同步交流采样的数值算法
数字化测量工频电参数
数字化测量工频电参数【摘要】文中论述了应用数字化测量技术，选用单片机和基于cpld控制的高速数据采集新技术对工频电参数检测的原理和方法进行了系统分析论证，可以实时、准确地检测出电流、电压、功率等电参数。
【关键词】采样技术；高速数据采集；检测方法1.引言工频检测就是测量电网中电压、电流、频率、相位等参数，它在电力系统中起着非常重要的作用。
早期电气参量测试仪器仪表的功能都比较单一、精度不高，对电网中的各次谐波无法进行分析。
这样，给测试和分析带来了困难，各项测试结果之间的可比性难以实现。
随着大规模集成电路和微型计算机的发展和应用，尤其是数字化采样技术的应用，使得电参数检测向高精度、快速性、系统智能化方向发展。
研究电参数测试首先须研究各种电参数的定义原理，然后考虑采用的检测手段。
2.了解工频电参数定义原理，掌握主要检测对象在工频电中，电压、电流有效值和有功功率三个电参数是基础，其他电参数均可通过这三个参数运算求得。
（1）周期交流电流有效值的定义根据电工理论基础可知，电流有效值是指在一个周期内，交流电流通过某纯电阻负载所产生的热量与一个直流电流在同一个纯电阻负载上产生的热量相等时，该直流电流的数值就是交流电流的有效值。
根据焦尔一楞次定律，对于交流电，如果通过电阻r的电流是i（t），则它可在一个周期的时间t内的发热量为：对于直流电，在同一周期内，如果通过电阻r的电流是i，则它在一个周期时间t内的发热量为：如果交流电流与直流电流的发热量相等，即q’= q就可得到交流电电流有效值表达式为：（3）平均功率（有功功率）的定义。
平均功率通常指交流电路的瞬时功率在一个周期内的平均值，即交流电压u（t）和交流电流i（t）瞬时值之积在一个周期内的平均值，据此计算则单相有功功率为：设则可得：式中为电压和电流的相位差。
3.研究采样法，制定基于cpld控制的高速数据采集方法（1）采样法的研究。
采样计算方法主要有两种：一种是直流采样法，另一种是交流采样法。
交流采样技术及其DSP实现方法
交流采样技术及其DSP实现方法摘要：本文提出了对电力系统参数进行交流采样的设计思想，结合实例介绍以TMS320C240DSP与高速14位A/D转换器AD7863构成的数据采集系统，给出了采样算法、硬件电路及软件流程等。
关键词：交流采样 DSP 锁相环1．引言目前，交流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。
直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。
但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。
因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术。
交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。
该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。
目前，高速单片机、DSP及高速A/D转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。
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，本文介绍的是同步采样法。
同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期T与采样时间间隔Δt及一周内采样点数N之间满足关系式T=N·Δt，即：采样频率为被测信号频率的N倍。
根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。
硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。
它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。
利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图1所示。
图1 倍频锁相同步电路在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环内加入N 分频器，输入f i为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出f0 为采样频率。
交流采样测量装置
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。
电气自动化装置重点习题
第1章习题1-1 （1）设12位A/D 转换器，最高位是符号位，其余11位是数值位，若其满量程对应一次系统交流电压500kV 。
试求对于一次系统电压的A/D 转换分辨率、最大量化误差和标度变换系数。
（2）若改用8位A/D 转换器，最高位是符号位，重求（1）。
1-2 对工频正弦电压信号2sin(100/2)V u t ππ=+，叠加直流偏置电压3V 后进行等周期采样，每周期采样点数12N =。
（1）试写出瞬时采样值序列01111213,,,,,u u u u u ；（2）分别基于0111,,,u u u 和1212,,u u u 采用傅立叶算法求该正弦电压的幅值和相位。
2-1同步发电机准同期并列的允许频差，通常可取0.2%-0.5%，试计算相应的脉动周期。
若发电机断路器的合闸时间为0.4秒，求所对应的越前相角的变化范围。
2-2某发电机-变压器组采用自动准同期并列方式与系统进行并列。
