摘 要：分析了准同步采样法的基本工作原理，研究了为了减少编程计算量的准同步简化算法，以及为了提高准同步采样法准确度的变频率采样法。最后，把准同步采样法应用到三相多功能电度表中，实现了0.2S精度的三相多功能电度表的设计。实际测试结果表明，该表具有精度高、功能齐全及性能可靠等特点。
关键词：电能表；DSP；准同步采样；0.2S精度
近年来随着各种大功率整流、换流设备以及电弧炉等非线性负荷的日益增多，造成供电系统电压、电流波形不同程度畸变，产生了大量的谐波负荷、冲击负荷和低负荷负载等各种复杂负荷。这些复杂负荷不仅对供电系统的安全、稳定以及经济运行构成威胁、造成危害，而且也对电能计量装置产生很大的影响。深入研究谐波负荷对供电系统电能计量的影响，研发出一款带有谐波电能计量的电能表，具有十分重大的社会意义和经济意义。同步采样是目前使用微处理器的电能测量装置中普遍采用的采样方法，它的优点是在满足一定的采样要求时，理论上没有测量方法误差。但是，严格的同步采样在实际应用中极难实现，尤其是固定采样频率下，测量电网参数基本上不可能做到同步采样。此时存在非同步误差，且成为测量系统的主要误差。减小非同步误差的方法可分为硬件法和软件法。第一类方法从硬件上来实现，从目的上来分析是为了尽量减小失步度，即满足采样周期和信号周期同步，但这类方法的硬件实现比较复杂，同时，受系统的时钟影响，存在截断误差。第二类方法是在非同步采样的前提下，即无法达到同步采样的前提下采用的软件分析方法，即准同步采样方法。
准同步采样方法的最大特点是去掉了同步采样中的同步环节，在采样过程中，利用增加每周期的采样点和增加采样周期，采用新的数据处理方法，即通过数值积分公式进行迭加运算，可以获得对采样信号平均值的高准确度估计，达到消除同步误差的目的。采用该方法降低了对硬件的要求，在低频的情况下，可以得到很好的结果。
1 准同步采样算法
1.1 准同步采样法的基本原理
测量电网参数如平均值、有效值和功率可看作是进行一种积分运算。例如：
根据式（7）～（10）则可完成电表电参数的计算。
（2）减少准同步采样法误差的方法——变频采样法
根据准同步采样的误差理论分析，以及计算机仿真表明，准同步采样的误差产生与频率偏差Δf相关。Δf 越大，误差越大。表1给出了频率偏差与信号有效值的准确度关系。
减少误差最直接方法是改变根据实际电网频率实时改变采样频率，即变频采样法。它是在测量过程中，根据信号的频率值，改变采样频率，使信号频率与采样频率的偏差最小。具体实现方法有多种，本文采用方法是：首先采用一个采样频率对信号进行采样，根据准同步采样算法，计算出信号的有效值、谐波等，再计算出信号的频率。其次，根据这个频率去设置系统的采样频率。具体计算过程如下：
对于一个正弦波，它的频率等于两点的相位差除以这两点之间的时间差。时间差是由采样频率决定的。相位差可以通过谐波分析中得到。如果从t0时刻开始进行谐波分析，求出此时刻的相位Ψ1；同样，如果从t1时刻开始进行谐波分析，求出此时刻的相位Ψ2。根据这两个相位差，可以根据式（11）准确地求出信号的频率：
2 系统总体方案设计
三相多功能电度表的工作原理是，首先对电网的三相电压、电流信号进行调理，电压经过分压电阻，电流经过高精度电流互感器，把大信号转换为小信号，然后通过一个抗混叠滤波器，调理后的信号进行A/D采样，通过串行通信口，DSP接收到采样数据。DSP实时处理采样数据，计算出电压和电流有效值，有功和无功功率，累积电量，电网频率及功率因数等电网参数。采用高精度算法对电压、电流信号进行谐波成分分析，得到各次谐波分量有效值、频率和相位信息，利用这些信息，计算出各次谐波功率及谐波电能。计算结果通过LCD面板显示，同时也能与外部进行通信，系统提供电能脉冲输出，方便校表。系统框图如图2所示。
