1、直流采样法直流采样法,即采样经过整流后的直流量。采用直流采样算法测量电压、电流时,均是通过测量平均绝对值来测量电参量有效值的。此方法软件设计简单,计算方便,对采样值只需作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:测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响;整流电路参数调整困难,而且受波形因数的影响较大等。目前当被测信号为纯工频正弦量时,有效值与平均绝对值之间的关系为:Urms=1.11Uaav,在输入信号中含有谐波时,Urms与Uaav之间的关系将发生变化,并且谐波含量不同,两者之间的关系也不同。这将给计算结果带来误差。分析表明,在谐波污染较为严重的情况下,这种测量方法的误差可达10%以上。采用直流采样法计算功率的方法,通常是先分别计算电压、电流的有效值和它们之间的相位角,直接代入功率计算公式中进行计算。在含有谐波的情况下,由于算出的电压、电流有效值和相角差均有较大的误差,所以功率计算的结果也必然会有较大的误差。
2、交流采样法交流采样法是按一定规律对被测信号的值进行采样,用一定的数值算法求得被测量。它与直流采样的差别是用咻羿绅恐软件功能代替硬件功能。是否采用交流采样取决于两个条件:测量准确度和测量速度[1]。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线,可见数字化测量的原理误差主要有两项:一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差;另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的误差。其中,第一项误差主要是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的,实际上它取决于A/D转换器转换速度和CPU的处理时间。第二项误差则主要取决于A/D转换器的位数。随着电子技术的飞速发展,如今的微型机、单片机处理速度大大提高,同时也出现了种类繁多而且性能价格比较好的高速A/D转换器,为交流采样法奠定了坚实的基础。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非整周期采样法和非同步采样法等几种,下面对此作简要介绍。同步采样法同步采样法是指采样时间间隔TS与被测交流信号周期T及一个周期内采样点数N之间满足关系式T=N×TS。同步采样法又被称作等间隔整周期采样或者等周期均匀采样。同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测连续信号周期的整数倍。同步采样法有两种:硬件同步采样法、软件同步采样法。硬件同步采样法。硬件同步采样法在采样计算法发展的初期被普遍采用。1971年,美国国家标准局的R.S.Turgel博士将计算机采样数值计算用于精密测量领域,研制出第一台同步采样计算式功率表[2]。在工业现场和电力系统运行中,交流信号的频率会产生小范围的波动变化,因此,为了实现同步采样测量,采样间隔应随信号频率的变化而变化,即采样频率应跟踪实际信号的频率变化。目前,常采用锁相环来构成频率跟踪电路实现同步等间隔采样。软件同步采样法。软件同步采样法一般是由微处理器控制发出采样同步脉冲,从而实现同步采样。该方法省去硬件环节,结构简单,所以本仪器采用软件同步采样测量方法。软件同步采样法通常可由三种方法实现:第一:固定采样间隔和采样点数:第二:固定采样间隔,采样点数根据实际情况而定;第三固定采样点数,采样间隔由实测而定。前两种方法虽然所需的时间短,但误差较大,第三种方法虽然需要两个周期完成采样过程,但其误差小于前两种。实现方法是:首先测出被测信号的周期T,用该周期除以一周期内采样点数N,计算出采样时间间隔,并确定定时器的计数值,用定时中断方式给出启动采样的同步脉冲,实现同步采样。准同步采样法在实际采样测量中,采样周期不能与被测信号周期实现严格同步,即N次采样不是落在2π区间上,而是落在2π+Δ区间上(Δ称为同步偏差或周期偏差,其值可正可负),此时测量结果就将产生同步误差。为解决该项误差,并为了抑制因同步偏差而产生的频谱泄漏误差,20世纪80年代初,清华大学戴先中提出了准同步采样法,即在|Δ|不太大的情况下,当满足:N>2π+Δ2π×M(M为最高次谐波次数)通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的新方法。