摘要：無人值守由自動記錄的變電站已在我國逐步形成潮流。介紹了一種基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器的工作原理及采用的同步采樣，頻率跟蹤及動態(tài)改變量程等技術(shù)所設(shè)計的相應(yīng)硬件框圖與模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：變電站 交流采樣技術(shù) 電量變送器 單片機(jī) 隨著我國電力設(shè)施的高速發(fā)展，變電站無人值守已成為潮流。基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器作為變電站綜臺自動化、調(diào)度自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行好壞直接關(guān)系到變電站和電網(wǎng)的安全運(yùn)行?；诮涣鞑蓸蛹夹g(shù)的微機(jī)電量變送器克服了常規(guī)變送器元件多、功耗大、穩(wěn)定性差、成本高、體積大、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用但由于各種原因基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器普遍存在以下問題： （1）可靠性差 由于微機(jī)電量變送器安裝在電磁干擾嚴(yán)重的變電站，環(huán)境條件十分惡劣。24小時連續(xù)運(yùn)行，不能常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。 （2）精度低原因是多方面的： ①采用非同步采樣方式。②采用固定周期算法，即認(rèn)為電網(wǎng)頻率為50Hz不變。③由于變送器所處環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，隨機(jī)干擾，大脈沖干擾等現(xiàn)象不可避免，雨如何消除這些干擾要從軟、硬件兩方面解決。下面介紹一種基于交流采樣技術(shù)的新型高性能微機(jī)電量變送器。 1工作原理 基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器采用交流量直接輸入采樣法對數(shù)條電力線的交流電信號進(jìn)行采樣，然后由單片機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)及特定算法計算出電壓和電流的有效值、有功和無功功率、功率因素、電量等參數(shù)。 交流采樣方法測量交流電量的算法有多種，本文采用積分法就是從連續(xù)周期信號有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù)積分進(jìn)行計算的方法。采用積分法計算量小、速度快、變送器實(shí)時性好。根據(jù)輸配電系統(tǒng)的電力參數(shù)的基本定義： 式中u[sub]i[/sub]，i[sub]i[/sub]是以T為周期的電壓、電流瞬時值，U、I，為電壓、電流有效值，P為有功功率。 微機(jī)在一個電力周期T內(nèi)，以T（T=N＊T）為采樣周期，u[sub]i[/sub]，i[sub]i[/sub]進(jìn)行等間隔連續(xù)均勻采樣Ⅳ點(diǎn)，分別得到N個A/D轉(zhuǎn)換值（u[sub]o[/sub]，u[sub]1[/sub]……u[sub]N-1[/sub]）和（I[sub]0[/sub]，I[sub]1[/sub]……I[sub]N-1[/sub]）將（1）、（2）、（3）離散化有： 式中N取64，u[sub]k[/sub]，i[sub]k[/sub]為第k次電壓、電流瞬時采樣值。U、I為電壓、電流有效值，P為單相平均有功功率。因?yàn)橛泄β蔖和無功功率Q僅在電壓相位上相差90[sup]。[/sup]，因此： 式中i[sub][k+（N/4）][/sub]表示第[k+（N/4）]次的電流瞬時采樣值（移項(xiàng)90[sup]。[/sup]后的采樣值）。當(dāng)[k+（N/4）]大于N時，取[k+（N/4）]為[k-（N/4）]，N取64。 電力系統(tǒng)中，計算有功功率和無功功率常用的有三表法和兩表法。本文采用兩表法。 