随着电力系统的快速发展,电网容量的扩大使其结构更加复杂,实时监控、调芳的自动化显得尤为重要;而在电力调度自动化系统中,电力参数的测量是最基本的功能。如何快速、准确地采集各种电力参数显得尤为重要。
在实现自动化的过程中,最关键的环节是数据采集。根据采集信号的不同,可分直流采样和交流采样两种。直流采样,顾名思义,采样对象为直流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0～5V的直流电压,再由各种装置和仪表采集。此方法软件设计简单,对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现实时信号的采集;变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响;设备复杂,维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号,然后再送入计算机进行处理。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样,因而实时性好,相位失真小。它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。随着微机技术的不断发展,交流采样必将以其优异的性能价格比,逐步取代传统的直流采样方法。
本系统采用8031单片机实现电力参数的交流采样。通过LED显示器显示频率、电压、电流的实时值,在过压30%、欠压30%时进行声光报警,并能定时打印电压、电流及频率值。实践证明,采用交流采样方法进行数据采集,通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定性。
一、交流采样原理
若将电压有效值公式
离散化,以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值,则
式中：ΔTm为相邻两次采样的时间间隔;um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值;N为1个周期的采样点数。
若相邻两采样的时间间隔相等,即ΔTm为常数ΔT,考虑到N=(T/ΔT)+1,则有
式（1）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。
同理,电流有效值计算公式如下：
计算一相有功功率的公式
离散化后为
式中：im、um为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求得：
cosφ=P/UI
二、系统硬件组成
本系统的硬件部分由电源、主机、数据采集电路、键盘输入电路、显示器和打印机输出电路共6部分组成。系统总体框图如图1所示。
1.主机
主机由单片机8031、地址锁存器74LS373、外接4KB的程序存储器2732和8KB的数据存储器6264构成。
2.数据采集电路
系统数据采集电路如图2所示。
由图2可见,前向数据采集通道由传感器、双四选一多路开关4052、采样保持器LF398、八选一多路开关4051、模数转换器AD574、光隔及由电压比较器LM339、锁相环4046、分频器4020构成的频率跟踪电路和用于控制采样保持器的单稳触发器4528组成。
由于采集的对象为电压、电流等模拟量,所以必须经A/D转换器变成数字量以后,才能送入8031进行处理。本系统选用AD574,该芯片使用逐次逼近法将-5～+5V模拟电压转换为数字量。转换时间为25μs,非线性误差小于±0.5LSB。
系统的采样时间间隔为0.5s。采样时,在1个信号周期内对一相电压、电流等时间间隔准确采样16点并把结果存入片外数据存储器相应的存储页内（A相电压：DPH=80H,A相电流：DPH=83H;C相电压：DPH=84H,C相电流：DPH=85H）。三相全采完后,对采到的数据进行数字滤波。计算有效值后和上限、下限值进行比较,若有超标则进行声光报警。对频率的采样是将交流电信号经LM339电压比较器变成方波后送到8031的P3.2脚（外中断0）,由8031计数器0（工作在方式1计数初值为0）在方波保持高电平的时间内对8031（采用12MHz晶振）的内部时钟进行计数。采样期间在每一相16点电压、电流采样完毕后,8031读入计数值存入相应的存储页（DPH=86H）内,数据处理阶段将其转换为频率值后送8279进行显示。
3.键盘和显示器电路
采用带字驱动和位驱动的LED显示器进行显示。键盘上共设置了8个键,其中：0键用于功能切换;1,2,3三键为双功能键,分别用于显示A,B,C三相电压或电流;4键用于随机打印。
4.打印机接口电路
8031直接带一个TPμP微型打印机,用软件能使其在规定时间自启动并按设计格式打印指定数据。
三、软件设计
在系统的软件设计中,采用模块化设计方法,使得程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、键盘中断服务程序、数据采集处理子程序、显示程序、打印程序等。主程序主要完成系统初始化,装置自检等任务。系统的初始化部分包括CPU各端口输入输出设置、中断设置、外围驱动、译码电路的初始化、数据RAM的初始化等。系统的数据采集处理子程序的功能是在定时中断服务程序中完成的。在定时中断服务程序中主要进行三相交流电压、电流的采集,数字滤波、采样数据存储,标度变换以及报判断与输出等操作。打印程序由定时中断服务程序团龄闰打印请求标志,主程序查询到该标志时,执行打印准备和启动程序,即将打印数据装配成ASCII字符标准格式存入到外部RAM的打印缓冲器中。由于篇幅所限,本处不再一一介绍。
数据采集子程序：
SMP：MOV R0,#00H ;相数选择初始化
MOV R2,#80H ;u1存放页地址送R2
RET：MOV TL0,#00H
MOV TH0,#00H
SETB TR0
MOV A,R0
MOV P0,A ;选中三相中的一相进入4052
MOV R7,#00H ;采样点数寄存器初始化
MOV R1,21H ;当前采样点的页内地址指针
AD12：CLR P1.2 ;选通当前相的电压信号
SH：JNB 00H,SH ;查询S/H标志位
CLR 00H ;准备好,清标志
CLR P1.6
MOV P2,#DFH ;启动A/D转换
AD1：JB P1.7,AD1 ;未完,等待
SETB P1.6 ;R/C置位,准备读
LCALL DATA ;读入转换结果存入相应页
SETB P1.2 ;切换到电流信号
CLR P1.6
MOV P2,#DFH ;启动A/D转换
AD2：JB P1.7,AD2 ;未转换完,等待
INC R2 ;页地址+1,到存放该相电流的页面
SETB P1.6
LCALL DATA ;读入结果
INC R7 ;下一采样点
INC R1
INC R1 ;采样点存放单元地址
CJNE R7,#10H,AD12 ;该相未完,继续
LCALL FRQCY
INC R0 ;置下一相采样标志
INC R2 ;下一相电压存储页
MOV R1,21H ;下一相存储页地址指针
CJNE R1,#03H,RTE ;三相未采完
ADD 21H,#1FH ;三相全采完,下次采样各页内地址指针
RET
另外,在电力系统的实际运行中,电网存在谐波,还会有各种瞬时干扰,如投切电容器和开关合闸、掉闸等都会产生干扰;而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端,因此本系统求取电力参数采用数字滤波方法祛除干扰,用软件代替硬件,实践证明具有较好的滤波效果。此外,系统中还采用指令冗余、软件陷阱等抗干扰措施,以使系统具有良好的抗干扰性能。
结束语
本文提出的交流采样方法解决了直流采样硬件复杂、实时性差等问题。经实践证明交流采样方法能够快速、准确地采集各种电力参数,具有一定的应用价值