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基于锁相环与双AD7865的交流采样技术及其应用

时间:03-16 来源:互联网 点击:

摘要:为了保证对电力系统的实时监控、调度,需要对电力参数进行交流采样。介绍了电力系统参数交流采样的设计思想,对频率跟踪电路进行了分析,提出了由锁相环CD4046和AD7865构成的硬件解决方法,并给出了由CD4046构成的频率跟踪电路、信号调理电路以及AD7865与TMS320LF2407的接口设计电路,解决了电力系统中多路电压、多路电流的交流采样问题,保证电网频率变化时采样数据的精度和稳定性。该采样算法可以应用于多种场合,具有一定的实用和推广价值。
关键词:交流采样;锁相环;AD7865;倍频

0 引言
随着电力系统的快速发展,电网容量的扩大使其结构更加复杂,实时监控、调度的自动化显得尤为重要;而在电力调度自动化系统中,对电力参数的测量是最基本的功能。如何快速、准确地采集各种电力参数则显得更加重要。在微型机应用的初期,电力系统的参数普遍采用直流采样的技术。
直流采样,即采样经过整流后的直流量,此方法软件设计简单,计算方便,对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但是直流采样方法存在一些问题,如:测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响;整流电路参数调整困难,而且受波形因素的影响较大等。而采用交流采样方法进行数据采集,通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定度。该系统采用高速DSP芯片TMS320LF2407作为处理器,通过锁相环和AD7865对电力参数进行交流采样。

