三相工频电参数测量系统的设计

总第４２卷第４８０期２００５年第１２期

电测与仪表

Ｅ１ｅｃｔｒｉｃａｌＭｅ∞ｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ

Ｖ０１．４２Ｎ０．４８０

Ｄｅｃ．２００５三相工频电参数测量系统的设计

郭松林，付家才，卜树波

（黑龙江科技学院电信学院，哈尔滨１５００２７）

摘要：本文主要研究了用∑～ＡＡ／Ｄ转换器和ＤＳＰ处理器对工频三相电压、电流进行数字采样，再用数字低通滤波器实现对三相电参数进行测量的测量系统。其主要功能包括对电流、电压、频率、相位、功率因数、有功功率、有功电能、无功功率、无功电能等测量，并具有测量数据并行输出接口。测量准确度为０．２级，无功为１．０级。系统采用并行数据通信总线实现与计算机系统通信的功能，并对通信的输出数据类型进行了定义。同时对影响系统测量准确度的原因进行了定性和定量的分析，给出了本系统测量方法的误差估计公式，测试结果表明本系统测量误差远远小于０．０２％的予期指标。

关键词：数字采样；数字低通滤波器；工频电参数测量

中图分类号：ＴＭ９３３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－１３９０｛２００５）１２－００２６－０５

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒＴｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ

ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＥｌｅｃｔｒｉｃ

Ｐａｒａｍｅｔｅｒ

ＧＵＯＳｏｎｇ－ｌｉｎ，ＦＵＪｉａ－ｃａｉ，ＰＵＳｈｕ—ＰＯ

（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｅｂｉｎ

１５００２７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｉｔｈ∑一△Ａ／Ｄｃｏｎｖｃｌｌｃｒａｎｄ【９ＳＰ７ｓａｍｐｌｉｎｇｔｏｔｈｒｅｅｐｈｒａｓｅＶｏｌｔａｇｅａｎｄＣｕｒｒｅｎｔ．Ｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｕｒｒｅｎｔ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｐｈｒａｓｅ，ｐｏｗｅｒ，ｆａｃｔｏｒ，ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ

ａｎｄｅｎｅｒｇｙ，ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａｎｄｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｃｌａｓｓｏｆｏｕｒｓｙｓｔｅｍｉｓ０．２ｄｅｇｒｅｅ，ａｎｄｉｔｓｒｅａｃｔｉｖｅａｃｃｕｒａｃｙｃｌａｓｓｉｓ１．０ｄｅ—ｇｒｅｅ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｏｔｈｅｒｓｃｏｍｐｕｔｅｒｓｙｓｔｅｍ＇ｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｐａｒａｌｌｅｌｂｕｓ，ａｎｄｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｏｕｔｐｕｔｄａｔａｃｌａｓｓａｒｅｄｅｆｉｎｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｓａｍｐｌｉｎｇ；ｄｉｇｉｔａｌＬＰＦ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

０引言

同步采样法、准同步采样法和非同步采样法）求有功功率、电压和电流有效值的软件算法都是建立在数值积分基础上，这三种方法都是为了解决同步触发脉冲与被测信号的同步问题，以减小同步误差，但存在两个主要弊病：（１）在实时多变量测量时，算法运算速度相对较慢；（２）由于采样算法几乎都是针对稳定信号前提下提出的，在信号波形波动较大时，无法准确地测量电功率。而本论文的主要工作就是开展对“用∑一ＡＡ／Ｄ转换器和ＤＳＰ处理器为基础的，对三相工频电流、电压进行采样，通过数字低通滤波器所进一２６一行的工频电参数测量”的研究。

