基于单片机的低压电网频率监测仪.doc

第卷第期年月湖南工业大学学报 基于单片机的低压电网频率监测仪陈家义，何小阳（广西大学电气程学院，广西南宁；北海职业学院，广西北海）摘要：以单片机为核心，设计了一种低压电网频率监测仪完成了对低压电网频率信号的精确测量。同时实现监测数据的统计、通信、人机交互等功能，并讨论了该监测仪的工作原理和软硬件结构，给出了基于仿真软件的实现，证明该方法具有一定的实用价值。关键词：频率；低压电网；单片机；中图分类号：文献标识码：文章编号：（） 一， （ ， ， ，； ， ，）： ， ， ， ：； ；引言失了原有算法的简明性。）解析法睢】。通过对信弓观测模型进行数学变换，将待测频率量表示为样本的在电力系统中，电网频率对电力生产与调度是一个基本的发供电质琶技术指标，也是电力计测的基础参数之一。系统频率的变化，间接反映了电力负荷的变化。因此，对电网频率的快速、高分辨率测量，在电力生产与调度中就显得十分重要，成为负荷调整的基础数据之一。目前比较成熟的测频算法包括：）周期法。通过测量信号波形相继过零点问的时间宽度来计算频率。该方法在低频测垦时准确度较高，但是容易受谐波、噪声和非周期分鞋的影响。典型的改进方法有水平交算法、最小二乘多项式曲线拟合法，以增加计算量和复杂度为代价来提高算法的精度，但在一定程度上丧显函数来估计。解析法涉及到复杂的数学推导，在实践中只能采用简单的信号模型，很难综合考虑谐波、非周期分量和噪声的影响。）误差最小化原理算法”以最小化测量误差的某种范数为目标，能较好地抑制具有白噪声动态的干扰信号。该类方法对随机噪声的抑制能力强，而对抗谐波、衰减直流分最等非特征信号分量的能力与所采用的信号观测模型和辅助算法有关。随着的发展，该类算法逐渐从原来的离线分析进入了实时控制领域。由于单片机内部含有稳定度很高的标准频率源，定时，计数器等硬件，能很方便地对外部信号或者标准频率信号进行计数，并可以进行频率信号的数据仃收稿日期：作者简介陈家义（），男，广西北海人北海职业学院讲师，在读工程硕士，主要研究方向为综合自动化；何小阳（一），男，广东兴宁人，广西大学副教授硕导，主要研究方向为综合自动化和计算机控制技术万方数据湖南工业大学学报储、统计、通信或者显示等。这些特性使得基于单片机的频率监测系统具有更小的体积、更实用的功能以及更便宜的价格。证测频系统的硬件设计设计思想在仪表测量过程中，测量的要求比较复杂，一些了场合需测量的频率范闱比较宽，经常从几赫兹到几兆赫兹；有些场合要求快速测量。对于测量精度要求不高，比如工业实时测量；也有些场合要求兼顾测量的快速性和精度。综合考虑各种情况，我们需要设计的频率监测仪是针对低压配电网的。电网的一个主要特征是受谐波、噪声以及非周期分量影响较大，但频率是属于低频范围。对于低频范围内的频率测量，选用周期法进行测量准确率较高，在软件上。通过提高算法的复杂度和计算量来提高测量精度。设计采用公司的单片机，它是一种低功耗、高性能 位微控制器，具有 可编程存储器和字节，与工业产品指令和引脚完全兼容。具有个口线，看门图接口电路 狗定时器，个数据指针，个位定时计数器，个向量级中断结构，全双工串行口以及时钟电路。监测仪的硬件设计-5图接口电路 先将信号通过滤波器滤除去高频干扰和低频漂移信号，然后经过过零比较器，同时也进行线性放大，使测频系统的软件设计之变成波形正确、幅值适当的方波信号，再经过光电隔离电路送入信号输入电路。接口电路如图所示。渡信号在基于单片机的频率监测仪中，单片机负责控制、测量、计算等工作。