隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力計(jì)量表計(jì)繼電保護(hù)等電力自動(dòng)裝置" title="自動(dòng)裝置">自動(dòng)裝置也越來越智能化。而這些裝置中，大多都用的是交流采樣。交流采樣的過程多數(shù)是：由系統(tǒng)二次回路來的電壓(或電流)，經(jīng)過二次PT(或CT)等變送到A/D" title="A/D">A/D適合的電壓后，由CPU控制A/D以一定的采樣頻率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得離散的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過離散傅立葉變換(DFT)，計(jì)算出基波有效值及各次諧波值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其它功能。進(jìn)行DFT計(jì)算過程如下：
　　若每周期采樣N的離散采樣系統(tǒng)，則其基波電壓(或電流)的有效值、實(shí)部有效值、虛部有效值分別為：
　　

　　上述計(jì)算能準(zhǔn)確表達(dá)有效值的條件是：每周波的N個(gè)采樣點(diǎn)是均勻分布在每個(gè)工頻周期內(nèi)。但在電力自動(dòng)裝置中，采樣頻率多是由通過設(shè)置CPU定時(shí)器分頻系數(shù)來完成，該定時(shí)器的時(shí)鐘源是CPU系統(tǒng)的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經(jīng)按照準(zhǔn)確的工頻頻率(50Hz)計(jì)算出符合上述計(jì)算要求的采樣頻率，由于電力系統(tǒng)的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應(yīng)情況，如：有關(guān)國家檢測標(biāo)準(zhǔn)中，要檢查錄波裝置在低頻條件下的反映情況。因此，按照固定的采樣頻率采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果也就難免出現(xiàn)誤差，因此就有可能引起測量精度的下降，或自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。
1 頻率變化對(duì)計(jì)算值的影響
　　此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統(tǒng)的工頻，因?yàn)槎咧话l(fā)生變化，都會(huì)影響采樣后有效值的計(jì)算。假定采樣頻率固定為1kHz(即對(duì)應(yīng)于50Hz信號(hào)為每周波20點(diǎn)采樣)，信號(hào)的有效值為60V，對(duì)應(yīng)于有46～54Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式(1)、(2)、(3)進(jìn)行全周波付氏濾波進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生結(jié)果的相對(duì)誤差如表1所示。

　　顯然，頻率的變化對(duì)計(jì)算有效值的影響較大。產(chǎn)生這一問題的原因就在于每周波的N個(gè)采樣點(diǎn)不是均勻分布在每個(gè)工頻周期內(nèi)。要解決這一問題，文獻(xiàn)^[1]中給出了“參數(shù)自尋優(yōu)等間隔同步采樣法”。應(yīng)該說，對(duì)于慢速的儀表檢測裝置來說該方法是很合適的。但由于其計(jì)算過程比較復(fù)雜，且每周波的采樣點(diǎn)數(shù)及頻率都在變化，對(duì)于適時(shí)性要求高，離散采樣數(shù)據(jù)在后臺(tái)處理裝置(如：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)記錄裝置)，就不能滿足要求。因此，在精度滿足要求的情況下，可只采用其中的一種方法：固定采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)單片機(jī)測量適時(shí)的工頻周期，適時(shí)調(diào)整采樣間隔。目前，有相當(dāng)部分電力自動(dòng)裝置中采用Intel80C196單片機(jī)作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實(shí)現(xiàn)采樣頻率跟蹤的方法。
2 硬件電路構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)原理
　　考慮到系統(tǒng)的頻率不是變化很快，要實(shí)現(xiàn)采樣頻率隨系統(tǒng)工頻的變化而適時(shí)調(diào)整，可先測得系統(tǒng)的頻率前一周期對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值T_c(以單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器時(shí)鐘周期為單位，以下同)，然后根據(jù)每周波采樣點(diǎn)數(shù)(N)，適時(shí)計(jì)算出每一采樣間隔計(jì)數(shù)值T_sj：
　　
　　則以T_sj為周期進(jìn)行采樣，即可實(shí)現(xiàn)采樣頻率的適時(shí)跟蹤。為實(shí)現(xiàn)這一過程，擬采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)：來自母線電壓互感器的A相電壓經(jīng)過小PT降壓隔離、低通濾波，經(jīng)過零比較器整形成方波，經(jīng)光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發(fā)高速輸入中斷，測得每個(gè)工頻周期計(jì)數(shù)值T_c。經(jīng)過單片機(jī)的分析計(jì)算，經(jīng)式(4)得到采樣間隔時(shí)間T_sj。以T_sj為時(shí)間間隔，設(shè)置軟件定時(shí)器中斷。在軟件定時(shí)器中斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制等，完成采樣頻率的適時(shí)跟蹤。

