电力系统常用交流采样方法比较1

华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER

1999年 第4期 No.4

1999

电力系统常用交流采样方法比较

Comparison of Normal Alternating Sampling Methods in Electric Power System

张　红　王诚梅

文　摘　电量的数据采集是实现自动化的重要环节，而交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护，因此越来越受到人们的重视。特别是随着计算机和集成电路技术的发展，交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对A/D的速度要求高等已逐步得到克服，所以它呈现出取代直流采样的趋势。为此，介绍电力系统中常用的交流采样算法，分析其特点，以便正确选择其使用场合。 关键词　电力系统　交流采样　算法

随着电力系统的快速发展，电力网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，而数据采集又是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速地采集系统中的各个模拟电量，一直是电力工作者关注的热点。 　　根据采样信号的不同，可分为直流采样和交流采样2大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为0～5V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到。交流采样是把交流量转化为±5V(或0～5V)的交流电压进行采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护；其缺点是算法复杂，精度难以提高，对A/D转换速度要求较高。随着微机技术的发展，交流采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。

　　交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照其模型函数，大致可分为正弦模型算法，非正弦周期模型算法。其中正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等；非正弦模型算法有均方根算法、付里叶算法等，各种算法都有其优缺点，在电力系统中的应用也不相同。

1　正弦函数模型算法

1.1　最大值算法

　　假定正弦量为纯交流量，通过采集最大值即可得到有效值。 设　

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u=Um sin(ωt+ψu)

则　

式中　Um——同步采样得到的电压最大值。 同样　

1.2　单点算法

　　这种算法适用于对称三相正弦电路，在某一时刻同时对三相线电流和线电压采集1点，就可计算出各线电压和线电流有效值、各相有功及无功功率。

其中

同理

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其中

1.3　半周期积分法

　　设则

　　把积分离散化，有

其中　N为半周期中采样点数。 同理

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1.4　2点采样

　　对正弦电压、电流，相差90°采2组值。 　　设　u=Umsinωt 则　u1=Umsin(ωt+ψ) 　　u2=Umsin(ωt+ψ+90°)

　　∴ u21+u22=U2msin2(ωt+ψ)+U2mcos2(ωt+ψ) 　　　　　　　=U2m 　　　　　　　=2U2

又

i=Imsin(ωt-φ)

同理　　

　　下边再讨论P、Q采集：

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2.1　均方根法 　　设u=Umsinωt

2　非正弦周期函数算法

离散化得到

　　其中N为每周期等间隔采样次数，uk为第k次采样值。 　　由采样定理知，这种算法可计及同理

次谐波。

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　　由离散化

2.2　全周波付里叶算法

　　设u(t)为周期函数，并且满足狄里赫利条件，则U(t)可展开为级数。

　　离散化有

　　其中N为采样点数，uk为第k次采样值。 　　基波电压幅值 　　基波功率计算，由

ua1ia1+ub1ib1=UmcosψImcos(ψ-φ)+

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2.3　递推付里叶算法

　　参考全周波付氏算法，可得到递推计算各次谐波实部、虚部的表达式

　　递推开始时取 u(k-N)=0，当k＞N时再计及u(k-N)，这种方法的计算数据仍是最近 1 个周波的。

　　基波电压以及有功功率和无功功率分别表示为

3　几种采样算法的应用

　　前面介绍的几种算法各有其特点，在应用时主要根据对准确或实时性的不同要求来选择。

　　如果采集三相对称正弦信号，单点算法不失为理想算法，对采样时刻没有要求，既准确又快捷，并且可以同时得到电压、电流、有功、无功等信号，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较为复杂。

　　最大值采样，半周期积分采样，2点采样具有简单快速的优点，都能在半周期内完成采集，但是对输入信号要求严格，只适于输入为正弦信号或有预滤波装置的场合。 　　以上几种采样方法，采集速度快，实时性强，特别适于继电保护系统及实时监控系统。

　　均方根算法能计及高次谐波的影响，并且随着每周采样点的增多，可以提高采集

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精度，但采样点太多必然降低采集速度，增加了运算量，因而需要在精度和快速之间作出适当选择。

　　全波付里叶算法具有很强的滤波能力，适用于各种周期量采集，基波或高次谐波，但是其响应速度慢，不能适合快速采集的要求，比较适于电量计算时的数据采集，或者是其他实时性要求差但精度高的场合。递推付里叶算法提高了响应速度，但它具有延迟效应，尤其在电量发生突变时会产生很大误差。

4　结语

　　交流采样的算法有多种，在实际工程中，可根据自己的需要，结合各种算法的特点做出恰当的选择。

作者单位：张　红　山东电力高等专科学校 (济南 250002) 　　　　　王诚梅　山东工业大学计算中心 (济南 250061)

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(收稿日期：1998-10-29)

电力系统常用交流采样方法比较

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张红， 王诚梅， Zhang Hong， Wang Cheng mei

张红,Zhang Hong(山东电力高等专科学校,济南,250002)， 王诚梅,Wang Cheng mei(山东工业大学计算中心,济南,250061)

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1.会议论文 上官帖.孙平 交流采样测量装置应用中存在问题的分析 2006

本文针对交流采样测量装置应用中存在的问题，结合工作实际，进行了深入的分析，并提出了相应的对策。

2.学位论文 邹智慧 电力系统暂态电量采集技术的研究和设计 2009

快速准确地测量电力系统故障时的暂态电参数对系统保护和稳定运行有重要意义。基于微型机的电参量测量仪和继电保护装置已经广泛运用于电力系统当中，这就需要低运算量和高精度的软件算法来快速、准确地获取各种电参量，对系统进行实时的监控和保护。
　　

