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)有較好的度和穩(wěn)定性。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 交流采樣 頻率跟蹤 電力監(jiān)測(cè)

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(dòng)化顯得尤為重要；而在電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，電力參數(shù)的測(cè)量是基本的功能。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(dòng)化的過程中，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)采集信號(hào)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(duì)象為直流信號(hào)。它是把交流電壓、電流信號(hào)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(jiǎn)單，對(duì)采樣值只需作比例變換即可得到被測(cè)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(hào)的采集；變送器的和穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量有很大影響；設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)難等。交流采樣是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高的CT、PT變成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交流小信號(hào)，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(cè)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)有著較好的度和穩(wěn)定性。

一、交流采樣原理

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(hào)有效值的公式。

同理，電流有效值計(jì)算公式如下：

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(chǔ)器2732和8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)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。

    系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔為0.5s。采樣時(shí)，在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)一相電壓、電流等時(shí)間間隔準(zhǔn)確采樣16點(diǎn)并把結(jié)果存入片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相應(yīng)的存儲(chǔ)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(duì)采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。計(jì)算有效值后和上限、下限值進(jìn)行比較，若有超標(biāo)則進(jìn)行聲光報(bào)警。對(duì)頻率的采樣是將交流電信號(hào)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(jì)數(shù)器0（工作在方式1計(jì)數(shù)初值為0）在方波保持高電平的時(shí)間內(nèi)對(duì)8031（采用12MHz晶振）的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。采樣期間在每一相16點(diǎn)電壓、電流采樣完畢后，8031讀入計(jì)數(shù)值存入相應(yīng)的存儲(chǔ)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(jìn)行顯示。

3.鍵盤和顯示器電路

采用帶字驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)的LED顯示器進(jìn)行顯示。鍵盤上共設(shè)置了8個(gè)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(jī)打印。

4.打印機(jī)接口電路

8031直接帶一個(gè)TPμP微型打印機(jī)，用軟件能使其在規(guī)定時(shí)間自啟動(dòng)并按設(shè)計(jì)格式打印指定數(shù)據(jù)。
三、軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件有以下模塊構(gòu)成：主程序、時(shí)鐘中斷服務(wù)程序、鍵盤中斷服務(wù)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(wù)。系統(tǒng)的初始化部分包括CPU各端口輸入輸出設(shè)置、中斷設(shè)置、外圍驅(qū)動(dòng)、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(shí)中斷服務(wù)程序中完成的。在定時(shí)中斷服務(wù)程序中主要進(jìn)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(chǔ)，標(biāo)度變換以及報(bào)判斷與輸出等操作。打印程序由定時(shí)中斷服務(wù)程序團(tuán)齡閏打印請(qǐng)求標(biāo)志，主程序查詢到該標(biāo)志時(shí)，執(zhí)行打印準(zhǔn)備和啟動(dòng)程序，即將打印數(shù)據(jù)裝配成ASCII字符標(biāo)準(zhǔn)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：MOV R0，#00H ；相數(shù)選擇初始化

MOV R2，#80H ；u1存放頁地址送R2

RET：MOV TL0，#00H

MOV TH0，#00H

SETB TR0

MOV A，R0

MOV P0，A ；選中三相中的一相進(jìn)入4052

MOV R7，#00H ；采樣點(diǎn)數(shù)寄存器初始化

MOV R1，21H ；當(dāng)前采樣點(diǎn)的頁內(nèi)地址指針

AD12：CLR P1.2 ；選通當(dāng)前相的電壓信號(hào)

SH：JNB 00H，SH ；查詢S/H標(biāo)志位

CLR 00H ；準(zhǔn)備好，清標(biāo)志

CLR P1.6

MOV P2，#DFH ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

AD1：JB P1.7，AD1 ;未完，等待

SETB P1.6 ；R/C置位，準(zhǔn)備讀

LCALL DATA ；讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果存入相應(yīng)頁

SETB P1.2 ；切換到電流信號(hào)

CLR P1.6

MOV P2，#DFH ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

AD2：JB P1.7，AD2 ；未轉(zhuǎn)換完，等待

INC R2 ；頁地址+1，到存放該相電流的頁面

SETB P1.6

LCALL DATA ；讀入結(jié)果

INC R7 ；下一采樣點(diǎn)

INC R1

INC R1 ；采樣點(diǎn)存放單元地址

CJNE R7，#10H，AD12 ；該相未完，繼續(xù)

LCALL FRQCY

INC R0 ；置下一相采樣標(biāo)志

INC R2 ；下一相電壓存儲(chǔ)頁

MOV R1，21H ；下一相存儲(chǔ)頁地址指針

CJNE R1，#03H，RTE ；三相未采完

ADD 21H，#1FH ；三相全采完，下次采樣各頁內(nèi)地址指針

另外，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)存在諧波，還會(huì)有各種瞬時(shí)干擾，如投切電容器和開關(guān)合閘、掉閘等都會(huì)產(chǎn)生干擾；而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)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(shí)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(fù)雜、實(shí)時(shí)性差等問題。經(jīng)實(shí)踐證明交流采樣方法能夠快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. 74LS373 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/74LS373_742872.html.
[2]. LF398 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LF398_842703.html.
[3]. AD574 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD574_1314260.html.
[4]. LM339 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LM339_1060635.html.