基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監測儀的設計

摘要：針對電網(wǎng)電壓的監測，通過(guò)交、直流采樣方法對比，選用交流采樣方法，設計開(kāi)發(fā)了智能型電網(wǎng)電壓監測儀，詳細介紹了系統的硬件和軟件設計。該系統有效減少了采樣中的非線(xiàn)性環(huán)節，提高了采樣精度，設計的儀表可實(shí)現單臺獨立工作，也可通過(guò)與PC機通訊，進(jìn)行集中監控，適用于工業(yè)用電量采集等應用場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：硬件設計；電壓測量；交流采樣；智能儀表

1 引言
電力系統中電網(wǎng)電壓的測量與監控影響電網(wǎng)系統調節和自動(dòng)化管理。為實(shí)時(shí)監控電網(wǎng)電壓，采用由微處理器控制的數字式測量?jì)x表。在數字式測量初期，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；整流電路參數調整困難，受波形因素影響較大；而交流采樣是按照一定規律采集被測信號的瞬時(shí)值，再用一定的數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)電壓智能監測硬件和軟件設計，可直觀(guān)準確地反映電力系統的電能質(zhì)量。

2 系統硬件設計
2．1 系統硬件構架
系統硬件電路由3部分組成：數據采集、單片機系統和接口，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(kāi)關(guān)，采樣保持電路加到A/D轉換的輸入端。A／D轉換后的數據經(jīng)鎖存后輸入MCU，再由運算判斷被測電壓是否合格。同時(shí)，可將測量結果計入存儲器件。MCU通過(guò)對時(shí)鐘的操作，可實(shí)時(shí)將時(shí)間及測量結果顯示在VFD上，通過(guò)鍵盤(pán)調整時(shí)鐘。因系統中有存儲器件，可將歷史數據調出，在VFD顯示?？蓪y量?jì)x通過(guò)PC機接口與微機連接，在微機上集中操作、監控儀表。
2．2 系統電路設計
該儀表設計測量范圍為90～110 V，因此峰值電壓為通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )，峰值電壓變?yōu)?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" style="WIDTH: 109px; HEIGHT: 44px" height="44" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20131127/195784_1_2.jpg" width="109" border="0" />所以，選取耦合線(xiàn)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(xún)方式設計，選用模擬多路開(kāi)關(guān)器件CD4067B,分別選通3路被測電壓，通過(guò)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(shí)間60 ns。采樣保持電路采用LF398，該器件輸入VP-P最大值36V，滿(mǎn)足測量需求。A／D轉換器采用AD574A，該器件輸入電壓為+10 V，采樣位數為12位。采樣數據選用帶符號的二進(jìn)制表示，最高位為符號位，后11位為數據位，采樣速度達35μs。AD574A可調節參考電壓，提高測量精度。經(jīng)A／D轉換后的數據經(jīng)74LS374鎖存后輸入MCU進(jìn)行計算。MCU選用AT89C51，內帶4KB片內ROM，時(shí)鐘選用11．0592 MHz，可滿(mǎn)足計算需求。
時(shí)間參數采用HI1380串行時(shí)鐘記錄，該器件是帶有秒、分、時(shí)、月、年的串行時(shí)鐘保持器件，通過(guò)MCU操作該器件，可正確獲取時(shí)間參數，用來(lái)統計電壓信息。電壓的統計信息保存在存儲器件內，方便調閱歷史信息。儀表使用24C64器件保存信息，該器件通過(guò)I2C總線(xiàn)完成操作，其容量為64 KB，可滿(mǎn)足記錄兩個(gè)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。數據線(xiàn)選擇4位操作方式，通過(guò)MCU控制顯示時(shí)間、電壓信息及歷史信息。通過(guò)3個(gè)按鍵對MCU操作，可完成修改時(shí)間、調用歷史信息等操作。
接口使用SP490器件構建，該器件為全雙工的RS-485電平收發(fā)器，通過(guò)與MCU的串口連接，可被PC機操作，從而實(shí)現儀表的遠程操作、集中監控等功能。
2．3 系統線(xiàn)路布局
圖2為系統線(xiàn)路布局示意圖。PCB板按信號流程布局，信號由機箱后面板輸入，經(jīng)過(guò)電壓采樣、模擬開(kāi)關(guān)、采樣保持和A／D轉換后將輸入的模擬信號變?yōu)閿底中盘?。圖2中的虛線(xiàn)部分是模擬電路。

A/D轉換后的數字信號輸入MCU處理，MCU控制時(shí)鐘、存儲器件、顯示模塊操作和接口電路部分為純數字電路。儀表與PC機接口在機箱后面板，而顯示及鍵盤(pán)操作在機箱前面板。
要特別注意對電源的處理，數字電路的電源會(huì )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(kāi)，連接時(shí)用電感濾波。通過(guò)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 系統軟件設計
整個(gè)系統軟件設計流程如圖3所示。

由離散化公式可知，根據一個(gè)周期內不同時(shí)刻的電壓采樣值及采樣點(diǎn)數可計算出電壓的有效值。根據周期T，選擇適當的采樣次數N，以確定采樣時(shí)間間隔。由于A(yíng)T89C51的主頻為11．059 2．MHz和AD574的轉換速度為35μs，并考慮到電力參數精度要求，采樣周期定為312．5μs，即每個(gè)周期內采樣64點(diǎn)。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(shí)刻的瞬時(shí)采樣電壓。
則所測電壓為：

根據式(3)，可計算出被測信號電壓，從而可統計出每天的電壓合格時(shí)間。

4 結束語(yǔ)
該系統是基于交流采樣設計的電力參數監測儀器。通過(guò)簡(jiǎn)單改變，測量電流、功率等電網(wǎng)參數，所有結果可在VFD上顯示。該系統具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在數據處理、轉換等方面，具有實(shí)時(shí)性好、系統抗干擾能力強、可擴展性好等特點(diǎn)，易于在類(lèi)似的丁業(yè)以及民用的測控系統推廣使用。