電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的測量與監(jiān)控影響電網(wǎng)系統(tǒng)調節(jié)和自動化管理,。為實時監(jiān)控電網(wǎng)電壓,，采用由微處理器控制的數(shù)字式測量儀表。在數(shù)字式測量初期,，電網(wǎng)電壓測量大多采用整流后的直流量,，但其測量精度直接受整流電路影響；整流電路參數(shù)調整困難,，受波形因素影響較大,；而交流采樣是按照一定規(guī)律采集被測信號的瞬時值,，再用一定的數(shù)值計算法求得被測量的值,。交流采樣取決于測量精度和測量速度,。這里介紹一種基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測硬件和軟件設計，可直觀準確地反映電力系統(tǒng)的電能質量,。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件構架
系統(tǒng)硬件電路由3部分組成：數(shù)據(jù)采集,、單片機系統(tǒng)和接口，硬件框圖如圖1所示,。
被測三相電壓分別加到取樣電路的輸入端,，信號按比例變換后，再經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡,，由16選1多路模擬開關,，采樣保持電路加到A/D轉換的輸入端。A／D轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存后輸入MCU,，再由運算判斷被測電壓是否合格,。同時，可將測量結果計入存儲器件,。MCU通過對時鐘的操作,，可實時將時間及測量結果顯示在VFD上，通過鍵盤調整時鐘,。因系統(tǒng)中有存儲器件,，可將歷史數(shù)據(jù)調出，在VFD顯示,?？蓪y量儀通過PC機接口與微機連接，在微機上集中操作,、監(jiān)控儀表,。
2．2 系統(tǒng)電路設計
該儀表設計測量范圍為90～110 V，因此峰值電壓為
通過匹配網(wǎng)絡,，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與次級比為12：1，匹配網(wǎng)絡的輸出電壓則為-10～+10 V,。
采用輪詢方式設計,，選用模擬多路開關器件CD4067B,分別選通3路被測電壓，通過同一測量電路分別測量3路,。CD40-67B的輸入阻抗為50 Ω,，其輸入端必須加匹配網(wǎng)絡。該器件輸入VP-P最大值為20 V,，最大延遲時間60 ns,。采樣保持電路采用LF398，該器件輸入VP-P最大值36V,，滿足測量需求,。A／D轉換器采用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)選用帶符號的二進制表示,，最高位為符號位，后11位為數(shù)據(jù)位,，采樣速度達35μs,。AD574A可調節(jié)參考電壓，提高測量精度,。經(jīng)A／D轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)74LS374鎖存后輸入MCU進行計算,。MCU選用AT89C51，內帶4KB片內ROM,，時鐘選用11．0592 MHz,，可滿足計算需求。
時間參數(shù)采用HI1380串行時鐘記錄,，該器件是帶有秒,、分、時,、月,、年的串行時鐘保持器件，通過MCU操作該器件,，可正確獲取時間參數(shù),，用來統(tǒng)計電壓信息。電壓的統(tǒng)計信息保存在存儲器件內,，方便調閱歷史信息,。儀表使用24C64器件保存信息，該器件通過I2C總線完成操作,，其容量為64 KB,，可滿足記錄兩個月歷史信息的需求。
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MCU控制顯示時間,、電壓信息及歷史信息。通過3個按鍵對MCU操作,，可完成修改時間,、調用歷史信息等操作。
接口使用SP490器件構建，該器件為全雙工的RS-485電平收發(fā)器,，通過與MCU的串口連接,，可被PC機操作，從而實現(xiàn)儀表的遠程操作,、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板按信號流程布局,，信號由機箱后面板輸入，經(jīng)過電壓采樣,、模擬開關,、采樣保持和A／D轉換后將輸入的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。圖2中的虛線部分是模擬電路,。
A/D轉換后的數(shù)字信號輸入MCU處理,，MCU控制時鐘、存儲器件,、顯示模塊操作和接口電路部分為純數(shù)字電路,。儀表與PC機接口在機箱后面板，而顯示及鍵盤操作在機箱前面板,。
要特別注意對電源的處理,，數(shù)字電路的電源會干擾模擬電路，從而使測量誤差增大,。模擬電源均增加了電感和電容濾波,，信號地和電源地分開，連接時用電感濾波,。通過PCB板的合理布局及電源電路的特別處理,，可降低電源和信號干擾，減少測量誤差,。
3 系統(tǒng)軟件設計
整個系統(tǒng)軟件設計流程如圖3所示,。
由離散化公式可知，根據(jù)一個周期內不同時刻的電壓采樣值及采樣點數(shù)可計算出電壓的有效值,。根據(jù)周期T,，選擇適當?shù)牟蓸哟螖?shù)N，以確定采樣時間間隔,。由于AT89C51的主頻為11．059 2．MHz和AD574的轉換速度為35μs,，并考慮到電力參數(shù)精度要求，采樣周期定為312．5μs,，即每個周期內采樣64點,。另外，阻抗匹配網(wǎng)絡的輸入電壓與輸出電壓比為
所以阻抗匹配網(wǎng)絡輸出端的電壓為：
式中，un為第n時刻的瞬時采樣電壓,。
則所測電壓為：
根據(jù)式(3),，可計算出被測信號電壓，從而可統(tǒng)計出每天的電壓合格時間,。
4 結束語
該系統(tǒng)是基于交流采樣設計的電力參數(shù)監(jiān)測儀器,。通過簡單改變，測量電流,、功率等電網(wǎng)參數(shù),，所有結果可在VFD上顯示。該系統(tǒng)具有結構簡單,、成本低廉等優(yōu)點,。在數(shù)據(jù)處理、轉換等方面,，具有實時性好,、系統(tǒng)抗干擾能力強、可擴展性好等特點,，易于在類似的丁業(yè)以及民用的測控系統(tǒng)推廣使用,。