基于單片機的電力監控系統交流采樣技術(shù)的實(shí)現

　　摘要：系統采用8031單片機實(shí)現電力參數的交流采樣，通過(guò)LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實(shí)時(shí)值，在過(guò)壓30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報警，并能定時(shí)打印電壓、電流及頻率值。實(shí)踐證明，采用交流采樣方法進(jìn)行數據采集，通過(guò)算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有較好的精確度和穩定性。

    關(guān)鍵詞：單片機 交流采樣 頻率跟蹤 電力監測

　　隨著(zhù)電力系統的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴大使其結構更加復雜，實(shí)時(shí)監控、調芳的自動(dòng)化顯得尤為重要；而在電力調度自動(dòng)化系統中，電力參數的測量是最基本的功能。如何快速、準確地采集各種電力參數顯得尤為重要。

　　在實(shí)現自動(dòng)化的過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節是數據采集。根據采集信號的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經(jīng)過(guò)各種變送器轉化為0～5V的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡(jiǎn)單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數值。但直流采樣仍有很大的局限性：無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)信號的采集；變送器的精度和穩定性對測量精度有很大影響；設備復雜，維護難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進(jìn)行處理。由于這種方法能夠對被測量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著(zhù)微機技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統的直流采樣方法。

　　本系統采用8031單片機實(shí)現電力參數的交流采樣。通過(guò)LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實(shí)時(shí)值，在過(guò)壓30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報警，并能定時(shí)打印電壓、電流及頻率值。實(shí)踐證明，采用交流采樣方法進(jìn)行數據采集，通過(guò)算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著(zhù)較好的精確度和穩定性。

一、交流采樣原理

　　若將電壓有效值公式

　　離散化，以一個(gè)周期內有限個(gè)采樣電壓數字量來(lái)代替一個(gè)周期內連續變化的電壓函數值，則

　　式中：ΔTm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N為1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數。

　　若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即ΔTm為常數ΔT，考慮到N=(T/ΔT)+1，則有

　　式（1）就是根據一個(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數計算電壓信號有效值的公式。

　　同理，電流有效值計算公式如下：

　　計算一相有功功率的公式

　　離散化后為

　　式中：im、um為同一時(shí)刻的電流、電壓采樣值。功率因數可由下式求得：

　　cosφ=P/UI

二、系統硬件組成

　　本系統的硬件部分由電源、主機、數據采集電路、鍵盤(pán)輸入電路、顯示器和打印機輸出電路共6部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

1.主機

　　主機由單片機8031、地址鎖存器74LS373、外接4KB的程序存儲器2732和8KB的數據存儲器6264構成。

2.數據采集電路

　　系統數據采集電路如圖2所示。

　　由圖2可見(jiàn)，前向數據采集通道由傳感器、雙四選一多路開(kāi)關(guān)4052、采樣保持器LF398、八選一多路開(kāi)關(guān)4051、模數轉換器AD574、光隔及由電壓比較器LM339、鎖相環(huán)4046、分頻器4020構成的頻率跟蹤電路和用于控制采樣保持器的單穩觸發(fā)器4528組成。

　　由于采集的對象為電壓、電流等模擬量，所以必須經(jīng)A/D轉換器變成數字量以后，才能送入8031進(jìn)行處理。本系統選用AD574，該芯片使用逐次逼近法將-5～+5V模擬電壓轉換為數字量。轉換時(shí)間為25μs，非線(xiàn)性誤差小于