摘  要： 分析了準(zhǔn)同步采樣法的基本工作原理，研究了為了減少編程計(jì)算量的準(zhǔn)同步簡(jiǎn)化算法,，以及為了提高準(zhǔn)同步采樣法準(zhǔn)確度的變頻率采樣法,。最后，把準(zhǔn)同步采樣法應(yīng)用到三相多功能電度表中,，實(shí)現(xiàn)了0.2S精度的三相多功能電度表的設(shè)計(jì),。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該表具有精度高,、功能齊全及性能可靠等特點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： 電能表；DSP,；準(zhǔn)同步采樣,；0.2S精度

　近年來(lái)隨著各種大功率整流、換流設(shè)備以及電弧爐等非線(xiàn)性負(fù)荷的日益增多,，造成供電系統(tǒng)電壓,、電流波形不同程度畸變，產(chǎn)生了大量的諧波負(fù)荷,、沖擊負(fù)荷和低負(fù)荷負(fù)載等各種復(fù)雜負(fù)荷,。這些復(fù)雜負(fù)荷不僅對(duì)供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成威脅,、造成危害,，而且也對(duì)電能計(jì)量裝置產(chǎn)生很大的影響。深入研究諧波負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)電能計(jì)量的影響,，研發(fā)出一款帶有諧波電能計(jì)量的電能表,，具有十分重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。同步采樣是目前使用微處理器的電能測(cè)量裝置中普遍采用的采樣方法,，它的優(yōu)點(diǎn)是在滿(mǎn)足一定的采樣要求時(shí),，理論上沒(méi)有測(cè)量方法誤差。但是,，嚴(yán)格的同步采樣在實(shí)際應(yīng)用中極難實(shí)現(xiàn),，尤其是固定采樣頻率下，測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)基本上不可能做到同步采樣,。此時(shí)存在非同步誤差,，且成為測(cè)量系統(tǒng)的主要誤差,。減小非同步誤差的方法可分為硬件法和軟件法。第一類(lèi)方法從硬件上來(lái)實(shí)現(xiàn),，從目的上來(lái)分析是為了盡量減小失步度,，即滿(mǎn)足采樣周期和信號(hào)周期同步，但這類(lèi)方法的硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,，同時(shí),，受系統(tǒng)的時(shí)鐘影響，存在截?cái)嗾`差,。第二類(lèi)方法是在非同步采樣的前提下,，即無(wú)法達(dá)到同步采樣的前提下采用的軟件分析方法，即準(zhǔn)同步采樣方法,。
　準(zhǔn)同步采樣方法的最大特點(diǎn)是去掉了同步采樣中的同步環(huán)節(jié),，在采樣過(guò)程中，利用增加每周期的采樣點(diǎn)和增加采樣周期,，采用新的數(shù)據(jù)處理方法,，即通過(guò)數(shù)值積分公式進(jìn)行迭加運(yùn)算，可以獲得對(duì)采樣信號(hào)平均值的高準(zhǔn)確度估計(jì),，達(dá)到消除同步誤差的目的,。采用該方法降低了對(duì)硬件的要求，在低頻的情況下,，可以得到很好的結(jié)果。
1 準(zhǔn)同步采樣算法
1.1 準(zhǔn)同步采樣法的基本原理
　測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)如平均值,、有效值和功率可看作是進(jìn)行一種積分運(yùn)算,。例如：


　根據(jù)式（7）～（10）則可完成電表電參數(shù)的計(jì)算。
?。?）減少準(zhǔn)同步采樣法誤差的方法——變頻采樣法
根據(jù)準(zhǔn)同步采樣的誤差理論分析,，以及計(jì)算機(jī)仿真表明，準(zhǔn)同步采樣的誤差產(chǎn)生與頻率偏差Δf相關(guān),。Δf 越大,，誤差越大。表1給出了頻率偏差與信號(hào)有效值的準(zhǔn)確度關(guān)系,。

　減少誤差最直接方法是改變根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)改變采樣頻率,，即變頻采樣法。它是在測(cè)量過(guò)程中,，根據(jù)信號(hào)的頻率值,，改變采樣頻率，使信號(hào)頻率與采樣頻率的偏差最小,。具體實(shí)現(xiàn)方法有多種,，本文采用方法是：首先采用一個(gè)采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,，根據(jù)準(zhǔn)同步采樣算法，計(jì)算出信號(hào)的有效值,、諧波等,，再計(jì)算出信號(hào)的頻率。其次,，根據(jù)這個(gè)頻率去設(shè)置系統(tǒng)的采樣頻率,。具體計(jì)算過(guò)程如下：
　對(duì)于一個(gè)正弦波，它的頻率等于兩點(diǎn)的相位差除以這兩點(diǎn)之間的時(shí)間差,。時(shí)間差是由采樣頻率決定的,。相位差可以通過(guò)諧波分析中得到。如果從t0時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行諧波分析,，求出此時(shí)刻的相位Ψ1,；同樣，如果從t1時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行諧波分析,，求出此時(shí)刻的相位Ψ2,。根據(jù)這兩個(gè)相位差，可以根據(jù)式（11）準(zhǔn)確地求出信號(hào)的頻率：

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
　三相多功能電度表的工作原理是,，首先對(duì)電網(wǎng)的三相電壓,、電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，電壓經(jīng)過(guò)分壓電阻,，電流經(jīng)過(guò)高精度電流互感器,，把大信號(hào)轉(zhuǎn)換為小信號(hào)，然后通過(guò)一個(gè)抗混疊濾波器,，調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行A/D采樣,，通過(guò)串行通信口，DSP接收到采樣數(shù)據(jù),。DSP實(shí)時(shí)處理采樣數(shù)據(jù),，計(jì)算出電壓和電流有效值，有功和無(wú)功功率,，累積電量,，電網(wǎng)頻率及功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)。采用高精度算法對(duì)電壓,、電流信號(hào)進(jìn)行諧波成分分析,，得到各次諧波分量有效值、頻率和相位信息,，利用這些信息,，計(jì)算出各次諧波功率及諧波電能。計(jì)算結(jié)果通過(guò)LCD面板顯示，同時(shí)也能與外部進(jìn)行通信,，系統(tǒng)提供電能脈沖輸出,，方便校表。系統(tǒng)框圖如圖2所示,。

