电网参数测试仪的设计

０ｃ ． ｔ２０１ ２ Ｖｏ ． ＮＯ． １２８ ５
［ 文章 编号 ］６ ３— ９ ４ ２ １ ）５— ０ ５— ５ １ ７ ２ ４ （０ ２ ０ ０ １ ０
电网参数测试仪 的设 计
张 立 众
（ 陕西理工学院 电气工程学 院 ， 陕西 汉 中 ７３ ０ ） ２ ０ ３
［ 摘 要］ 说明了电网参数仪表测量与 实现 的方法， Ａ ８ Ｃ １ 以 Ｔ９ ５ 单片机芯片为微处理 器， 采 用模 块化设 计 方 法 ， 出了电 网参 数检 测 系统硬 件 电路 和软件 设 计 的方法 和要 点。 给 ［ 关 键 词］ Ａ ８ Ｃ １ Ｔ ９ ５ 单片机芯片； 电网参数检测； 模块化设计 ［ 中图分类 号 ］ Ｔ ９ ３ Ｍ ３ ［ 献标 识码 ］ Ａ 文
电网参数测试仪 的设计
件分 成监 控程 序 （ 包括初 始 化 、 盘 与显示 管 理 、 键 中断管 理 、 时钟 管理 、 自诊 断 等 ） 中断 处 理程 序及 各 种 、 测量 和控 制算 法等 功能 模块 。硬 件模 块连 接方 式采 用 以主机 模块 为 核 心 ， 通过 设 计 者 自行 定 义 的 内部
滤
波 电 路
采 样 保 持 电
路
ＣＰＵ
图 ２ 直 流 采 样 的 工 作 原 理 图
变送 器采 用 Ｒ ．０ 流信 号隔 离 变送 器 。Ｒ ．０ ＬＤ ６交 ＬＤ ６系列 交 流 变 送 器是 一 种 能 将 输 入量 的交 流 信 号经隔离放大转换成一组输出量的直流信号 ， 从而实现对被测信号精确测量 的仪器。该变送器输入 、 输 出、 电源 三方全 隔 离 ， 干扰 ， 抗 且输 入 输 出选 择 范 围 宽 ， 准确 度 高 ， 电源 可 选 择 ， 轨 安 装便 于检 测 与 维 导 护 。滤波 电路 在 系统 中对 电压 电流信 号进 行滤 波处 理 。系统 中采 用 Ｌ １８采 样／ 持器 。 Ｆ９ 保 该 系统硬 件 主要包 括 主机模 块 、 号调 理模 块 、 数 转换 模块 、 示模块 和 电源模 块 等几个 部分 ： 信 模／ 显
发生 变化 也会影 响测 量结 果 。对 于前 三项 原 因所 引起 的误 差 ， 以通 过尽 量选 用性 能好 、 可 精度 高 的仪 器 件来 克服 ； 对来 自测 量环 境 的干 扰 ， 以通 过一 些硬 件抗 干扰措 施 ， 屏蔽 、 可 如 接地 、 隔离等减 小 。 测量 算法存 在 的误差 分析 如下 ： １ ）谐 波对 测量 结果 的影 响 。在 电网输 出的 电压 电流 含有 高次 谐 波 的情 况下 ， 与无 谐 波 时相 比 ， 相 对误 差并 没有 增加 很多 ， 从而 可 以说 明 ， 有谐 波时利 用 瞬时值 法测 量交 流 电参 量 给出 的结 果是 比较 准确
多严重 ， 只要是周期信号 ， 该方法就适用。应用该方法测量电力参数时 ， 要做到： ） １ 确定被测 电力信号 的周期 或频率厂 ２ 满足测量精度的情况下 ， ；） 根据 选取采样次数 Ｊ和采样时间 ； ） ７ 、 ， ３ 计算平均功率
时必 须在 同一 时刻 测量 和 ｉ的瞬时值 。 测量 方法 的具 体 实现包 括采 样次 数 的确定 、 量算 法 的 实现 、 量 误 差分 析 、 件 校正 同步误 差 四 测 测 软
持器要求较高 。为了保证测量精度 ， 一个 周期 内必须保证足够的采样点数 ， 而且采样计算程序相对复 杂 ， Ｃ Ｕ要 求较 高 。本设 计 中 的电压 电流 的采样 采用 直 流采样 ， 工作 原理 如 图 ２所示 。 对 Ｐ 其
多 路 选 择 开
关
变
电压 电流 信 号 器 送
收 稿 日期 ：０ １１—７ ２ １ —２２
作者简 介 ： 张立众 （９ ９ ） 男 ， １６ 一 ， 辽宁省辽中县人 ， 陕西理工 学院讲师 ， 硕士 ， 主要研究 方向为智 能控制系统 、 现场 总线及
工业 以太网。
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陕西理工学 院学报 （ 自然科 学版）
第２ ８卷