ｌ三相工频电参数测量方法

１．１测量原理

设电网中含有ｎ次谐波，其电压、电流瞬时值分别为

１ｎ

ｕ∽＝乞Ｕｉｔｓｉｎｋｔｏｔ（１）Ｉｔ＝１

ｉｏ）＝∑厶ｓｉｎ（尼‘１）ｔ＋¨（２）ｋ＝１

式中ｋ为谐波次数，巩和厶分别是ｋ次谐波的电压和电流最大值，‰是ｋ次谐波的电压和电流的相位差。

　万方数据

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Ｄｅｃ．２００５

可以证明有功功率、电流瞬时值的平方和电压瞬时值的平方分别为式（３）、式（４）和式（５）：

ｐ（ｔ）：∑毕ｃ唧一∑毕ｃ。ｓ（２ｋｔｏｔ＋ｑ，ｋ）（３）Ｉ＝１二Ｉ＝１

厶

ｉ２（ｔ）：∑孕＋∑竽ｃ。。（２ｋｏｔ）（４）＾＝１‘Ｉ＝１‘

讹）：∑孚＋∑孚ｃｏｓ（２ｋ∞ｔ）（５）Ｉ＝１‘Ｉ＝１‘

用一低通滤波器滤掉式（３）、式（４）和式（５）中的谐波，即得到的直流分量：

舟∑单ｃ∞‰（７）Ｉ＝１二

㈣＝∑婴（８）Ｉ＃Ｉ‘

Ｕ２（ｔ）：∑孥（９）Ｉ＝１厶

由有功功率、电压和电流的有效值定义可知，通过以上三式可算出有功功率和电压、电流有效值。因此，可以丢弃已讨论多年的为解决影响测量准确度的采样信号与被测信号的同步问题的采样方法，而采用如图１所示的采样方法：Ｍ＠、ｉＯ）经过各自的∑一ＡＭＤ后，分别被调制成数字序列Ｍ∽、ｉ（ｎ）；ｕ＠）、ｉ＠）被ＤＳＰ采样后，再将Ⅱ㈤、ｉ（力送入数字乘法器（数字乘法运算采用ＤＳＰ内部的硬件乘法器），完成所需要测量相关电参数瞬时值乘法运算，即ｚ‘（ｎ）和ｕ（ｎ）、ｉ（ｎ）和ｉ（ｎ）、“（ｎ）和ｉ（ｎ）直接相乘后，得扩㈣、ｉ２（功、ｐ（ｎ）瞬时值；再将各参数的瞬时值经过一数字低通滤波器后，就可得到所要求的有功功率和电压、电流有效值的平方。

图１三相电参数测量系统框图

测量频率电路是由低通滤波器和过零比较器组成的，信号取自Ａ相电压互感器，经过低通滤波器和过零比较器后，变成占空比为“１”的方波，然后输入到ＤＳＰ进行频率测量。

１．２测量软件算法

见图１，为了说明问题，用函数加）表示Ｈ２（，１）、ｉ２

㈣、Ｐ¨瞬时值（即式（３）、式（４）和式（５）数字化采样后的采样序列，也就是功率瞬时值ｐＧ）、电压瞬时值的平方ｌ‘２∽、电流瞬时值的平方ｉ２（ｎ）的采样序列）的通用函数，此函数为

１■＿’

ｆｌｎ）＝Ｆｏ＋２２Ｆｔｃｏｓ（２ｋ（｜ｏｎ）

Ｉ＝１

（１０）式中∞为工频电压的角频率，Ｒ为函数中的直流分量（即有功功率、电流或电压有效值的平方），Ｒ为谐波的幅值，ｋ为电网中的谐波次数。

对式（１０）进行数字低通滤波器的差分方程可通过ＭＡＴＬＡＢ的数字处理工具箱设计得到，设Ａｎ）经过一级滤波器后，所得的数字序列为，，∽；，，∞经过第二级滤波器后，所得的数字序列为ｚ∞；彳㈤经过第三级滤波器后，所得的数字序列为石∽；石（ｎ）经过第四级滤波器后，所得的数字序列为埘∽。由式（１０）得四级滤波器的差分方程分别为

