摘 要: 分析了準(zhǔn)同步采樣法的基本工作原理,研究了為了減少編程計(jì)算量的準(zhǔn)同步簡(jiǎn)化算法,以及為了提高準(zhǔn)同步采樣法準(zhǔn)確度的變頻率采樣法。最后,把準(zhǔn)同步采樣法應(yīng)用到三相多功能電度表中,實(shí)現(xiàn)了0.2S精度的三相多功能電度表的設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,該表具有精度高、功能齊全及性能可靠等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 電能表;DSP;準(zhǔn)同步采樣;0.2S精度
近年來(lái)隨著各種大功率整流、換流設(shè)備以及電弧爐等非線性負(fù)荷的日益增多,造成供電系統(tǒng)電壓、電流波形不同程度畸變,產(chǎn)生了大量的諧波負(fù)荷、沖擊負(fù)荷和低負(fù)荷負(fù)載等各種復(fù)雜負(fù)荷。這些復(fù)雜負(fù)荷不僅對(duì)供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成威脅、造成危害,而且也對(duì)電能計(jì)量裝置產(chǎn)生很大的影響。深入研究諧波負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)電能計(jì)量的影響,研發(fā)出一款帶有諧波電能計(jì)量的電能表,具有十分重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。同步采樣是目前使用微處理器的電能測(cè)量裝置中普遍采用的采樣方法,它的優(yōu)點(diǎn)是在滿足一定的采樣要求時(shí),理論上沒(méi)有測(cè)量方法誤差。但是,嚴(yán)格的同步采樣在實(shí)際應(yīng)用中極難實(shí)現(xiàn),尤其是固定采樣頻率下,測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)基本上不可能做到同步采樣。此時(shí)存在非同步誤差,且成為測(cè)量系統(tǒng)的主要誤差。減小非同步誤差的方法可分為硬件法和軟件法。第一類方法從硬件上來(lái)實(shí)現(xiàn),從目的上來(lái)分析是為了盡量減小失步度,即滿足采樣周期和信號(hào)周期同步,但這類方法的硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,同時(shí),受系統(tǒng)的時(shí)鐘影響,存在截?cái)嗾`差。第二類方法是在非同步采樣的前提下,即無(wú)法達(dá)到同步采樣的前提下采用的軟件分析方法,即準(zhǔn)同步采樣方法。
準(zhǔn)同步采樣方法的最大特點(diǎn)是去掉了同步采樣中的同步環(huán)節(jié),在采樣過(guò)程中,利用增加每周期的采樣點(diǎn)和增加采樣周期,采用新的數(shù)據(jù)處理方法,即通過(guò)數(shù)值積分公式進(jìn)行迭加運(yùn)算,可以獲得對(duì)采樣信號(hào)平均值的高準(zhǔn)確度估計(jì),達(dá)到消除同步誤差的目的。采用該方法降低了對(duì)硬件的要求,在低頻的情況下,可以得到很好的結(jié)果。
1 準(zhǔn)同步采樣算法
1.1 準(zhǔn)同步采樣法的基本原理
測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)如平均值、有效值和功率可看作是進(jìn)行一種積分運(yùn)算。例如:
根據(jù)式(7)~(10)則可完成電表電參數(shù)的計(jì)算。
(2)減少準(zhǔn)同步采樣法誤差的方法——變頻采樣法
根據(jù)準(zhǔn)同步采樣的誤差理論分析,以及計(jì)算機(jī)仿真表明,準(zhǔn)同步采樣的誤差產(chǎn)生與頻率偏差Δf相關(guān)。Δf 越大,誤差越大。表1給出了頻率偏差與信號(hào)有效值的準(zhǔn)確度關(guān)系。
減少誤差最直接方法是改變根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)改變采樣頻率,即變頻采樣法。它是在測(cè)量過(guò)程中,根據(jù)信號(hào)的頻率值,改變采樣頻率,使信號(hào)頻率與采樣頻率的偏差最小。具體實(shí)現(xiàn)方法有多種,本文采用方法是:首先采用一個(gè)采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,根據(jù)準(zhǔn)同步采樣算法,計(jì)算出信號(hào)的有效值、諧波等,再計(jì)算出信號(hào)的頻率。其次,根據(jù)這個(gè)頻率去設(shè)置系統(tǒng)的采樣頻率。具體計(jì)算過(guò)程如下:
對(duì)于一個(gè)正弦波,它的頻率等于兩點(diǎn)的相位差除以這兩點(diǎn)之間的時(shí)間差。時(shí)間差是由采樣頻率決定的。相位差可以通過(guò)諧波分析中得到。如果從t0時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行諧波分析,求出此時(shí)刻的相位Ψ1;同樣,如果從t1時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行諧波分析,求出此時(shí)刻的相位Ψ2。根據(jù)這兩個(gè)相位差,可以根據(jù)式(11)準(zhǔn)確地求出信號(hào)的頻率:
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
三相多功能電度表的工作原理是,首先對(duì)電網(wǎng)的三相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,電壓經(jīng)過(guò)分壓電阻,電流經(jīng)過(guò)高精度電流互感器,把大信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào),然后通過(guò)一個(gè)抗混疊濾波器,調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行A/D采樣,通過(guò)串行通信口,DSP接收到采樣數(shù)據(jù)。DSP實(shí)時(shí)處理采樣數(shù)據(jù),計(jì)算出電壓和電流有效值,有功和無(wú)功功率,累積電量,電網(wǎng)頻率及功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)。采用高精度算法對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行諧波成分分析,得到各次諧波分量有效值、頻率和相位信息,利用這些信息,計(jì)算出各次諧波功率及諧波電能。計(jì)算結(jié)果通過(guò)LCD面板顯示,同時(shí)也能與外部進(jìn)行通信,系統(tǒng)提供電能脈沖輸出,方便校表。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.1 多功能電度表基本結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)參考市場(chǎng)上已有的成熟電能表硬件構(gòu)成方案,分為3塊工作電路板。DSP系統(tǒng)所在模塊按4層板設(shè)計(jì),便于布線和提高抗干擾能力,另兩塊是雙層PCB,如圖3所示。