定值 时误 差便 不再减 小 ， 明系统存 在一 定 的系统 误差 。对 于 电压 与 电流 ， 说 采样 次 数 为 ２ Ｏ次 时误 差 极 限为 ０２ ％ ， ．７ 对于 功率 ， 采样 次数 为 ５次 时误 差极 限为 ０ １ ， ． ％ 这是 满 足 测量 精 度 的 。综合 三 者 误差 最 小 时所要 求 的采样 次数 ， 同时根 据信 号频 率及 Ａ Ｄ转换 速 度 ， 取一个 周期 内采 样次 数 Ｎ＝２ 。 ／ 选 ０ １２ 测 量算 法 的实现 ． 采 用瞬 时值法 测量 平均 功率 时 ， 必须 保证 电压 、 电流采 样 的 同 时性 ， 则将 产 生 一定 的误差 。本 系 否 统 采用 了单 Ａ Ｄ结构 ， 软件进 行误 差校 准 。 电参数 的计算 采 取 边采 样 边 计算 的方 式 ， ／ 用 采样 结 束 时 即 可 给 出各个 电参数 的值 ， 大减小 了内存 的 占用 。瞬 时值法 不但没 有增 加软 件 的复杂性 ， 大 而且 大 大提 高
Ｉ
测 量信 号频 率 ，
Ｉ
周期 Ｔ ＩＴ １ １ － ＝ Ｎ （／ ｆ
Ｉ
＝ ＮＴ ＴＮ） Ｉ （／
出相应 的软件校正方法 ， 根据信号周期动态确定采样周期 。该方法不需要 对测 量数 学模 型进行 任何 修 改 ， 只需 在 采 样程 序 前 再增 加 一 小 段 程 序 即可 。
综上 所 述 ， 系统采 用 的动态 跟踪 法对 降低测 量误 差是 十分 有效 的 。 本
２ 硬 件 电路 设 计
通 常把 硬件 分为 主机 、 过程 通道 、 人机联 系部 件 、 通信 接 口、 感 器 及工 作 电源等 几 个 模块 ， 传 而把 软
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１ ・ ６
第 ５期
张立众
了软件 的执 行速 度 。 １３ 测量误 差分 析 ．
测 量误 差 （ 括硬件 和 软件 引起 的 ） 包 的来 源有 传感 器 的精 度 、 器件 的参数 漂移 （ 温漂 、 时漂 ）Ａ Ｄ转 、／
换器的精度 、 不能严格保证同步采样所带来 的误差 、 运算 中由于 中间结果 的舍入而导致的累积误差、 测 量现场 的共 模干 扰和 串模 干扰 （ 括 叠加在 被测信 号 上 的高 频谐 波 干扰 ） 电 网频 率波 动 引起 系统 周 波 包 ，
电 网频率 的允许 波动 范 围为 ±１ ， 这个 范 围内wk.baidu.com， ％ 在 固定 采样 间隔和 采样
点数 的采 样方 法 的最大相 对 误差 为 ± ％ ， 是 允 许 的 。但 通 过实 际检 测 和 ５ 这
确 定采 样 次数 Ⅳ
仿真 分析 表 明 ， 网频 率 变 化 经 常会 超 过 允 许 范 围。 当 电 网频 率 变化 超 过 电 ±１ ， ０５Ｈｚ ， ％ 即 ． 时 对测 量 误 差 的影 响 已不 容 忽 视 。 当采用 连续 循 环 采样 方 法时 ， 累计误 差将会 更 大 。应该 采 用 软件 校 正 同步 误差 的方 法 ， 要 对 其 并 校 正效果 进行 仿真 分析 。产 生 同步误差 的主要 原 因是 采样 周 期 不 能 随信 号 周期 动态 改变 。 即周 期变 化 时 ， 采样 间隔并 没 有 随之 变 化 ， 仍 以 固定 问 而 隔进行 采样 ， 从而 造成 采样 点 的实 际采 样 时刻与 理想 同步 采样 的 采样 时刻 之 间存在偏 差 ， 正是 该 时刻偏 差导致 测量 结果 出现误 差 。针 对其 产 生原 因可 提
２１ ０ ２年 １ ０月 第２ ８卷 第 ５期
陕西Ｎ ＿ 学院学报 （自然科 学版 ） ｚ －
Ｊｕ ｏ ｍ￣ ｏ ｈａ ｘ Ｕ ｉ ￣ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｆ ａｎ ｉ ｎｖ ｉ ｆ ｃｎｌ ｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ Ｓ ｅ ｙ Ｔ ｏ ｕ ｅ ｉ
个步骤。
１ １ 采样 次数 的确 定 ．
