第9期 黄纯等：交流采样同步方法的分析与改进 一半。值得注意的是，该方法只需要在原有的定时 误差，一个可行的方法是：利用采样值估算电网周 器中断采样程序中加入几条指令即可实现，CPU增 期，然后根据估算的电网周期调整采样周期对应的 加的工作量几乎可以忽略不计，且不需要对硬件和 定时值。这时，异步采样实际上转化成了软件同步 测量算法做任何改动。 采样，只不过它是通过数值计算来确定电网周期的。 如前所述，在用硬件实现同步时，只要硬件同 近年来国内外学者提出了多种电网频率的数值算法 步环节设计恰当，周期误差非常小，可忽略不计。 [8 因此一般情况下，硬件同步比软件同步测量精度高。 6仿真与实践 但由于软件同步不需硬件同步环节，可简化装置结 构，降低成本，在很多场合得到广泛应用。并且， 与测量其它电参量相比，同步误差对高次谐波 采用本文提出的上述方法，可基本上消除周期误差， 测量的影响最大。下面以谐波测量为例进行仿真分 使软件同步的精度得到很大提高。 析，以验证前述改进方法的有效性。取测量信号 5异步采样的同步误差及其抑制 为0)-25k到22+y+o1,为简单起见. 异步采样实际上是假定电网频率为某一定值， 设，=0(k=0,1?,5)。又假定微机测量系统的定 根据这一定值和每周波内的采样点数确定定时器的 时器的计数周期τ=2s,微处理器中断响应时间为 定时值，以此实现同步。由于异步采样实现简单， 1~11s,且以6s为中心服从正态分布。对该信号 硬件要求低，因而广泛用于微机保护或精度要求不 每周期采样128点，用DFT计算11次(k=5)谐波 高的测量中。当电网频率与这一定值不符或发生变 电流的幅值和相位。仿真计算结果如表1、2和3（其 化时，异步采样的同步误差相当大，故对精度要求 中，考虑中断响应时间分散性时，给出的为100次 较高的场合是不适用的。这时，必须改用软件或硬 仿真结果的绝对平均值)。 件同步方法。 表1硬件同步测量误差 Tab.1 Measuring errors caused by 在微机采样系统中如果不具备硬件同步电路 hardware synchronous sampling 和电网频率跟踪测量电路，要减小异步采样的同步 幅值误差/%相位误差/°) 传统方法 0.2217 0.1261 改进方法 0 0 表2软件同步测量误差 Tab.2 Measuring errors caused by software synchronous sampling 传统方法 改进方法 改进方法 信号颊率比 不计中断响应时间影响 不计中断响应时间影响 计及中断响应时间影响 幅值误差% 相位误差/() 幅值误差% 相位误差/（°） 幅值误差/% 相位误差/°) 49.6 2.8708 6.1426 0.0043 0.0118 0.2056 0.1054 49.8 4.3604 11.0939 0.0192 0.0312 0.1976 0.1265 50.0 1.3444 3.1709 0.0104 0.0494 0.2413 0.1176 50.2 2.1771 4.7302 0.0251 0.0003 0.1948 0.1295 50.4 6.3133 12.5695 0.0032 0.0209 0.2045 0.1401 表3异步采样测量误差 增加。在硬件同步时，如果处理不当，中断响应时 (不计中断响应时间及定时器分辨率影响) 间分散性将比仿真的情况更大，引入的测量误差不 Tab.3 Measuring errors caused by asynchronous sampling 容忽视。而本文提出的由硬件同步环节直接控制采 信号频率五幅值误差/% 相位误差/°) 样保持电路的改进方法可以消除中断响应时间对测 49.6 5.9697 15.8538 49.8 3.2114 7.9333 量的影响。 50.0 0 0 采用软件同步，传统方法存在较大的周期误 50.2 3.7604 7.8924 差，从而引起较大的测量误差。即使不考虑中断响 50.4 8.1844 15.7139 应时间影响，如表2所示，幅值和相角误差在某些 采用硬件同步，不考虑中断响应时间的分散 情况下也分别达到了6%和12°。采用改进方法，周 性，11次谐波的幅值和相位误差均为0：考虑中断 期误差基本消除，误差降至与传统硬件同步相当的 响应时间这一因素时，幅值误差和相位误差均明显 水平。值得注意的是，在高精度测量时，为抑制信 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 9 期 黄 纯等： 交流采样同步方法的分析与改进 41 一半。