具体地说，单片机要执行按键分析以及处理、显示、测最控制与计算、测量结果处理等工作。软件结构分为主程序、显示子程序、键盘分析及处理子程序、测量及数据处理子程序。主程序在完成初始化工作如设置定时器丁。、丁、等工作后，扫描键盘并进行键值处理。若有键按下进行相应的键值处理子程序；若无键按下则开始执行频率测量工作，测量结束后，对测量结果进行计算，及时送到进行显示。若测量结果超过了阈值限制，则需要通过发送测帚结果到端服务器程序。端服务器程序负责记录异常频率计数出现时间和次数，并统一进行管理。在上备份数据。图电网信号处理为将来可能的故障分析等提供原始测量数据。 监测仪可以通过键盘输入设定的报警上下限阈仿真测试值，并存储阈值在中。当监测到电网频率超出阈值，通过串口向端服务器程序发送当前测量值，由端服务器记录统计频率不正常时间及次数等数据，监测仪通过 实时显示测最的频率。和接口电路分别如图、图所示。万方数据是 公司研发的多功能软件，它具有功能强大的智能原理图输入系统。在编辑区，能够方便地完成单片机系统的硬件设计、单片机源码级调试与仿真。目前，已经成为流行的单片机系统设计与仿真平台，应用于多第甥娠家义，舛小蹋纂二于二苹片掇鼬熬压电嗣频枣躲测义个领域。实践正明，魑单片机应用产品研发兹灵瀵、裹效、歪臻鳓没程仿真孚赍。它骥受援毫了研发效率，缩短了研发周期，节约了研发成本 。定软件的编辑区输人如阁的啄理蘑，势设置 内蔹荦片税静赫薇颓率为 。指定 需龊运行的文件目录，然后按下按镪开始仿真运孑亏。傍蕤测试的效畏分另如淄、飘零镑羹结暴所示。 开始纯真后，通过键魏设氍监测缏报警嘲值。著不漫置鲻监涮仪使瘸簸认阕基馥渊额：誊数锯变亿。仿真结果嵌明在低频段，本艾设计的稃序能够正常跟踪频享变乏，蚕令外设摸块嚣：正豢，程疗浚程簿合设计思怂。结语奉文采用单片机作为低压电网频牢监测仪的核心部分，垂攀片撬受夷数攘溅罐，基示、延理等王搏，硬件实现简单，软件结构清晰，对于不同频段的频率信圈使用缤毒棼的仿真暇理强曰的测袋，在现有软硬件络构容易做出相应改变， 舟缀方橙；通 彷粪软体鞠支锈灞试，证明该方法可行，有一定实用价参考文献：嘲接隶患，孛金孝一羚篷予疆嫒舞浚懿颧警溺交法电气动功化，（）：【】黝：晓絷，镲萍崩红拿璀于单机的频率测键的几种实；甏方渡耱纹表鑫谚往装霞。）：。谢小菜，韩荧铎电力系统顿牢艟综述【】电力系统自豳频率测量仿真结果动化，（）： 【蠲囊襁张童毒武，豹擎片橇教学与液髑谚奏嚣。单片机与嵌入式系统应门】，（）：【】陈少航，李艇于的职片机应用系统的设诗与携奏翻。鬟电予茬零。（）：（责任编辑：罗立宇）图 仿真结果。 万方数据基于单片机的低压电网频率监测仪作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：陈家义， 何小阳， Chen Jiayi， He Xiaoyang陈家义,Chen Jiayi(广西大学,电气工程学院,广西,南宁,530004;北海职业学院,广西,北海,536000)， 何小阳,He Xiaoyang(广西大学,电气工程学院,广西,南宁,530004)湖南工业大学学报JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2008，22(5)0次参考文献(5条)1.杜永忠.牛金才 一种基于CROSS原始算法的频率测量法期刊论文-电气传动自动化 2001(3)2.陈晓荣.蔡萍.周红全 基于单片机的频率测量的几种实用方法期刊论文-工业仪表与自动化装置 2003(1)3.谢小荣.