摘 要： 分析了準同步采樣法的基本工作原理，研究了為了減少編程計算量的準同步簡化算法，以及為了提高準同步采樣法準確度的變頻率采樣法。最后，把準同步采樣法應用到三相多功能電度表中，實現了0.2S精度的三相多功能電度表的設計。實際測試結果表明，該表具有精度高、功能齊全及性能可靠等特點。
關鍵詞： 電能表；DSP；準同步采樣；0.2S精度
近年來隨著各種大功率整流、換流設備以及電弧爐等非線性負荷的日益增多，造成供電系統電壓、電流波形不同程度畸變，產生了大量的諧波負荷、沖擊負荷和低負荷負載等各種復雜負荷。這些復雜負荷不僅對供電系統的安全、穩定以及經濟運行構成威脅、造成危害，而且也對電能計量裝置產生很大的影響。深入研究諧波負荷對供電系統電能計量的影響，研發出一款帶有諧波電能計量的電能表，具有十分重大的社會意義和經濟意義。同步采樣是目前使用微處理器的電能測量裝置中普遍采用的采樣方法，它的優點是在滿足一定的采樣要求時，理論上沒有測量方法誤差。但是，嚴格的同步采樣在實際應用中極難實現，尤其是固定采樣頻率下，測量電網參數基本上不可能做到同步采樣。此時存在非同步誤差，且成為測量系統的主要誤差。減小非同步誤差的方法可分為硬件法和軟件法。第一類方法從硬件上來實現，從目的上來分析是為了盡量減小失步度，即滿足采樣周期和信號周期同步，但這類方法的硬件實現比較復雜，同時，受系統的時鐘影響，存在截斷誤差。第二類方法是在非同步采樣的前提下，即無法達到同步采樣的前提下采用的軟件分析方法，即準同步采樣方法。
準同步采樣方法的最大特點是去掉了同步采樣中的同步環節，在采樣過程中，利用增加每周期的采樣點和增加采樣周期，采用新的數據處理方法，即通過數值積分公式進行迭加運算，可以獲得對采樣信號平均值的高準確度估計，達到消除同步誤差的目的。采用該方法降低了對硬件的要求，在低頻的情況下，可以得到很好的結果。
1 準同步采樣算法
1.1 準同步采樣法的基本原理
測量電網參數如平均值、有效值和功率可看作是進行一種積分運算。例如：
根據式（7）～（10）則可完成電表電參數的計算。
?。?）減少準同步采樣法誤差的方法——變頻采樣法
根據準同步采樣的誤差理論分析，以及計算機仿真表明，準同步采樣的誤差產生與頻率偏差Δf相關。Δf 越大，誤差越大。表1給出了頻率偏差與信號有效值的準確度關系。
減少誤差最直接方法是改變根據實際電網頻率實時改變采樣頻率，即變頻采樣法。它是在測量過程中，根據信號的頻率值，改變采樣頻率，使信號頻率與采樣頻率的偏差最小。具體實現方法有多種，本文采用方法是：首先采用一個采樣頻率對信號進行采樣，根據準同步采樣算法，計算出信號的有效值、諧波等，再計算出信號的頻率。其次，根據這個頻率去設置系統的采樣頻率。具體計算過程如下：
對于一個正弦波，它的頻率等于兩點的相位差除以這兩點之間的時間差。時間差是由采樣頻率決定的。相位差可以通過諧波分析中得到。如果從t0時刻開始進行諧波分析，求出此時刻的相位Ψ1；同樣，如果從t1時刻開始進行諧波分析，求出此時刻的相位Ψ2。根據這兩個相位差，可以根據式（11）準確地求出信號的頻率：
2 系統總體方案設計
三相多功能電度表的工作原理是，首先對電網的三相電壓、電流信號進行調理，電壓經過分壓電阻，電流經過高精度電流互感器，把大信號轉換為小信號，然后通過一個抗混疊濾波器，調理后的信號進行A/D采樣，通過串行通信口，DSP接收到采樣數據。DSP實時處理采樣數據，計算出電壓和電流有效值，有功和無功功率，累積電量，電網頻率及功率因數等電網參數。采用高精度算法對電壓、電流信號進行諧波成分分析，得到各次諧波分量有效值、頻率和相位信息，利用這些信息，計算出各次諧波功率及諧波電能。計算結果通過LCD面板顯示，同時也能與外部進行通信，系統提供電能脈沖輸出，方便校表。系統框圖如圖2所示。
