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基于單片機的電力監(jiān)控系統(tǒng)交流采樣技術的實現(xiàn)
摘要：系統(tǒng)采用8031單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。關鍵詞：單片機交流采樣頻率跟蹤電力監(jiān)測
隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴大使其結(jié)構更加復雜，實時監(jiān)控、調(diào)芳的自動化顯得尤為重要；而在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，電力參數(shù)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(shù)顯得尤為重要。
在實現(xiàn)自動化的過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)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)過各種變送器轉(zhuǎn)化為0～5V的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實現(xiàn)實時信號的采集；變送器的精度和穩(wěn)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行處理。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，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。隨著微機技術的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。
本系統(tǒng)采用8031單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定性。
一、交流采樣原理
若將電壓有效值公式
離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則
式中：ΔTm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為1個周期的采樣點數(shù)。
若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即ΔTm為常數(shù)ΔT，考慮到N=(T/ΔT)+1，則有
式（1）就是根據(jù)一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)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為同一時刻的電流、電壓采樣值。功率因數(shù)可由下式求得：
cosφ=P/UI
二、系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)的硬件部分由電源、主機、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤輸入電路、顯示器和打印機輸出電路共6部分組成。系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲器6264構成。
2.數(shù)據(jù)采集電路
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。
由圖2可見，前向數(shù)據(jù)采集通道由傳感器、雙四選一多路開關4052、采樣保持器LF398、八選一多路開關4051、模數(shù)轉(zhuǎn)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(wěn)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(zhuǎn)換器變成數(shù)字量以后，才能送入8031進行處理。本系統(tǒng)選用AD574，該芯片使用逐次逼近法將-5～+5V模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換時間為25μs，非線性誤差小于±0.5LSB。
系統(tǒng)的采樣時間間隔為0.5s。采樣時，在1個信號周期內(nèi)對一相電壓、電流等時間間隔準確采樣16點并把結(jié)果存入片外數(shù)據(jù)存儲器相應的存儲頁內(nèi)（A相電壓：DPH=80H，A相電流：DPH=83H；C相電壓：DPH=84H，C相電流：DPH=85H）。三相全采完后，對采到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。計算有效值后和上限、下限值進行比較，若有超標則進行聲光報警。對頻率的采樣是將交流電信號經(jīng)LM339電壓比較器變成方波后送到8031的P3.2腳（外中斷0），由8031計數(shù)器0（工作在方式1計數(shù)初值為0）在方波保持高電平的時間內(nèi)對8031（采用12MHz晶振）的內(nèi)部時鐘進行計數(shù)。采樣期間在每一相16點電壓、電流采樣完畢后，8031讀入計數(shù)值存入相應的存儲頁（DPH=86H）內(nèi)，數(shù)據(jù)處理階段將其轉(zhuǎn)換為頻率值后送8279進行顯示。
3.鍵盤和顯示器電路
采用帶字驅(qū)動和位驅(qū)動的LED顯示器進行顯示。鍵盤上共設置了8個鍵，其中：0鍵用于功能切換；1，2，3三鍵為雙功能鍵，分別用于顯示A，B，C三相電壓或電流；4鍵用于隨機打印。
4.打印機接口電路
8031直接帶一個TPμP微型打印機，用軟件能使其在規(guī)定時間自啟動并按設計格式打印指定數(shù)據(jù)。
三、軟件設計
在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結(jié)構清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件有以下模塊構成：主程序、時鐘中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、顯示程序、打印程序等。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，裝置自檢等任務。系統(tǒng)的初始化部分包括CPU各端口輸入輸出設置、中斷設置、外圍驅(qū)動、譯碼電路的初始化、數(shù)據(jù)RAM的初始化等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能是在定時中斷服務程序中完成的。在定時中斷服務程序中主要進行三相交流電壓、電流的采集，數(shù)字濾波、采樣數(shù)據(jù)存儲，標度變換以及報判斷與輸出等操作。打印程序由定時中斷服務程序團齡閏打印請求標志，主程序查詢到該標志時，執(zhí)行打印準備和啟動程序，即將打印數(shù)據(jù)裝配成ASCII字符標準格式存入到外部RAM的打印緩沖器中。由于篇幅所限，本處不再一一介紹。
數(shù)據(jù)采集子程序：
SMP：MOVR0，#00H；相數(shù)選擇初始化
MOVR2，#80H；u1存放頁地址送R2
RET：MOVTL0，#00H
MOVTH0，#00H
SETBTR0
MOVA，R0
MOVP0，A；選中三相中的一相進入4052
MOVR7，#00H；采樣點數(shù)寄存器初始化
MOVR1，21H；當前采樣點的頁內(nèi)地址指針
AD12：CLRP1.2；選通當前相的電壓信號
SH：JNB00H，SH；查詢S/H標志位
CLR00H；準備好，清標志
CLRP1.6
MOVP2，#DFH；啟動A/D轉(zhuǎn)換
AD1：JBP1.7，AD1;未完，等待
SETBP1.6；R/C置位，準備讀
LCALLDATA；讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果存入相應頁
SETBP1.2；切換到電流信號
CLRP1.6
MOVP2，#DFH；啟動A/D轉(zhuǎn)換
AD2：JBP1.7，AD2；未轉(zhuǎn)換完，等待
INCR2；頁地址+1，到存放該相電流的頁面
SETBP1.6
LCALLDATA；讀入結(jié)果
INCR7；下一采樣點
INCR1
INCR1；采樣點存放單元地址
CJNER7，#10H，AD12；該相未完，繼續(xù)
LCALLFRQCY
INCR0；置下一相采樣標志
INCR2；下一相電壓存儲頁
MOVR1，21H；下一相存儲頁地址指針
CJNER1，#03H，RTE；三相未采完
ADD21H，#1FH；三相全采完，下次采樣各頁內(nèi)地址指針
RET
另外，在電力系統(tǒng)的實際運行中，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種瞬時干擾，如投切電容器和開關合閘、掉閘等都會產(chǎn)生干擾；而采用硬件濾波存在硬件電路復雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取電力參數(shù)采用數(shù)字濾波方法祛除干擾，用軟件代替硬件，實踐證明具有較好的濾波效果。此外，系統(tǒng)中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，以使系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。
結(jié)束語
本文提出的交流采樣方法解決了直流采樣硬件復雜、實時性差等問題。經(jīng)實踐證明交流采樣方法能夠快速、準確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應用價值。
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