论文首先介绍了电力参量测量技术的发展以及目前电力系统中常用的交流采样算法，分析和总结了各种算法的基本原理、优点与不足以及适用范围。其次，重点分析了目前广泛应用的全波、半波傅立叶及其改进算法，进行了误差分析和仿真计算比较。在此基础上针对改进半波傅立叶算法的不足以及根据增加数据窗算法的思想，提出并推导了能够进一步滤除偶次谐波的改进半波傅立叶算法，并应用MATLAB软件对新算法进行了仿真计算，通过与改进半波傅立叶算法的仿真结果进行比较，验证了新算法对计算精度提高的有效性。
　　 然后应用以AVR系列-ATmega单片机为控制核心的交流电参量同步测量系统，设计实现了对交流三相电路各电参量的实时测量和计算分析，具有一定的实际意义。
　　 在论文的最后部分，对本课题和论文所做的工作进行了分析和总结，并对课题的不足以及后续工作的方向做了一些分析和展望，以使本课题的研究进一步展开和完善。

3.会议论文 卢有龙 交流采样测量装置在电力系统中的应用 2008

随着综合自动化的发展，交流采样测量装置的使用已越来越普及，它己代替电测量变送器作为电网电测量参数(有功功率、无功功率、电压、电流、相位、频率、功率因素)测量的在线测量仪器.本文主要介绍了在电力系统中应用的交流采样测量装置的基本原理和校验的情况.

4.学位论文 董惠 电力综合监控仪的研究 1999

论文研究并设计了一种适合于电力系统配电网的综合监控仪系统.设计了一套适用于高精度测量的硬件系统,研制了一套满足现场测量的、性价比高的实际系统.深入地研究了监控仪的测量算法.系统地阐述了交流采样的时域算法和频域算法的原理及误差来源;推导并证明了时域算法不能准确测量非正弦不对称三相无功功率的观点;分析了电力系统频率偏移和谐波对电能计量的影响,提出了针对谐波源用户的电能计量方法;提出了适合监控仪的频域算法-FFT算法,并对其可行性进行了论证.最后,用PL/M语言实现了FFT算法,对其测 量误差及误差控制方法进行了仿真,给出了非整分割采样频率误差的控制方法.结合算法,设计并研制了硬件系统.在硬件系统的设计中,通过对几种常用方案的分析、论证,提出了一种新的设计方案.

5.期刊论文 史旺旺.黄亚忠 基于交流采样的电力系统频率测量的滤波器设计 -电气传动自动化2002,24(5)

提出了交流采样中用于电力系统频率测量的FIR滤波器的设计方法，该方法通过设计两个在工频范围内幅值增益变化很小的正交线性相位FIR滤波器计算频率，仿真结果表明，该方法计算简单，且具有较高的测量精度。

6.学位论文 周军 交流采样技术的研究 1999

该文研究了现有的各种交流采样方法,分析了其误差,并针对电力系统参数测量做了仿真,得出:采样方法是影响交变信号测量准确度的重要因素,并在此基础上,提出一种新的交流采样法--双速率同步采样法并推导出相应的数学模型.仿真结果表明,在相同的条件下,该方法具有更高的准确度.

7.会议论文 商立群 电力系统RTU交流采样算法及误差分析 2001

在电力系统中，常采用远方终端单元装设于发电厂、变电所等生产现场,构成电网微机监控系统的重要组成部分.本文综合考虑编程的简便性和实时性要求,采用基于平方根法的多点采样算法并进行误差分析.

8.学位论文 高跃 同步发电机数字式励磁调节器的研究与设计 2003

该文针对交流采样算法的复杂性和实时性要求,对原有的理论算法进行了改进,提出了一套新的采样信号的处理计算方法,并在实际系统中已得到实现.在调节运算规律的实现上,该文在传统PID调节的基础上加入了功率微分的PSS附加励磁控制.这种方法实现简单,也易于现场整定,提高了励磁系统的动态稳定性.在数字式励磁调节器的硬件实现上,该课题对各功能模块进行了合理的安排,并针对80C196KC的特点采用了独特的实现方法.采用该文的实现方法,完成了一套采用三相全控整流桥装置的自并励数字数字式励磁调节器的设计,论文中也给出了全部硬件系统设计逻辑框图和电路原理图,同时也给出了软件系统设计流程图.

9.会议论文 苏丽萍 交流采样原理及其测量装置校验方法的探讨 2007

随着电力系统的快速发展，交流采样以其较好的测量精度和稳定性，在电力系统中越来越多地被广泛采用。本文主要介绍交流采样原理及其测量装置校验方法，通过理论上和实践上的分析探讨，进一步提高电力系统中应用的交流采样测量装置现场校验水平，保证校验质量。

10.学位论文 叶志锋 动态电压质量分析与监测技术研究 2007

解决电能质量问题的第一步便是对电力系统中的各个状态量的测量和分析,只有通过准确的测量、正确的分析,才能得到电能的各项指标的真实评价,才能够采用相应的措施,改善电能质量.动态电压质量是现代电能质量的一个重要内容,对于动态电压的监测及分析对于解决电能质量问题意义重大.本文对动态电压质量问题的形成机理、特性、危害等进行了深入分析,给出了动态电压质量问题的定义,并分析了动态电压监测算法,完成动态电压监测样机的设计.实验结果表明,样机能够准确的记录、测量动态电压事件和特征量,满足设计要求.

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