电力运行参数测量装置设计本科毕业设计(编辑修改稿)

电力运行参数测量装置设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

式标准进行设计。 2) 功能多样化 除了计量电量的基本功能外，又增加了最大需量、脉冲输出的功能。 一些先进的多功能电力参数测试仪增加了固定汉字显示、红外线抄表接口、智能接口等功能，还可以同时计量有功电能、无功电能，记录失压，监测负荷等，做到一表多用。 3) 功耗减小 由于采用低功耗元件，以及具有电源管理模块的芯片，使芯片本身以及整个系统的功耗大大降低。 某些多功能 测试仪的视在功率能做到 2VA 以下，停电维持时电流能做到 lmA 以下。 后备电源的供给采用高效锂 电池。 4) 可视化人机接口 使用高效发光二极管和低功耗液晶显示器已成为电力参数测试仪的发展趋势。 这两种显示器可宁波大学本科毕业设计（论文） 3 显示的内容更多，逐步取代了传统的继电器、步进电机和机械数码轮显示方式 [3]。 本课题的背景和意义 电自从其诞生初，就开始改变着我们的生活。 时至今日，电作为一种最重要的能源跟我们的工作、生活紧密地联系着，可以这么说，如果没有了电，人类社会就不能正常地运转，整个社会就会混乱。 电作为这么重要的能源，如何来计量它就具有了重 要的意义。 单相交流电之电力运行参数测量装置拥有电度表（电能表）的功能，可 以显示当前电流、电压值，测量并显示功率因数、有功功率、无功功率、 视在功率 及 系统消耗的电能。 在传统的电力参数测量系统中，多采用 805 80C196 等普通单片机作为微控制器。 由于其指令周期长、在高速采样和实时性方面受到一定的限制。 随着微电子技术的不断进步， C8051F020 单片机技术体现了单片机集多种器件 (包括看门狗 ， FLASH 程序存储器 ， 同 、 异步串行口 ， A/D 转换器 ， 定时器，计数器等 )和多种功能 (增强可靠性的复 位系统、降低功耗抗干扰的 休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器、计数器 )于一身，从“片自为战” 向片上系统过渡的发展方向。 本文将详细介绍高速微控制器 C8051F020 在电力参数测量系统中的应用和实现 [4]。 本论文的主要工作 论文的主要内容如下：完成装置的设计和各部分功能软硬件调试，在论文中以原理图、流程图、程序等形式详细介绍了装置电压电流采样、数据采集计算、键盘显示处理单元的功能实现过程，并总结了每个单元调试过程中发现的问题，使 C8051F020 单片机的诸多特点得到更好的应用，通过实际调试总 结了装置中误差存在的硬件和软件原因，并提出了减小误差的方案。 2 方案论证与选择 交流 采样方法 选择 交流采样法，即直接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法进行处理。 但由于存在栅栏效应和频谱泄漏，采样前常需要采取同步措施校准。 根据校准措施不同，交流采样法可分为同步采样法和准同步采样法 [5]。 交流采样法 1) 同步采样法 同步采样法是指采样时间间隔 Ts、被测交流信号周期 T0 和一个周期采样点数 N 之间满足关系式 STNT 0。 但实际采样中 STN 不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证 采样截断区间等于被测连续信号整周期的整数倍。 同步采样法的实现方法有两种：硬件同步采样法和软件同步采样法。 软件同步采样法一般实现方法是：首先测出被测信号的周期 T，用该周期除以一周期内采样点数 N，得到采样间隔，进而确定定时器的计数值，利用定时中断方式实现同步采样。 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。 硬件同步采样一般是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的，电路如图 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分频器 图 21 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，输入被测信号的频率 fi，作为锁相环的基准频率，输出 fo 为采样频率。 fo 经 N 分频后与 fi 相比较，根据锁相环工作原理，锁定时 ifNf /0 ，即 iNff 0。 