1 交流采样的设计思想
若将电压有效值公式:
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离散化,以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值,则式(1)变为:
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式中:△Tm为相邻两次采样的时间间隔;um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值;N为一个周期内的采样点数。若相邻两次采样的时间间隔相等,即△Tm为常数△T,考虑到N=T/△T,则有:
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这就是根据一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同样,电流有效值计算公式:
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计算一相有功功率的公式:
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式中:im和um为同一时刻的电流和电压采样值。
功率因数为:
闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閻愵剙鍔ょ紓宥咃躬瀵鎮㈤崗灏栨嫽闁诲酣娼ф竟濠偽i鍓х<闁绘劦鍓欓崝銈囩磽瀹ュ拑韬€殿喖顭烽幃銏ゅ礂鐏忔牗瀚介梺璇查叄濞佳勭珶婵犲伣锝夘敊閸撗咃紲闂佽鍨庨崘锝嗗瘱闂備胶顢婂▍鏇㈠箲閸ヮ剙鐏抽柡鍐ㄧ墕缁€鍐┿亜韫囧海顦﹀ù婊堢畺閺屻劌鈹戦崱娆忓毈缂備降鍔岄妶鎼佸蓟閻斿吋鍎岄柛婵勫劤琚﹂梻浣告惈閻绱炴笟鈧妴浣割潨閳ь剟骞冨▎鎾崇妞ゆ挾鍣ュΛ褔姊婚崒娆戠獢婵炰匠鍏炬稑鈻庨幋鐐存闂佸湱鍎ら〃鎰礊閺嶃劎绡€闂傚牊渚楅崕鎰版煛閸涱喚鍙€闁哄本绋戦埥澶愬础閻愬樊娼绘俊鐐€戦崕鏌ユ嚌妤e啫鐓橀柟瀵稿仜缁犵娀姊虹粙鍖℃敾妞ゃ劌妫濋獮鍫ュΩ閳哄倸鈧鏌﹀Ο渚Ш闁挎稒绋戦埞鎴︽倷閺夋垹浜堕梺鐟扮-閸嬨倕鐣烽崼鏇ㄦ晢濞达綁鏅茬紓鎾剁磽閸屾瑧顦︽い鎴濇嚇閹ê鈹戠€n偄鈧灚銇勯幘璺烘瀺缂佽妫濋弻鏇㈠醇濠靛牏顔婇梺鍛婂笂閸楁娊寮诲☉銏″亞濞达綁鏅茬花鐣岀磽娓氬洤鏋︽い鏇嗗洤鐓″璺好¢悢鑽ょ杸闁规儳澧庢闂備浇妗ㄩ悞锕傚礉濞嗗繒鏆﹂柕濞炬櫓閺佸﹪鎮规笟顖滃帥闁衡偓閵娧呯=闁稿本鑹鹃埀顒勵棑缁牊绗熼埀顒勩€侀弽顓炵妞ゆ牗绋戝▓鎴︽⒑閸涘﹥灏柣鎺炵畵閿濈偤寮撮姀锛勫幍闂佺顫夐崝锕傚吹濞嗘垹妫柟顖嗗啯鍊梺閫涚┒閸斿矂锝炲⿰鍫濆耿婵°倐鍋撴鐐差儔濮婅櫣绮欏▎鎯у壉闂佸湱鎳撳ú顓㈢嵁閸愩劉鍫柛顐ゅ枎濞堢喖姊洪棃娑辨Ф闁稿寒鍣e畷鎴﹀箻鐠囨煡鏁滃┑掳鍊撻懗鍫曞矗閸℃稒鈷戦柛婵嗗婢跺嫭鎱ㄥΟ绋垮鐎规洘绻傞鍏煎緞鐎n剙骞嶉梻浣告啞閸旀ḿ浜稿▎鎾村€块柛娑橈攻閸欏繐鈹戦悩鎻掝伀閻㈩垱鐩弻鐔风暋閻楀牆娈楅悗瑙勬磸閸斿秶鎹㈠┑瀣<婵炴垶鐟ч弳顓㈡⒒閸屾艾鈧嘲霉閸パ呮殾闁汇垻枪缁愭鏌涢埄鍐槈缁炬儳娼¢弻鐔煎箚閻楀牜妫勭紓浣哄У閻擄繝寮婚弴锛勭杸闁哄洨鍎愰埀顒€鏈换娑氱箔閸濆嫬顫囬梺鍝勮嫰缁夌兘篓娓氣偓閺屾盯骞樼€靛憡鍣板銈冨灪瀹€鎼佸极閹版澘骞㈡繛鍡樺灩濡插洦绻濆▓鍨灍闁挎洍鏅犲畷銏ゅ礂閼测晩娲稿┑鐘诧工閹虫