数字化测量工频电参数

徐二当 闫立勇

【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。直流采样法，即采样的是经过整流后的直流量。采用直流采样法测量电压、电流时，均是通过测量平均值来测量电参量的有效值。此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响、整流电路参数调整困难、而且受波形因数的影响较大等。交流采样法是按一定的规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法来求得被测量。是否采用交流采样法取决于两个条件：测量的准确度和测量的速度。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化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。

交流采样法又分为准同步采样法和同步采样法。准同步采样：采样周期不要求与信号周期同步，不需要同步环节，但它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其计算量远大于同步采样。因此，在目前以CPLD控制的高速数据采集系统的测量中广泛采用同步采样。同步采样法是指采样时间间隔TS与被测信号周期T及一个周期内的采样点数N之间满足关系式电压、电流信号在一个工频周期内，经过采样和摸数转换后，转化为离散的数字信号，以上两式就可离散转化为：

上式中的U（n）和i（n）分别是电压、电流离散采样的序列值。只要能够实现整周期的同步采样，同时有足够的模数转换精度，上式在理论上可达到较高的计算精度。

当电压和电流信号经过离散化后，有功功率可表示为：

式中u（n）为离散化的电压值；i（n）为离散的电流值；n为转换次数；工频周期T（20ms）/转换器的转换时间为 N=20ms/0.025ms。

（2）基于CPLD控制的高速数据采集。

高速数据采集是基于CPLD控制的系统，除了采用高速A/D转换器、高速存储器等高速器件之外，还要解决如何高速寻址、如何控制总线逻辑、如何进行高速存储以及单片机如何读取数据等问题。数据采集单元如果不带存储芯片，A/D芯片每转换出一个值，数据采集单元就要和单片机通讯一次，以便将数据送入单片机系统存储器，那么速率很低。（见图1）

当然，为使此系统能有效工作，并充分发挥它的采集速度，还需要好的驱动程序和应用系统程序来有效处理传输过来的数据，这样才会使整个测控系统达到最优效果。在需要采集多路模拟信号、数字信号的单片机测控系统中，利用CPLD芯片可以很好地将逻辑控制、数据信号处理等功能集于一身，从而有效提高系统的可靠性并降低系统实现成本。此外，利用功能强大的仿真软件工具，可以快速高效地完成CPLD的各种逻辑功能设计。

4.应用单片机技术，实现工频电参数的数据运算处理和控制

数据的采集、处理和控制都能够由单片机统一指挥下来完成，从而给电参数的检测提供了有力的硬件支持。单片机实现工频电参数的数据运算处理和控制时，信号采样模块按事先确定的采样间隔对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换后存入数据存储器，等采样完预先确定的采样点数后采样过程结束，单片机对采样值进行数据处理。根据电参数定义中的算法，计算出电流、电压有效值，相位角、功率因数等参数，处理结果可以在数码管上显示，也可以通过液晶显示器显示。

单片机检测系统软件主要由三部分组成：监控主程序、命令处理程序和中断处理程序。监控主程序主要完成器件与参数的初始化、系统自检以及根据输入在各命令处理子程序（即功能模块）之间切换。主监控程序：程序首先自检，之后对数码模块进行显示功能初始化设置；对单片机内部的特殊功能寄存器进行设置：对中断进行初始化设置；内存中功能状态标志区设置为电参数测量状态。

5.结论

工频电参数检测系统用做电量监测、管理及计量的依据，与工农业生产和人民的生活密切相关。本文通过对主要电参数测试的研究，根据基于CPLD高速数据采集、单片机的数据处理运算和控制原理，讨论了本系统的各个组成部分功能。并对本系统的测量部分、显示部分等进行了软件设计说明，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1] 周严.数字化测量技术.北京：北京理工大学出版社，2011.

[2] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[3] 徐志军 徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用.北京：电子工业出版社，2002.

作者简介：

徐二当（1978-），男，工学学士，维修电工高级技师，秦皇岛技师学院教师。主要从事职业教育和电气自动化控制技术研究。

闫立勇（1979-），男，工学学士，秦皇岛技师学院招生就业处副处长。主要从事电气教育技术和职业教育研究。