摘 要： 分析了工頻" title="工頻">工頻頻率變化對計算電量有效值" title="有效值">有效值的數字化測量精度的影響及產生采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率誤差的原因，給出用單片機Intel80C196的高速輸入接口及軟件定時器實現采樣頻率跟蹤的方法，并給出硬件電路結構及軟件框圖。
關鍵詞： 采樣頻率 同步 單片機
隨著計算機技術的發展，電力計量表計繼電保護等電力自動裝置" title="自動裝置">自動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是：由系統二次回路來的電壓(或電流)，經過二次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行模數轉換，獲得離散的采樣數據，經過離散傅立葉變換(DFT)，計算出基波有效值及各次諧波值，進而實現其它功能。進行DFT計算過程如下：
若每周期采樣N的離散采樣系統，則其基波電壓(或電流)的有效值、實部有效值、虛部有效值分別為：
上述計算能準確表達有效值的條件是：每周波的N個采樣點是均勻分布在每個工頻周期內。但在電力自動裝置中，采樣頻率多是由通過設置CPU定時器分頻系數來完成，該定時器的時鐘源是CPU系統的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經按照準確的工頻頻率(50Hz)計算出符合上述計算要求的采樣頻率，由于電力系統的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護裝置產品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應情況，如：有關國家檢測標準中，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據，計算結果也就難免出現誤差，因此就有可能引起測量精度的下降，或自動裝置的誤動作。
1 頻率變化對計算值的影響
此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統的工頻，因為二者之一發生變化，都會影響采樣后有效值的計算。假定采樣頻率固定為1kHz(即對應于50Hz信號為每周波20點采樣)，信號的有效值為60V，對應于有46～54Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式(1)、(2)、(3)進行全周波付氏濾波進行計算，產生結果的相對誤差如表1所示。
顯然，頻率的變化對計算有效值的影響較大。產生這一問題的原因就在于每周波的N個采樣點不是均勻分布在每個工頻周期內。要解決這一問題，文獻[1]中給出了“參數自尋優等間隔同步采樣法”。應該說，對于慢速的儀表檢測裝置來說該方法是很合適的。但由于其計算過程比較復雜，且每周波的采樣點數及頻率都在變化，對于適時性要求高，離散采樣數據在后臺處理裝置(如：電力系統動態記錄裝置)，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：固定采樣點數，根據單片機測量適時的工頻周期，適時調整采樣間隔。目前，有相當部分電力自動裝置中采用Intel80C196單片機作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實現采樣頻率跟蹤的方法。
2 硬件電路構成及實現原理
考慮到系統的頻率不是變化很快，要實現采樣頻率隨系統工頻的變化而適時調整，可先測得系統的頻率前一周期對應的計數值Tc(以單片機系統的定時器時鐘周期為單位，以下同)，然后根據每周波采樣點數(N)，適時計算出每一采樣間隔計數值Tsj：
則以Tsj為周期進行采樣，即可實現采樣頻率的適時跟蹤。為實現這一過程，擬采用如圖1所示的電路結構：來自母線電壓互感器的A相電壓經過小PT降壓隔離、低通濾波，經過零比較器整形成方波，經光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發高速輸入中斷，測得每個工頻周期計數值Tc。經過單片機的分析計算，經式(4)得到采樣間隔時間Tsj。以Tsj為時間間隔，設置軟件定時器中斷。在軟件定時器中斷中進行數據采集控制等，完成采樣頻率的適時跟蹤。
3 軟件流程
在進行軟件設計時，應當充分利用80C196單片機的特點：高速輸入(HSI)接口及軟件定時器。前者用于整形后的方波上升沿檢測，用高速輸入中斷進行系統周期的測量。后者用于產生以計算出的適時采樣間隔Ts為周期的軟件定時器中斷，以進行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用功能。在初始化時，應當設置采樣時間間隔的缺省計數值Td 。主要用于因測頻用的電量不正常，不能正確測量電力系統的頻率時，使用該缺省值作為采樣間隔計數Tsc，即Tsj＝Td 。該缺省值的計算方法可以參考下例：
假定系統頻率為50Hz(即周期為20000μs)；
每周波的采樣點數為20點；
80C196的系統晶振為16MHz，以定時器1作為時間基準，則計數周期為1μs，參見文獻[2]。
則采樣點間隔的時間為：
20000μs/20＝1000μs
采樣時間間隔的缺省計數值為：
Td＝1000μs/1μs＝1000
高速輸入中斷程序首先讀出當前的高速輸入計數值Tnew，計算與上次計數值Told之差，獲得適時工頻周期Tc，再對Tc的數值范圍進行判斷，以確認該值的有效性。在判斷Tc的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統的頻率波動范圍，如45～55Hz對應Tc范圍及兩次測量值之差來確定(因為正常系統頻率不可能突變)。最后用(4)式并考慮進入中斷程序所需要的20個狀態周期，計算出適時采樣間隔時間Tsj。
進入HS0軟件定時器中斷后，首先要做的是預置下次進入中斷的時間Tsj。然后進行A/D轉換的控制及其它需要每個采樣間隔所做的處理。應當指出的是，由于軟件定時器中斷優先級高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會受到高速輸入中斷的影響。另外，此處A/D控制可以是80C196內部的片內A/D，也可以控制擴展A/D。視實際的需要而定。
本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開發的微機電力故障錄波器及RTU自動裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實測結果見表2。雖然比文獻[1]中的方法計算結果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內(＜0.5%)，能有效地抵消電力系統頻率變化對裝置測量精度的影響，因此，能夠滿足一般儀器裝置的要求。其具有跟蹤調整簡單，適時性強的特點，是一種比較實用的方法。采用其它CPU的自動裝置可采用類似原理來實現采樣頻率同步跟蹤。
參考文獻
1 潘文誠.參數自尋優等間隔同步采樣法.電測與儀表，1999；(10)
2 孫涵芳.Intel 16位單片機. 北京：北京航空航天大學出版社，1995
3 Intel.Embedded Microcontrollers and Processors、1993(2)