劗澹曟總鍛婄厽闁逛即娼ф晶顔姐亜鎼淬垻鐭婃い顏勫暟閳ь剚绋掕摫闁稿﹥鍔楅埀顒侇問閸犳鎮¢敓鐘偓浣肝旈崨顓狀槹濡炪倖鍨兼慨銈団偓姘偢濮婄粯鎷呴崨濠呯闁哄浜濈换娑㈠箻椤曞懏顥栫紓渚囧枛椤兘鐛Ο灏栧亾闂堟稒鎲告い鏃€娲熼弻锝夋偐閸欏宸堕梺鍛婁緱閸樺ジ鎮¢崒鐐粹拺閺夌偞澹嗛ˇ锕傛煟濡も偓閿曘儳绮氭潏銊х瘈闁搞儺鐏涜閺屾稑鈽夐崡鐐寸亪濠电偛鎳岄崐婵嗩潖閾忓湱鐭欐繛鍡樺劤閸擃剟姊洪崨濠冨鞍缂佽瀚伴獮鎴﹀閻橆偅鏂€闂佹悶鍎弲婵嬫儊閸儲鈷戠紒瀣濠€鎵磼鐎n偄鐏ラ柍璇茬Ч閺佹劙宕担鐟扮槣闂備線娼ч悧鍡欐崲閹烘绀嗗ù鐓庣摠閻撳繘鏌涢銈呮瀾闁稿﹥鍔栭〃銉╂倷閹绘帗娈茬紓浣稿€圭敮鐐哄焵椤掑﹦鍒伴柣蹇斿哺瀵煡顢楅埀顒勫煘閹达附鍊烽柡澶嬪灩娴犳悂鏌﹂崘顔绘喚闁诡喖缍婂畷鍫曞煛娴i攱顫曟繝娈垮枛閿曘劌鈻嶉敐澶婄闁绘ǹ顕ч悘鎶芥煣韫囷絽浜炲ù婊冪埣濮婄粯鎷呴挊澶婃優闂侀潻缍囬梽鍕┍婵犲洤鐐婃い鎺嗗亾缂佺姵鐓¢弻鏇$疀閺囩倫娑㈡煛閳ь剚绂掔€n偄鈧敻鏌ㄥ┑鍡欏嚬缂併劋绮欓弻娑欑節閸曨偂妲愬┑顔硷攻濡炶棄螞閸愵煁褰掑Χ閸℃瑦鍒涢悗瑙勬礃閿曘垺淇婇幖浣肝ㄦい鏃囨閺嬬姵绻濋悽闈浶ラ柡浣告啞閹便劑鎮滈挊澶嬬€梺鍛婄☉閿曘儵宕h箛娑欑厽闁硅揪绲鹃ˉ澶愭煛鐎b晝绐旈柡宀€鍠栧鑽も偓闈涘濡差喚绱掗悙顒€绀冩い顐㈩樀婵$敻宕熼姘敤濡炪倖鍔﹀鈧紒顔肩埣濮婅櫣绱掑Ο铏圭懆闂佽绻戝畝鍛婁繆閻㈢ǹ绀嬫い鏍ㄦ皑椤斿﹪姊洪悷鎵憼缂佽绉电粋鎺楁嚃閳哄啰锛滈梺缁樺姦閸撴瑩宕濋妶鍡愪簻妞ゆ挾濮撮崢瀵糕偓娈垮枛椤兘骞冮姀銈嗗亗閹艰揪缍嗗Σ鍫曟煟閻斿摜鐭婄紒缁樺浮瀵偊顢欑亸鏍潔闂侀潧楠忕槐鏇㈠储娴犲鈷戦悷娆忓閸斻倖銇勯弴銊ュ箹閻撱倝鏌熺紒銏犳灍闁绘挻鐟﹂妵鍕籍閸屾粍鎲樺┑鐐茬墛缁捇寮婚埄鍐╁闁荤喐婢橀~宥夋⒑鐠団€崇仭婵☆偄鍟村畷瑙勩偅閸愨晛娈ゅ銈嗗笂閻掞箑鈻嶉敃鈧埞鎴︽偐閸偅姣勬繝娈垮櫘閸欏啴鐛箛娑樼妞ゆ棁鍋愰ˇ銊ヮ渻閵堝懐绠伴柛鐔哄閵囨瑩骞庨懞銉㈡嫽婵炴挻鍩冮崑鎾绘煃瑜滈崜姘辩矙閹捐鐓橀柟鐑橆殕閻撴洟鏌¢崒婵囩《閼叉牠姊洪悷鎵暛闁搞劌缍婇崺鐐哄箣閻橆偄浜鹃柨婵嗙凹缁ㄨ崵绱掗幇顓犫槈妞ゎ亜鍟存俊鍫曞幢濡⒈妲梻浣烘嚀閸熻法绮旈悷鎵殾妞ゆ劏鎳¢弮鍫濆窛妞ゆ棁顫夌€氳棄鈹戦悙鑸靛涧缂佽弓绮欓獮澶愭晬閸曨剙顏搁梺璺ㄥ枔婵敻鎮″▎鎾寸叄闊浄绲芥禍婵嬫倶韫囨洘鏆柡灞界Х椤т線鏌涢幘纾嬪妞ゎ偅绻堟俊鎼佹晜閼恒儳褰挎繝寰锋澘鈧捇鎳楅崼鏇炵厴鐎广儱鎳夐弨浠嬫煟濡搫绾ч柟鍏煎姉缁辨帡鎮╅崹顐㈡畬闂傚洤顦甸弻銊モ攽閸℃瑥顣洪梺閫炲苯鍘哥紒顔界懄娣囧﹪骞栨担鍝ュ幐闂佺ǹ鏈划灞筋嚕閹惰姤鈷掑ù锝呮啞閹牓鏌涢悢鍝勨枅鐎规洘鍨块獮妯肩磼濡厧骞堥梺纭呭閹活亞妲愰弴銏℃櫖鐎广儱娲ㄧ壕濂稿级閸碍娅呭ù鐘洪哺椤ㄣ儵鎮欓弶鎴犵懆闁剧粯鐗曢湁闁挎繂鎳庣痪褔鎮楀顐ょ煓婵﹦绮幏鍛村川闂堟稓绉虹€殿喚鏁婚、妤呭礋椤掆偓娴狀參姊洪棃娴ュ牓寮插☉姘辩焼闁稿本澹曢崑鎾诲礂婢跺﹣澹曢梻浣告啞濞诧箓宕滃☉銏犲偍闁汇垹鎲¢埛鎴︽煙椤栧棗瀚々浼存⒑缁嬫鍎忛柟鍐查叄閹儳鐣¢幍顔芥畷闂侀€炲苯澧撮柛鈹惧亾濡炪倖甯掗崰姘缚閹邦厾绠鹃柛娆忣槺閻帞鈧鍣崑鍡涘箯閻樺樊鍟呮い鏂垮悑椤撳灝鈹戦悙宸殶濠殿喗鎸抽、鏍箛閺夋寧鐎梺鎼炲労閸撴岸鎮¢悢鍏肩厵闂侇叏绠戝楣冩煕閻旈绠婚柡灞剧洴閹瑩宕归锝嗙槗婵犳鍠栭敃锔惧垝椤栫偛绠柛娑樼摠閸ゅ秹鏌曟竟顖欒閸嬫挻绻濋崶銊㈡嫼闂傚倸鐗冮弲婵堢矓閸撲胶纾奸柣妯挎珪瀹曞矂鏌e☉鍗炴灕缂佺姵绋戦埥澶娾枎閹邦収浠ч梻鍌欐祰濞夋洟宕抽敃鍌氱闁跨噦鎷�...

