基于交流采样的电网电压智能监测仪的设计

摘要：针对电网电压的监测，通过交、直流采样方法对比，选用交流采样方法，设计开发了智能型电网电压监测仪，详细介绍了系统的硬件和软件设计。该系统有效减少了采样中的非线性环节，提高了采样精度，设计的仪表可实现单台独立工作，也可通过与PC机通讯，进行集中监控，适用于工业用电量采集等应用场合。
关键词：硬件设计；电压测量；交流采样；智能仪表

1 引言
    电力系统中电网电压的测量与监控影响电网系统调节和自动化管理。为实时监控电网电压，采用由微处理器控制的数字式测量仪表。在数字式测量初期，电网电压测量大多采用整流后的直流量，但其测量精度直接受整流电路影响；整流电路参数调整困难，受波形因素影响较大；而交流采样是按照一定规律采集被测信号的瞬时值，再用一定的数值计算法求得被测量的值。交流采样取决于测量精度和测量速度。这里介绍一种基于交流采样的电网电压智能监测硬件和软件设计，可直观准确地反映电力系统的电能质量。

2 系统硬件设计
2．1 系统硬件构架
    系统硬件电路由3部分组成：数据采集、单片机系统和接口，硬件框图如图1所示。

    被测三相电压分别加到取样电路的输入端，信号按比例变换后，再经阻抗匹配网络，由16选1多路模拟开关，采样保持电路加到A/D转换的输入端。A／D转换后的数据经锁存后输入MCU，再由运算判断被测电压是否合格。同时，可将测量结果计入存储器件。MCU通过对时钟的操作，可实时将时间及测量结果显示在VFD上，通过键盘调整时钟。因系统中有存储器件，可将历史数据调出，在VFD显示。可将测量仪通过PC机接口与微机连接，在微机上集中操作、监控仪表。
2．2 系统电路设计
    该仪表设计测量范围为90～110 V，因此峰值电压为通过匹配网络，峰值电压变为所以，选取耦合线圈的初级与次级比为12：1，匹配网络的输出电压则为-10～+10 V。
    采用轮询方式设计，选用模拟多路开关器件CD4067B,分别选通3路被测电压，通过同一测量电路分别测量3路。CD40-67B的输入阻抗为50 Ω，其输入端必须加匹配网络。该器件输入VP-P最大值为20 V，最大延迟时间60 ns。采样保持电路采用LF398，该器件输入VP-P最大值36V，满足测量需求。A／D转换器采用AD574A，该器件输入电压为+10 V，采样位数为12位。采样数据选用带符号的二进制表示，最高位为符号位，后11位为数据位，采样速度达35μs。AD574A可调节参考电压，提高测量精度。经A／D转换后的数据经74LS374锁存后输入MCU进行计算。MCU选用AT89C51，内带4KB片内ROM，时钟选用11．0592 MHz，可满足计算需求。
    时间参数采用HI1380串行时钟记录，该器件是带有秒、分、时、月、年的串行时钟保持器件，通过MCU操作该器件，可正确获取时间参数，用来统计电压信息。电压的统计信息保存在存储器件内，方便调阅历史信息。仪表使用24C64器件保存信息，该器件通过I2C总线完成操作，其容量为64 KB，可满足记录两个月历史信息的需求。
    显示部分使用16T202DAJ型VFD模块，该模块可用于字符操作，适合于仪表显示。数据线选择4位操作方式，通过MCU控制显示时间、电压信息及历史信息。通过3个按键对MCU操作，可完成修改时间、调用历史信息等操作。
    接口使用SP490器件构建，该器件为全双工的RS-485电平收发器，通过与MCU的串口连接，可被PC机操作，从而实现仪表的远程操作、集中监控等功能。
2．3 系统线路布局
    图2为系统线路布局示意图。PCB板按信号流程布局，信号由机箱后面板输入，经过电压采样、模拟开关、采样保持和A／D转换后将输入的模拟信号变为数字信号。图2中的虚线部分是模拟电路。

    A/D转换后的数字信号输入MCU处理，MCU控制时钟、存储器件、显示模块操作和接口电路部分为纯数字电路。仪表与PC机接口在机箱后面板，而显示及键盘操作在机箱前面板。
    要特别注意对电源的处理，数字电路的电源会干扰模拟电路，从而使测量误差增大。模拟电源均增加了电感和电容滤波，信号地和电源地分开，连接时用电感滤波。通过PCB板的合理布局及电源电路的特别处理，可降低电源和信号干扰，减少测量误差。

3 系统软件设计
    整个系统软件设计流程如图3所示。

    由离散化公式可知，根据一个周期内不同时刻的电压采样值及采样点数可计算出电压的有效值。根据周期T，选择适当的采样次数N，以确定采样时间间隔。由于AT89C51的主频为11．059 2．MHz和AD574的转换速度为35μs，并考虑到电力参数精度要求，采样周期定为312．5μs，即每个周期内采样64点。另外，阻抗匹配网络的输入电压与输出电压比为所以阻抗匹配网络输出端的电压为：
   
式中，un为第n时刻的瞬时采样电压。
则所测电压为：

    根据式(3)，可计算出被测信号电压，从而可统计出每天的电压合格时间。

4 结束语
    该系统是基于交流采样设计的电力参数监测仪器。通过简单改变，测量电流、功率等电网参数，所有结果可在VFD上显示。该系统具有结构简单、成本低廉等优点。在数据处理、转换等方面，具有实时性好、系统抗干扰能力强、可扩展性好等特点，易于在类似的丁业以及民用的测控系统推广使用。