各個(gè)模塊功能簡(jiǎn)介如下:
(1)信號(hào)調(diào)理和A/D采樣
電壓經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)按比例分壓,電流經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換為小電流,同時(shí)起到強(qiáng)弱電隔離的作用,電流互感器內(nèi)部有一個(gè)電流感應(yīng)型互感線圈,當(dāng)原方輸入一定的交流電流時(shí),在副方就會(huì)有電流輸出。如果輸入在額定范圍之內(nèi),輸出值和輸入值是成線性關(guān)系的,它們的比值由原、副方的匝數(shù)比決定。
采樣電路采用交流采樣,采樣芯片為16 bit的AD73360,支持6通道同步轉(zhuǎn)換,無(wú)同步誤差。同時(shí)AD73360使用了過(guò)采樣技術(shù)(Oversampling),前端的信號(hào)通道只需要使用簡(jiǎn)單的一階低通濾波器即可消除混疊效應(yīng)。
(2)處理器模塊
本項(xiàng)目采用ADI公司的Blackfin531 16 bit定點(diǎn)芯片,其最高處理能力可達(dá)800 MIPS。BF531處理器用于高速數(shù)字信號(hào)處理,將完成所有的電能計(jì)量和諧波分析。為了滿足電能表實(shí)時(shí)性高、功能較多、程序量以及數(shù)據(jù)量大的要求,本項(xiàng)目為BF531配置了SDRAM芯片IS42S16400,IS42S16400是ISSI公司的同步存儲(chǔ)器,容量達(dá)64 MB,16 bit寬訪問(wèn),時(shí)鐘頻率最高為133 MHz。同時(shí)使用16 bit Flash存儲(chǔ)器SST39VF200A,SST39VF200A是SST公司生產(chǎn)的Flash存儲(chǔ)器。
(3)顯示模塊
液晶顯示可以直觀表達(dá)電表測(cè)量時(shí)需要顯示出來(lái)的參數(shù),可以為用戶和系統(tǒng)維護(hù)人員帶來(lái)極大的方便。PCF8576正是一款專用驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣式液晶的專用芯片。帶有I2C總線接口,有4個(gè)背極輸出和40個(gè)顯示段輸出,因此,最多可驅(qū)動(dòng)160個(gè)LCD顯示段。PCF8576的外設(shè)連接相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單,與Blcakfin 53x系列高性能DSP相連無(wú)需特別的接口電路。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
測(cè)試方案:電能表均有有功和無(wú)功脈沖輸出,根據(jù)設(shè)定的脈沖常數(shù)和功率值,脈沖輸出口以一定的頻率輸出脈沖,脈沖寬度設(shè)為80 ms,脈沖頻率反映了電功率大小,功率越大頻率越高,一段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)代表了電能量。電能表檢驗(yàn)臺(tái)包含高精度的穩(wěn)定源和標(biāo)準(zhǔn)表兩部分。標(biāo)準(zhǔn)表連接信號(hào)源,同時(shí)被測(cè)儀表的脈沖輸出也連接至標(biāo)準(zhǔn)表,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量的脈沖和被測(cè)儀表的脈沖可以算出誤差。這里每一圈計(jì)算一個(gè)誤差,即一個(gè)脈沖刷新一次誤差。
根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17883—1999對(duì)準(zhǔn)確度的要求測(cè)量多個(gè)測(cè)試點(diǎn),以A相為例,有功電能的誤差分布如表2、表3所示,無(wú)功電能的誤差分布如表4、表5所示。
從上面的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,全量程范圍內(nèi)分相誤差均小于±0.2%。誤差在接近1%量程時(shí)相對(duì)比較大,但也能控制在±0.2%以內(nèi),這是因?yàn)樾‰娏鲿r(shí),互感器的角差和比差會(huì)相對(duì)變大一些,而整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)只校正了一個(gè)點(diǎn),即額定電流Ib處。從檢定的結(jié)果可以看出,有功測(cè)量全量程可以達(dá)到0.1%,無(wú)功測(cè)量可以達(dá)到0.2%,檢定合格。
本項(xiàng)目采用了準(zhǔn)同步采樣法,減少了非同步采樣誤差,為研發(fā)0.2S精度的三相多功能電度表提供了理論依據(jù)之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用了準(zhǔn)同步算法的電能表能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電參數(shù)測(cè)量,準(zhǔn)確度符合GB/T 17883—1999和DL/T614—1997的0.2S級(jí)精度電能表標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)兼容0.5S級(jí)精度電能表。實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的各次諧波分析,最高測(cè)量到21次。具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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