攝譜儀器在變流電荷數(shù)字搜集中運用
1.采樣頻率的選擇在交流采樣技術中，為了防止“頻率混疊”現(xiàn)象出現(xiàn)，使采樣信號能夠不失真還原，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，高頻率fh的2倍，即fs≥2fh。但是采樣頻率選擇得過高，即采樣間隔小，每個采樣周期采樣點數(shù)過多，則會造成數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間過長。
2.電壓、電流的采樣根據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值及平均功率的定義，將連續(xù)函數(shù)離散化，可得到電壓、電流表達式為式中，N為每周期均勻采樣總數(shù)；Uk，ik為第k點電壓、電流采樣瞬時值。
3.相位測量同時對兩個同頻信號x1（t）、x2（t）采樣，得時間序x1（k）、x2（k），k＝0，1，2，…N－1求出它們的基波傅里葉系數(shù)a11、b11及a12、b12，計算式為分別求出兩個同頻信號的初相位ψ11、ψ12ψ11＝arctgψ12＝arctg最后兩個信號的相位差ψ是名個信號的相位角之差，即：ψ＝ψ11－ψ12。
4.失真度測量通常將信號波形相對某一比較波形出現(xiàn)差異的現(xiàn)象叫做信號畸變。
我國電力部門對電網(wǎng)波形失真規(guī)定，對6～10kV等級的電網(wǎng)，規(guī)定電網(wǎng)電壓失真度不能超過4％。
輸出波形的畸變常用動態(tài)頻率誤差來描述，因為這種波形畸變產生的主要原因是測量系統(tǒng)本身動態(tài)性能不理想，頻帶不夠寬所致。但該問題可以采用補償法給予修正。
為防止泄漏，應使截取信號長度tp為信號周期T的整數(shù)倍，即：tp＝NT（N為正整數(shù)）。在tp＝NT時間內的采樣點數(shù)N要足夠多，以使獲得的譜線數(shù)n＝1（基波）至n＝N／2（最高諧波次數(shù)）滿足失真度分析精度的要求。
5.功率、視在功率、有功功率、無功功率測量功率、視在功率、有功功率、無功功率可直接按電工公式得到，在此省略。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結構數(shù)據(jù)采集就是將外部電壓、電流、溫度、壓力等物理信號進行數(shù)字量化后送入計算機系統(tǒng)進行處理的過程。計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結構如所示。
連續(xù)的模擬輸入信號先經(jīng)過一個低通濾波電路濾波，然后由采樣保持器（Sampling－and－HoldingAmplifier，SHA）每隔一個采樣間隔采集保存一個信號量，再由模數(shù)轉換器量化為二進制碼，即計算機可接受的數(shù)字信號，接著轉換的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種途徑進入計算機系統(tǒng)進行處理。
計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調理、數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)傳輸總線、計算機主機和軟件組成，簡要介紹如下。
1）傳感器把各種需采集的物理信號轉換成電信號。
2）信號調理從傳感器輸出的信號必須經(jīng)過調理才能夠進入數(shù)據(jù)采集部分。
3）數(shù)據(jù)采集硬件包括采樣保持器和模數(shù)轉換器，是決定采集系統(tǒng)性能的核心。
4）數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)采集單元和計算機通過各種總線實現(xiàn)連接，各種總線的數(shù)據(jù)寬度、頻率、傳輸協(xié)議等決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻筒杉ㄔ谙到y(tǒng)中的使用性能。
5）軟件由驅動軟件和應用軟件組成。驅動軟件管理著系統(tǒng)的操作以及計算機資源的組合，是驅動硬件工作，發(fā)揮其作用的關鍵。應用軟件是一般計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于虛擬儀器的關鍵所在：一般計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用軟件開發(fā)環(huán)境為普通高級語言開發(fā)環(huán)境，虛擬儀器應用軟件開發(fā)環(huán)境為專門的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，其選擇是否恰當與虛擬儀器系統(tǒng)功能是否容易實現(xiàn)有密切關系。