3 軟件流程
　　在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用80C196單片機(jī)的特點(diǎn)：高速輸入(HSI)接口及軟件定時(shí)器。前者用于整形后的方波上升沿檢測，用高速輸入中斷進(jìn)行系統(tǒng)周期的測量。后者用于產(chǎn)生以計(jì)算出的適時(shí)采樣間隔T_s為周期的軟件定時(shí)器中斷，以進(jìn)行A/D采集控制。
　　軟件由兩部分組成：主程序、高速輸入(HSI)中斷程序及HS0軟件定時(shí)器中斷，流程圖見圖2～圖4。

　　主程序主要完成初始化及其它應(yīng)用功能。在初始化時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置采樣時(shí)間間隔的缺省計(jì)數(shù)值T_d 。主要用于因測頻用的電量不正常，不能正確測量電力系統(tǒng)的頻率時(shí)，使用該缺省值作為采樣間隔計(jì)數(shù)T_sc，即T_sj＝T_d 。該缺省值的計(jì)算方法可以參考下例：
　　假定系統(tǒng)頻率為50Hz(即周期為20000μs)；
　　每周波的采樣點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)；
　　80C196的系統(tǒng)晶振為16MHz，以定時(shí)器1作為時(shí)間基準(zhǔn)，則計(jì)數(shù)周期為1μs，參見文獻(xiàn)^[2]。
　　則采樣點(diǎn)間隔的時(shí)間為：
　　20000μs/20＝1000μs
　　采樣時(shí)間間隔的缺省計(jì)數(shù)值為：
　　T_d＝1000μs/1μs＝1000
　　高速輸入中斷程序首先讀出當(dāng)前的高速輸入計(jì)數(shù)值T_new，計(jì)算與上次計(jì)數(shù)值T_old之差，獲得適時(shí)工頻周期T_c，再對(duì)T_c的數(shù)值范圍進(jìn)行判斷，以確認(rèn)該值的有效性。在判斷T_c的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統(tǒng)的頻率波動(dòng)范圍，如45～55Hz對(duì)應(yīng)T_c范圍及兩次測量值之差來確定(因?yàn)檎Ｏ到y(tǒng)頻率不可能突變)。最后用(4)式并考慮進(jìn)入中斷程序所需要的20個(gè)狀態(tài)周期，計(jì)算出適時(shí)采樣間隔時(shí)間T_sj。
　　進(jìn)入HS0軟件定時(shí)器中斷后，首先要做的是預(yù)置下次進(jìn)入中斷的時(shí)間T_sj。然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的控制及其它需要每個(gè)采樣間隔所做的處理。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于軟件定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會(huì)受到高速輸入中斷的影響。另外，此處A/D控制可以是80C196內(nèi)部的片內(nèi)A/D，也可以控制擴(kuò)展A/D。視實(shí)際的需要而定。
　　本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開發(fā)的微機(jī)電力故障錄波器及RTU自動(dòng)裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實(shí)測結(jié)果見表2。雖然比文獻(xiàn)^[1]中的方法計(jì)算結(jié)果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內(nèi)(＜0.5%)，能有效地抵消電力系統(tǒng)頻率變化對(duì)裝置測量精度的影響，因此，能夠滿足一般儀器裝置的要求。其具有跟蹤調(diào)整簡單，適時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種比較實(shí)用的方法。采用其它CPU的自動(dòng)裝置可采用類似原理來實(shí)現(xiàn)采樣頻率同步跟蹤。