2 工频信号锁相倍频原理及频率跟踪电路的实现
交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非整周期采样法、非同步采样法等几种,系统采用同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样,要求被测信号周期T与采样时间间隔△t及一周内采样点数N之间满足关系式T=N△t,即采样频率为被测信号频率的N倍。根据提供采样信号方式不同,同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。本系统采用硬件同步采样。
硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用锁相环频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图1所示。

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在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环内加入N分频器,输入fi为被测信号的频率,作为锁相环的基准频率,输出fo为采样频率。fo经N分频后与fi相比较,根据锁相环工作原理,锁定时fo/N=fi,即fo=Nfi。由于锁相环的实时跟踪性,当被测信号频率fi变化时,电路能自动快速跟踪并锁定,始终满足fo=Nfi的关系,即采样频率为被测信号频率的整数(N)倍。用该输出去控制采样/保持器,并启动A/D转换,这样就可以使N个采样点均匀分布在被测电网信号的一个整周波内,消除了同步误差,实现了无相位差的同步采样。锁相环相位锁定时,压控振荡器VCO能在一定范围内自动跟踪输入信号的频率变化,在频率有畸变的情况下也能确保数据的同步采样,保证测量精度。
系统中的频率跟踪电路由专用锁相芯片CD4046和分频芯片CD4040组成,以实现工频信号的锁相倍频,分频比为1/64。在工频信号恰好为50 Hz的情况下,该电路的锁相倍频频率为50×64=3 200 Hz,相当于一个工频周期内有64个采样脉冲,频率跟踪锁相电路接线图如图2所示。

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由图2可看出,工频方波信号由AIN输入,经过倍频的方波信号由VCOUT输出去触发A/D芯片。

3 电压电流调理电路设计
根据原理设计的电压调理电路如图3所示。
设计中采用2 mA/2 mA电流型互感器TV1013-1,采样电阻为220 kΩ,最大可测电压有效值为440 V;调节滑动变阻器大小,通过信号滤波、电压抬升、功率放大将待测信号转化为0~5 V的电压信号Uout,作为A/D芯片的输入信号;同时采用过零比较法使Uout与抬升零点比较产生工频方波信号,作为锁相环电路的输入信号。
电流采集电路与电压采集电路相似,只是电流信号衰减部分使用了sensor系列精密电流互感器CHG-200E与TA1905-4组成的两级电流互感器,转化比例为20 A/1.25 mA,并且去掉了采样电阻。具体电路如图4所示,电压抬升电路省略;Iout为0~5 V的电压信号,输入A/D芯片。

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