電力傳輸線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂海鷗， 張 磊， 陳 平

（①山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 淄博 250049；②淄博市第八人民醫(yī)院, 山東 淄博 255000）

0 引言

為解決人工調(diào)整電力傳輸線路中偏相觀測(cè)難、記錄難、校準(zhǔn)難這三大難題。該設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)間斷地對(duì)電力傳輸線路中電流、電壓、零序電流、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、基波及諧波電能的監(jiān)測(cè)、記錄和存儲(chǔ)。該設(shè)計(jì)采用MSP430F135單片機(jī)為控制核心，結(jié)合電壓、電流互感器、DSP電能芯片、人機(jī)接口、聲光報(bào)警電路和信號(hào)處理電路等實(shí)現(xiàn)對(duì)電力傳輸線路參數(shù)的監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)能利用存放在U盤(pán)中長(zhǎng)時(shí)間采集的數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行曲線分析，為電力部門(mén)調(diào)整線路負(fù)荷提供科學(xué)、可靠的依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 DSP電能芯片的選擇

該設(shè)計(jì)選用DSP電能芯片，此芯片具有七路二階16位sigma-delta ADC、基準(zhǔn)電壓輸出、電壓、電流采樣、基波、諧波以及能量頻率測(cè)量的信號(hào)處理電路，同時(shí)具有SPI 通訊接口，并支持全數(shù)字域的增益、相位校正。能夠自動(dòng)計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、視載功率以及功率因數(shù)。內(nèi)部具有電壓監(jiān)測(cè)電路，能保證上電和掉電時(shí)工作正常進(jìn)行。

該設(shè)計(jì)能進(jìn)行高精度測(cè)量，輸入動(dòng)態(tài)工作范圍1000：1，同時(shí)保證非線性測(cè)量誤差在0.1%內(nèi)。支持增益和相位補(bǔ)償，小電流非線性補(bǔ)償。電壓、電流有效值精度優(yōu)于0.5%[1]。

1.2 單片機(jī)選擇

MSP430單片機(jī)為低功耗16位單片機(jī)，具有典型的SOC特點(diǎn)，集成大量外設(shè)。尤其是其內(nèi)部集成的波特率微調(diào)器，可以使MCU在不低于32 768 Hz的任意晶振（但不能超過(guò)MCU對(duì)晶振要求的上限）下工作時(shí)，選擇通信波特率時(shí)可不受波特率因子不帶有小數(shù)的限制，即：在波特率的允許范圍內(nèi)可使用任意頻率的晶振。另外，由于MSP430 MCU內(nèi)部集成了溫度傳感器[1]，可以較方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)液位所用壓力傳感器溫度進(jìn)行補(bǔ)償。而且 MSP430系列單片機(jī)針對(duì)不同的應(yīng)用由各種不同的模塊組成，由于所用微控制器低功耗的特點(diǎn)，可用普通電池正常工作，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)間斷正常使用[2]。

2 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)主機(jī)電路、控制電路、信號(hào)測(cè)量、聲光報(bào)警電路、按鍵電路、LCD漢字顯示電路、電源電路和通信電路等組成。P1口做為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線，DSP電能芯片采用P3.0 P3.1 P3.2口接入MCU用來(lái)向系統(tǒng)提供輸入的數(shù)據(jù),聲光報(bào)警模塊的工作信號(hào)通過(guò)P2.5口輸出產(chǎn)生報(bào)警聲音。鍵盤(pán)模塊通過(guò)P2.0,P2.1和P2.2口接入MCU用來(lái)控制系統(tǒng)的6個(gè)按鍵。系統(tǒng)通過(guò)P1口和P5.0、P5.1控制LCD顯示器，串行通信由P3.6和P3.7經(jīng)過(guò)通信接口電路控制U盤(pán)讀寫(xiě)，系統(tǒng)的電源模塊產(chǎn)生3.3 V、＋5 V電壓為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓[3]。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