准同步采样法的基本原理简述如下:首先认为被测周期信号f(x)处于稳态情况,以求f(x)的平均值为例说明准同步方法。设周期信号:f(x)=A0+ΣMm=1fm(x)(1)式中:fm(x)=Amsin(mx+φm)(2)对其进行等间隔采样,在以xi开始的一个周期上的N+1个采样点,由于同步偏差的存在,实际落在(2π+Δ)区间上,对此N+1个数据按某种数值求积公式作如下定义的运算:F1(i)=1ΣN+ik=iρkΣN+ik=iρkf(xk)(3)式中1表示第1次递推,ρk为当(k=i,i+1,i+2,∧,i+N)时对应数值求积公式所确定的权系数。对从其它点开始的各组数据依次作类似计算。进一步定义如下递推运算:Fn(i)=1ΣN+ik=iρkΣN+ik=iρkFn-1(k)(4)如果采样满足:N>2π+Δ2πM(5)(式中Δ表示同步偏差,M为信号的最高次谐波次数。)那么,可以得到:→∞F=(6)这就是准同步采样方法抑制因同步偏差而产—53—Vol. Oct.2007:limnnA02生的误差的理论根据。有实际应用中,根据具体要求稍作变形处理,上述求均值的运算可扩展应用于求有效值、平均功率和谐波分析等。准同步采样法不要求采样周期与信号周期严格同步,不要求同步环节,对第一次采样的起点无任何要求,准同步采样不仅降低了对信号频率的要求,而且也降低了对采样时间间隔的要求,降低了对振荡器振荡频率的要求。因此,准同步采样技术可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节,使测量装置简单,电路简化。与同步采样法一样,两者均要求被测信号在短时间内是稳定的。准同步采样法的不足之处在于:它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方法来消除同步误差,其所需数据较多,计算量远大于同步采样,运算时间较长,不适合多回路、多参量实时性要求高的在线交流测量系统,而且受短暂突发性干扰影响的可能性要比同步采样大。针对以上缺点,清华大学的邓春提出了“快速准同步一次加权法[3]”,东南大学的潘文提出了减少迭代次数的三种方法:寻优法、补偿法和数字滤波法[4],这些方法缩短了测量时间,加快了数据处理速度,但需要准确地测量信号周期,并且采样起始点的选择将影响测量的准确度。非整周期采样法针对同步偏差对谐波分析产生误差,人们使用准同步采样,加窗技术和加窗-插值技术等来抑制频谱泄漏误差,但在原理上它们多少存在着测量方法误差。因此,哈尔滨工业大学的张建秋、陶然等提出了一种“非整周期采样理论[5]”。所谓非整周期采样就是以采样时间间隔:TS=K(1-Δ)TN(-1<Δ<1称为同步偏差)T为信号周期;N为采样次数,K为采样周期数。对连续周期信号进行采样,非整周期采样谐波分析方法所需要的数据可以仅为约一个周期,从而使谐波分析有可能跟踪信号的波动,而且不管实际采样是否同步,均能准确地分析谐波。由于所需数据可以在一个周期内获得,该方法适合于快速测量,算法实时性较好。但采样/保持误差、A/D转换器误差、外部或内部随机干扰以及计算机舍入误差对非整周期采样谐波分析方法的影响,还有待于进一步研究。非同步采样法非同步采样法是使用固定的采样间隔,通过调整采样值,使采样周期与信号周期(或信号周期的整数倍)的差值小于一个采样间隔的测量方法。1981年,M.F.Matouka使用非同步的方法研制出非正弦波形系统的功率、电能宽带采样数字式系统,测量准确度优于0.5%,1983年美国国家标准局用非同步研制出“宽带功率表”,当畸变信号频率从1～10kHz变化时,通过适当调整采样周期和增加采样频率(2.34kHz～300kHz),使样机的测量准确度达到0.1%,该表的准确度较高,但它使用16位的A/D转换器和微处理器,电路复杂,成本较高。综上所述,针对测量系统的实际情况,合理选择采样技术及相关算法进行数据处理是提高测量准确度的重要环节。随着微型计算机技术和采样计算式测量技术的飞速发展,将多样化的测量方法和数据处理融为一体的测量仪器的智能化和自动化水平大为提高,并已成为传统仪器更新换代的新趋势。以上可以看出黑河电网较改造前无论从供电可靠性、经济性、供电能力上都有很大的提高。本次评估范围内的电网,完全能够保证现状负荷条件下,电网安全、可靠、灵活、和经济运行的要求,实现了电网改造与建设的预期目标。同时,电网评估软件CNA3.0由于其科学的计算方法和简便灵活的使用特点,在这次评估工作中起到了重要作用。