微處理器控制的智能監(jiān)測電網(wǎng)電壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

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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(shí)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(jì)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(jì)，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(jì)

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(yùn)算判斷被測電壓是否合格。同時，可將測量結(jié)果計(jì)入存儲器件。MCU通過對時鐘的操作，可實(shí)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?？蓪y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(jì)

該儀表設(shè)計(jì)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)?/P>

所以，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(jì)，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(jì)算。MCU選用AT89C51,內(nèi)帶4KB片內(nèi)ROM,時鐘選用11.0592 MHz,可滿足計(jì)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(jì)電壓信息。電壓的統(tǒng)計(jì)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(shí)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。