电力系统常用交流采样算法2013

第３５卷　２００７年ｌ２月　云南电力技术　ＹＵＮＮＡＮ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｖ０ｌ＿３５　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２００７　

交流采样及其测量装置校验方法的探讨　

苏丽萍　（云南电网公司大理供电局，云南大理６７１０００）　摘要：介绍了交流采样原理及其测量装置校验方法，通过分析探讨，进一步提高电力系统中应用的交流　采样测量装置现场校验水平，保证校验质量。　关键词：交流采样测量装置原理校验　中图分类号：ＴＭ９３文献标识码：Ｂ文章编号：１００６—７３４５（２００７）０６—００４４—０２　

１　前言　电力系统的模拟量数据采集系统主要应用于　微机保护和计算机监控系统，目前的数据采集方　式分为直流采样方式和交流采样方式。直流采样　方式测量精度直接受变送器的精度和稳定性影响；　系统组成环节多，使投资成本增加；动态响应速　度慢。对于快速变化的交流电压、电流及其有关　的电量，用直流采样方式已不能满足电力系统实　时性要求。而交流采样方式，通过直接交流采样　和数字信号处理测量和计算出来的数据，可靠性　和精度均较高。目前虽然交流采样算法特别是软　件算法较为复杂，对Ａ／Ｄ转换速度和ＣＰＵ运算　速度的要求较高，但是从发展眼光看，随着电子　技术的飞速发展，单片机、微型机处理速度Ａ／Ｄ　转换器的转换速度和ＣＰＵ运算能力的进一步提　高，为交流采样技术的应用创造了更好的条件。　２　交流采样的基本原理及算法　交流采样的原理是在一定规律下对具有工频　交流模拟量的瞬时值直接采样，用多个交流信号　瞬时值描述该交流信号波形，用一定的算法求得　被测量的有效值及其他有关参数。交流采样的测　量过程是将ＴＡ、ＴＶ送过来的交流电流和电压经　过变换后，进行采样保持，采样时间受离散时序　控制，控制采样间隔满足采样定理，采样后的离　散量经Ａ／Ｄ转换变成数字量，最后将数字量序列　进行复原和标度转换，得到原被测电量值。　收稿日期：２００７—０７—２０　４４　交流采样分为同步采样法、非同步采样法和　准同步采样法。　交流采样算法有快速算法和高精度算法。快　速算法精度差，常被继电保护系统所采用。高精　度算法一般较复杂或占用时间长，多用于离线测　试装置。由于变电站监控系统的主要功能是巡回　检测，按常规使用０．１级交流采样器的精度要求，　选用高精度的算法。　根据乃奎斯特的采样定理：在一般情况下，　对于一个具有有限频谱ｘ（ｆ）的连续信号Ｘ（ｔ）　进行采样，当采样频率为　＞２ｆＭ（　为截止频　率）时，由采样后得到的采样信号ｘＳ（ＮＴＳ）能　够不失真地恢复为原有连续信号Ｘ（ｔ）。若被测　信号的电压为ｕ（ｔ），则被测电压的有效值公　式为　厂　＿＝ｆ———一　Ｕ　√寺Ｊ。Ｕ２（ｃ）ｄｔ　式中Ｔ为信号周期。　离散化后，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，　那么　—可一　Ｕ　√　ｉ∑＝ｌ　ｕ：　式中ｕ．为一个周期内第ｉ点电压采样值，Ｎ　为一个周期采样点数。　同理可获得电流、有功功率和无功功率的离　

第十章 交流采样测量装置

交流采样测量装置是将工频电量量值电流、电压、频率经数据采集、转换、计算的各电量量值（电流、电压、有功功率、无功功率、频率、相位角和功率因数等）转变为数字量传送至本地或远端的装置。

交流采样测量装置是厂站自动化系统中的测量部分，它代替了传统的电测量指示仪表和变送器，在电力系统中的应用越来越广泛。

一、交流采样原理：

1. 交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的PT、CT隔离变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。直接计算U、I，然后计算P、Q、cosΦ、kWh、kvarh，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，效率高，相位失真小，适用于多参数测量。

