。有利于促进电力系统自动化的实现。

关键词：准同步采样；电参数；在线监测中图分类号：ＴＰ９９３文献标识码ｍ

Ａｂ！嘲陌ｃｔ：ＡｎｅｗＱｎ—ｌｉｒ圯ｒｎｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕＩｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｆｉｃｐａ姗ｅｔｅｒｂａｓｅｄｑｕ８ｓｉ—ｓｙｒ屺ｈｒｏｎｏｕｓｓａｍｐｌｉｎｇｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｒｄｗａｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅＢｙｓｔｅｍｉｓｐｍＶｉｄｅｄ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎ８ｉｎｃｌｕｄｅｍｅａＬｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｓｉ—ｓ）ｍｃｈｒｏｎｏｕｓｓａｍｐＩｉｎｇ，ｄ钾仃ｉｃｐａ咖咖ｒ，ｏｎ一陆扯ｍ砌ｔｏｒｉｎｇ

ｌ引言

随着微处理器及大规模集成电路技术的发展与应用。数字

化测量技术已广泛应用于电力系统中，使电力系统的自动化程

度得以迅速提高。数字化测量技术的基本原理是将被测量先转

化为相应的数字量，进而传输．存储、数据处理、显示和打印等。同步采样是目前使用微处理器的电能测量装置中普遍采用的

采样方法．它的优点是在满足一定的采样要求时，理论上没有测

量方法误差。但实际同步采样中，尤其是在非正弦情况下，由于

硬件锁相环路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的存

在，总存在同步误差。当采样同步误差△Ｔ大于０．Ｏｌ％时，测量

系统的误差便将较快地增长，严重影响测量精度。本文采用等

间隔准同步采样方法．在线检测电力系统中诸如电压、电流的

有效值、输出功率和功率因数等参数，是一种比同步采样系统简单、能够获得接近“理想同步采样”的采样测量方法。

２准同步采样算法

在电工参数中。平均值、有效值、功率以及基波和谐波分量

的幅值等参数若不考虑开方或其他算术运算并作变量代换，则

可表示为如下形式：

７丽＝圭亡”８／（Ｊ）出（１）

２死“其中万五表示周期信号舡）的平均值，２丌为ｆ∞的周期，口

为积分起点对应的角度值。

如果等分宽为２竹的积分区间【仪，Ⅱ＋２叮ｒ】为Ｎ—ｌ段，均匀采

样得Ｎ个数据，（王），贝Ⅱ当Ｎ＞Ｍ脚为／弘）的最高次谐波）时有１上一亳∑厂（ｔ）＝／（上）ｗ

魏秋月：讲师硕士上式是同步采样及其算法的理论基础。

但如果触）的积分区间宽度不是２盯，而是２丌＋Ａ（△为同步

误差），则一般情况下，（２）式将不再成立。令层＝而一五去ｒ””６，（ｘ）出，Ｅ是非同步采样误差，准同

步采样算法就是在△不太大的情况下，通过适当增加采样数据

量和增加迭代次数以尽量减少这种误差，从而提高测量准确度

的方法。算法推导如下：

将宽为２１Ｔ＋△的积分区间陋，ａ＋２，ｒ＋△】等分为Ｎ段，均匀采样得Ｎ＋１个数据，（‘），（‘＝ａ＋ｆ堡≠，ｆ＝ｏ，ｌ，…，加

，并按某种数值求积公式做如下定义的运算：九、Ｆ。＝÷∑ｐ；／（ｚ；）Ｖ７

∑ｐ，”ｏ

式中ｎ（ｆ：Ｏ，１…，Ⅳ）为对应数值求积公式所确定的权系

数。尸表示第一次求积运算，可以看出Ｐ是采样起点“也就是

砷的函数。

于是可以将宽为，ｌ×（２万＋△）的积分区间【口，口＋露（２露＋Ａ）．等

分为ｎ×Ｎ段，采样得到ｎ×Ｎ＋１个数据，仁ＪＢ产缸＋ｉ兰！：净，ｉ＝Ｄ＇

Ｊ，．．棚圳，记作Ｚ，五。…，五（其中￡＝挖×Ⅳ＋１），把石至爪，共Ｎ＋１

个数据分成一组，对此实施式（４）的运算，得到新的数据Ｐｈ同样把五至厶＋：共Ｎ＋１个数据分成第二组。运算得新数据爿，类推直到把五一。至五诸数据分成第（Ｌ—Ｎ）组，得到吐。。至此完成了对

