引言
在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中,，相位測(cè)量是一個(gè)經(jīng)常性項(xiàng)目,，從傳統(tǒng)的“過(guò)零”法測(cè)量的情況看,，要測(cè)量?jī)蓚€(gè)交流信號(hào)的相位角，通常的做法是將兩個(gè)交流信號(hào)進(jìn)行放大,、整形,，成為在過(guò)零點(diǎn)變化的方波，同時(shí)還要在一個(gè)回路中進(jìn)行比較,，進(jìn)而測(cè)量出同頻信號(hào)的相位差（Δtx）這一主要參數(shù)。但是往往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要接入的信號(hào)比較多,，這很容易引起接線的錯(cuò)誤,。此外，對(duì)線路進(jìn)行相位測(cè)量時(shí)有多個(gè)回路信號(hào)接入設(shè)備,，倘若在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤,，或者儀器內(nèi)部通道之間的隔離出現(xiàn)問(wèn)題，很容易引起回路之間的短路,，導(dǎo)致事故發(fā)生,。
基于以上情況，必須從原理上改變傳統(tǒng)的測(cè)量方式以適應(yīng)測(cè)試過(guò)程的需要,。
用光信號(hào)同步的間接測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)采用了一種間接的測(cè)量方法,，不需要將 2 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)交流信號(hào)引入到同一個(gè)設(shè)備，即測(cè)量過(guò)程是分別在各個(gè)信號(hào)的回路獨(dú)立進(jìn)行的,。這種間接的測(cè)量方法的條件是必須有一個(gè)同步信號(hào)作為測(cè)量基準(zhǔn),，這樣才能在各個(gè)獨(dú)立回路的測(cè)量回路之間建立起關(guān)聯(lián)，以便最后測(cè)量出Δtx 和 T0,。在這里采用的是紅外光信號(hào)進(jìn)行同步相位測(cè)量的方法,，利用光信號(hào)作為同步信號(hào)源，不需要在電路上的連接關(guān)系就可以進(jìn)行同步,，同時(shí)還可以利用它作為數(shù)據(jù)通信的載體,。
本系統(tǒng)包含一個(gè)主機(jī)和幾個(gè)測(cè)量部件。主機(jī)是系統(tǒng)的核心部分,，而測(cè)量部件的數(shù)量取決于實(shí)際測(cè)量的需要（例如在測(cè)量六角圖時(shí),，就應(yīng)該是 6 個(gè)測(cè)量部件），主機(jī)是由 MCS-51 系列的 AT89C51 單片機(jī)為主體的部分,，外圍電路比較簡(jiǎn)單,。它主要依靠一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光接收器構(gòu)成通信接口，單片機(jī)的輸出端經(jīng)過(guò)反相器驅(qū)動(dòng)以后控制光發(fā)射器向測(cè)量部件發(fā)出調(diào)制光信號(hào),。而單片機(jī)的輸入直接與光接收器相連,，光接收器把測(cè)量部件發(fā)來(lái)的調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行解調(diào),，單片機(jī)則可以通過(guò)程序識(shí)別編碼信號(hào)。光發(fā)射器主要用來(lái)啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程,，而光接收器則實(shí)現(xiàn)主機(jī)與測(cè)量部件之間的數(shù)據(jù)通信,。
間接測(cè)量法的原理
主機(jī)一方面控制測(cè)量過(guò)程，向各個(gè)測(cè)量部件發(fā)出紅外光同步信號(hào)啟動(dòng)測(cè)量,，另一方面各個(gè)部件完成測(cè)量以后,，通過(guò)紅外光通信將各個(gè)部件的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總到主機(jī)，然后進(jìn)行計(jì)算以確定被測(cè)參數(shù),，即引入三維變量的間接測(cè)量方式取代直接測(cè)量法,。這種間接測(cè)量方式不再需要直接測(cè)量時(shí)差，只需建立每個(gè)參數(shù)和光同步信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系,，再通過(guò)計(jì)算求出時(shí)差,。回路不再需要在電路上的連接,，僅僅依靠一個(gè)光同步信號(hào)就能夠間接地測(cè)量到多個(gè)測(cè)量回路參數(shù)之間的相位關(guān)系,。
這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于：各個(gè)測(cè)量回路不再需要參考點(diǎn)的連接，回路相對(duì)獨(dú)立,，分別測(cè)量各自的交流信號(hào)過(guò)零時(shí)刻與光同步信號(hào)之間的時(shí)間差,，以作為相位測(cè)量的基本參數(shù)。它們之間的關(guān)聯(lián)不是靠電路形式的連接,，而是依靠光信號(hào),，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外,，還可以減少儀器的連線,。光信號(hào)除了作為同步信號(hào)外，還作為數(shù)據(jù)傳輸通道,，各個(gè)測(cè)量回路將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)光的傳輸,，集中在主機(jī)部分最終完成參數(shù)的數(shù)值顯示。
工作過(guò)程
在一個(gè)測(cè)量周期開始,，由主機(jī)控制光發(fā)射器發(fā)出一個(gè)同步紅外光信號(hào),，測(cè)量部件的光接收器都能在同一時(shí)刻接收到這一信號(hào)，各個(gè)測(cè)量部件的單片機(jī)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行各自的測(cè)量過(guò)程,，完成測(cè)量過(guò)程后,，再由各個(gè)部件的單片機(jī)依次將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)，主機(jī)單片機(jī)通過(guò)光接收頭,，依次接收到各個(gè)測(cè)量部件的數(shù)據(jù)并匯總這些基本數(shù)據(jù),，最后通過(guò)計(jì)算后主機(jī)就顯示相應(yīng)的數(shù)字值，至此完成一個(gè)測(cè)量周期,。
