摘? 要: 介紹了一種帶有諧波分析" title="諧波分析">諧波分析功能的智能多電源監(jiān)控系統(tǒng),論述了系統(tǒng)的組成、硬件單元結(jié)構(gòu)、軟件流程以及所采用的諧波計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng)? 單片機(jī)? 諧波分析? FFT
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保證供電的連續(xù)性是提高供電質(zhì)量的一個(gè)重要方面。當(dāng)常用供電電源處于過壓、欠壓或斷相等不正常狀態(tài)時(shí),應(yīng)及時(shí)將其切斷,改由備用電源供電;同時(shí),如果各交流電源的負(fù)載能力不同,在切換前應(yīng)通過母聯(lián)開關(guān)調(diào)整負(fù)載,以保證重要設(shè)備和部門的安全和正常供電。目前這類操作多由手工完成,隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高,上述檢測和切換過程可由電壓監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。
本文介紹一種基于P80C552型單片機(jī)的電源監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的交流電源監(jiān)控器相比較,其使用更加靈活。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)控制單元" title="控制單元">控制單元組成,各控制單元結(jié)構(gòu)基本相同,通過RS485通信總線組成系統(tǒng)。各控制單元通過撥碼開關(guān)加以選擇后接入系統(tǒng),也可單獨(dú)使用。系統(tǒng)通過總線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享,也可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;并預(yù)留了與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換端口,用戶可方便地通過菜單操作方式設(shè)定、修改參數(shù)和邏輯;同時(shí)系統(tǒng)可自檢并對(duì)自身故障進(jìn)行報(bào)警。
考慮到電網(wǎng)的諧波問題,該系統(tǒng)增加了對(duì)諧波電壓的監(jiān)控功能。
1 系統(tǒng)框圖及控制單元功能
系統(tǒng)的組成框圖見圖1,包括常用電源控制單元#N、備用電源控制單元#R、應(yīng)急電源控制單元#U(控制發(fā)電機(jī))以及母聯(lián)開關(guān)控制單元#J。用戶可根據(jù)需要靈活選用控制單元接入系統(tǒng)。
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#N、#R和#U控制單元分別監(jiān)測常用電源、備用電源和發(fā)電機(jī)的三相交流電是否符合質(zhì)量要求,實(shí)時(shí)顯示有關(guān)的電力參數(shù),如電壓、諧波分量等,記錄各自所監(jiān)測的電源電壓正常與否,并將所控制和監(jiān)測的電源情況匯總到#N控制單元。
#N主控單元除監(jiān)測常用電源參數(shù)外,還能通過RS485通信方式獲得其它控制單元的采樣結(jié)果,并根據(jù)這些結(jié)果和事先設(shè)定的邏輯對(duì)其它控制單元的動(dòng)作加以控制,組織不同電源間的相互切換。它可通過菜單、鍵盤互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和控制邏輯設(shè)置,對(duì)系統(tǒng)通信線路狀況進(jìn)行監(jiān)測,并具有記錄操作、參數(shù)異常等事件的功能。在該控制單元中,建立了數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括詳細(xì)的時(shí)間和事件的性質(zhì)(如過壓、欠壓、斷相、諧波超標(biāo)等),數(shù)據(jù)可通過打印機(jī)輸出,也可由RS232串行口輸出到其它設(shè)備。
#J控制單元不具有電源質(zhì)量檢測功能,它只能通過通信方式接收來自#N控制單元的命令,對(duì)母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行操作,用以調(diào)整各電源負(fù)載。
#R、#U、#J控制單元對(duì)各自所監(jiān)測的電源的分?jǐn)嗯c閉合操作完全受控于#N單元。
2 控制單元硬件結(jié)構(gòu)
