1 引言

　　電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的測(cè)量與監(jiān)控影響電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)化管理。為實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)電壓，采用由微處理器控制的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表。在數(shù)字式測(cè)量初期，電網(wǎng)電壓測(cè)量大多采用整流后的直流量，但其測(cè)量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(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值，再用一定的數(shù)值計(jì)算法求得被測(cè)量的值。交流采樣取決于測(cè)量和測(cè)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(cè)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(cè)三相電壓分別加到取樣電路的輸入端，信號(hào)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(cè)電壓是否合格。同時(shí)，可將測(cè)量結(jié)果計(jì)入存儲(chǔ)器件。MCU通過對(duì)時(shí)鐘的操作，可實(shí)時(shí)將時(shí)間及測(cè)量結(jié)果顯示在VFD上，通過鍵盤調(diào)整時(shí)鐘。因系統(tǒng)中有存儲(chǔ)器件，可將歷史數(shù)據(jù)調(diào)出，在VFD顯示?？蓪y(cè)量?jī)x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(cè)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)?IMG border=0 src="http://m.58mhw.cn/data/uploadfile/2012910171729447.jpg">

　　所以，選取耦合線圈的初級(jí)與次級(jí)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(cè)電壓，通過同一測(cè)量電路分別測(cè)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值為20 V,延遲時(shí)間60 ns.采樣保持電路采用LF398,該器件輸入VP-P值36V,滿足測(cè)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(hào)的二進(jìn)制表示，位為符號(hào)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(cè)量。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(shí)鐘選用11.0592 MHz,可滿足計(jì)算需求。

　　時(shí)間參數(shù)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MCU操作該器件，可正確獲取時(shí)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(chǔ)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(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(shù)據(jù)線選擇4位操作方式，通過MCU控制顯示時(shí)間、電壓信息及歷史信息。通過3個(gè)按鍵對(duì)MCU操作，可完成修改時(shí)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(hào)流程布局，信號(hào)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。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(hào)輸入MCU處理，MCU控制時(shí)鐘、存儲(chǔ)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(duì)電源的處理，數(shù)字電路的電源會(huì)干擾模擬電路，從而使測(cè)量誤差增大。模擬電源均增加了電感和電容濾波，信號(hào)地和電源地分開，連接時(shí)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(hào)干擾，減少測(cè)量誤差。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

　　由離散化公式可知，根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的電壓采樣值及采樣點(diǎn)數(shù)可計(jì)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(shí)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)要求，采樣周期定為312.5μs,即每個(gè)周期內(nèi)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(cè)電壓為：

　　根據(jù)式（3），可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)電壓，從而可統(tǒng)計(jì)出每天的電壓合格時(shí)間。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)是基于交流采樣設(shè)計(jì)的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器。通過簡(jiǎn)單改變，測(cè)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(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換等方面，具有實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，易于在類似的丁業(yè)以及民用的測(cè)控系統(tǒng)推廣使用。