2.1 多功能電度表基本結(jié)構(gòu)
　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)參考市場(chǎng)上已有的成熟電能表硬件構(gòu)成方案,，分為3塊工作電路板。DSP系統(tǒng)所在模塊按4層板設(shè)計(jì),，便于布線(xiàn)和提高抗干擾能力,，另兩塊是雙層PCB，如圖3所示,。

　各個(gè)模塊功能簡(jiǎn)介如下：
?。?）信號(hào)調(diào)理和A/D采樣
　電壓經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)按比例分壓，電流經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換為小電流,，同時(shí)起到強(qiáng)弱電隔離的作用,，電流互感器內(nèi)部有一個(gè)電流感應(yīng)型互感線(xiàn)圈，當(dāng)原方輸入一定的交流電流時(shí),，在副方就會(huì)有電流輸出,。如果輸入在額定范圍之內(nèi)，輸出值和輸入值是成線(xiàn)性關(guān)系的,，它們的比值由原,、副方的匝數(shù)比決定。
采樣電路采用交流采樣,，采樣芯片為16 bit的AD73360,，支持6通道同步轉(zhuǎn)換，無(wú)同步誤差,。同時(shí)AD73360使用了過(guò)采樣技術(shù)（Oversampling）,，前端的信號(hào)通道只需要使用簡(jiǎn)單的一階低通濾波器即可消除混疊效應(yīng)。
?。?）處理器模塊
　本項(xiàng)目采用ADI公司的Blackfin531 16 bit定點(diǎn)芯片，其最高處理能力可達(dá)800 MIPS,。BF531處理器用于高速數(shù)字信號(hào)處理,，將完成所有的電能計(jì)量和諧波分析。為了滿(mǎn)足電能表實(shí)時(shí)性高,、功能較多,、程序量以及數(shù)據(jù)量大的要求，本項(xiàng)目為BF531配置了SDRAM芯片IS42S16400,，IS42S16400是ISSI公司的同步存儲(chǔ)器,，容量達(dá)64 MB，16 bit寬訪(fǎng)問(wèn)，時(shí)鐘頻率最高為133 MHz,。同時(shí)使用16 bit Flash存儲(chǔ)器SST39VF200A,，SST39VF200A是SST公司生產(chǎn)的Flash存儲(chǔ)器。
?。?）顯示模塊
　液晶顯示可以直觀表達(dá)電表測(cè)量時(shí)需要顯示出來(lái)的參數(shù),，可以為用戶(hù)和系統(tǒng)維護(hù)人員帶來(lái)極大的方便。PCF8576正是一款專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣式液晶的專(zhuān)用芯片,。帶有I2C總線(xiàn)接口,，有4個(gè)背極輸出和40個(gè)顯示段輸出，因此,，最多可驅(qū)動(dòng)160個(gè)LCD顯示段,。PCF8576的外設(shè)連接相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，與Blcakfin 53x系列高性能DSP相連無(wú)需特別的接口電路,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　測(cè)試方案：電能表均有有功和無(wú)功脈沖輸出,，根據(jù)設(shè)定的脈沖常數(shù)和功率值，脈沖輸出口以一定的頻率輸出脈沖,，脈沖寬度設(shè)為80 ms,，脈沖頻率反映了電功率大小，功率越大頻率越高,，一段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)代表了電能量,。電能表檢驗(yàn)臺(tái)包含高精度的穩(wěn)定源和標(biāo)準(zhǔn)表兩部分。標(biāo)準(zhǔn)表連接信號(hào)源,，同時(shí)被測(cè)儀表的脈沖輸出也連接至標(biāo)準(zhǔn)表,，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量的脈沖和被測(cè)儀表的脈沖可以算出誤差。這里每一圈計(jì)算一個(gè)誤差,，即一個(gè)脈沖刷新一次誤差,。
　根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17883—1999對(duì)準(zhǔn)確度的要求測(cè)量多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以A相為例,，有功電能的誤差分布如表2,、表3所示，無(wú)功電能的誤差分布如表4,、表5所示,。

　從上面的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，全量程范圍內(nèi)分相誤差均小于±0.2%,。誤差在接近1%量程時(shí)相對(duì)比較大,，但也能控制在±0.2%以?xún)?nèi)，這是因?yàn)樾‰娏鲿r(shí),，互感器的角差和比差會(huì)相對(duì)變大一些,，而整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)只校正了一個(gè)點(diǎn),，即額定電流Ib處。從檢定的結(jié)果可以看出,，有功測(cè)量全量程可以達(dá)到0.1%,，無(wú)功測(cè)量可以達(dá)到0.2%，檢定合格,。
　本項(xiàng)目采用了準(zhǔn)同步采樣法,，減少了非同步采樣誤差，為研發(fā)0.2S精度的三相多功能電度表提供了理論依據(jù)之一,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，采用了準(zhǔn)同步算法的電能表能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電參數(shù)測(cè)量，準(zhǔn)確度符合GB/T 17883—1999和DL/T614—1997的0.2S級(jí)精度電能表標(biāo)準(zhǔn),，同時(shí)兼容0.5S級(jí)精度電能表,。實(shí)現(xiàn)了電壓、電流的各次諧波分析,，最高測(cè)量到21次,。具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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