離散化后兩表法求功率的公式如下： 式中[sub]Uab（k）[/sub]、U[sub]cb（k）[/sub]表示一個周期內(nèi)的兩個線電壓U[sub]ab[/sub]，U[sub]cb[/sub]的第K次瞬時采樣值；[sub]Ia（k）[/sub]、I[sub]c（k）[/sub]表示一個周期內(nèi)的兩個相電流I[sub]a[/sub]、I[sub]c[/sub]的第k次瞬時采樣值，N取64。 2提高散機(jī)電量變送器測量精度的方法 2．1同步采樣技術(shù) 在微機(jī)電量變送器裝置中，大多數(shù)產(chǎn)品采用單一多路A/D變換器，如80196中的A/D變換器或獨(dú)立的A/D變換器，但它在同一時刻只能進(jìn)行一路信號的A/D變換，即對不同輸入信號的采樣時刻是不相同的，用這種方法按（4）、（5）式測量電壓和電流是可行的但是，要按（8）、（9）式計算有功功率和無功功率則因電壓電流的采樣時刻不一致而導(dǎo)致誤差。該誤差的大小還與程序的編制有關(guān)。為了消除這種誤差作者采用了一種四通道同時采樣12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)AD7874。AD7874內(nèi)部含有高速12位模/數(shù)變換器、參考電源、時鐘發(fā)生器和四路跟蹤保持放大器。四通道采樣速率為29×103r/s，從而很好地消除了該誤差。 2．2頻率跟蹤技術(shù) 目前大多數(shù)微機(jī)電量變送器采用固定的50H算法。實(shí)際上電廚頻率是在45～55Hz范圍內(nèi)變化而采用固定頻率算法勢必導(dǎo)致誤差。采用頻率跟蹤技術(shù)可以很好地解決這一問題，即將電廚電壓信號通過比較器LM3900形成TTI方波信號，在每次啟動采樣程序前先測量電網(wǎng)頻率（周期），用所測量到的最新頻率替代舊頻率，然后再啟動采樣程序。 3.3動態(tài)改變量程技術(shù) 在被測信號較小或CT/PT變比很大（如2000/5）時，許多微機(jī)電量變送器存在較大的測量誤差。該誤差是由A/D變換器的量化誤差所致。消除該誤差有兩種方法：①提高A/D變換器的量化精度；②對被測信號進(jìn)行預(yù)處理。采用高精度A/D變換器就會使成本大大增加而效果卻不盡人意。作者采用了對被測信號預(yù)處理的方法，即采用程控放大器AD526對被測信號進(jìn)行線性放大處理。當(dāng)某一被測信號較小時，CPU就自動控制放大器將被測信號放大到接近A/D變換的過載電壓值，從而使量化誤差大大減小。利用該方法可使微機(jī)電量變送器實(shí)現(xiàn)動態(tài)改變量程，提高測量精度的目的。 3軟、硬件設(shè)計 基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器硬件框圖如圖1所示。 該微機(jī)電量變送器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，CPU選用16位高性能單片機(jī)87C196KC。兩個CPU通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，1號CPU負(fù)責(zé)采樣和運(yùn)算；2號CPU負(fù)責(zé)人機(jī)界面。 輸入信號經(jīng)高精度中間電壓/電流互感器隔離、濾波、限幅后變換成AD7874所允許的交流信號。這部分電路的所有元器件均采用高精度低溫漂器件，以提高微機(jī)電量變送器的穩(wěn)定性為了提高微機(jī)電量變送器的抗干擾能力專門設(shè)計了硬件“看門狗電路”，上電、掉電和電源瞬變保護(hù)電路為了使變送器有較好的人機(jī)界面，配置了點(diǎn)陣液晶顯示器、鍵盤、串行通信接口，可以顯示大量的數(shù)據(jù)、表格和圖形；并可通過鍵盤修改各種參數(shù)；維修維護(hù)方便。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，匯編語言編寫，具有軟件陷阱和數(shù)字濾波功能。主要包括初始化模塊、中斷服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、計算模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、通信模塊、時鐘模塊 4結(jié)束語 本文介紹的基于交流采樣技術(shù)的微機(jī)電量變送器，其電壓電流誤差<0.1%，功率誤差<0.2%。可檢測8段電壓，16條線路的P、Q、I、U全電量，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。