值得注意的是，该方法只需要在原有的定时 器中断采样程序中加入几条指令即可实现，CPU增 加的工作量几乎可以忽略不计，且不需要对硬件和 测量算法做任何改动。 如前所述，在用硬件实现同步时，只要硬件同 步环节设计恰当，周期误差非常小，可忽略不计。 因此一般情况下，硬件同步比软件同步测量精度高。 但由于软件同步不需硬件同步环节，可简化装置结 构，降低成本，在很多场合得到广泛应用。并且， 采用本文提出的上述方法，可基本上消除周期误差， 使软件同步的精度得到很大提高。 5 异步采样的同步误差及其抑制 异步采样实际上是假定电网频率为某一定值， 根据这一定值和每周波内的采样点数确定定时器的 定时值，以此实现同步。由于异步采样实现简单， 硬件要求低，因而广泛用于微机保护或精度要求不 高的测量中。当电网频率与这一定值不符或发生变 化时，异步采样的同步误差相当大，故对精度要求 较高的场合是不适用的。这时，必须改用软件或硬 件同步方法。 在微机采样系统中如果不具备硬件同步电路 和电网频率跟踪测量电路，要减小异步采样的同步 误差，一个可行的方法是：利用采样值估算电网周 期，然后根据估算的电网周期调整采样周期对应的 定时值。这时，异步采样实际上转化成了软件同步 采样，只不过它是通过数值计算来确定电网周期的。 近年来国内外学者提出了多种电网频率的数值算法 [8]。 6 仿真与实践 与测量其它电参量相比，同步误差对高次谐波 测量的影响最大。下面以谐波测量为例进行仿真分 析，以验证前述改进方法的有效性。取测量信号 为 å= × p + + + = × 5 0 sin[ 2 (2 1) ] 2 1 1 ( ) 2 k k f k t k i t j ，为简单起见， 设jk =0( k = 0,1,L ,5 )。又假定微机测量系统的定 时器的计数周期t = 2 ms ，微处理器中断响应时间为 1~11ms ，且以6ms 为中心服从正态分布。对该信号 每周期采样 128 点，用 DFT 计算 11 次( k = 5 )谐波 电流的幅值和相位。仿真计算结果如表 1、2 和 3（其 中，考虑中断响应时间分散性时，给出的为 100次 仿真结果的绝对平均值）。 表 1 硬件同步测量误差 Tab.1 Measuring errors caused by hardware synchronous sampling 幅值误差 / % 相位误差/(º) 传统方法 0.2217 0.1261 改进方法 0 0 表 2 软件同步测量误差 Tab.2 Measuring errors caused by software synchronous sampling 传统方法 不计中断响应时间影响 改进方法 不计中断响应时间影响 改进方法 信号频率/Hz 计及中断响应时间影响 幅值误差/% 相位误差/(º) 幅值误差/% 相位误差/(º) 幅值误差/% 相位误差/(º) 49.6 2.8708 6.1426 0.0043 0.0118 0.2056 0.1054 49.8 4.3604 11.0939 0.0192 0.0312 0.1976 0.1265 50.0 1.3444 3.1709 0.0104 0.0494 0.2413 0.1176 50.2 2.1771 4.7302 0.0251 0.0003 0.1948 0.1295 50.4 6.3133 12.5695 0.0032 0.0209 0.2045 0.1401 表 3 异步采样测量误差 （不计中断响应时间及定时器分辨率影响） Tab.3 Measuring errors caused by asynchronous sampling 信号频率/Hz 幅值误差/ % 相位误差/(º) 49.6 5.9697 15.8538 49.8 3.2114 7.9333 50.0 0 0 50.2 3.7604 7.8924 50.4 8.1844 15.7139 采用硬件同步，不考虑中断响应时间的分散 性，11 次谐波的幅值和相位误差均为 0；考虑中断 响应时间这一因素时，幅值误差和相位误差均明显 增加。在硬件同步时，如果处理不当，中断响应时 间分散性将比仿真的情况更大，引入的测量误差不 容忽视。而本文提出的由硬件同步环节直接控制采 样保持电路的改进方法可以消除中断响应时间对测 量的影响。 采用软件同步，传统方法存在较大的周期误 差，从而引起较大的测量误差。即使不考虑中断响 应时间影响，如表 2 所示，幅值和相角误差在某些 情况下也分别达到了 6%和 12º。采用改进方法，周 期误差基本消除，误差降至与传统硬件同步相当的 水平。值得注意的是，在高精度测量时，为抑制信