第一级滤波器差分方程

ｙ∽＝０．０００７ｆｉｎ）＋０．００１５ｆｉｎ－１）＋０．０００７Ｊ《ｎ一２）＋

１．９２３３ｙ（ｎ－１）一０．９２５２ｙ（ｎ－２）（１１）第二级滤波器差分方程

ｚ（，磅＝０．０００７ｙ（ｎ）＋０．００１５ｙ（ｎ－１）＋０．０００Ｔ：ｒ（ｎ一２）＋

１．９２３３ｚ（ｎ一１）－０．９２５２ｚ（ｎ－２）（１２）第三级滤波器差分方程

石∞）＝０．０００７ｚ（ｎ）＋０．００１５ｚ（ｎ－１）＋０．０００７ｚ（ｎ一２）＋

１．９２３３ｘ（ｎ一１）一０．９２５２ｘ（ｎ一２）（１３）第四级滤波器差分方程

ｗ（ｎ）－－Ｏ．０００７ｘ（ｎ）＋０．００１５ｘ（ｎ－１）＋０．０００７ｘ（ｎ一２１＋

１．９２３３ｗ（ｎ－１）－ｏ．９２５２ｗ（ｎ－２）（１４）通过预置初值

茗（ｏ）＝０；菇（１）＿０；ｙ（ｏ）－－ｏ；“１）＝０；

埘（Ｏ）＿０；埘（１）＝Ｏ；ｚ（０）＝０；ｚ（１）＝Ｏ；

解上述４个差分方程所得的１，０ｎ）即为本测量方法所求的函数如）中的民值，根据以ｎ）不同的定义，则可求出相应的Ｐ、昭或蹭的值。

２测量系统的实现

２．１硬件设计

测量系统如图２所示，其中ＡＩＤ转换器ＡＤ７３３６０是２８引脚ＤＩＰ封装，最大过采样频率为６４ｋＨｚ，具有六路全差分模拟输入的十六位∑一ＡＡ／Ｄ转换器，ＡＤ７３３６０同步串行口具有串行数据通信速率发生器，产生五种串行数据通信速率，可以与高速的ＤＳＰ直接进行通信。

ＤＳＰ采用的是ＴＭ３２０Ｆ２０６，它是，１１公司生产的ＤＳＰ处理器，它具有３２位中央算术逻辑单元、３２位累

一２７—

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ＤｅＣ．２００５图２测量系统电路图

加器、１６位乘１６位的二进制数字硬件乘法器、５４４字的片内ＲＡＭ、３２ｋ的Ｆｌａｓｈ片内程序存储器、同步串行接口、最高时钟为４０ＭＨｚ的晶振。

７４Ｆ２７３锁存器输出数据。四个７４Ｆ２７３是ＤｓＰ的扩展接口，Ｂ、Ｃ和Ａ、Ｄ锁存器的地址分别是一致的。Ａ、Ｂ和Ｃ、Ｄ的数据接口分别连接ＤＳＰ数据线接口的高八位和低八位。Ｄ输出的是与其它的微处理器通信的握手信号；Ｃ输出的是电参数名称编码；Ｂ输出的是与电参数名称对应的电参数数据；Ａ输出的是正反向有功、无功电能校验和显示脉冲。Ｂ与Ｃ同步输出，Ａ与Ｄ同步输出。

电压输入回路由电压互感器及高性能运放组成，电压互感器隔离了电网上的各种干扰，对内部电路起保护作用，高性能的运放保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。

电流输入回路电流互感器及高稳定度的电阻和高性能运放组成，将电流信号变为与输入电流信号成正比的电压信号输出。

２．２输出接口输出数据及握手信号

ＤＳＰ对Ａ／Ｄ采样数据计算结果，按图２所示，经锁存器Ｂ并行输出，同时Ｃ锁存器将并行输出其对应的数据通信类型编码，由于需要通信的数据类型多，为了可靠地进行通信，将所有输出的数据分成六帧进行数据通信，每帧数据是由十三个字组成，第一个字为每帧的编号；后十二个字为实测量数据，每个字的低位字节对应于Ｂ锁存器输出的数据，高位字节对应一２８一

于Ｃ锁存器输出的数据类型编码。Ｄ锁存器输出的并行通信握手信号图２所示，为了使其它的微处理器能可靠地接收本系统输出的数据，在Ｄ锁存器扩展接口输出定义了四条通信握手信号，分别为

（１）ＡＤＤＲｌ为ＤＳＰ的输出信号，其初始态为低电平，当ＤＳＰ开始输出数据前变为高电平，并一直保持到并行通讯结束；

（２）ＢＲＤＹ为并行数据口准备好通信信号，输入低有效。在ＢＲＤＹ的下降沿，数据在ｓＴＲＯＢＥ上升沿数据输出到并行总线上；

（３）ＳＴＲＯＢＥ为选通脉冲输出信号。一个ＳＴＲＯＢＥ脉冲对应总线上的一个字节数据；

（４）ＲＤ胛Ｒ为ＤＳＰ的并行数据口读写信号。

ＤＳＰ的并行数据输出握手信号和数据通信时序图如图３所示。

２．３频率测量

频率测量只需要一相电压信号即可。例如用Ａ相电压信号来测量，其测量原理图２所示。被测工频信号经过低通滤波器，滤除高频信号，再经过过零比较器形成方波，送入ＤＳＰ的外部输入中断输入端ＩＮＴｌ。将ＩＮＴｌ设置为正负边沿触发，当正边沿触发中断时，中断服务程序启动定时器开始计数；当负边沿触发时，中断服务程序启动定时器停止计数，并读出定时器计数值，将计数值乘以二，再乘上定时器计数周期。２．４系统的软件设计