1.數(shù)據(jù)采集總體方案a11b11a12b12前置電路采樣保持器ADC計算機總線計算機存儲器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結構1N∑Nk＝1uk2U＝1N∑Nk＝1ik2I＝Nk＝0N2∑N－1x1（k）coska11＝2πNk＝0N2∑N－1x2（k）coska12＝2πNk＝0N2∑N－1x1（k）sinkb11＝2πNk＝0N2∑N－1x2（k）sinkb12＝2π輯在硬件結構上，該測試系統(tǒng)可以看成計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此，其硬件構成主要由前端信號調理板和數(shù)據(jù)采集卡兩部分。在軟件構成上，需要進行設備驅動程序的設計和運用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境進行虛擬面板的開發(fā)，總體設計框圖如所示。
2.數(shù)據(jù)采集卡的設計（1）數(shù)據(jù)傳送電路方案的選定目前，三種數(shù)據(jù)傳送方式較為常見：基于PCI總線的傳輸電路、基于USB總線的傳輸電路和基于ISA總線的傳輸電路。基于PCI總線數(shù)據(jù)傳輸是當前流行的接口方式，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、中斷設置靈活等優(yōu)點，但PCI總線結構和協(xié)議復雜；基于USB2.0總線數(shù)據(jù)傳輸是今后的發(fā)展方向，具有傳輸接口簡單、支持即插即用等優(yōu)點，但軟件協(xié)議復雜；基于ISA總線數(shù)據(jù)傳輸是目前在工業(yè)控制領域里仍廣泛采用的方案，具有協(xié)議簡單，設計簡單，開發(fā)周期短，開發(fā)難度低，數(shù)據(jù)傳輸速度較快等優(yōu)點。因此，選擇ISA總線數(shù)據(jù)傳輸方案。
（2）硬件同步采集方案選擇解決同步采樣和鎖相問題是解決電力系統(tǒng)各種測量問題的基本保證。為了保證對采集的交流電信號進行FFT分析的精度，必須使FFT的計算周期與信號周期同步，否則將引起較大誤差；當對電力信號所采集的N個等間隔樣本點并不恰好均勻地分布在一個整周波內時，就會造成測量誤差。因此，硬件同步采集方案采用同步采集技術和頻率跟蹤鎖相技術來實現(xiàn)。
（3）數(shù)據(jù)讀入方式選擇數(shù)據(jù)采集電路將調理后的現(xiàn)場信號以一定頻率進行采集并存儲在片內或片外的緩存器后，需要盡快地通知PC總線，以便PC機能及時地將數(shù)據(jù)取走，有以下三種方式。
1）查詢方式通過程序依次查詢某地址單元，然后讀取數(shù)據(jù)，編程雖簡單，但實時性差，在此不宜采用。
2）DMA方式將外部存儲器地址與PC機內存統(tǒng)一編址，易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，CPU負擔最小，數(shù)據(jù)吞吐量最大，但需DMA芯片支持，硬件電路實現(xiàn)相對復雜。
3）中斷方式數(shù)據(jù)轉換完成后，以硬中斷信號的方式，通知PC機讀取，具有執(zhí)行速度快，可實時處理，不占用CPU過多時間等優(yōu)點。
綜合上面三種方式，我們選擇基于PC中斷方式讀取數(shù)據(jù)。
3.軟件方案設計在虛擬儀器的概念中，“軟件就是儀器”。虛擬儀器系統(tǒng)所用的軟件，除了計算機所必須的操作系統(tǒng)等基本軟件外，還需要設備驅動程序軟件和用戶應用程序。
目前有兩種較流行的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境：傳統(tǒng)高級編程語言，如VB、VC＋＋等；可視化圖形編程語言，如LabVIEW、HPVEE等。采用傳統(tǒng)語言作為虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，不僅復雜，而且有些功能無法實現(xiàn)，源代碼效率低，從開發(fā)效率和效果看，不是最佳方案。為此采用美國NI公司的LabVIEW來編制虛擬儀器系統(tǒng)應用程序，而與數(shù)據(jù)采集卡驅動程序的通信采用Windows環(huán)境下動態(tài)鏈接庫（DLL）實現(xiàn)，這樣不僅可以實現(xiàn)較復雜的接口功能，而且還可以發(fā)揮LabVIEW應用的靈活性，使得虛擬儀器開發(fā)起來簡單快捷。
LabVIEW是專門用于虛擬儀器開發(fā)的圖形化軟件編程平臺，目前最新版本為8.0.在這個平臺上，各專業(yè)領域的工程師、科學家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標來方便迅速地建立高水平的應用程序。
在這個軟件環(huán)境中，提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只要連接各個邏輯框圖即可構成程序。同時，還以圖形方式提供了大量的波形顯示和信號分析處理程序庫，利用此軟件平臺可大大縮短虛擬儀器測控軟件的開發(fā)時間，而且在這個平臺上用戶可以建立自己的測試方案。http://www.52lvi.cn