原始数据的第一次分组处理。第二次分组处理类似第一次。在数据巧１，Ｅ，…，硅Ⅳ共Ｌ—Ｎ个数据上进行，得砰，碍，…，礞Ⅳ，

总数据少了Ｎ个。连续处理ｎ次，直到剩下一个数据Ｅ。。以上

分组分次递推运算公式如下：，一：１｝杰ｐ∥

∑Ｐ．“ｏ

（参量鑫控一邮局订阅号：８猢３６０元，年一３０１一

　万方数据软件天地中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第７－１期

式中上标“ｎ”为递推序号。单片机ＡＴ８９Ｓ５２是整个下位机系统的核心，负责Ａ／Ｄ转换

可以证明，在一定条件下成立ｌｉｍＦ“＝，（工）（见文献），所以器的调度和与上位机的实时串行通信。

剩下的最后一个数据鼻”就是７彳习的估计。通信电路部分由ＭＡｘ２３２芯片和ＤＢ９电缆组成，ＭＡｘ２３２在本系统中，为了减少数据运算量和简化编程难度，先将芯片负责ＴｒＬ电平到Ｒｓ２３２电平的转换（转换电路略），ＤＢ９完复杂的递推运算过程由式成单片机系统与上位机系统的数据传输Ｔ作。