本系统的软件是采用模块化编程方式编制的，其

　万

方数据

广———］一厂———一

广——］一一厂一——图３ＤＳＰ的并行数据输出握手信号和数据通信时序图

主程序框图如图４所示

图４主程序框图

３测量误差分析

３．１测量方法误差分析及误差仿真估计

（１）瞬时功率仿真数学模型的建立

设其它都为理想状态，且ＡＩＤ转换与数字乘法都

不产生误差。

工频电压为ｕ（ｔ）＝ｓｉｎ（１００＇ｔｒｔ）

电流为ｉ（ｔ）＝ｓｉｎ（１００＂ｔｒｔ）

则有功功翠为

ｒ

砖争』Ｍ（ｔ）ｉ（ｔ）ａｔ＝０．５０

由于ＡＤ７３３６０的输出频率为４ｋＨｚ，即采样频率为ｆ，＝４０００Ｈｚ，所以经过Ａ／Ｄ转换后，电压和电流的数字序列分别为Ｍ∽＝ｓｉｎ（石，ＩＴ忍）和ｉ∽＝ｓｉｎ（署力

则Ｍ∽和ｉ∽经过数字乘法器相乘后的有功功率ｐ（ｎ）

为

ｐ∽柏）＝０．５—０．５ｃｏｓ（詈）。

（２）测量方法误差的仿真数学模型的建立

设以而按式（１１）、式（１２）、式（１３）和式（１４）滤波后，其

ｗ（ｎ）ＨＰ为有功功率，设误差数字序列为＾∽，则误差序

列为＾㈣＝学×１００％

如图５所示。当ｎ＝２００时，误差超过０．１；Ｔ／，在４００

多点时趋于稳定，误差范围为±０．０２％；ｎ从４００到

２００００点的误差一直保持在±Ｏ．０２％。由此可得出系统

满足测量算法准确度为Ｏ．０２的要求。由于两个采样点

之间的时间ｔ２丽１ｓ２寺ｍｓ，则可得出测量达到稳定

时间为鼍生：ｌＯＯｍｓ，远远小于滤波器过渡时问４００ｍｓ

的技术指标，也符合设计要求。

同理，可得功率因数为０．５及含有３５次谐波的有

功功率仿真图，如图６和图７所示。

图５采样点为２０００时的测量误差仿真图

一２９一ｉｌ＝～｜｜

　万方数据

２００４００６００８００１０００１２００１４０Ｑ１６００１８００２０００

图６功率因数为０．５的误差仿真图

图７含３５次谐波的有功功率误差仿真图

从图６与图７可知，当求电压、电流的有效值时，

其误差分析过程与有功功率的误差分析过程一致，只

要开方运算保证足够高的运算精度，电压、电流的效

值的准确度也能保证在±Ｏ．０２之间。

由以上三种有功功率的误差仿真估计可得出，本

测量方法不仅适合于正弦参数的测量，也能够进行非

正弦参数的测量，且测量准确度不变。

３．２测量功率回路误差合成

单相功率测量回路的误差应是ＣＴ、ＰＩ＇和测量方

法误差的合成，按均方根合成，如ＣＴ、ＰＴ的准确度均

取０．０５级，其单相功率测量回路的误差为

＇ｙ＝＇Ｖ—０．０５２＋０．０—５２＋０．０２—０．０７３４

４结论

通过在本系统使用∑一ＡＡ／Ｄ转换器和ＤＳＰ处理

器，解决了将数字信号处理技术用于工频电参数测量的一些关键问题，主要取得以下研究成果。

（１）采用高速的ＤＳＰ处理器，使数字低通滤波器技术用于工频有功功率和电压、电流有效值的测量成为可能。此测量方法解决和避免了同步采样、非同步采样、准同步采样方法所存在的问题；特别是在实时多变量测量时，算法运算速度相对较慢和在信号波形波动较大时不能准确地测量电功率的问题。

（２）提出了用于工频电参数高准确度测量的数字低通滤波器的设计方法，给出有功功率、电流和电压有效值的时域测量数学模型和数字低通滤波器的软件编程方法。

（４）用∑一ＡＡ／Ｄ转换器和ＤＳＰ芯片组成三相工频电参数测量系统。给出了影响系统测量准确度的误差分析方法和误差估计公式，电压、电流互感器对准确度的影响和测量方法误差对准确度的影响，并用计算机对测量方法误差进行了仿真估计。

作为高准确度工频电参数测量的主要研究方向，对于０．２级测试系统来说，留有充分的余量。

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【１ｏ】ＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ高速数字信号处理器原理与应用．北京闻亭科技发展有限公司，１９９８．

作者简介：

郭松林（１９６３一），男，哈尔滨理工大学工程硕士，黑龙江科技学院高级工程师，研究方向为电能测量及数字信号处理技术。

收稿日期：２００５—０９—１５

（丘源编发）

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