帶有電網(wǎng)諧波分析功能的智能多電源監控系統

摘要：介紹了一種速肯諧波分析功能的智能多電源監控系統，論述了系統的組成、硬件單元結構、軟件流程以及所采用諧波計算方法。 關(guān)鍵詞：電力系統 單片機 諧波分析 FFT 保證供電的連續性是提高供電質(zhì)量的一個(gè)重要方面。當常用供電電源處于過(guò)壓、欠壓或斷相等不正常狀態(tài)時(shí)，應及時(shí)將其切斷，改由備用電源供電；同時(shí)，如果各交流電源的負載能力不同，在切換前應通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)調整負載，以保證重要設備和部門(mén)的安全和正常供電。目前這類(lèi)操作多由于手工完成，隨著(zhù)用戶(hù)對電能質(zhì)量要求的提高，上述檢測和切換過(guò)程可由電壓監控系統自動(dòng)完成。本文介紹一種基于P80C552型單片機的電源監控系統。與傳統的交流電源監控器相比較，其使用更加靈活。整個(gè)系統由多個(gè)控制單元組成，各控制單元結構基本相同，通過(guò)RS485通信總線(xiàn)組成系統。各控制單元通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)加以選擇后接入系統，也可單獨使用。系統通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現了數據共享，也中進(jìn)行遠程控制；并預留了與其它系統的數據交換端口，用戶(hù)可方便地通過(guò)菜單操作方式設定、修改參數和邏輯；同時(shí)系統可自檢并對自身故障進(jìn)行報警。 考慮到電網(wǎng)的諧波問(wèn)題，該系統增加了對諧波電壓的監控功能。 1 系統框圖及控制單元功能 系統的組成框圖見(jiàn)圖1，包括常用電源控制單元#N、備用電源控制單元#R、應急電源控制單元#U（控制發(fā)電機）以及母聯(lián)開(kāi)關(guān)控制單元#J。用戶(hù)可根據需要靈活選用控制單元接入系統。 #R、#U控制單元分別監測常用電源、備用電源和發(fā)電機的三相交流電是否符合質(zhì)量要求，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)的電力參數，如電壓、諧波分量等，記錄各自所監測的電源電壓正常與否，并將所控制和監測的電源情況匯總到#N控制單元。 #N主控單元除監測常用電源參數外，還能通過(guò)RS485通信方式獲得其它控制單元的采樣結果，并根據這些結果和事先先設定的邏輯對其它控制單元的動(dòng)作加以控制，組織不同電源間的相互切換。它可通過(guò)菜單、鍵盤(pán)互動(dòng)方式實(shí)現整個(gè)系統的參數和控制邏輯設置，對系統通信線(xiàn)路狀況進(jìn)行監測，并具有記錄操作、參數異常等事件的功能。在該控制單元中，建立了數據庫，數據庫的內容包括詳細的時(shí)間和事件的性質(zhì)（如過(guò)壓、欠壓、斷相、諧波超標等），數據可通過(guò)打印機輸出，也由RS232串行口輸出到其它設備。 #J控制單元不具有電源質(zhì)量檢測功能，它只能通過(guò)通信方式接收來(lái)自#N控制單元的命令，對母聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，用以調整各電源負載。 #R、#U、#J控制單元對各自所監測的電源的分析與閉合操作完全受控于#N單元。2 控制單元硬件結構 #N、#R、#U三種控制單元的硬件組成相同，其硬件電路主要由數據采樣電路、動(dòng)態(tài)機構（電機）控制電路、人機接口設備和本機電源控制電路幾部分構成，如圖2所示。用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)帶有BCD編碼功能的撥碼開(kāi)關(guān)賦予各控制不同身份。#J控制單元沒(méi)有數據采樣電路。 2.1 數據采樣電路 數據采樣電路包括交流衰減、隔離和信號調理電路。 考慮到衰減部分應盡量減小頻率失真，所以沒(méi)有采用電容衰減形式，而是采用了電阻分壓電路。衰減后的交流信號通過(guò)線(xiàn)性光電隔離器LOC211進(jìn)入信號調理電路。LOC211具有體積小、成本低、隔離效果好等優(yōu)點(diǎn)，在本電路中與運算放大器配合使用，既保證了1kHz以下信號基于不失真通過(guò)，又避免了外界強電干擾破壞系統內部電路。P80C552單片機內部帶有8路10位A/D轉換器，隔離后的模擬信號濾去了不必要的高次諧波（防止混疊效應影響對諧波的測量），經(jīng)過(guò)調理電路后轉換為0～4V之間的電壓信號，送入A/D轉換器。 數據采樣電路同時(shí)對系統本機電源總線(xiàn)上的交流電壓進(jìn)行采樣，其結果作為本機電源管理依據。 2.2 人機接口設備 該部分包括鍵盤(pán)、點(diǎn)陣液晶顯示器和微型打印機等。 2.2.1 鍵盤(pán)和液晶顯示器 鍵盤(pán)有五個(gè)按鍵，分別表示上、下、左、右和確認，采用查詢(xún)方式掃描，與MGLS12864液晶顯示器配合實(shí)現分層式菜單，用戶(hù)可方便地對系統的各項參數（如過(guò)電壓久電壓、操作延時(shí)等）和系統動(dòng)作的邏輯（如各電源母線(xiàn)開(kāi)關(guān)是否自投自復、切換的優(yōu)先級等）進(jìn)行設定。