【正文】 9 次諧波的影響，在不需要測量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法 [2]。電流和電壓有效值公式為： ???? 1021 Nk krmsuNU (214) ???? 1021 Nk krmsiNI (215) 其他的電力參數(shù)計算公式分別如下： 有功功率 ???? 10Nk kkiuP (216) 視在功率 rmsrmsIUS ? (217) 無功功率 22 PSQ ?? (218) 功率因數(shù) SP??cos (219) 積分和法的精度與采樣點數(shù) N 和采樣的同步度有關。 在要求不高的場合可以采用這一算法 [1]。求出積分值 S 后，應用式 (27)可以求得 有效值： 22/?SU rms ? (29) 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對稱的正負半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相應減少了，但是該算法不能抑制直流分量。 ? ? ???? /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 次采樣值； N — 一周期的采樣點數(shù)； 0u — k=0 時的采樣值； 2/Nu — k=N/2 時的采樣值。 最大值法 即通過采集每周波的最大值求有效值： 2mrms UU ? (26) 此方法適宜輸入信號為純正弦周期信號情況， 多次采集求平均 值 可減小誤差 [11]。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價也不一樣。交流采樣是按照一定的規(guī)律對被測物理量的瞬時值進行采樣，用一定的算法計算出被測物理量的有效值。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時反映被測量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。 電力參數(shù) 交流采樣 算法 電力參數(shù)的準確、快速測量對于實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。這種作法可使偏差 L 不產(chǎn)生累積，從而保證在一個工頻周期內(nèi) L 引起寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 的周期誤差 0TT?? 。在每次采樣前考察 SUM 的值，若 SUM1，則這次采樣的定時器 計數(shù)值取 H；若 SUM1，則計數(shù)值取 H+1，并對 SUM 減 1。 設置一單元 SUM 對偏差 L 進行累加， 對于第 0 次采樣， SUM 的初值為 0。要減小周期誤差，必須消除偏差 L 的累積效應。以 H 為定時器的計數(shù)值，則會產(chǎn)生0TLNT ???? 的周期誤差 （ 若以 H+1 作為計數(shù)值，則 00 TLNTNT ?????? ） 顯然， T? 是由采樣周期 Ts 的實際值與理想計算值之間的偏差引起的。該方法不須對測量數(shù)學模型進行任何修改 [8]。 可見在軟件同步測量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測量精度的主要原因。在這一前提下，經(jīng)過合理安排 ，微機中斷響應的最長時間和最短時間的差值通常可限制幾個微秒內(nèi)，Δ ti 一般 只會有幾個微秒。 CPU 的中斷響應時間與定時器發(fā)出中斷請求信號時刻 CPU 是否在執(zhí)行其它中斷服務程序；正在執(zhí)行的當前指令是否允許 CPU 立即響應中斷；當前執(zhí)行指令的指令周期長短及當前指令已經(jīng)執(zhí)行到哪一個機器周期等因素有關。在高精度測量場合 ， i 通常須取得比較大，這時同步誤差可能達到一個比較大的值。一些文獻稱 Δ T 為周期誤差。目前．軟件同步的一般實現(xiàn)方 法是：首先測取被硝電信號的周期 T，然后計算采樣周期并確定定時器的計數(shù)值，用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。當存在同步采樣時間誤差時，測量精度必定會受到影響。在實際同步采樣系統(tǒng)中，要嚴格滿足式 (23)是很困難的。 軟件同步采樣 及同步誤差分析 對周期為 T 的被測信號在一個周期內(nèi)于 0t 、 1t 、?、 it 、?、 1?Nt 時刻采樣 N 個點，令 00?t ，如果有： 0????? TTNT S (21) 1,1,0 0?? ????? Ni Titt Sii ?? (22) 同時成立，則稱采樣為理想同步采樣， Ts 為采樣周期。然而目前常規(guī)的軟件同步實現(xiàn)方法中，存在的同步誤差限制了軟件同步采樣系統(tǒng)測量精度的進一步提高，使它不能滿足諸如電能計量、電壓電流高次諧波分析等高精度測量場合的需要。 同步采樣可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)。準同步采樣降低 了對信號頻率、采樣時間間隔和振蕩器頻率的要求，因此可以用要求低的振蕩器代替同步采樣中要求高的同步環(huán)節(jié)，使測量裝置簡單，簡化電路。為解決該項誤差，在八十年代初，清華大學戴先中教授提出了準同步采樣法 [6]，即在 |Δ |不太大的情況下，當滿足N(2π +Δ )M/2π（ M 為最高諧波次數(shù)）時，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測量準確度。由于鎖相環(huán)的實時跟蹤性，當被測信號頻率 fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足 iNff ?0 的關系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù) N 倍，從而實現(xiàn)一周期內(nèi)等間隔采樣 N 點。硬件同步采樣一般是利用鎖相頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的，電路如圖 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分頻器 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 N 分頻器，輸入被測信號的頻率 fi，作為鎖相環(huán)的基準頻率，輸出 fo 為采樣頻率。軟件同步采樣法一般實現(xiàn)方法是：首先測出被測信號的周期 T，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點數(shù) N，得到采樣間隔，進而確定定時器的計數(shù)值，利用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。但實際采樣中 STN? 不一定是一個整周期，故同步采樣法需要保證 采樣截斷區(qū)間等于被測連續(xù)信號整周期的整數(shù)倍 。根據(jù)校準措施不同，交流采樣法可分為同步采樣法和準同步采樣法 [5]。 2 方案論證與選擇 交流 采樣方法 選擇 交流采樣法，即直接對連續(xù)的模擬信號進行等間隔采樣，再用特定的數(shù)值算法進行處理。 本文將詳細介紹高速微控制器 C8051F020 在電力參數(shù)測量系統(tǒng)中的應用和實現(xiàn) [4]。由于其指令周期長、在高速采樣和實時性方面受到一定的限制。 