一方引方扣“』－方和‘方扣“’（５）业一一…

＝艺巧，厂（五）

变成一次加权处理，这样刀×Ⅳ＋１个数据仅需加权一次求

和就可得到／（工）的估计。各点对应的权系数ｑｊ（ｉ＝Ｏ，１…ｎＮ）由每周期采样点数Ｎ和递

推级数ｎ以及所采用的数值求积分公式完全确定。当△较小

时，ｎ＝３就能很好的满足测量准确度要求。实际应用时，先将各权系数算好，以数组的形式存入内存，这样仅需对数据进行一

次加权运算就可获得结果。

由式（５）可以得到电压有效值、电流有效值、有功功率、功率

因数的公式分别如下：

电压有效值：￡，：√羔≈。“；（６）

电流有效值：Ｊ：√羔ｑ。《（７）

有功功率：Ｐ＝∑町。ｚｆ。‘（８）

功率因数：ｃｏｓ妒‘ｉ（９）根据式（６）～（９）则可完成电机电参数的在线计算。

３系统硬件组成及功能

如图ｌ所示，本系统主要由电压传感器、电流传感器、信号调理电路、多路转换及舳采样电路、单片机、通信电路、上位

机和电源转换电路等几部分组成。

图ｌ系统硬件组成框图

电压传感器、电流传感器均为霍尔器件。分别用于检测三

相异步电动机的电压和电流。根据传感器工作原理，电压传感

器并联在监测同路中．电流传感器则串联在监测回路中。产生

的信号分别通过传感器测量端输入信号调理电路。

信号调理电路将电压传感器和电流传感器输出的电流信

号经过Ｉ理变换转化为Ａｍ采样器能够接收的０—５Ｖ电压，然

后通过二阶有源巴特沃思低通滤波器电路滤除工作过程巾产

生的高频干扰，最终再将信号输入给Ａ／Ｄ采样器。多路转换及Ａ／Ｄ采样电路南串行Ａ仍转换器ＴＬＣｌ５４３组

成，有１ｌ路模拟输人通道。它将多路开关、采样保持、１０位Ａ巾

转换、基准电源、内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了可

靠性。此部分电路将信号调理电路传来的信号进行ⅣＤ变换

后送给单片机进行处理。上位机系统以Ａｄｖａｎｔｅｃｈ的ＩＰｃ６１０”ｒ控机为核心，是本监

测系统的运行平台。上位机部分对接收到的信号进行数制转换

和运算处理，计算出电机电参数的有效值。

显示和报警主要将测得的电参数如电流、电压、功率等以

曲线和数值两种形式进行实时显示，如果越限则报警。

电源转换电路用来向传感器、Ａ／Ｄ转换器、单片机等提供

各自所需的电源。

４软件实现及实验结果

本系统的软件分为单片机软件系统和上位机软件系统两

部分。单片机软件采用汇编语言进行程序设计，其中数据采集

模块程序流程如图２所示。

广＿弄万一）卜—一

上引脚初始化定义引脚上Ｊ调用转换了程序

设置堆栈０

Ｉ数据存放设置通道地址Ｉ

工通道地址加１｝

设置通道数上●数据存放地址加２

设置采样数据存放地址工延时

图２数据采集模块程序流程图上位机主要由通信模块和数据处理模块组成，上位机数据处理过程如下：由于本采样系统采用１０位肋转换器。所以每

一个电压值和电流值分别由２个字节（高字节和低字节）组成，

低字节为８位。高字节只有２位有效位。这样可以根据高字节

值是否大于３来判断采样值的正确性。如果高字节大于３，说明

模数转换有误，此时应抛弃当前值重新读取数据。由于单片机

传输给上位机的采样结果是以电流值和电压值间隔排列的，因

而在使用采样值之前必须先进行电流值和电压值的分离，即用

相应的数组把二者分别保存起来。为了便于运算，此时需要对

采集到的双字节信号值进行字节装配。即对高字节值乘以２５６

然后加上低字节值。由于ｌＯ位Ａ／Ｄ转换器的转换结果范嗣为

Ｏ—１０２４，所以这一区间所对应的转换电压为Ｏ～５Ｖ，根据这一规

律可以算出模数转换前信号的电压值，再根据信号电压值和传

感器的转换规律还原出电流和电压的瞬时值。

获得了电压和电流的即时值，其有效值以及有功功率和功

率因数可以根据公式（６）和（９）计算出来。计算后的结果分别用相

应的数组保存起来留待图形显示模块使用。

图３为对额定功率为２２００瓦的三相异步电机运行状态进

行的在线监测。从图中可以看出，在电机的加载和卸载过程中，

电机的电流和功率分别有明显的升降趋势，功率因数也发生了

相应的变化，而电压则保持恒定不变。实际上，由于电网电压的

一３０２—３６０元，年邮局订阅号：８２．９４６　万方数据匿亘蓝塑雯雯墅墅耍圈软件天地

凶素，电机的加载和卸载不会影响电机电压的变化。含的内容完全相等，则称规则ａ是匹配规则。

５结语

图３三相异步电机在线状态监测

５结束语

基于准同步采样原理的电参数在线监测系统具有硬件简

单，成本低廉，性能稳定，结果可靠等优点。经实际应用验证，该

系统还具有界面友好、功能丰富、操作简单等特点，是一种有较

高实用价值的电参数在线状态监测系统。

本文作者创新点：以准同步采样算法为理论基础，选择性价

比高的单片机和工控机实现电参数的测量与实时显示，成本

低，测量精度高，界面友好。现有文献中，或者使用同步采样算

法或者即使使用非同步采样算法，但却以价格高的ＤｓＰ和显示

功能有限的ＬＣＤ实现。

参考文献：

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【３】朱慧莲等．基于单片机的发动机冷却水温监测系统［Ｊ】．微计算

机信息．２００７．４—１：１６９—１７０．

［４】史采君．谐波监测中采样频率准同步采样算法［Ｊ】．河北电力学

院学报，２００６（２）．

作者简介：魏秋月（１９７２一）：女（汉族），陕西咸阳人，西安邮电学院

讲师，硕士，主要从事检测技术与计算机控制的研究。Ｂｉ唧ｐｈｙ：ＷｅｊＱｉｕ—ｙｕｅ（１９７２一），ｆｅｍａｌｅ（ＩｈｅＨａｎｎａｔｉｏｎａｌｉ—

ｔｙ），ＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＸｉＩｎ８ｔｉｔｕｔｅｏｆＰｏｓ【＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉ．

ｃａｔｉｏｎ，ｌｅｃｔｕｒｅｒ，Ｍａｓｔｅｒ，Ｍａｊｏｒ：ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ蛐ｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎ百一

ｎｅｅ—ｎｇ，（７１００６ｌ西安邮电学院信息与控制系）魏秋月