交流采樣的電網電壓智能監測儀的設計

1 引言

電力系統中電網電壓的測量與監控影響電網系統調節和自動化管理。為實時監控電網電壓，采用由微處理器控制的數字式測量儀表。在數字式測量初期，電網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電壓智能監測硬件和軟件設計，可直觀準確地反映電力系統的電能質量。

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，再經阻抗匹配網絡，由16選1多路模擬開關，采樣保持電路加到A/D轉換的輸入端。A／D轉換后的數據經鎖存后輸入MCU，再由運算判斷被測電壓是否合格。同時，可將測量結果計入存儲器件。MCU通過對時鐘的操作，可實時將時間及測量結果顯示在VFD上，通過鍵盤調整時鐘。因系統中有存儲器件，可將歷史數據調出，在VFD顯示。可將測量儀通過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匹配網絡，峰值電壓變為所以，選取耦合線圈的初級與次級比為12：1，匹配網絡的輸出電壓則為-10～+10 V。

采用輪詢方式設計，選用模擬多路開關器件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絡。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A／D轉換后的數據經74LS374鎖存后輸入MCU進行計算。MCU選用AT89C51，內帶4KB片內ROM，時鐘選用11．0592 MHz，可滿足計算需求。

時間參數采用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，用來統計電壓信息。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。數據線選擇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電平收發器，通過與MCU的串口連接，可被PC機操作，從而實現儀表的遠程操作、集中監控等功能。

2．3 系統線路布局

圖2為系統線路布局示意圖。PCB板按信號流程布局，信號由機箱后面板輸入，經過電壓采樣、模擬開關、采樣保持和A／D轉換后將輸入的模擬信號變為數字信號。圖2中的虛線部分是模擬電路。



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，連接時用電感濾波。通過PCB板的合理布局及電源電路的特別處理，可降低電源和信號干擾，減少測量誤差。

3 系統軟件設計

整個系統軟件設計流程如圖3所示。



由離散化公式可知，根據一個周期內不同時刻的電壓采樣值及采樣點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，以確定采樣時間間隔。由于AT89C51的主頻為11．059 2MHz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，即每個周期內采樣64點。另外，阻抗匹配網絡的輸入電壓與輸出電壓比為所以阻抗匹配網絡輸出端的電壓為：



式中，un為第n時刻的瞬時采樣電壓。

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間。

4 結束語

該系統是基于交流采樣設計的電力參數監測儀器。通過簡單改變，測量電流、功率等電網參數，所有結果可在VFD上顯示。該系統具有結構簡單、成本低廉等優點。在數據處理、轉換等方面，具有實時性好、系統抗干擾能力強、可擴展性好等特點，易于在類似的丁業以及民用的測控系統推廣使用。