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基于單片機(jī)的電力監(jiān)控系統(tǒng)交流采樣技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
摘要：系統(tǒng)采用8031單片機(jī)實(shí)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(shí)時(shí)值，在過壓30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)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(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)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。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實(shí)時(shí)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(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)顯得尤為重要。
在實(shí)現(xiàn)自動化的過程中，最關(guān)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shè)備復(fù)雜，維護(hù)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(jì)算機(jī)可測量的交流小信號，然后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y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。隨著微機(jī)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(tǒng)的直流采樣方法。
本系統(tǒng)采用8031單片機(jī)實(shí)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(shí)時(shí)值，在過壓30%、欠壓30%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)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(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)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(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)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(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(shù)。
若相鄰兩采樣的時(shí)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(gè)周期各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號有效值的公式。
同理，電流有效值計(jì)算公式如下：
計(jì)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(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(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤輸入電路、顯示器和打印機(jī)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(jī)
主機(jī)由單片機(jī)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(gòu)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(guān)4052、采樣保持器LF398、八選一多路開關(guān)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(gòu)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(jìn)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(shí)間為25μs，非線性誤差小于±0.5LSB。
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