基于单片机的电力监控系统交流采样技术的实现

1、基于单片机的电力监控系统交流采样技术的实现摘要：系统采用8031单片机实现电力参数的交流采样，通过 LED显示器显 示频率、电压、电流的实时值，在过压 30%、欠压 30%时进行声光报警，并 能定时打印电压、电流及频率值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采 集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有 较好的精确度和稳定性。关键词： 单片机 交流采样 频率跟踪 电力监测随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时 监控、调芳的自动化显得尤为重要；而在电力调度自动化系统中，电力参数 的测量是最基本的功能。如何快速、准确地采集各种电力参数显得尤为重 要。在实

2、现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。根据采集信号的 不同，可分直流采样和交流采样两种。直流采样，顾名思义，采样对象为直 流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为05V的直流电压，再由各种装置和仪表采集。此方法软件设计简单，对采样值只需作一次 比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现 实时信号的采集；变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；设备复 杂，维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。由于这种方法 能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代 替

3、硬件的功能又使硬件的投资大大减小。随着微机技术的不断发展，交流采 样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。本系统采用8031单片机实现电力参数的交流采样。通过 LED显示器显 示频率、电压、电流的实时值，在过压 30%、欠压 30%时进行声光报警，并 能定时打印电压、电流及频率值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采 集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有 着较好的精确度和稳定性。、交流采样原理若将电压有效值公式离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续 变化的电压函数值，则式中： Tm为相邻两次采样的时间间隔；um为第m-1个时间

4、间隔的电 压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即 Tm为常数考虑到N=(T/ T)+1，则有式（ 1）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信 号有效值的公式。同理，电流有效值计算公式如下：计算一相有功功率的公式离散化后为式中：im、um为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求 得：cos © =P/UI、系统硬件组成本系统的硬件部分由电源、主机、数据采集电路、键盘输入电路、显 示器和打印机输出电路共 6 部分组成。系统总体框图如图 1 所示。1. 主机主机由单片机8031、地址锁存器74LS373外接4KB的程序存储器 2732和

5、8KB的数据存储器6264构成。2. 数据采集电路系统数据采集电路如图 2所示。由图 2可见，前向数据采集通道由传感器、双四选一多路开关4052、采样保持器LF398八选一多路开关4051、模数转换器AD574光隔及由电 压比较器LM339锁相环4046、分频器4020构成的频率跟踪电路和用于控 制采样保持器的单稳触发器 4528组成。由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A/D转换器变成数字量以后，才能送入8031进行处理。本系统选用AD574该芯片使用逐 次逼近法将-5+5V模拟电压转换为数字量。转换时间为 25 us非线性误差 小于土 0.5LSB。系统的采样时间间隔为 0.5s

6、 。采样时，在 1 个信号周期内对一相电 压、电流等时间间隔准确采样 16点并把结果存入片外数据存储器相应的存 储页内（A相电压：DPH=80H A相电流：DPH=83HC相电压：DPH=84H C 相电流：DPH=85H。三相全采完后，对采到的数据进行数字滤波。计算有 效值后和上限、下限值进行比较，若有超标则进行声光报警。对频率的采样 是将交流电信号经LM339电压比较器变成方波后送到8031的P3.2脚（外中 断 0），由 8031计数器 0（工作在方式 1 计数初值为 0）在方波保持高电平 的时间内对8031 （采用12MHz晶振）的内部时钟进行计数。采样期间在每 一相 16 点电压、电

7、流采样完毕后， 8031 读入计数值存入相应的存储页 （DPH=86）H 内，数据处理阶段将其转换为频率值后送 8279进行显示。3. 键盘和显示器电路采用带字驱动和位驱动的LED显示器进行显示。键盘上共设置了 8个 键，其中： 0键用于功能切换； 1，2，3三键为双功能键，分别用于显示 A, B, C三相电压或电流；4键用于随机打印。4. 打印机接口电路8031直接带一个TPP微型打印机，用软件能使其在规定时间自启动并按设 计格式打印指定数据。三、软件设计在系统的软件设计中,采用模块化设计方法,使得程序结构清晰,便 于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中 断服务程

8、序、键盘中断服务程序、数据采集处理子程序、显示程序、打印程 序等。主程序主要完成系统初始化,装置自检等任务。系统的初始化部分包 括CPU各端口输入输出设置、中断设置、外围驱动、译码电路的初始化、数 据RAM勺初始化等。系统的数据采集处理子程序的功能是在定时中断服务程 序中完成的。在定时中断服务程序中主要进行三相交流电压、电流的采集, 数字滤波、采样数据存储,标度变换以及报判断与输出等操作。打印程序由 定时中断服务程序团龄闰打印请求标志,主程序查询到该标志时,执行打印 准备和启动程序,即将打印数据装配成 ASCII 字符标准格式存入到外部 RAM 的打印缓冲器中。由于篇幅所限,本处不再一一介绍。

9、数据采集子程序：SMP：MOV R,0 #00H ；相数选择初始化MOV R,2 #80H ； u1 存放页地址送 R2RET：MOV TL0, #00HMOV TH,0 #00HSETB TR0MOV A, R0MOV P0, A ；选中三相中的一相进入 4052MOV R，7 #00H ；采样点数寄存器初始化MOV R，1 21H ；当前采样点的页内地址指针AD12：CLR P1.2 ；选通当前相的电压信号SH JNB OOH, SH ;查询S/H标志位CLR 00H ；准备好，清标志CLR P1.6MOV P2, #DFH ;启动 A/D 转换AD1：J B P1.7 , AD1 ; 未

10、完,等待SETB P1.6 ; R/C 置位,准备读LCALL DATA;读入转换结果存入相应页SETB P1.2 ;切换到电流信号CLR P1.6MOV P2 #DFH ;启动 A/D 转换AD2：JB P1.7，AD2 ;未转换完，等待INC R2 ;页地址 +1，到存放该相电流的页面SETB P1.6LCALL DATA ;读入结果INC R7 ;下一采样点INC R1INC R1 ;采样点存放单元地址CJNE R7，#1OH，AD12 ;该相未完，继续LCALL FRQCYINC RO ;置下一相采样标志INC R2 ；下一相电压存储页MOV R，1 21H ；下一相存储页地址指针CJNE R1，#03H，RTE ；三相未采完ADD 21H，#1FH ；三相全采完，下次采样各页内地址指针RET另外，在电力系统的实际运行中，电网存在谐波，还会有各种瞬时干 扰，如投切电容器和开关合闸、掉闸等都会产生干扰；而采用硬件滤波存在 硬件电路复杂等诸多弊