1 引言
    電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的測(cè)量與監(jiān)控影響電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)化管理。為實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)電壓,，采用由微處理器控制的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表,。在數(shù)字式測(cè)量初期，電網(wǎng)電壓測(cè)量大多采用整流后的直流量,，但其測(cè)量精度直接受整流電路影響,；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響較大,；而交流采樣是按照一定規(guī)律采集被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值,，再用一定的數(shù)值計(jì)算法求得被測(cè)量的值,。交流采樣取決于測(cè)量精度和測(cè)量速度,。這里介紹一種基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測(cè)硬件和軟件設(shè)計(jì)，可直觀準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架
    系統(tǒng)硬件電路由3部分組成：數(shù)據(jù)采集,、單片機(jī)系統(tǒng)和接口，硬件框圖如圖1所示,。

    被測(cè)三相電壓分別加到取樣電路的輸入端,，信號(hào)按比例變換后，再經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),，由16選1多路模擬開(kāi)關(guān),，采樣保持電路加到A/D轉(zhuǎn)換的輸入端。A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存后輸入MCU,，再由運(yùn)算判斷被測(cè)電壓是否合格,。同時(shí)，可將測(cè)量結(jié)果計(jì)入存儲(chǔ)器件,。MCU通過(guò)對(duì)時(shí)鐘的操作,，可實(shí)時(shí)將時(shí)間及測(cè)量結(jié)果顯示在VFD上，通過(guò)鍵盤調(diào)整時(shí)鐘,。因系統(tǒng)中有存儲(chǔ)器件,，可將歷史數(shù)據(jù)調(diào)出，在VFD顯示,?？蓪y(cè)量?jī)x通過(guò)PC機(jī)接口與微機(jī)連接,，在微機(jī)上集中操作、監(jiān)控儀表,。
2．2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    該儀表設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為90～110 V,，因此峰值電壓為通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)，峰值電壓變?yōu)?img border="0" height="44" src="http://files.chinaaet.com/images/20110924/7e7dd9f3-b11b-43aa-914b-c5de1e5d32f8.jpg" style="width: 109px; height: 44px" width="109" />所以,，選取耦合線圈的初級(jí)與次級(jí)比為12：1,，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓則為-10～+10 V。
    采用輪詢方式設(shè)計(jì),，選用模擬多路開(kāi)關(guān)器件CD4067B,分別選通3路被測(cè)電壓,，通過(guò)同一測(cè)量電路分別測(cè)量3路。CD40-67B的輸入阻抗為50 Ω,，其輸入端必須加匹配網(wǎng)絡(luò),。該器件輸入VP-P最大值為20 V，最大延遲時(shí)間60 ns,。采樣保持電路采用LF398,，該器件輸入VP-P最大值36V，滿足測(cè)量需求,。A／D轉(zhuǎn)換器采用AD574A,，該器件輸入電壓為+10 V，采樣位數(shù)為12位,。采樣數(shù)據(jù)選用帶符號(hào)的二進(jìn)制表示,，最高位為符號(hào)位，后11位為數(shù)據(jù)位,，采樣速度達(dá)35μs,。AD574A可調(diào)節(jié)參考電壓，提高測(cè)量精度,。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)74LS374鎖存后輸入MCU進(jìn)行計(jì)算,。MCU選用AT89C51，內(nèi)帶4KB片內(nèi)ROM,，時(shí)鐘選用11．0592 MHz,，可滿足計(jì)算需求。
    時(shí)間參數(shù)采用HI1380串行時(shí)鐘記錄,，該器件是帶有秒,、分、時(shí),、月,、年的串行時(shí)鐘保持器件，通過(guò)MCU操作該器件,，可正確獲取時(shí)間參數(shù),，用來(lái)統(tǒng)計(jì)電壓信息,。電壓的統(tǒng)計(jì)信息保存在存儲(chǔ)器件內(nèi)，方便調(diào)閱歷史信息。儀表使用24C64器件保存信息，該器件通過(guò)I2C總線完成操作,，其容量為64 KB,，可滿足記錄兩個(gè)月歷史信息的需求,。
    顯示部分使用16T202DAJ型VFD模塊，該模塊可用于字符操作，適合于儀表顯示。數(shù)據(jù)線選擇4位操作方式,，通過(guò)MCU控制顯示時(shí)間、電壓信息及歷史信息,。通過(guò)3個(gè)按鍵對(duì)MCU操作,，可完成修改時(shí)間、調(diào)用歷史信息等操作,。
    接口使用SP490器件構(gòu)建,，該器件為全雙工的RS-485電平收發(fā)器，通過(guò)與MCU的串口連接,，可被PC機(jī)操作,，從而實(shí)現(xiàn)儀表的遠(yuǎn)程操作、集中監(jiān)控等功能,。
2．3 系統(tǒng)線路布局
    圖2為系統(tǒng)線路布局示意圖,。PCB板按信號(hào)流程布局，信號(hào)由機(jī)箱后面板輸入,，經(jīng)過(guò)電壓采樣、模擬開(kāi)關(guān),、采樣保持和A／D轉(zhuǎn)換后將輸入的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),。圖2中的虛線部分是模擬電路。

    A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入MCU處理,，MCU控制時(shí)鐘,、存儲(chǔ)器件、顯示模塊操作和接口電路部分為純數(shù)字電路,。儀表與PC機(jī)接口在機(jī)箱后面板,，而顯示及鍵盤操作在機(jī)箱前面板。
    要特別注意對(duì)電源的處理,，數(shù)字電路的電源會(huì)干擾模擬電路,，從而使測(cè)量誤差增大。模擬電源均增加了電感和電容濾波,，信號(hào)地和電源地分開(kāi),，連接時(shí)用電感濾波,。通過(guò)PCB板的合理布局及電源電路的特別處理，可降低電源和信號(hào)干擾,，減少測(cè)量誤差,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

    由離散化公式可知,，根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的電壓采樣值及采樣點(diǎn)數(shù)可計(jì)算出電壓的有效值,。根據(jù)周期T，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸哟螖?shù)N,，以確定采樣時(shí)間間隔,。由于AT89C51的主頻為11．059 2．MHz和AD574的轉(zhuǎn)換速度為35μs，并考慮到電力參數(shù)精度要求,，采樣周期定為312．5μs,，即每個(gè)周期內(nèi)采樣64點(diǎn)。另外,，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓與輸出電壓比為所以阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓為：
   
式中,，un為第n時(shí)刻的瞬時(shí)采樣電壓。
則所測(cè)電壓為：

    根據(jù)式(3),，可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)電壓,，從而可統(tǒng)計(jì)出每天的電壓合格時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)
    該系統(tǒng)是基于交流采樣設(shè)計(jì)的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器,。通過(guò)簡(jiǎn)單改變,，測(cè)量電流、功率等電網(wǎng)參數(shù),，所有結(jié)果可在VFD上顯示,。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),。在數(shù)據(jù)處理,、轉(zhuǎn)換等方面，具有實(shí)時(shí)性好,、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，易于在類似的丁業(yè)以及民用的測(cè)控系統(tǒng)推廣使用,。