2 系统总体设计原理 2 系统总体设计原理
2.1交流采样法
随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，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，电量的数据采集是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量（电压、电流、功率等），是电力系统自动化的一个重要因素。
根据采样信号的不同，可以分为直流采样和交流采样两大类。所谓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，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实时采集，因而在电力系统中的应用受到了限制。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，交流采样实时性好、相位失真小、便于维护，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。交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的瞬时值，是随时间而变化的交变量，人们无法直接识别其大小和传送方向(指功率)，这就需要通过一定的算法把信号的有关特征电量计算出来。
交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。同步采样的具体作法是将信号的一个整周期(或多个周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值。如被测信号频率有偏移,常利用锁相环电路或过零检测环节以保证采样同步。同步采样对采样速率 N 及采样周期的选择既要满足采样定理的要求，又要满足实时处理的要求。同步采样中由于 N 次均匀采样间隔 h 之和很难与一个周期 T 或 m 个周期 mT严格相等，它们之间的差异 d＝hN－mT，称作同步误差。在实际测量中，很小的同步误差也会产生较大的测量误差。为了减小同步误差对采样的限制，准同步采样的方法便应运而生。准同步采样是在多个周期内均匀采样，然后根据特定的数值求积公式进行递推运算，它是以较多的数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响，而且在采样期间要求信号波形必须稳定。
同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况，若要对频率范围很宽的信号采样，则宜采用异步采样的方法。异步采样采取等间隔采样方式，在较多周期上利用高采样率获取大量数据，对其求平均值，这样即使存在同步误差，其影响也将大为缩小。
2.2 交流采样原理及相关算法
工频参数的计算要用到电压、电流的有效值，功率等参数，而测量系统的 CPU 从A/D 转换器读取的数据是电压、电流的瞬时值，因此应根据电压、电流的瞬时值，计算出电压、电流的有效值、功率等参数。
将电压有效值公式（2.1）
U?1TT?u02(t)dt 式（2.1）
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
1TTU??u(t)dt02U? 式（2.2）
u式（2.2）中：?Tm为相邻两次采样的时间间隔；m为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。
?T 若相邻两采样的时间间隔相等，即?Tm为常数 ，考虑到N=(T/)+1， ?T则有
N12U＝?N?1m＝1um1Tm＝1?uN2m?Tm?1TT?u02(t)dt 式（2.3）
式（2.3）就是根据一个周期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。同理，电流有效值计算公式如下：
?1TT?u02(t)dtN12I＝?N?1m＝1Im 式（2.4）
计算一相有功功率的公式
1P??i?t?u?t?dtT0离散化后为
T 式（2.5）
式（2.6） ui式（2.6）中：m 、m为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求
cos??PUI 式（2.7） 但在实际的测量中，上式的算法很难实现，所以本文拟采用一种与接线无关的三相功率因数检测方法。具体内容会在第4章中详细讲叙。
1NP?imum?N?1m＝1
对于频率的测量，是将交流信号经OP07电压比较器变成方波后送到AT89C52的P3.2脚（外中断0），由AT89C52计数器0在方波的一个周期内计数，然后乘以系统内部时钟就得到方波周期?T，所以频率就为1/?T。
2.3 系统的工作过程
系统交流采样某一工频电力参数的过程如下：
（1）通过电压互感器 PT 和电流互感器 CT 获得输配电线路上的电压、电流交流信号；
（2）对电压、电流交流信号进行选择、采样/保持； （3）进行 A/D 转换； （4）单片机对 A/D 转换信号进行数据处理，即采样数据处理，标度变换以及输出等操作；
（5）LCD显示器来实现系统功能
3 基础知识 3 基础知识
3.1单八路模拟开关CD4051
模拟多路开关是一种重要的器件，在多路被测信号共用一路 A/D转换器的数据采集系统中，通常用来将多路被测信号分别传送到 A/D 转换器进行转换，以便计算机能对多路被测信号进行处理。
模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输入端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。
本次设计的系统中用到的是CD4051，具体内容如下： 单八路模拟开关CD4051
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表3.1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。
表3.1 4051真值表 输入状态 INH 0 0 0 0 0 0 0 0 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 ? B 0 0 1 1 0 0 1 1 ? A 0 1 0 1 0 1 0 1 ? 接通通道 “0” “1” “2” “3” “4” “5” “6” “7” 均不接通 3.2 AD678的性能特点
将模拟量转换成数字量的过程称为模数转换，即A/D转换，A/D转换是数据采集系统的重要环节。 常见的A/D转换器有四种类型:计数式A/D转换器;逐次逼近型A/D转换器,双积分型A/D转换器和并行A/D转换器。A/D转换器的品种繁多，性能各异，但从使用的角度看，各类A/D转换器的外特性都包括:模拟信号输入端;数字信号并行输出端;启动转换的外部控制信号;转换完毕转换器发出的转换结束信号等。在将这些信号与CPU接口时要涉及到A/D转换器的输出方式和对启动信号的要求。
在数据采集系统中以逐次逼近式A/D转换器在与微型计算机接口时用得最广、最普遍，因此，本系统使用的即是这种A/D转换器，下面介绍其工作原理。
AD678的性能特点
AD678是AD公司出品的12位逐次逼近型模数转换器，本系统采用它来实现将采集到的模拟电压和电流转换成数字量。 ? ? ? ? ? ? ? ? ?
其主要特性如下:
具有内部参考电压源和内部时钟，输出带有三态输出缓冲器，因此使用方便，也便于和微机直接接口。
转换时间为5μs，属于高档速度。
输入模拟信号范围可为0～10V和0～20V，0～±5V和0～±10V两档四种。 数模转换可以为12位，也可以为8位，故可适用于不同场合。
输入控制信号有:
CS: 片选端，低电平有效。
CE: 片使能端，高电平有效。必须和/CS同时有效时，AD678才工作，否则处于禁止状态。
R/C: 读出和转换控制。当R/C=0时，启动模数转换过程；当R/C=1时，读出模数转换的结果。
A0和12/8:这两个控制信号用来决定是进行12位转换还是进行8位转换。 STS：工作状态指示信号端。当STS=1时，表示转换器正处于转换状态；当STS=0时，A／D转换结束。通过此信号可以判别A／D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 各控制信号的组合功能如表3.2所示：