徐二當(dāng) 閆立勇

【摘 要】文中論述了應(yīng)用數(shù)字化測量技術(shù)，選用單片機和基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集新技術(shù)對工頻電參數(shù)檢測的原理和方法進行了系統(tǒng)分析論證，可以實時、準(zhǔn)確地檢測出電流、電壓、功率等電參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】采樣技術(shù)；高速數(shù)據(jù)采集；檢測方法

1.引言

工頻檢測就是測量電網(wǎng)中電壓、電流、頻率、相位等參數(shù)，它在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用。早期電氣參量測試儀器儀表的功能都比較單一、精度不高，對電網(wǎng)中的各次諧波無法進行分析。這樣，給測試和分析帶來了困難，各項測試結(jié)果之間的可比性難以實現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路和微型計算機的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是數(shù)字化采樣技術(shù)的應(yīng)用，使得電參數(shù)檢測向高精度、快速性、系統(tǒng)智能化方向發(fā)展。研究電參數(shù)測試首先須研究各種電參數(shù)的定義原理，然后考慮采用的檢測手段。

2.了解工頻電參數(shù)定義原理，掌握主要檢測對象

在工頻電中，電壓、電流有效值和有功功率三個電參數(shù)是基礎(chǔ)，其他電參數(shù)均可通過這三個參數(shù)運算求得。

（1）周期交流電流有效值的定義

根據(jù)電工理論基礎(chǔ)可知，電流有效值是指在一個周期內(nèi)，交流電流通過某純電阻負載所產(chǎn)生的熱量與一個直流電流在同一個純電阻負載上產(chǎn)生的熱量相等時，該直流電流的數(shù)值就是交流電流的有效值。根據(jù)焦?fàn)栆焕愦味?，對于交流電，如果通過電阻R的電流是i（t），則它可在一個周期的時間T內(nèi)的發(fā)熱量為：

對于直流電，在同一周期內(nèi)，如果通過電阻R的電流是I，則它在一個周期時間T內(nèi)的發(fā)熱量為：

如果交流電流與直流電流的發(fā)熱量相等，即Q'= Q就可得到交流電電流有效值表達式為：

（3）平均功率（有功功率）的定義。

平均功率通常指交流電路的瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值，即交流電壓u（t）和交流電流i（t）瞬時值之積在一個周期內(nèi)的平均值，據(jù)此計算則單相有功功率為：

設(shè)

則可得：

式中為電壓和電流的相位差。

3.研究采樣法，制定基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集方法

（1）采樣法的研究。

采樣計算方法主要有兩種：一種是直流采樣法，另一種是交流采樣法。直流采樣法，即采樣的是經(jīng)過整流后的直流量。采用直流采樣法測量電壓、電流時，均是通過測量平均值來測量電參量的有效值。此方法軟件設(shè)計簡單、計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一些問題，如：測量準(zhǔn)確度直接受整流電路的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響、整流電路參數(shù)調(diào)整困難、而且受波形因數(shù)的影響較大等。交流采樣法是按一定的規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數(shù)值算法來求得被測量。是否采用交流采樣法取決于兩個條件：測量的準(zhǔn)確度和測量的速度。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其原理誤差主要有兩項：一項是用時間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要是由每個正弦信號周期中的采樣點數(shù)決定的，實際上它取決于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理時間；另一項是將連續(xù)的電壓和電流進行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

交流采樣法又分為準(zhǔn)同步采樣法和同步采樣法。準(zhǔn)同步采樣：采樣周期不要求與信號周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點數(shù)并采用迭代運算的方法來消除同步誤差，其計算量遠大于同步采樣。因此，在目前以CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量中廣泛采用同步采樣。同步采樣法是指采樣時間間隔TS與被測信號周期T及一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)N之間滿足關(guān)系式電壓、電流信號在一個工頻周期內(nèi)，經(jīng)過采樣和摸數(shù)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號，以上兩式就可離散轉(zhuǎn)化為：

上式中的U（n）和i（n）分別是電壓、電流離散采樣的序列值。只要能夠?qū)崿F(xiàn)整周期的同步采樣，同時有足夠的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，上式在理論上可達到較高的計算精度。