2.1 多功能电度表基本结构
系统硬件结构参考市场上已有的成熟电能表硬件构成方案，分为3块工作电路板。DSP系统所在模块按4层板设计，便于布线和提高抗干扰能力，另两块是双层PCB，如图3所示。
各个模块功能简介如下：
（1）信号调理和A/D采样
电压经电阻分压网络按比例分压，电流经电流互感器转换为小电流，同时起到强弱电隔离的作用，电流互感器内部有一个电流感应型互感线圈，当原方输入一定的交流电流时，在副方就会有电流输出。如果输入在额定范围之内，输出值和输入值是成线性关系的，它们的比值由原、副方的匝数比决定。
采样电路采用交流采样，采样芯片为16 bit的AD73360，支持6通道同步转换，无同步误差。同时AD73360使用了过采样技术（Oversampling），前端的信号通道只需要使用简单的一阶低通滤波器即可消除混叠效应。
（2）处理器模块
本项目采用ADI公司的Blackfin531 16 bit定点芯片，其最高处理能力可达800 MIPS。BF531处理器用于高速数字信号处理，将完成所有的电能计量和谐波分析。为了满足电能表实时性高、功能较多、程序量以及数据量大的要求，本项目为BF531配置了SDRAM芯片IS42S16400，IS42S16400是ISSI公司的同步存储器，容量达64 MB，16 bit宽访问，时钟频率最高为133 MHz。同时使用16 bit Flash存储器SST39VF200A，SST39VF200A是SST公司生产的Flash存储器。
（3）显示模块
液晶显示可以直观表达电表测量时需要显示出来的参数，可以为用户和系统维护人员带来极大的方便。PCF8576正是一款专用驱动点阵式液晶的专用芯片。带有I2C总线接口，有4个背极输出和40个显示段输出，因此，最多可驱动160个LCD显示段。PCF8576的外设连接相对来说比较简单，与Blcakfin 53x系列高性能DSP相连无需特别的接口电路。
3 实验结果分析
测试方案：电能表均有有功和无功脉冲输出，根据设定的脉冲常数和功率值，脉冲输出口以一定的频率输出脉冲，脉冲宽度设为80 ms，脉冲频率反映了电功率大小，功率越大频率越高，一段时间内的脉冲数代表了电能量。电能表检验台包含高精度的稳定源和标准表两部分。标准表连接信号源，同时被测仪表的脉冲输出也连接至标准表，根据标准表测量的脉冲和被测仪表的脉冲可以算出误差。这里每一圈计算一个误差，即一个脉冲刷新一次误差。
根据国标GB/T 17883—1999对准确度的要求测量多个测试点，以A相为例，有功电能的误差分布如表2、表3所示，无功电能的误差分布如表4、表5所示。
从上面的测试数据可以看出，全量程范围内分相误差均小于±0.2%。误差在接近1%量程时相对比较大，但也能控制在±0.2%以内，这是因为小电流时，互感器的角差和比差会相对变大一些，而整个测量系统只校正了一个点，即额定电流Ib处。从检定的结果可以看出，有功测量全量程可以达到0.1%，无功测量可以达到0.2%，检定合格。
本项目采用了准同步采样法，减少了非同步采样误差，为研发0.2S精度的三相多功能电度表提供了理论依据之一。实验结果表明，采用了准同步算法的电能表能够实现高精度的电参数测量，准确度符合GB/T 17883—1999和DL/T614—1997的0.2S级精度电能表标准，同时兼容0.5S级精度电能表。实现了电压、电流的各次谐波分析，最高测量到21次。具有很好的市场应用前景。
参考文献
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