2.1 多功能電度表基本結構
系統硬件結構參考市場上已有的成熟電能表硬件構成方案，分為3塊工作電路板。DSP系統所在模塊按4層板設計，便于布線和提高抗干擾能力，另兩塊是雙層PCB，如圖3所示。
各個模塊功能簡介如下：
?。?）信號調理和A/D采樣
電壓經電阻分壓網絡按比例分壓，電流經電流互感器轉換為小電流，同時起到強弱電隔離的作用，電流互感器內部有一個電流感應型互感線圈，當原方輸入一定的交流電流時，在副方就會有電流輸出。如果輸入在額定范圍之內，輸出值和輸入值是成線性關系的，它們的比值由原、副方的匝數比決定。
采樣電路采用交流采樣，采樣芯片為16 bit的AD73360，支持6通道同步轉換，無同步誤差。同時AD73360使用了過采樣技術（Oversampling），前端的信號通道只需要使用簡單的一階低通濾波器即可消除混疊效應。
?。?）處理器模塊
本項目采用ADI公司的Blackfin531 16 bit定點芯片，其最高處理能力可達800 MIPS。BF531處理器用于高速數字信號處理，將完成所有的電能計量和諧波分析。為了滿足電能表實時性高、功能較多、程序量以及數據量大的要求，本項目為BF531配置了SDRAM芯片IS42S16400，IS42S16400是ISSI公司的同步存儲器，容量達64 MB，16 bit寬訪問，時鐘頻率最高為133 MHz。同時使用16 bit Flash存儲器SST39VF200A，SST39VF200A是SST公司生產的Flash存儲器。
?。?）顯示模塊
液晶顯示可以直觀表達電表測量時需要顯示出來的參數，可以為用戶和系統維護人員帶來極大的方便。PCF8576正是一款專用驅動點陣式液晶的專用芯片。帶有I2C總線接口，有4個背極輸出和40個顯示段輸出，因此，最多可驅動160個LCD顯示段。PCF8576的外設連接相對來說比較簡單，與Blcakfin 53x系列高性能DSP相連無需特別的接口電路。
3 實驗結果分析
測試方案：電能表均有有功和無功脈沖輸出，根據設定的脈沖常數和功率值，脈沖輸出口以一定的頻率輸出脈沖，脈沖寬度設為80 ms，脈沖頻率反映了電功率大小，功率越大頻率越高，一段時間內的脈沖數代表了電能量。電能表檢驗臺包含高精度的穩定源和標準表兩部分。標準表連接信號源，同時被測儀表的脈沖輸出也連接至標準表，根據標準表測量的脈沖和被測儀表的脈沖可以算出誤差。這里每一圈計算一個誤差，即一個脈沖刷新一次誤差。
根據國標GB/T 17883—1999對準確度的要求測量多個測試點，以A相為例，有功電能的誤差分布如表2、表3所示，無功電能的誤差分布如表4、表5所示。
從上面的測試數據可以看出，全量程范圍內分相誤差均小于±0.2%。誤差在接近1%量程時相對比較大，但也能控制在±0.2%以內，這是因為小電流時，互感器的角差和比差會相對變大一些，而整個測量系統只校正了一個點，即額定電流Ib處。從檢定的結果可以看出，有功測量全量程可以達到0.1%，無功測量可以達到0.2%，檢定合格。
本項目采用了準同步采樣法，減少了非同步采樣誤差，為研發0.2S精度的三相多功能電度表提供了理論依據之一。實驗結果表明，采用了準同步算法的電能表能夠實現高精度的電參數測量，準確度符合GB/T 17883—1999和DL/T614—1997的0.2S級精度電能表標準，同時兼容0.5S級精度電能表。實現了電壓、電流的各次諧波分析，最高測量到21次。具有很好的市場應用前景。
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