當(dāng)電壓和電流信號經(jīng)過離散化后，有功功率可表示為：

式中u（n）為離散化的電壓值；i（n）為離散的電流值；n為轉(zhuǎn)換次數(shù)；工頻周期T（20ms）/轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為 N=20ms/0.025ms。

（2）基于CPLD控制的高速數(shù)據(jù)采集。

高速數(shù)據(jù)采集是基于CPLD控制的系統(tǒng)，除了采用高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速存儲器等高速器件之外，還要解決如何高速尋址、如何控制總線邏輯、如何進行高速存儲以及單片機如何讀取數(shù)據(jù)等問題。數(shù)據(jù)采集單元如果不帶存儲芯片，A/D芯片每轉(zhuǎn)換出一個值，數(shù)據(jù)采集單元就要和單片機通訊一次，以便將數(shù)據(jù)送入單片機系統(tǒng)存儲器，那么速率很低。（見圖1）

當(dāng)然，為使此系統(tǒng)能有效工作，并充分發(fā)揮它的采集速度，還需要好的驅(qū)動程序和應(yīng)用系統(tǒng)程序來有效處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，這樣才會使整個測控系統(tǒng)達到最優(yōu)效果。在需要采集多路模擬信號、數(shù)字信號的單片機測控系統(tǒng)中，利用CPLD芯片可以很好地將邏輯控制、數(shù)據(jù)信號處理等功能集于一身，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)實現(xiàn)成本。此外，利用功能強大的仿真軟件工具，可以快速高效地完成CPLD的各種邏輯功能設(shè)計。

4.應(yīng)用單片機技術(shù)，實現(xiàn)工頻電參數(shù)的數(shù)據(jù)運算處理和控制

數(shù)據(jù)的采集、處理和控制都能夠由單片機統(tǒng)一指揮下來完成，從而給電參數(shù)的檢測提供了有力的硬件支持。單片機實現(xiàn)工頻電參數(shù)的數(shù)據(jù)運算處理和控制時，信號采樣模塊按事先確定的采樣間隔對信號調(diào)理模塊的輸出進行采樣，采樣值進行A/D變換后存入數(shù)據(jù)存儲器，等采樣完預(yù)先確定的采樣點數(shù)后采樣過程結(jié)束，單片機對采樣值進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)電參數(shù)定義中的算法，計算出電流、電壓有效值，相位角、功率因數(shù)等參數(shù)，處理結(jié)果可以在數(shù)碼管上顯示，也可以通過液晶顯示器顯示。

單片機檢測系統(tǒng)軟件主要由三部分組成：監(jiān)控主程序、命令處理程序和中斷處理程序。監(jiān)控主程序主要完成器件與參數(shù)的初始化、系統(tǒng)自檢以及根據(jù)輸入在各命令處理子程序（即功能模塊）之間切換。主監(jiān)控程序：程序首先自檢，之后對數(shù)碼模塊進行顯示功能初始化設(shè)置；對單片機內(nèi)部的特殊功能寄存器進行設(shè)置：對中斷進行初始化設(shè)置；內(nèi)存中功能狀態(tài)標(biāo)志區(qū)設(shè)置為電參數(shù)測量狀態(tài)。

5.結(jié)論

工頻電參數(shù)檢測系統(tǒng)用做電量監(jiān)測、管理及計量的依據(jù)，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活密切相關(guān)。本文通過對主要電參數(shù)測試的研究，根據(jù)基于CPLD高速數(shù)據(jù)采集、單片機的數(shù)據(jù)處理運算和控制原理，討論了本系統(tǒng)的各個組成部分功能。并對本系統(tǒng)的測量部分、顯示部分等進行了軟件設(shè)計說明，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1] 周嚴(yán).數(shù)字化測量技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

[2] 何立民.MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[3] 徐志軍 徐光輝.CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

作者簡介：

徐二當(dāng)（1978-），男，工學(xué)學(xué)士，維修電工高級技師，秦皇島技師學(xué)院教師。主要從事職業(yè)教育和電氣自動化控制技術(shù)研究。

閆立勇（1979-），男，工學(xué)學(xué)士，秦皇島技師學(xué)院招生就業(yè)處副處長。主要從事電氣教育技術(shù)和職業(yè)教育研究。