2. 交流采样法：是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。是否采用交流采样法取决于两个条件：测量准确度和测量速度。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CPU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子化误差，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，如今的微型机、单片机处理速度大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比较好的高速A/D转换器，为交流采样法奠定了坚实的基础。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种，下面对此作简要介绍：

1）同步采样法是指采样时间间隔Ts与被测交流信号周期T及一个周期内采样点数N之间满足关系式T=N·Ts。N选取越大，越接近理想波形，但实时性差，计算量大。如考虑15次谐波能够再现，根据采样定理N至少30以上，一般选取32或64。同步采样法又被称作等间隔整周期采样或等周期均匀采样。同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测连续信号周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：一是硬件同步采样法；二是软件同步采样法。

８　Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　＆　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｎｏ．１　２０ｏ７　

Ｃ代码接口在频率变化时交流采样中的应用　

钱克昌，赵锦成　

（军械工程学院电力工程教研室，河北石家庄０５０００３）　

摘要：电力系统交流参数计算中常采用的算法是均方根法，但在信号频率变化时会　产生较大误差。分析了引起误差的原因，并在基于ＬａｂＶｌＥＷ的交流采样系统中，提出了改　进算法，并利用ＬａｂＶＩＥＷ下ｃ语言代码接口技术较好的解决了这个问题。　关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；均方根；ＣＩＮ　中图分类号：ＴＭ７４４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３４２５０一（２００７）０１－０００８－０５　

１　引言　较好的解决这一问题。　

ＬａｂＶＩＥＷ是目前国际上应用最广泛的虚拟仪　

器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、　

数据分析、数据显示等领域。与传统程序语言不同，　ＬａｂＶＩＥＷ采用强大的图形化语言编程，面向测试工　

程师而非专业程序员，编程方便。对于大多数编程　任务，ＬａｂＶＩＥＷ通常能产生高效的代码，特别是其　

自身集成了丰富而功能强大的数学工具，可以出色　的完成绝大多数的数据分析和处理，为用户的编程　提供了极大的方便。但ＬａｂＶＩＥＷ也存在不足之处，　

如不适于完成大量的数据处理的任务，不能实现系　统底层操作等。但ＬａｂＶＩＥＷ提供了外部接口功能，　

可以实现与各种应用软件，如，Ｃ语言、ＭＡＴＬＡＢ等　

编程语言之间的通信与连接。在ＬａｂＶＩＥＷ中可用　的外部接口包括ＤＤＥ、ＣＩＮ、ＭＡＴＬＡＢ、Ｓｃｒｉｐ等。合　

理使用这些接口，充分利用其它软件的功能，弥补　ＬａｂＶＩＥＷ自身的不足，可以编写功能更强大的Ｌａｂ—　

ＶＩＥＷ应用软件。Ｃ代码接口（Ｃｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｎｏｄｅ，　ＣＩＮ）技术是在ＬａｂＶＩＥＷ中调用Ｃ源代码的通用方　法。ＬａｂＶＩＥＷ通过与目前公认功能强大的Ｃ语言　