2.2.2 事件記錄輸出設備 事件記錄的輸出采用并行微型打印機實(shí)現。系統中還預留了一個(gè)RS232串行口（用HIN232實(shí)現），用來(lái)實(shí)現數據對外的輸出。HIN232同時(shí)為液晶顯示提供負電源。 2.3 總線(xiàn)通信部分 RS485通信部分采用MAX485總線(xiàn)收發(fā)器。為避免由通信總線(xiàn)引入強電干擾從而損害內部電路，在單片機串行口與MAX485之間作了光電隔離。 2.4 動(dòng)作機構控制電路 動(dòng)作機構的控制是通過(guò)P80C552的I/O口、相關(guān)的邏輯和驅動(dòng)電路控制繼電器動(dòng)作來(lái)實(shí)現的。由于固態(tài)繼電器具有無(wú)火花、易驅動(dòng)、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，帶動(dòng)母線(xiàn)天關(guān)的電機及本機交流電源總線(xiàn)的控制繼電器均采用了固態(tài)繼電器。 2.5 本機電源 交流電壓正常時(shí)，各個(gè)分控單元的交流供電由為用戶(hù)正常供電被測交流電源通過(guò)本機電源總線(xiàn)提供，經(jīng)AC/DC轉換電路轉換為系統所需的12V和5V直流電壓。在不進(jìn)行切換操作時(shí)，被測交流電源為后備電池充電。 后備電源采用免維護鉛酸蓄電池，平時(shí)處于浮充狀態(tài)，可用來(lái)啟動(dòng)系統。當交流電壓合格時(shí)，由AC/DC供電，維持系統的正常運轉；在交流電壓異常以及切換過(guò)程中，后備電池臨時(shí)為系統供電，直至新的合格交流電源接入。 光電隔離器以外的放大器和RS485通信芯片的電源采用了DC-DC隔離電源與光電隔離器配合使用，可實(shí)現被測信號、通信總線(xiàn)與系統內部電路之間的良好隔離。 3 軟件流程 考慮到系統時(shí)效性和靈活性的需要，整個(gè)程序采用匯編語(yǔ)言完成。其中，#N控制單元子程序除對常用電源電壓質(zhì)量進(jìn)行監測、記錄和判斷外，還作為整個(gè)系統的主程序（流程圖見(jiàn)圖3），完成監控系統的動(dòng)作邏輯和通信線(xiàn)路檢測、參數設置、記錄打印輸出以及故障處理等。其它控制單元子程序在此基礎上取消了通訊線(xiàn)路檢測以及組織動(dòng)作邏輯的功能。#J控制單元程序還省去了信號檢測部分程序。 4 諧波分析 諧波分析的基本方法是對同步采樣結果進(jìn)行離散傅立葉變換分析。為了減小泄露效應引入的誤差。本系統對同步采樣結果進(jìn)行了插值預處理。根據單片機主頻及實(shí)際需要，該系統所處理的最高諧波次數為13次。 根據采樣定理，設fs為采樣頻率,fh為待采樣信號的最高頻率，當滿(mǎn)足fs>2fh時(shí)，就可以根據采樣值準確復現波形，也就可以計算出信號的各次諧波分量。計算公式如下： 設以T為周期的電壓信號，在[t0,t0+T]上等間隔采樣N次，則： um即為m次諧波電壓的幅值Am。在本系統中，為方便利用FFT進(jìn)行計算，N的取值為32。 4.1 采樣過(guò)程中信號零點(diǎn)的確定 片內10位A/D的基準電壓采用了正電壓。為保證采樣信號的動(dòng)態(tài)范圍，采樣信號的零點(diǎn)電壓應位于參考電壓UREF一半附近，但由于硬件電路很難確保證交流電壓為零時(shí)的A/D輸入為1/2UREF，故設A/D滿(mǎn)量程的一半為零點(diǎn)時(shí)的信號采樣結果是不準確的。為得到準確的零點(diǎn)電壓采樣值，可在設計硬件參數時(shí)，使A/D輸入電壓大致為1/2UREF，同時(shí)在系統初始化過(guò)程中對輸入信號為零時(shí)的A/D輸入信號采樣，采樣結果即為準確的零點(diǎn)值。 4.2 采樣值的預處理 實(shí)際信號不一定是嚴格的50Hz，為保證在一定頻率變化范圍內仍能采得整周期信號，需按照理想采樣間隔多采若干點(diǎn)（實(shí)際中采樣36點(diǎn)）。為得到實(shí)際信號的32點(diǎn)等間隔采樣值，需先算出實(shí)際信號按理想時(shí)間間隔采樣一周期的點(diǎn)數，然后用內插法算出實(shí)際信號一周期內均勻的32個(gè)采樣點(diǎn)值。 4.3 電壓諧波畸變率（THDu）的計算 利用基-2的FFT算法，可通過(guò)實(shí)際的32個(gè)采樣點(diǎn)求得基波和各次諧波電壓分量的均方根值Um，然后將其結果每5次取一次算術(shù)平均值作為測量的結果，進(jìn)而可以算出總的（2～13次）諧波含量UH和電壓總諧波畸變率THDU。THDU為： 當然，由于精度和測量范圍的限制，這種算法不適用于負荷變化快的測量場(chǎng)合。 該系統能比較準確地測量各相電壓參數，并可根據測量結果產(chǎn)生相應的執行動(dòng)作，需要時(shí)還可以擴展為對電流和各種功率參數進(jìn)行測量和計算。整個(gè)系統經(jīng)過(guò)運行檢驗，工作穩定可靠。雖然系統本身并不作為測量?jì)x器使用，但通過(guò)與標準儀器的測量結果進(jìn)行比對，可看出其對電壓幅值和低次諧波的測量精度達到設計要求。