韩英铎 电力系统频率测量综述期刊论文-电力系统自动化 1999(3)4.周灵彬.张靖武 PROTEUS的单片机教学与应用仿真期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2008(1)5.陈少航.李山.苗亮亮.苏宪龙 基于Proteus的单片机应用系统的设计与仿真期刊论文-现代电子技术 2008(6)相似文献(10条)1.会议论文 郑涛.张保会 低压电网1M30MHz阻抗特性研究 2004利用低压电网来解决最后一英里问题已经成为当前研究的热点.对于高速电力线通信来说,研究信道阻抗特性,可以揭示网络阻抗失配对信息传输造成的影响.本文在对三种典型低压电网进行连续24小时测量的基础上,研究了低压电网在1MHz30MHz频宽内的阻抗特性.讨论了使用频谱分析仪测量低压电网阻抗的方法,分析了低压电网阻抗随频率、时间、地点变化的特点.分析结果标明在1M30MHz频段,阻抗大小从几欧姆到上千欧姆之间变化,总体上随频率的升高而降低,在高频(大于20MHz)段趋于一固定值;阻抗呈感性和容性交替变化;阻抗的时变性和地域变化性均不明显.2.期刊论文 刘海涛.张保会.郑涛.Liu Haitao.Zhang Baohui.Zheng Tao 低压电网信道频率响应模型的研究 -电工技术学报2004,19(11)利用低压电网来解决最后一公里问题已经成为当前研究的热点,而对于任何通信系统来说,研究信道的频率响应,都是必不可少和十分重要的.本文对两种环境下低压电网通信信道的传输特性进行了24h的连续测量,得到了表征信道色散特性二阶统计参数:3dB相干带宽和rms 时延扩展的统计特性.然后本文建立了低压电网信道频率响应的三阶统计自回归(AR)模型,最后将仿真结果与实测数据进行了比较,证明提出的模型是可行的.3.会议论文 刘海涛.张保会.谭伦农 低压电网信道频率响应的统计自回归模型 2003利用低压电网来解决最后一公里问题已经成为当前研究的热点,而对于任何通信系统来说,研究信道的频率响应,都是必不可少和十分重要的.本文对两种环境下低压电网通信信道的传输特性进行了24小时的连续测量,得到了表征信道色散特性二阶统计参数:3dB相干带宽和rms时延扩展的统计特性.然后本文建立了低压电网信道频率响应的三阶统计自回归(AR)模型,最后将仿真结果与实测数据进行了比较,证明提出的模型是可行的.4.会议论文 陈家义.何小阳 基于单片机的低压电网频率监测仪 2008本文设计了一种低压电网频率监测仪。该仪表以单片机AT89S52为核心，完成对低压电网频率信号进行精确测量，同时实现监测数据的统计、通信、人机交互等功能。文中讨论了该监测仪的工作原理和软硬件结构,并给出了基于PROTEUS仿真软件的实现，证明该方法具有一定的实用价值。5.期刊论文 低压电网在130MHz频段的阻抗测量与特性分析 -电网技术2005,29(19)在对三种典型低压电网进行连续24小时测量的基础上,讨论了使用网络分析仪测量低压电网阻抗的方法,以及阻抗随频率、时间、地点变化的特点.分析结果表明在130MHz频段,其阻抗值在十几欧姆到上千欧姆之间变化,总体上随频率的升高而降低;在大于20MHz频段阻抗趋于一固定值;阻抗呈感性和容性交替变化;网络阻抗受负荷性质影响较大,且具有一定的时变性.6.期刊论文 李心广.蔡兴勇 电网谐波放大与抑制仿真研究 -电气传动2003,33(4)文章介绍了低压电网谐波放大机理,并根据某厂电网实际情况,对电网电压及电流谐波放大进行了电路仿真研究.研究了电网谐波放大抑制对策.