交流采樣裝置的構成原理和實現

摘要：隨著電力系統的快速發展，交流采樣測量裝置的使用已越來越普及，交流采用測量裝置作為電網電測量參數的在線測量儀器，具有較好的準確度和穩定度。本文首先分析了交流采樣與直流采樣的異同，然后重點介紹了交流采樣的構成原理和實現，最后提出了一些在交流采樣實現中的難點。

關鍵詞：交流采樣 測量裝置 原理 實現

在目前的電力系統應用中，電量數據采集的方法根據采集信號的不同可以被分成兩種，一種是直流采樣，另一種是交流采樣。隨著交流數字技術的完善與成熟及電力建設的飛速發展，在發供電企業的新建、擴建及改造過程中，以新技術為特征的交流采樣測量裝置已得到全面普及。

1 交流采樣與直流采樣比較

直流采樣，它的采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經過PT、CT（或者通過硬件電路變換）變小后，經過整流、濾波，得到對應電量的平均值，送入變送器單元，轉化為（0—5）V＼（0—10）V的直流電壓或（4—20）mA的直流電流，再由各種裝置和儀表采集，其示意圖見圖1。這種方法的好處是不經過采樣裝置處理，但是它的測量結果存在誤差，設備復雜，維護難等。所以，要獲得高精度、高穩定性的測量結果，必須采用交流采樣技術。

交流采樣是將二次側的電壓、電流經高精度的CT、PT變換，變成微處理器可測量的交流小信號，然后利用微處理器的高速，選擇一系列的時間點，對這些時間點的瞬時信號進行A/D轉換后，送入微處理器進行處理，得到測量值，其示意圖見圖2。測量得到的值為直接數字信號，可以直接傳輸給主控室的電腦顯示，也可傳送給遠處的監控系統，供遠方巡視用。由于交流采樣是對被測量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件替代硬件的功能又使硬件的投入大大減小。另外，由于它內嵌了微處理器，使得它與主控制之間的雙向通信成為可能，并且可以接收、發出或執行控制命令。因而采用了交流采樣的裝置往往稱為測控裝置，其作用已不再僅僅局限于測量了。實踐證明，采用交流采樣方法進行數據采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著較好的準確度和穩定性。

2 交流采樣算法簡介

由于交流采樣采集的是瞬時值，要得到電量的有效值，必須采取一定的算法，這里主要涉及到的是離散化算法。

3 交流采樣裝置的構成原理

3.1 交流采樣裝置的主要構成 在變電站綜合自動化系統中，交流采樣裝置一般由計算機為核心的硬件構成。它由中間電壓互感器、中間電流互感器、多路模擬開關、采樣/保持器、A/D轉換器、計算機以及頻率跟蹤等電路組成。與交流采樣相關的軟件主要包括兩個部分：一是交流信號的采樣控制軟件；二是交流采樣數據的處理軟件。

3.2 交流采樣裝置的基本原理 交流采樣法是按一定規律對被測交流信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數學算法求得被測量，用軟件功能代替硬件的計算功能。它是用一條階梯曲線代替一條光滑被測正弦信號，其原理誤差主要有2項：①用時間上離散的數據近似代替時間上連續的數據所產生的誤差，這主要是由每個正弦信號周期中的采樣點數決定的，實際上它取決于A/D轉換器轉換速度和CPU的處理時間；②將連續的電壓和電流進行量化而產生的量子化誤差，這主要取決于A/D轉換器的位數。

4 交流采樣的實現

由于微電子技術的發展，智能高速CPU不斷出現，交流采樣的實現越來越容易，其實現的硬件原理圖如圖4所示。

圖4中前置電路包括高精度的PT、CT變換以及電流/電壓轉換，它完成將二次側信號轉化為（-2.5-+2.5）V小信號的功能，并送入選擇電路；微處理器根據現場接線情況（單相、三相三線、三相四線），發出控制信號，控制選擇電路，選擇需要采集的電壓電流量，送入信號調理電路；在信號調理電路中，給所有的雙邊交流小信號疊加一個2.5V的直流分量，轉換為0-5V 的單邊信號，送采樣保持電路和A/D轉換電路；微處理器控制采樣保持電路，先打開采樣，然后同時關閉所有采樣并鎖存，使得所有的采樣值是處于同一個瞬間，即可以保持同步。

在交流采樣中，知道交流信號的周期T是非常必要的，完成這個功能靠的是過零比較電路。當過零比較電路檢測到交流信號過零點時，發出一個脈沖，啟動微處理器的定時器開始計時；當再次檢測到過零信號時，又發出一個脈沖，停止微處理器的定時器的計時。兩次時間之差的兩倍即為交流信號的周期T。得到了周期T，即可得出頻率f=1/T。

5 交流采樣實現中的難點

在交流采樣中，設T為交流信號的周期，N為一個周期的采樣點數，Ts為相鄰兩次采樣時間間隔，則要真實準確的采樣，必須滿足T=N×Ts，也就是存在一個采樣頻率與交流信號頻率同步的問題。

眾所周知，電網頻率不是固定不變的，而是在50Hz（或60Hz）上下波動的，電網中越來越多的非線性設備的投入用，使得電壓、電流波形發生畸變，產生了大量的高次諧波，這些都會影響采樣的交流信號的頻率。而由于硬件條件的限制，微處理器能處理的最小時間單位是一定的，定時器的分辨率有限，這就有可能導致由定時器給出的采樣周期與理論上的計數周期之間存在截斷誤差。如果存在采樣頻率與信號頻率不同步的情況，而不加以改進，則隨著時間的推移，實際采樣點有可能嚴重偏離理論采樣點，帶來誤差的結果。

實現交流同步采樣可以采用軟件或硬件的方法。軟件處理方法簡單，不用另外添加硬件器件，節省成本和設備體積，最常見最簡單的一種方法是：當過零比較電路監測到交流信號過零點時，開始采樣；采完一個周期的N個點后，停止采樣，等待下一個過零點的到來；下一個過零點到來時，又開始采樣如此周而復始，即可以保證一個交流信號周期采樣N次，并且每個周期的采樣開始時間同步。這種方法適合于交流信號頻率變化不大的場合。當交流信號頻率變化稍大時，第（k+1）次采樣時間與理論采樣時間可能相差甚遠，帶來誤差甚至錯誤的結果。

硬件方法處理同步最常見的是采用鎖相環。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環。由鎖相環控制采樣的定時和速率，從而達到同步采樣的目的。

6 結束語

電力參數監測的交流采樣方法由于比直流采樣更高的精度和更高的穩定性，且具有更大的擴展空間，適應未來數字化的發展趨勢，因而得到了廣泛的應用。可以想象，隨著電子技術、數字技術、網絡技術的發展，交流采樣必然取代直流采樣，在電力自動化系統中發揮重要的作用。

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作者簡介：李萍（1960-），女，山東煙臺人，工程師，研究方向：計量。