基于单片机C8051F020电力参数测量.docVIP

基于C8051F020单片机的电力参数测量 关键词：C8051F020单片机；电力参数；偏差累积增量法；数值积分 引言:在传统的电力参数测量系统中，多采用8051、80C196等普通单片机作为微控制器。由于其指令周期长，在实时性方面受到了一定的限制。随着微电子技术的不断进步，C8051F020单片机体现了单片机集多种器件和多种功能于一身，从“片自为战”向“片上系统”过渡的发展方向。本文将详细介绍高速微控制器C8051F020在电力参数测量系统中的应用和实现。 系统方案设计 交流采样方法 交流采样法，即直接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法进行处理。 对周期为T的被测信号，设为采样周期，在一个周期内于、、…、、…、时刻采样N个点，令，如果有： (1) (2) 同时成立，则称采样为理想同步采样。这时第i次采样点的采样时刻 (3) 然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情况。在实际同步采样系统中，要严格满足式(3)是很困难的。为此，定义同步采样时间误差来表示第i次采样点的实际采样时刻与其理想同步采样时刻的偏差： (4) 目前，利用采样值进行工频电参量测量的理论和方法大多建立在理想同步采样基础上的。当存在同步采样时间误差时，测量精度必定会受到影响。 软件同步采样时间误差的产生与软件同步的实现方法密切相关。目前．软件同步的一般实现方法是：首先测取被测电信号的周期T，然后计算采样周期并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。由于定时器的计数周期受定时器最大计数频率的限制不可能无限小，而微机的采样周期TS必须以定时器计数周期的倍数来表示，从而微机实际采样周期TS与理想计算值之间会出现误差，这一由量化原因引起的误差，使式(1)得不到满足。一些文献称ΔT为周期误差。这时同步采样时间误差： (5) 可见在存在周期误差时，同步采样时问误差值随i增大而增大。在高精度测量场合，i通常须取得比较大，这时同步误差可能达到一个比较大的值。 同步采样时间误差的另一产生原因是，在软件采样时，CPU对定时中断的响应时间有一定的随机性，从而即使ΔT=0，式(2)也得不到完全满足。CPU的中断响应时间与定时器发出中断请求信号时刻CPU是否在执行其它中断服务程序；正在执行的当前指令是否允许CPU立即响应中断；当前执行指令的指令周期长短及当前指令已经执行到哪一个机器周期等因素有关。一般来说，应保证定时中断采样时对其它中断源的中断不予响应。在这一前提下，经过合理安排，微机中断响应的最长时间和最短时间的差值通常可限制几个微秒内， Δti一般只会有几个微秒。若不存在周期误差ΔT，则，这一原因引起的同步采样时间误差较小。 可见在软件同步测量系统中，周期误差是影响测量精度的主要原因。可通过一种软件同步实现方法减小误差，它通过在采样过程中修改定时器的计数值，动态确定采样周期来减小周期误差。该方法不须对测量数学模型进行任何修改。 改进的软件同步实现方法 设定时器的计数周期为T0，则与采样周期Ts对应的定时器计数值为，它一般不为整数，对它截掉小数取整，得正整数H，截掉的小数部分为L。以H为定时器的计数值，则会产生的周期误差（若以H+1作为计数值,则）显然，是由采样周期Ts的实际值与理想计算值之间的偏差引起的。在采样过程中，偏差随i值增大而不断增大，使采样点偏离同步采样点的程度不断加剧。要减小周期误差，必须消除偏差L的累积效应。 为此，须对在采样过程中定时器计数值取常数的常规作法进行改进，偏差累积增量法就是这样一种算法。设置一单元SUM对偏差L进行累加，对于第0次采样，SUM的初值为0。第i次采样时，SUM的值为第i-1次采样时的SUM值与L的和。在每次采样前考察SUM的值，若SUM1，则这次采样的定时器计数值取H；若SUM1，则计数值取H+1，并对SUM减1。继续上述过程直至一个工频周期的采样完成。这种作法可使偏差L不产生累积，从而保证在一个工频周期内L引起的周期误差。 采用这种方法，可能会使某些次采样时的|Δti|值增大一个，但由于一般很小，由相对周期误差引起的测量误差亦很小。 电力参数交流采样算法 交流直接采样方法测量交流电量的算法虽有多种，但较实用有三种，即最大值法、积分法和傅里叶变换法。最大值法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况，多次采集求平均可减小误差但考虑内部AD采集间隔会在很大程度上影响对峰峰值的检测 在非正弦波情况下，相电压、相电流的有效值定义为： 在对电流电压采样时，每个周期采样N点，采样间隔为ΔT，得到离散化采样序列{}、{}，则有： 若采样间隔ΔTk恒定为ΔT，则N=T/ΔT。电流和电压有效值公式为： 其他的电力参数计算公式分别如下： 有功功率 视在功率 无功功率 功率因数