特别对电力电容器的串联电抗器的选择方法上作了较为详尽的讨论.提出了按电容支路串联谐振频率点选择电抗值的方案.针对不同频率谐波源、多电容器投切、三角形接法电容器情况进行了电路仿真,给出了相应情况下谐波放大抑制的结论.结论说明了按电容支路串联谐振频率点选择电抗值的方法可操作性和该方法物理意义的直观性.7.期刊论文 郑涛.张保会 利用低压电力线传输数据存在的技术问题及对策 -电网技术2004,28(22)低压电力线通信可分为远程抄表和实现高速Internet接入网两个主要应用方向.文章根据电力线信道的特性以及低速和高速信息传输的不同要求,指出对于数据传输速率较低的远程抄表系统可使用时分复用的扩频调制技术,但要注意选择合适的载波频率和扩频伪随机序列;高速Internet接入网则适合应用正交频分复用调制技术(OFDM),以克服低压电网对信号传输的不利影响,如噪声大、衰减强特点等.8.学位论文 李锵 基于数字信号处理器(DSP)的低压电网参数综合测试仪的研究 2000该文对低压电网参数综合测试仪应具备的功能,实现功能的算法及技术参数进行了研究,认为该仪器应能对电网中的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数以及谐波进行测量并能将测量传送给上位机.该课题确定了以DSP(数字信号处理器)作为低压电网参数综合测试仪的核心芯片,并根据DSP的特点,提出了一种新的适合DSP处理的信号取样方法,即基于信号幅值失真度的取样方法,提供了一种能够科学地确定取样频率的新途径.9.学位论文 邢锦磊 基于以太网的低压电网监测保护装置研究 2008传统的10kV以下工矿低压电网缺乏功能齐全的监测保护系统，发生电网故障将会造成重大经济损失甚至危及人身安全，不能满足大型工矿企业电气化、机械化的发展需要。根据大型工矿企业车间级低压电网的实际情况，结合现代微机监测保护理论研究的最新成果，设计了一种基于以太网通信、集微机保护功能与谐波监测于一体的智能化监测保护装置。 对监测保护原理与算法作了详细的分析，重点分析了傅立叶算法，介绍了非周期衰减直流分量的滤除算法、用于谐波分析的余弦窗插值傅立叶算法等，并且创新性的提出了傅立叶频率测量新算法。基于傅立叶变换，经过严格的数学推导计算，得到相邻两周期相位差的余弦函数表达式，代入非同步采样下的傅立叶变换计算值，即可在不需要计算相位的情况下得到相邻两个周期相位差的准确值，从而得到真实的信号频率。此外，详细分析了反时限特性保护，考虑到传统反时限特性曲线中的指数运算十分复杂，不便于微机保护实现，本文提出了适合微机算法实现的反时限保护算法。采用微分方程建立导体发热的连续模型，全面反映了导体温升随电流变化的过程。在此基础上，经过严格的数学推导，建立了一种可以准确描述电气设备过载升温过程的离散算法模型，物理概念清晰并且易于实现。 本文设计的微机监测保护装置，由LPC2292和DSPIC30F6015两款微处理器实现双处理器结构，分别实现人机接口与监测保护算法。上位机采用嵌入式实时操作系统C/OS-，构建健壮、可靠和可扩展的软件系统。下位机采用前后台系统实现快速的保护算法。构建以太网通信的软硬件接口，将微型嵌入式TCP/IP协议栈uIP合理裁剪，实现MODBUS-TCP协议，通过工矿企业内部局域网即可访问现场低压电网监测保护装置，实现远程监视、控制以及保护动作参数的远程设置，无需深入生产现场，尤其适用于大型矿山生产企业的井下低压电网监测与保护。10.学位论文 单亚娟 基于DSP平台的中低压电网