由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率 fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足 iNff 0 的关系，即采样频率为被测信号频率的整数 N 倍，从而实现一周期内等间隔采样 N 点。 2) 准同步采样法 实际采样测量中，采样周期经常不能与被测信号周期实现严格同步，即 N 次采样不是落在 2π宁波大学本科毕业设计（论文） 5 区间上，而是落在 2π +Δ 区间上（ Δ 称为同步偏差或周期偏差），产生了同步误差。 为解决该项误差，在八十年代初，清华大学戴先中教授提出了准同步采样法 [6]，即在 |Δ |不太大的情况下，当满足N(2π +Δ )M/2π（ M 为最高谐波次数）时，通过增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。 它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求。 准同步采样降低 了对信号频率、采样时间间隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节，使测量装置简单，简化电路。 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，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采样法大。 同步采样可以用硬件实现，也可以用软件实现。 用软件实现可以省掉硬件同步环节，简化装置结构，降低成本 ，所以本系统采 样软件同步采样方法。 然而目前常规的软件同步实现方法中，存在的同步误差限制了软件同步采样系统测量精度的进一步提高，使它不能满足诸如电能计量、电压电流高次谐波分析等高精度测量场合的需要。 因此，有必要对目前的软件同步实现方法产生同步误差的原因进行分析，并找到抑制误差的措施 [7]。 软件同步采样 及同步误差分析 对周期为 T 的被测信号在一个周期内于 0t 、 1t 、„、 it 、„、 1Nt 时刻采样 N 个点，令 00t ，如果有： 0 TTNT S (21) 1,1,0 0  Ni Titt Sii  (22) 同时成立，则称采样为理想同步采样， Ts 为采样周期。 这时第 i 次采样点的采样时刻 NTiti / (23) 然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情况。 在实际同步采样系统中，要严格满足式 (23)是很困难的。 为此，定义同步采样时间误差 i 来表示第 i 次采样点的实际采样时刻与其理想同步采样时刻的偏差： NTiti /i  (24) 目前，利用采样值进行工频电参量测量的理论和方法大多建立在理想同步采样基础上的。 当存在同步采样时间误差时，测量精度必定会受到影响。 软件同步采样时间误差的产生与软件同步的实现方法密切相关。 目前．软件同步的一般实现方 法是：首先测取被硝电信号的周期 T，然后计算采样周期并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。 由于定时器的计数周期受定时器最大计数频率的限制不可能 无限小，而微机的采样周期 TS必须以定时器计数周期的倍数来表示，从而微机实际采样周期 TS 与理想计算值 NT/ 之间会出现误差，这一由量化原因引起的误差 ， 使式 (21)得不到满足。 一些文献称 Δ T 为周期误差。 这时同步采样时间误差： NTiNTiTi S //i  (25) 可见在存在周期误差时，同步采样时问误差 i 值 随 i 增大而增大。 在高精度测量场合 ， i 通常须取得比较大，这时同步误差可能达到一个比较大的值。 同步采样时 间误差的另一产生原因是，在软件采样时， CPU 对定时中断的响应时间有一定的随机性，从而即使 Δ T=0，式 (22)也得不到完全满足。 CPU 的中断响应时间与定时器发出中断请求信号时刻 CPU 是否在执行其它中断服务程序；正在执行的当前指令是否允许 CPU 立即响应中断；当前执行指令的指令周期长短及当前指令已经执行到哪一个机器周期等因素有关。 一般来说，应保证定时中断采样时对其它中断源的中断不予响应。 在这一前提下，经过合理安排 ，微机中断响应的最长时间和最短时间的差值通常可限制几个微秒内，Δ ti 一般 只会有几个微秒。 若不存在周期 误差Δ T，则 ii t ，这一原因引起的同步采样时间误差较小。 可见在软件同步测量系统中，周期误差是影响测量精度的主要原因。 可通过一种软件同步实现方法减小误差，它通过在采样过程中修改定时器的计数值，动态确定采样周期来减小周期误差。 