在基准容量100MVA 下，系统的等值电抗标幺值为0.25xx=；发电机的额定容量为50MVA ，次暂态电抗"0.1dx =，"0.125q x =；升压变压器的额定容量为55MVA ，短路电压为10%；；断路器合闸时间0.5s QFt=，其最大可能误差时间为20%±QFt；自动并列装置动作时间0.03s ct=最大误差时间为0s ±。
发电机的冲击电流允许值为"1.12im e i I =。
试计算合闸越前时间，允许合闸电压差，允许滑差角频率及脉动电压周期。
自由习题2-3、有一台发电机采用自动准同期方式与系统并列，已知有关参数如下：X q "=0.125，X L =0.25，E q "=1.05，断路器合闸时间为0.5S ，它的最大可能误差为±20%，自动并列装置最大误差时间为±0.05S ，允许电流幅值取为i s.m "=1.414I n ，求：最大允许合闸误差角δa.e ，允许滑差角频率ω∑∙m 和相应的脉动电压周期T S 。
基于STC12C5A32AD三相交流电压表的设计
三相交流电压表学院：电气与控制工程学院专业班级：测控0802班，测控0803班姓名：江文涛，郭利刚，铁拓指导老师：王党树，彭倩日期：2012年3月13日三相交流电压表设计在发电厂、工矿、企业，经常要监测供电状况，所供的电压通常在几百伏，必须设计一种仪表来测量这种电压，因此诞生了三相交流电压表。
一、实验要求：1．设计方案中能用软件完成的尽量用软件实现，这样可以减少产片的成本，也减少硬件的一些干扰。
2.本实验采用STC12C5A32AD单片机，由实验提供了该单片机的最小系统的原件，线路板，在该线路板上扩展了部分功能，另外，实验室统一提供了显示路板，在该板子上有四个按键，三组四位一体数码管，采用74h595，扩展进行动态扫描显示。
不过，在这里我们用到的是LCD1602显示。
3. 系统以STC51单片机最小系统为基础，在此基础上叫外围电路，由于单片机内部集成了A/D转换通道，因此将模拟电压输出通道与单片机的A/D输出通道直接相连，通过显示电路将得到的数据显示出来，并对A相电压进行4-20mA 的变送输出。
系统主要由单片机处理模块、键盘输入模块、被测电压输入模块、显示模块、电源及复位模块等组成。
4.设计时分工进行，未提供原理图的设计自己必须画出原理图。
二、测量原理：由于被测量的信号为交流信号，且信号幅度比较大，必须把这种大的信号变成小信号进行采样，根据采样的信号不同可以分为直流采样和交流采样两种。
直流采样，顾名思义，采样对象为直流信号。
它是把交流电压电流信号经过各种转化为直流电压，再有MCU采集。
此方法软件设计简单，对采集值只做一次比例变换即可得到被测量的数值。
但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响比较大，此外用直流采样法测量工频电压，电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算带来误差。
基于DSP交流采样电路设计与实现_高瑜
Abstract： This paper presents a three － phase ac sampling method based on TMS320F2812DSP，gives the system hardware circuit of prior to channel and the software programming flowchart． Through processing the conversion results ，it can measure the numerical of RMS，power and so on，the results can be used in relay protection，fault wave record etc，ensuring detection accuracy also reducing the complexity of the hardware． Key words： DSP，alternating current sampling，current signal
参考文献
［1］贺 家 李． 电 力 系 统 继 电 保 护 原 理［M］． 北 京： 中 国 电 力 出 版 社，2000．
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空航天大学出版社，2007． ［4］李全利，王振春． 一种基于 DSP 的三相交流采样技术［J］． 自动化
相交流采样应用方法。通过对硬件电路的设计和软 件的编程，完成了对电网电压和电流的采集和数据处 理，并能够模拟继电保护跳闸和显示系统实时显示输 入电压。实践 证 明，采 用 交 流 采 样 算 法 方 法 进 行 数 据采集，能够 获 得 的 电 压、电 流 等 电 参 数，有 较 好 的 精度和稳定性，具有一定的应用价值。
利用AD7616的V型采样实现准同步数据采集
利用AD7616的V型采样实现准同步数据采集DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.0181 AD7616 简介AD7616是ADI公司推出的一款16位16通道数据采集系统(DAS，同一封装内集成了两个16位逐次逼近寄存器型(SAR 模数转换器(ADC，支持对16个通道进行双路同步采样。
AD7616 的模拟输入端为真双极性输入，每个通道的量程可独立设置，有±10 V、±5V 或±2.5 V 供选择，同时输入端具有± 20V 的箝位(CLAMP保护，而且片内集成有抗混叠模拟滤波器。
AD7616采用+5 V单电源供电，拥有IMsps的采样速率并达到90dB的信噪比(SNR，输入阻抗与采样速率无关，恒定为1M Q,因此无需外部的驱动电路及双极性电源。
AD7616通过HW_RNGSEL[10]管脚进行选择，工作在硬件模式或软件模式。
硬件模式下，AD7616由引脚进行配置。