#N、#R、#U三種控制單元的硬件組成相同,其硬件電路主要由數(shù)據(jù)采樣" title="數(shù)據(jù)采樣">數(shù)據(jù)采樣電路、動(dòng)作機(jī)構(gòu)(電機(jī))控制電路、人機(jī)接口設(shè)備和本機(jī)電源控制電路幾部分構(gòu)成,如圖2所示。用戶可以通過一個(gè)帶有BCD編碼功能的撥碼開關(guān)賦予各控制單元不同身份。#J控制單元沒有數(shù)據(jù)采樣電路。
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2.1 數(shù)據(jù)采樣電路
數(shù)據(jù)采樣電路包括交流衰減、隔離和信號(hào)調(diào)理電路。
考慮到衰減部分應(yīng)盡量減小頻率失真,所以沒有采用電容衰減形式,而是采用了電阻分壓電路。衰減后的交流信號(hào)通過線性光電隔離器LOC211進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。LOC211具有體積小、成本低、隔離效果好等優(yōu)點(diǎn),在本電路中與運(yùn)算放大器配合使用,既保證了1kHz以下信號(hào)基本不失真通過,又避免了外界強(qiáng)電干擾破壞系統(tǒng)內(nèi)部電路。P80C552單片機(jī)內(nèi)部帶有8路10位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,隔離后的模擬信號(hào)濾去了不必要的高次諧波(防止混疊效應(yīng)影響對(duì)諧波的測量),經(jīng)過調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為0～4V之間的電壓信號(hào),送入A/D轉(zhuǎn)換器。
數(shù)據(jù)采樣電路同時(shí)對(duì)系統(tǒng)本機(jī)電源總線上的交流電壓" title="交流電壓">交流電壓進(jìn)行采樣,其結(jié)果作為本機(jī)電源管理依據(jù)。
2.2 人機(jī)接口設(shè)備
該部分包括鍵盤、點(diǎn)陣液晶顯示器和微型打印機(jī)等。
2.2.1 鍵盤和液晶顯示器
鍵盤有五個(gè)按鍵,分別表示上、下、左、右和確認(rèn),采用查詢方式掃描,與MGLS12864液晶顯示器配合實(shí)現(xiàn)分層式菜單,用戶可方便地對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)(如過電壓、欠電壓、操作延時(shí)等)和系統(tǒng)動(dòng)作的邏輯(如各電源母線開關(guān)是否自投自復(fù)、切換的優(yōu)先級(jí)等)進(jìn)行設(shè)定。
2.2.2 事件記錄輸出設(shè)備????
事件記錄的輸出采用并行微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中還預(yù)留了一個(gè)RS232串行口(用HIN232實(shí)現(xiàn)),用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)外的輸出。HIN232同時(shí)為液晶顯示器提供負(fù)電源。
2.3 總線通信部分
RS485通信部分采用MAX485總線收發(fā)器。為避免由通信總線引入強(qiáng)電干擾從而損害內(nèi)部電路,在單片機(jī)串行口與MAX485之間作了光電隔離。
2.4 動(dòng)作機(jī)構(gòu)控制電路
動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制是通過P80C552的I/O口、相關(guān)的邏輯和驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。由于固態(tài)繼電器具有無火花、易驅(qū)動(dòng)、體積小等突出優(yōu)點(diǎn),帶動(dòng)母線開關(guān)的電機(jī)及本機(jī)交流電源總線的控制繼電器均采用了固態(tài)繼電器。
2.5 本機(jī)電源
交流電壓正常時(shí),各個(gè)分控單元的交流供電由為用戶正常供電的被測交流電源通過本機(jī)電源總線提供,經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的12V和5V直流電壓。在不進(jìn)行切換操作時(shí),被測交流電源為后備電池充電。
后備電池采用免維護(hù)鉛酸蓄電池,平時(shí)處于浮充狀態(tài),可用來啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)交流電壓合格時(shí),由AC/DC供電,維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn);在交流電壓異常以及切換過程中,后備電池臨時(shí)為系統(tǒng)供電,直至新的合格交流電源接入。
光電隔離器以外的放大器和RS485通信芯片的電源采用了DC-DC隔離電源與光電隔離器配合使用,可實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)、通信總線與系統(tǒng)內(nèi)部電路之間的良好隔離。