该方法不须对测量数学模型进行任何修改 [8]。 改进的软件同步实现方法 设定时器的计数周期为 T0，则与采样周期 Ts 对 应的定时器计数值为  0/ TNT  ，它一般不为整数，对它截掉小数取整，得正整数 H，截掉的小数部分为 L。 以 H 为定时器的计数值，则会产生0TLNT  的周期误差 （ 若以 H+1 作为计数值，则 00 TLNTNT  ） 显然， T 是由采样周期 Ts 的实际值与理想计算值之间的偏差引起的。 在采样过程中，偏差随 i 值增大而不断增大，使采样点偏离同步采样点的程度不断加剧。 要减小周期误差，必须消除偏差 L 的累积效应。 为此，须对在采样过程中定时器计数值取常数的常规作法进行改进， 偏差累积增量法 就是这样一种算法。 设置一单元 SUM 对偏差 L 进行累加， 对于第 0 次采样， SUM 的初值为 0。 第 i 次采样时， SUM 的值为第 i1 次采样时的 SUM 值与 L 的和。 在每次采样前考察 SUM 的值，若 SUM1，则这次采样的定时器 计数值取 H；若 SUM1，则计数值取 H+1，并对 SUM 减 1。 继续上述过程直至一个工频周期的采样完成。 这种作法可使偏差 L 不产生累积，从而保证在一个工频周期内 L 引起宁波大学本科毕业设计（论文） 7 的周期误差 0TT。 采用这种方法，可能会使某些次采样时的 |Δ ti|值 增大一个 0T ， 但由于一般很小，由相对周期误差引 起的测量误差亦很小 [9][10]。 电力参数 交流采样 算法 电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。 电网频率并不是固定不变的，而是在 50Hz 附近波动。 传统的直流采样算法不能及时反映被测量的突变，精度与稳定度受变送器的影响很大，己逐渐不能满足系统的需要。 随着人们对测量精度、性能的要求越来越高，在目前应用于电力系统的各种测量控制仪表中，交流采样就越来越受人们的青睐。 交流采样是按照一定的规律对被测物理量的瞬时值进行采样，用一定的算法计算出被测物理量的有效值。 目前国内 外已经提出和实现了许多交流采样的算法。 由于采用的具体原理不同，在硬件软件的配置上也不一样，以致系统的精度和造价也不一样。 在应用中应根据实际情况选择最适宜的交流采样算法 [11][12]。 最大值法 即通过采集每周波的最大值求有效值： 2mrms UU  (26) 此方法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况， 多次采集求平均 值 可减小误差 [11]。 半周期积分法 半周期积分法的依据是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数 S，积分值和积分的起始角α无关。    /22s i n2s i n2 2/02/0 r m sr m sr m s Ut d tUdttUS    （ 27） 式 （ 27） 可以用梯形法近似求出： sNk Nk TuuuS   12/1 2/0 2121 （ 28） 式（ 28）中 ku — 第 k 次采样值； N — 一周期的采样点数； 0u — k=0 时的采样值； 2/Nu — k=N/2 时的采样值。 只要采样频率足够高，用梯形法近似积分的误差可以做到很小。 求出积分值 S 后，应用式 (27)可以求得 有效值： 22/SU rms  (29) 半周期积分法有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基频成分上的幅度不大的高频分量在算法中其对称的正负半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相应减少了，但是该算法不能抑制直流分量。 此算法运算量小，可以用非常简单的硬件实现。 在要求不高的场合可以采用这一算法 [1]。 数值积分算法 在非正弦波情况下，相电压、相电流的有效值定义为：  Trms dtuTU 0 21 (210)  Trms dtiTI 0 21 (211) 在对电流电压采样时，每个周期采样 N 点，采样间隔为Δ T，得到离散化采样序列 { ku }、 {ki }，则有：  1021 Nk kkrm s TuTU (212)  1021 Nk kkrms TiTI (213) 若采样间隔Δ Tk 恒定为Δ T，则 N=T/Δ T。 电流和电压有效值公式为：  1021 Nk krmsuNU (214)  1021 Nk krmsiNI (215) 其他的电力。