电 网工频参 数 的测 量实 际上 属于 交流 信号 的测 量 范畴 。５ 文 设计 的系 统是 针 对工 频 交 流 电参 数 ＿本 的测量 而研 制 的 ， 以理 想情 况下 被测 电力 信 号 的 频率 是 ５ ｚ周 期 为 ２ ， 频 电流 、 所 ０Ｈ ， ０ｍｓ工 电压信 号 为 纯 正 弦波 。实 验结果 表 明 ， 随着采 样次 数 的增加 ， 个 电参 数 的测 量误 差 均 呈 下 降趋 势 ， 当 下 降到 一 各 但
总线 （ 据总线 、 址 总线 和控制 总线 ） 接其 它模块 。软件模 块 的连接 通 过监 控 主程 序 调用 各种 功 能 数 地 连 模 块 来实 现 。
对 电压 电流进 行采 样 ， 根据采 样信 号 的不 同 ， 分 为直流 采样 与交 流采 样两 大类 。交 流采样 是相 对 可 直流 采样 而言 的 ， 接对 交 流 电压 和 电流 波形 进 行 采 样 ， 后 通 过 一定 的算 法 计 算 出 电压 电流 的有 效 直 然 值 、 功 功率 、 有 无功 功率 等 。交流 采样 对环 境温 度有 一定 要求 ， 同时对 Ａ Ｄ转 换器 的转 换 速度 和采 样 保 ／
电 网的一般 参数 有 电压 、 电流 、 频率 、 率 因数 、 功 功率 、 功 有 无功 功率 等 ， 企业 供 电线路 上 的这些 电 对 网参数 的监 测是 掌握 供 电线路 和设 备运 行状 态 的基 础 ， 是企 业 保证 功 率 补偿 有 效性 和合 理性 的决 策依
据。 …各重要节点的电压、 电流、 用电量及绝缘设备老化程度等 ， 都对 整个 系统 的安全稳定运行起关键
的；
２ 和 ｉ ） 采样同步误差对平均功率测量精度 的影响。干扰的存在使被采样的信号不可能为纯正 弦量 ， 以只分析采样信号为含有谐波的周期信号时同时采样和分时采样对平均功率测量精度的影响。 所
１ ４ 软 件校 正 同步误 差 ．
电网频率波动对测量结果有一定的影响。在测量工频 电网参数时， 一般都取频率为 固定 的 ５ ｚ ０Ｈ ， 并利用 固定采样间隔和采样点数的方法来进行信号采样 ， 也就是说测量理论和方法是建立在理想 同步 采样基础上 的。但实际上 ， 电网的频率并不是一个固定值 ， 而是不断波动的， 这就造成 实际采样 时刻与 同步采 样 时刻 的偏差 ， 即存 在 同步采样 时 间误差 。所 以 ， 量精 度必定 会受 到影 响 。 测
作 用 ， 以要 实 时监测 电网 的各 种 运行参 数 ， 所 并根 据 检测数 据分 析运 行 品质 ， 防设 备故 障。 预 。 本 文在 研究 测试 仪表 参数 检测 原理 的基 础上 ， 计 了基 于单 片机平 台 的电 网参 数测 试仪 。 设
１ 测 量 方 法 的选 择 与具 体 实现
Ｉ
信 号采 样
软 矍凳弱鬈 ， 根信周计出样隔间 图 正程 件方 霉期 能据号期算采间时， １ 校流图 该法先测信周 才 首要出号 … ～一 软 件
因此要从第二个信号周期才能开始采样 ， 即至少要两个信号周期时间才能完成信号的采样过程。测量 速度有所下降， 但测量误差大大减小了， 非常适合于对测量速度要求不高对精度要求很高的场合 。
一
个 测 试仪 表能 否进 行各 参数 的精 确测 量 ， 主要 取决 于其 测量算 法 的精确 性 ， 测量 算法 的精 确性很
大程度上取决于测量算法的选择。在该测试仪的研制过程 中， 算法的选择 主要基于三个方 面： ） １ 仪表 硬件结构要简单可靠 ；） ２ 算法能用汇编语言方便实现 ， 且能达到与其它语言同等级的精度 ；） ３ 电网输出
电压 电流含 有高 次谐 波 的情 况 下 ， 法具 有较 高精 度 。针对 测试 仪 的软硬 件特 点 ， 算 同时 考虑 到算 法 的抗 干 扰性 ， 本测 试仪 选用 瞬 时值法 作 为测量 方法 。在 电力 系统 的电参数 测试 中 ， 电压 、 电流 、 频率 和 功率是 四个 最基 本 的检测 量 ， 利用 采样 值 可直接 计算 出这 四个 量 。在此 基础 上 ， 根据 公式 可 间接求取 其 它基本 电量 ， 功率 因数 、 功功率 、 功功 率等 。 如 有 无 ４ 从提 高平 均 功率 测量 的准 确度来 讲 ， 采样 瞬 时值 法测 量 是最 适 合 的 。不 管 电压 电流 波形 的畸 变有