單相交流電之電力運行參數(shù)測量裝置擁有電度表（電能表）的功能，可 以顯示當前電流、電壓值，測量并顯示功率因數(shù)、有功功率、無功功率、 視在功率 及 系統(tǒng)消耗的電能 。時至今日，電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著，可以這么說，如果沒有了電，人類社會就不能正常地運轉(zhuǎn)，整個社會就會混亂。這兩種顯示器可寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 顯示的內(nèi)容更多，逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器、步進電機和機械數(shù)碼輪顯示方式 [3]。后備電源的供給采用高效鋰 電池。 3) 功耗減小 由于采用低功耗元件，以及具有電源管理模塊的芯片，使芯片本身以及整個系統(tǒng)的功耗大大降低。 2) 功能多樣化 除了計量電量的基本功能外，又增加了最大需量、脈沖輸出的功能。 電力監(jiān)測裝置的發(fā)展方向 國內(nèi)新型多功能電力參數(shù)測試儀正朝著以下幾個方面發(fā)展： 1) 體積小型化 早期這類測試儀的體積 比較大，安裝和使用場合受到諸多限制。準確度高、可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路等的采用，使電子式電能表的使用壽命、準確度、穩(wěn)定度等技術指標均顯著改善。這種類型的電能表利用位數(shù)較多的 A/D 轉(zhuǎn)換電路或自動量程轉(zhuǎn)換電路，原理上可達到很高的配置準確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進行采樣處理的方法，保證了測量準確度可不受高次諧波的影響。按所依托的乘法器類型的不同，可將電子式電能表分為模擬乘法器型電子電能表和數(shù)字乘法器型電子電能表。 近二十年來，大量新型電子元器件的相繼出現(xiàn)，為電子式電能表的更新?lián)Q代奠定了基礎。由于電能是電功率對時間的積分，所以任何電子電路式 計量方案的第一步就是確定電功率。隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大以及對電能合理利用的探索，使感應式電能表暴露出準確度低、使用頻率范圍窄、功能單一等缺點 ， 為使電能計量儀器儀表適應工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求，電子式電能表應運而生。 但是電力參數(shù)測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當電網(wǎng)存在諧波時，將產(chǎn)生測量誤差。通過雙重絕緣、加強絕緣和采用高質(zhì)量雙寶石軸承甚至磁懸浮 （ 磁推 ） 軸承等技術手段，其結(jié)構(gòu)和磁路的穩(wěn)定性得以提高，電磁振動被削弱，使用壽命大大延長，且過載能力明顯增強。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動經(jīng)蝸桿傳遞到計數(shù)器，累計轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達到計量電能的目的。機械式電能表由于其穩(wěn)定性和精度都不高，隨著電力市場改革的不斷深入，我國在各級電能計量系統(tǒng)的建立中，大部分已將機械式電能表更新為電子式電能表 [1]。應用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實時監(jiān)測功能， 在變電站一級一般都由遠動裝置來實現(xiàn)；而在日常生活中，一般只是利用電能表進行電量的計量，其原理是通過將有功功率對時間的積分來計算有功電能。 Numerical Integration 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................... II Abstract .......................................................................................................................................... V 目 錄 .......................................................................................................................................... VI 1 前言 .........................................................................................................................................1 電力監(jiān)測裝置的現(xiàn)狀 ..................................................................................................1 感應式機械電能表 ...............................................................................................1 電子式電能表 ......................................................................................................1 電力監(jiān)測裝置的發(fā)展方向 ...........................................................................................2 本課題的背景和意義 ..................................................................................................3 本論文的主要工作 ......................................................................................................3 2 方案論證與選擇 .......................................................................................................................4 交流采樣方法選擇 ......................................................................................................4 交流采樣法 .........................................................................................................4 軟件同步采樣及同步誤差分析 ...................................................................