基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測儀的設(shè)計

摘要：針對電網(wǎng)電壓的監(jiān)測，通過交、直流采樣方法對比，選用交流采樣方法，設(shè)計開發(fā)了智能型電網(wǎng)電壓監(jiān)測儀，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。該系統(tǒng)有效減少了采樣中的非線性環(huán)節(jié)，提高了采樣精度，設(shè)計的儀表可實現(xiàn)單臺獨立工作，也可通過與PC機(jī)通訊，進(jìn)行集中監(jiān)控，適用于工業(yè)用電量采集等應(yīng)用場合。
關(guān)鍵詞：硬件設(shè)計；電壓測量；交流采樣；智能儀表

1 引言
    電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的測量與監(jiān)控影響電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和自動化管理。為實時監(jiān)控電網(wǎng)電壓，采用由微處理器控制的數(shù)字式測量儀表。在數(shù)字式測量初期，電網(wǎng)電壓測量大多采用整流后的直流量，但其測量精度直接受整流電路影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響較大；而交流采樣是按照一定規(guī)律采集被測信號的瞬時值，再用一定的數(shù)值計算法求得被測量的值。交流采樣取決于測量精度和測量速度。這里介紹一種基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測硬件和軟件設(shè)計，可直觀準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架
    系統(tǒng)硬件電路由3部分組成：數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)系統(tǒng)和接口，硬件框圖如圖1所示。

    被測三相電壓分別加到取樣電路的輸入端，信號按比例變換后，再經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，由16選1多路模擬開關(guān)，采樣保持電路加到A/D轉(zhuǎn)換的輸入端。A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存后輸入MCU，再由運算判斷被測電壓是否合格。同時，可將測量結(jié)果計入存儲器件。MCU通過對時鐘的操作，可實時將時間及測量結(jié)果顯示在VFD上，通過鍵盤調(diào)整時鐘。因系統(tǒng)中有存儲器件，可將歷史數(shù)據(jù)調(diào)出，在VFD顯示。可將測量儀通過PC機(jī)接口與微機(jī)連接，在微機(jī)上集中操作、監(jiān)控儀表。
2．2 系統(tǒng)電路設(shè)計
    該儀表設(shè)計測量范圍為90～110 V，因此峰值電壓為通過匹配網(wǎng)絡(luò)，峰值電壓變?yōu)樗?，選取耦合線圈的初級與次級比為12：1，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓則為-10～+10 V。
    采用輪詢方式設(shè)計，選用模擬多路開關(guān)器件CD4067B,分別選通3路被測電壓，通過同一測量電路分別測量3路。CD40-67B的輸入阻抗為50 Ω，其輸入端必須加匹配網(wǎng)絡(luò)。該器件輸入VP-P最大值為20 V，最大延遲時間60 ns。采樣保持電路采用LF398，該器件輸入VP-P最大值36V，滿足測量需求。A／D轉(zhuǎn)換器采用AD574A，該器件輸入電壓為+10 V，采樣位數(shù)為12位。采樣數(shù)據(jù)選用帶符號的二進(jìn)制表示，最高位為符號位，后11位為數(shù)據(jù)位，采樣速度達(dá)35μs。AD574A可調(diào)節(jié)參考電壓，提高測量精度。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)74LS374鎖存后輸入MCU進(jìn)行計算。MCU選用AT89C51，內(nèi)帶4KB片內(nèi)ROM，時鐘選用11．0592 MHz，可滿足計算需求。
    時間參數(shù)采用HI1380串行時鐘記錄，該器件是帶有秒、分、時、月、年的串行時鐘保持器件，通過MCU操作該器件，可正確獲取時間參數(shù)，用來統(tǒng)計電壓信息。電壓的統(tǒng)計信息保存在存儲器件內(nèi)，方便調(diào)閱歷史信息。儀表使用24C64器件保存信息，該器件通過I2C總線完成操作，其容量為64 KB，可滿足記錄兩個月歷史信息的需求。
    顯示部分使用16T202DAJ型VFD模塊，該模塊可用于字符操作，適合于儀表顯示。數(shù)據(jù)線選擇4位操作方式，通過MCU控制顯示時間、電壓信息及歷史信息。通過3個按鍵對MCU操作，可完成修改時間、調(diào)用歷史信息等操作。
    接口使用SP490器件構(gòu)建，該器件為全雙工的RS-485電平收發(fā)器，通過與MCU的串口連接，可被PC機(jī)操作，從而實現(xiàn)儀表的遠(yuǎn)程操作、集中監(jiān)控等功能。
2．3 系統(tǒng)線路布局
    圖2為系統(tǒng)線路布局示意圖。PCB板按信號流程布局，信號由機(jī)箱后面板輸入，經(jīng)過電壓采樣、模擬開關(guān)、采樣保持和A／D轉(zhuǎn)換后將輸入的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。圖2中的虛線部分是模擬電路。

    A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入MCU處理，MCU控制時鐘、存儲器件、顯示模塊操作和接口電路部分為純數(shù)字電路。儀表與PC機(jī)接口在機(jī)箱后面板，而顯示及鍵盤操作在機(jī)箱前面板。
    要特別注意對電源的處理，數(shù)字電路的電源會干擾模擬電路，從而使測量誤差增大。模擬電源均增加了電感和電容濾波，信號地和電源地分開，連接時用電感濾波。通過PCB板的合理布局及電源電路的特別處理，可降低電源和信號干擾，減少測量誤差。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    整個系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示。

    由離散化公式可知，根據(jù)一個周期內(nèi)不同時刻的電壓采樣值及采樣點數(shù)可計算出電壓的有效值。根據(jù)周期T，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸哟螖?shù)N，以確定采樣時間間隔。由于AT89C51的主頻為11．059 2．MHz和AD574的轉(zhuǎn)換速度為35μs，并考慮到電力參數(shù)精度要求，采樣周期定為312．5μs，即每個周期內(nèi)采樣64點。另外，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓與輸出電壓比為所以阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓為：
   
式中，un為第n時刻的瞬時采樣電壓。
則所測電壓為：

    根據(jù)式(3)，可計算出被測信號電壓，從而可統(tǒng)計出每天的電壓合格時間。

4 結(jié)束語
    該系統(tǒng)是基于交流采樣設(shè)計的電力參數(shù)監(jiān)測儀器。通過簡單改變，測量電流、功率等電網(wǎng)參數(shù)，所有結(jié)果可在VFD上顯示。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點。在數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換等方面，具有實時性好、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點，易于在類似的丁業(yè)以及民用的測控系統(tǒng)推廣使用。