接口，可大大扩展其整体功能。　均方根法是目前电力系统交流采样参数计算中　

鲁东大学学报（自然科学版）　Ｌｕｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　２０１３，２９（４）：３０３—３０７　基于ＦＰＧＡ和ＣＰＣＩ总线的电力系统　交流采样板的设计　李峰　，周风余　（１．东方电子股份有限公司技术中心，山东烟台２６４０００；２．山东大学控制科学与工程学院，济南２５００００）　摘要：根据ＦＰＧＡ和ＣＰＣＩ总线的特点，介绍了一种基于ＦＰＧＡ和ＣＰＣＩ总线的电力系统交流采样板的设计．应　用高性能８路同步采样ＡＤ芯片ＡＤ７６０６进行数据采集，ＦＰＧＡ进行数据处理，简化了上层软件的运算量及底　层电路布线的难度，采用ＣＰＣＩ总线进行并行传输，提高了系统的实时性．该设计为实现交流量采集提供了一　套可靠的解决方案．　关键词：交流采样；滤波；ＦＰＧＡ；ＡＤ７６０６；ＣＰＣＩ　中图分类号：ＴＰ２７４　．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—８０２０（２０１３）０４—０３０３—０５　在实时信号处理系统中，不但要求信号处理　系统能对大量数据进行实时处理，以保证系统的　实时性，还对系统的功耗、体积、稳定性也有较严　格的要求．同时，为了使信号处理系统具有较好的　通用性，设计一般采用基于标准总线的通用信号　处理系统．紧凑外围部件互连（ＣＰＣＩ）总线作为一　种新兴的工业总线，采用了ＰＣＩ总线的电气特性　及ＶＭＥ总线的物理特性，集中了二者的优点，正　在不断地推广应用…，ＣＰＣＩ总线接口具有开放、　通用及易实现的特点，在实时信号处理系统需要　把处理后的结果传送到主控板或从主控板接收参　数设置的场合下应用比较多．　在高速实时信号处理领域，高速并行的架构　越来越受到人们的重视．随着大规模集成电路的　发展，目前现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的容量已　跨越千万门级，成为解决信号处理领域可重构系　统的理想解决方案之一．如目前应用Ａｈｅｒａ公司　的Ｃｙｃｌｏｎｅ一３及４系列ＦＰＧＡ，除了具有丰富的片　内存储及逻辑资源外，能实现超高带宽的系统芯　片设计外，还集成支持ＬＶＤＳ，ＬＶＰＥＣＬ等多种差　分标准的输入输出接口．　本文在简述ＣＰＣＩ总线和ＦＰＧＡ的基础上，详　细介绍了使用ＦＰＧＡ设计ＣＰＣＩ局部端接口的方　法，同时介绍了ＦＰＧＡ与ＡＤ７６０６的接口设计．　１　交流采样板的总体设计　交流采样板通过ＡＤ７６０６＿２　实时同步采样　３路电压、３路电流．其中电压、电流均为二次电　流、电压互感器输出的标准３．５３Ｖ信号，经保护　滤波电路进入ＡＤ７６０６进行同步采样；ＦＰＧＡ通过　内部逻辑编程实现对ＡＤ７６０６的控制及数据通　讯，ＦＰＧＡ采用Ａｌｔｅｒａ的Ｃｙｃｌｏｎｅ４系列的ＥＰ４ＣＥ６　进行设计．ＦＰＧＡ每秒采集４０００点并实时更新存　储区，通过ＣＰＣＩ总线向主控板发中断，主控板响　应中断并实时采集数据．交流采样板总体框图如　图１所示．　ｕＡ滤波电路卜一　－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－一　ＵＢ滤波电路卜　＿－．－－－—－－．．．－－－－＿－．．．．－．．．．－．．一　ｕｃ滤波电路　一　ＣＰＣｌ　ＡＤ７６０６　ＥＰ４ＣＥ６　ＰＣＩ９Ｏ５４　总线　ＩＡ滤波电路　一　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　ＩＢ滤波电路卜＿．　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿Ｊ　ＩＣ滤波电路卜＿．　图１　交流采样板总体框图　１．１　ＣＰＣＩ总线接口设计　目前ＣＰＣＩ总线的设计一般采用两种方案，　收稿Ｅｌ期：２０１３．０６—２８；修回１３期：２０１３．０９—２５　作者简介：李峰（１９８１一），男，山东沂水人。工程师，硕士，从事电力自动化系统开发与ＥＭＣ测试。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉ￣ｎｇ１２５５２１＠１２６．ｃｏｒｎ。　通讯作者：周风余（１９６９一），男，山东沂南人。教授，博士研究生导师，博士，从事机器人及计算机控制系统等方面的研究。Ｅ．ｍａｉｌ　ｚｈｏｕｆｅｎｇｙｕ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ａｎ。