软件模式下，AD7616支持并口或串口对内部的寄存器及灵活的序列器(Flexible Seque ncer )进行配置，以获得更多的功能。
AD7616 的内部框图如图 1 所示。
2 多通道准同步采样电力系统保护与测控的应用中，需要实时监测电网中多相的电压和电流信号。
为了满足各种标准的精度要求，传统的设计中通常都是对多路信号进行同步采样，因此一般选用多通道同步采样型的ADC例如AD7865 AD7656-1, AD7606等都是典型的应用选择。
在某些需要低成本但精度要求不高的应用中，工程师尝试采用一种“ MUX模拟开关+单通道ADC的设计方案，如图2所示，利用模拟开关切换输入通道，用单通道ADC循环对输入信号进行采样。
由于多通道信号的非同步采样，采样点的间隔时间会导致通道间采样的延迟，并由此带来一定的相位误差或相位失配，误差的大小与多个因素相关，取决于输入信号的频率、幅值、采样时刻信号的相位等。
电力调度自动化SCADA技术
介
以
介
介
绍
及
绍
绍
第
2
自
一
电
电
动
些
量
力
化
算
参
调
数
法
数
度
据
设
采
自
采
计
集
动
集
；
过
化
和
程
系
监
中
统
控
的
的
系
信
总
章
统
号
体
(SCADA)
变
结
换
构
原
；
理
， 。
技术 电力 本章主要内容：
调
度
自
动
化
2.1电力调度自动化系统结构
结构包括远动终端（RTU) 、调度中心主站（MS) 和信息传输通道。
01
远动终端（RTU）—采集信息和执行命令
01
交流采样算法特点：通过 交流采样计算出来
03
交流采样算法特别是软件算法 较为复杂, 对A /D
05
从发展眼光看, 随着电子技术 的飞速发展,
07
度的进一步提高, 为交流采样 技术的应用创造了
02
的数据, 可靠性和精度均较高， 硬件投资小。但
04
转换速度和CPU运算速度的要 求较高。
06
单片机、微型机处理速度和 A/D转换器的转换速
一般电压输出范围：0～5V，0～10V
○ 作用：将普通电信号转换为标准电信号输出，与A/D转换器输入信号相匹配。 1. 直流采样方式特点：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
3--数据采样法
N
计算坐标增量 ΔX = -KY - K1X / 2； ΔY = KX - K1Y / 2； 计算动点坐标 X = X + ΔX ；Y = Y + ΔY N 终点 Y 结束
插补计算
●
插补计算和位置控制计算 位置控制周期TC 插补周期TS
位置控制计算 位置控制周期TC
二、插补周期与插补精度、进给速度之间的关系 在数据采样法直线插补过程中，给定轮廓本身就是直线，因此插补分 割后的微小直线段与给定直线在理论上是重合的，不存在插补误差问题。 在数据采样法圆弧插补过程中，一般采用内接弦线、切线或割线来逼 近圆弧，下面以弦线逼近法为例来进行分析。 最大经向误差
最后可得下一个动点Ni的坐标值
L X X X X Xe i 1 i i 1 i L L Y Y Y Y Y i i 1 i i 1 e L
L Xe Y e
2
2
K
L FT S L L
（二）实现方法 数据采样法插补直线的计算步骤如下。 ① 插补准备 完成一些插补常量（ Δ L、L、K）的计算。 此项工作是为插补循环做准备，对于每段零件 轮廓仅执行一次。 ② 插补计算 完成一个插补周期所对应的坐标增量Δ Xi、 Δ Yi 以及动点坐标值(Xi,Yi)的计算。在每一个 插补周期中，都需要执行一次该部分的计算。 数据采样法插补计算的特点： 插补计算时所使用的起始点坐标、终点坐 标和动点坐标均为带有符号的代数值。这些坐 标值也不一定要转换成以脉冲当量为单位的整 数值。数据采样法所涉及到的坐标值都是带有 正、负符号的实际坐标值。
交流采样原理实现和现场检定注意事项
交流采样原理实现和现场检定注意事项作者：孙福兴来源：《科技创新与应用》2017年第03期摘要：现在交流采样远动设备已经在全国电力调度系统中得到了广泛应用，对于设备运行维护、设备运前验收等工作提供了帮助，远动采集数据的可靠性、精确性得到了切实保证，为全国各地区电网运行相关工作提供了服务和帮助。
文章主要结合笔者工作经验，从不同角度针对交流采样原理实现及现场检定的相关问题进行了分析和论述，希望可以为同行的研究提供一些帮助。
关键词：交流采样原理；实现；现场检定；注意事项当前电力系统发展速度非常快，随着全国电网容量的快速扩大，整体电力系统结构都变得极为复杂，这种形势下必须探索出实时监控的技术，实现自动化监控及调节，这一点对于电力系统相关工作的顺利展开非常重要，而数据采集作为实时监控工作中的关键所在，更是引起了越来越多人的关注。
当前全国范围之内都开始应用远动设备加交流采样的方式，为了加强各项采样工作的精细化管理，保证远动采集数据的可靠性与准确性，更好的为地区经济服务，有必要加强对交流采样装置的定期维护与检定。
1 交流采样原理概述应用交流采样法时，需要严格遵循一些规定与要求采集被测信号的瞬时值，在此基础上选择相应数值算法进行计算，这种采样法和直流采样法有明显的不同，它可以利用软件的部分功能来代替原来的硬件功能。
测量的速度与准确度直接决定了是否需要应用交流采样法，实际上交流采样法之所以会造成误差的出现，主要原因有两方面，其一，应用这种采样法需要利用时间上离散的数据近似替代时间连续数据从而造成误差的出现，具体来说误差的出现主要由正弦信号周期中不同采样点数造成的，其二，A/D转换器位数直接决定了连续电压与电流量化可能会产生量子化误差。
近年来信息技术水平快速提高，同时单片机、微型机的处理速度已经非常高，高速A/D转换器的种类非常多，且性价比非常好，这无疑为交流采样法的应用奠定了重要基础。
2 交流采样法原理的实现2.1 微机交流采样微机监测电量和传统测量仪表方法相比精度更高、功能性更强，而且维护非常方便，总体来看花费成本比较低，所以近年来的应用范围比较广。