主機(jī)部分
第一階段,，主機(jī)光發(fā)射器發(fā)出同步光信號(hào),，啟動(dòng)各個(gè)測(cè)量部件同時(shí)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，此時(shí),，單片機(jī)的 P3.4/T0 引腳設(shè)置為輸出狀態(tài),，當(dāng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器 74LS04 驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器,，按照程序的約定這個(gè)信號(hào)是表示“啟動(dòng)”的光信號(hào),，即通過(guò)該光信號(hào)向每個(gè)測(cè)量部件傳送開始測(cè)量的同步信號(hào)。
第二階段,，每個(gè)測(cè)量部件同時(shí)進(jìn)入測(cè)量,，測(cè)量完成后再由各個(gè)部件依次將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)。主機(jī)對(duì) P3.3/INT1 引腳的脈沖進(jìn)行測(cè)量和程序識(shí)別,，經(jīng)過(guò)解碼確定測(cè)量部件所發(fā)出的信號(hào),，完成“取回?cái)?shù)據(jù)”的工作。
測(cè)量部分
每個(gè)測(cè)量部件電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示,，其中以 UA1（OP07）為主的部分是信號(hào)放大器，例如在以鉗形電流作為對(duì)電流信號(hào)的測(cè)量時(shí),，輸入的電信號(hào)一般比較小,，必須經(jīng)過(guò)放大處理。而以 UA2（LM331）為主的部分則是過(guò)零比較電路,，主要用于將信號(hào)轉(zhuǎn)換為過(guò)零變化的方波,，這個(gè)方波的上升沿表示交流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)。在圖 1 中還包含光電耦合器 SA1（TIL117）,，它一方面進(jìn)行電路隔離,，同時(shí)還將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為 TTL 電平以便在單片機(jī)的 P3.2（INT0）上進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)引腳設(shè)置為輸入狀態(tài),，利用軟件很容易對(duì)方波信號(hào)的上升（或下降）沿進(jìn)行測(cè)量,。與現(xiàn)有電路比較，其測(cè)量部分簡(jiǎn)化了很多,，傳統(tǒng)電路是對(duì)兩個(gè)回路的交流信號(hào)進(jìn)行處理—即將兩個(gè)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行直接比較以確定出相位差（Δtx）,。而該電路不再基于對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間直接進(jìn)行比較，且測(cè)量方法也發(fā)生了很大的改變,，它是采用一個(gè)公共的光脈沖作為測(cè)量同步信號(hào),。
測(cè)量完成后由測(cè)量部件單片機(jī)的 P3.4/T0 引腳輸出開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器 74LS04 驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器,，然后通過(guò)光信號(hào)向主機(jī)傳送每個(gè)測(cè)量部件的測(cè)量數(shù)據(jù),。由于對(duì)每個(gè)測(cè)量部件都進(jìn)行了編號(hào)，各個(gè)測(cè)量部件的工作程序會(huì)依據(jù)本身序號(hào)依次向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),。
工作時(shí)序
圖 2 描述了進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)序關(guān)系,，當(dāng)光接收器輸出信號(hào)出現(xiàn)下降沿（即 Ps=0）時(shí),，表示接收到主機(jī)的信號(hào)，上升沿到來(lái)時(shí)開始計(jì)時(shí),，而且以后的數(shù)據(jù)傳送也是以這個(gè)上升沿為參照標(biāo)準(zhǔn),。測(cè)量時(shí)間 Txi +T0i 和 Txj+T0j 不大于 40ms。對(duì)于第一個(gè)測(cè)量部件在同步信號(hào)啟動(dòng)測(cè)量以后再延時(shí) TM1≥Txi +T0i 就可以傳送數(shù)據(jù)了,。為了可靠,，本設(shè)計(jì)取 TM1=50ms 作為測(cè)量過(guò)程的延遲時(shí)間。設(shè)每次傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間為 TN,，那么第二個(gè)測(cè)量部件傳送數(shù)據(jù)的延時(shí)就是第一個(gè)延遲時(shí)間加上 TN,，即：TM2= TM1+TN，后面的延時(shí) TM 的計(jì)算依次類推,。
主機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)過(guò)程在其內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)依次保存各個(gè)部分的測(cè)量數(shù)據(jù),，以便后來(lái)的計(jì)算和顯示。
結(jié)語(yǔ)
這種間接測(cè)量的方法是在傳統(tǒng)的測(cè)量方法基礎(chǔ)上的一種改進(jìn),，光信號(hào)作為一個(gè)參照量被引入到測(cè)量過(guò)程,，依靠計(jì)算機(jī)的控制、存儲(chǔ),、運(yùn)算和處理等功能,，得到最終的參數(shù)數(shù)據(jù)。由于這種方法依靠光信號(hào)作為同步和數(shù)據(jù)傳輸,，多個(gè)測(cè)量回路不再需要在電路上的直接連接,，而是獨(dú)立進(jìn)行，這對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)說(shuō)非常有用,。