3 軟件流程
考慮到系統(tǒng)時(shí)效性和靈活性的需要,整個(gè)程序采用匯編語言完成。其中,#N控制單元子程序除對(duì)常用電源電壓質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測、記錄和判斷外,還作為整個(gè)系統(tǒng)的主程序(流程圖見圖3),完成監(jiān)控系統(tǒng)的動(dòng)作邏輯和通信線路檢測、參數(shù)設(shè)置、記錄打印輸出以及故障處理等。其它控制單元子程序在此基礎(chǔ)上取消了通訊線路檢測以及組織動(dòng)作邏輯的功能。#J控制單元程序還省去了信號(hào)檢測部分程序。
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4 諧波分析
諧波分析的基本方法是對(duì)同步采樣結(jié)果進(jìn)行離散傅立葉變換分析。為了減小泄露效應(yīng)引入的誤差。本系統(tǒng)對(duì)同步采樣結(jié)果進(jìn)行了插值預(yù)處理。根據(jù)單片機(jī)主頻及實(shí)際需要,該系統(tǒng)所處理的最高諧波次數(shù)為13次。
根據(jù)采樣定理,設(shè)fs為采樣頻率,fh為待采樣信號(hào)的最高頻率,當(dāng)滿足fs>2fh時(shí),就可以根據(jù)采樣值準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)波形,也就可以計(jì)算出信號(hào)的各次諧波分量。計(jì)算公式如下:
????設(shè)以T為周期的電壓信號(hào)
,在[t0，t0+T]上等間隔采樣N次,則：
????
um即為m次諧波電壓的幅值A(chǔ)m。在本系統(tǒng)中,為方便利用FFT進(jìn)行計(jì)算,N的取值為32。
4.1 采樣過程中信號(hào)零點(diǎn)的確定
片內(nèi)10 位A/D的基準(zhǔn)電壓采用了正電壓。為保證采樣信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,采樣信號(hào)的零點(diǎn)電壓應(yīng)位于參考電壓UREF一半的附近,但由于硬件電路很難精確保證交流電壓為零時(shí)的A/D輸入為
,故設(shè)A/D滿量程的一半為零點(diǎn)時(shí)的信號(hào)采樣結(jié)果是不準(zhǔn)確的。為得到準(zhǔn)確的零點(diǎn)電壓采樣值,可在設(shè)計(jì)硬件參數(shù)時(shí),使A/D輸入電壓大致為
,同時(shí)在系統(tǒng)初始化過程中對(duì)輸入信號(hào)為零時(shí)的A/D輸入信號(hào)采樣,采樣結(jié)果即為準(zhǔn)確的零點(diǎn)值。
4.2 采樣值的預(yù)處理
實(shí)際信號(hào)不一定是嚴(yán)格的50Hz,為保證在一定頻率變化范圍內(nèi)仍能采得整周期信號(hào),需按理想采樣間隔多采若干點(diǎn)(實(shí)際中采樣36點(diǎn))。為得到實(shí)際信號(hào)的32 點(diǎn)等間隔采樣值,需先算出實(shí)際信號(hào)按理想時(shí)間間隔采樣一周期的點(diǎn)數(shù),然后用內(nèi)插法算出實(shí)際信號(hào)一周期內(nèi)均勻的32個(gè)采樣點(diǎn)值。
4.3 電壓諧波畸變率(THDU)的計(jì)算
利用基-2的FFT算法,可通過實(shí)際的32個(gè)采樣點(diǎn)求得基波和各次諧波電壓分量的均方根值Um,然后將其結(jié)果每5次取一次算術(shù)平均值作為測量的結(jié)果,進(jìn)而可以算出總的(2～13次)諧波含量UH和電壓總諧波畸變率THDU。THDU為：
當(dāng)然,由于精度和測量范圍的限制,這種算法不適用于負(fù)荷變化快的測量場合。
該系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地測量各相電壓參數(shù),并可根據(jù)測量結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作,需要時(shí)還可以擴(kuò)展為對(duì)電流和各種功率參數(shù)進(jìn)行測量和計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn),工作穩(wěn)定可靠。雖然系統(tǒng)本身并不作為測量儀器使用,但通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),可看出其對(duì)電壓幅值和低次諧波的測量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
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參考文獻(xiàn)
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