該系統(tǒng)利用電壓、電流互感器經(jīng)過(guò)差動(dòng)轉(zhuǎn)換后輸入DSP電能芯片進(jìn)行信號(hào)的分析與處理，輸出高精度的三相電壓值、三相電流值、零序電流值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、基波及諧波電能值等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)SPI通訊接口讀出DSP電能芯片計(jì)算后得支的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送入LCD進(jìn)行顯示[4-5]。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間運(yùn)行到U盤(pán)規(guī)定的寫(xiě)入時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄采集到的所有數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以根據(jù)需要通過(guò)鍵盤(pán)輸入設(shè)定采集時(shí)間間隔。系統(tǒng)中設(shè)備編號(hào)可以任意設(shè)定。同時(shí)該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)顯示工作環(huán)境的溫度和系統(tǒng)時(shí)間[6-7]。

3 系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)差動(dòng)輸入電路設(shè)計(jì)

信號(hào)輸入采用差動(dòng)輸入方式，輸入的電流、電壓感器信號(hào)通過(guò)采樣電阻R17進(jìn)行采樣，C5、C6進(jìn)行濾波，減少干擾，REFO通過(guò)10K限流電阻提供16位AD的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓[3]。電壓、電流信號(hào)輸入電路圖如圖2所示[8-9]。

3.2 通訊控制電路

該系統(tǒng)中通訊電路功能完成TTL電平與CMOS電平的轉(zhuǎn)換[3]。無(wú)源輸入在不通訊階段不耗電，只有在通訊時(shí)才耗電，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗有很大幫助，這也是市場(chǎng)上專(zhuān)用轉(zhuǎn)換芯片不具有的特點(diǎn)。其控制電路見(jiàn)圖3[6-7]。

圖2 電壓、電流信號(hào)輸入電路

圖3 通訊控制電路

3.3 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路由三極管、發(fā)光二極管、電阻、電容、蜂鳴器元件等組成，當(dāng)所測(cè)液位值小于所設(shè)定的警戒值時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)報(bào)警，當(dāng)收到報(bào)警信號(hào)后發(fā)光二極管被點(diǎn)亮、蜂鳴器發(fā)出聲音，產(chǎn)生聲光報(bào)警效果。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為七個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、LCD顯示模塊、按鍵識(shí)別及處理模塊、SPI模擬通訊模塊、串口通訊模塊、U盤(pán)讀寫(xiě)模塊。時(shí)間、工作環(huán)境溫度檢測(cè)模塊。

初始化模塊的主要作用是設(shè)置顯示緩沖區(qū)、堆棧指針、各工作單元、操作標(biāo)志和工作寄存器、各I/O端口以及CMU的工作時(shí)鐘模塊設(shè)置、設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)器模塊、通信模塊、DSP電能芯片模塊初始化以及系統(tǒng)中斷設(shè)置等；LCD顯示模塊的主要作用是顯示采集的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工作參數(shù)等數(shù)據(jù)；鍵盤(pán)模塊負(fù)責(zé)按鍵的識(shí)別和進(jìn)行按鍵處理，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理子程序進(jìn)行處理[3]。可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、存儲(chǔ)間隔、設(shè)備編號(hào)進(jìn)行設(shè)定；SPI模塊通訊模塊主要作用是完成 MCU與DSP電能芯片的數(shù)據(jù)交換。串口通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給U盤(pán)模塊，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)做準(zhǔn)備；U盤(pán)讀寫(xiě)模塊的作用是將MCU傳送出的數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)并存儲(chǔ)；時(shí)間、工作環(huán)境溫度檢測(cè)模塊的作用是完成對(duì)時(shí)間的計(jì)算，同時(shí)實(shí)時(shí)采集工作環(huán)境的溫度。

5 結(jié)語(yǔ)

該儀器可廣泛應(yīng)用于電力、石油及化工領(lǐng)域，實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄電力線路中的各種參數(shù)并及時(shí)存儲(chǔ)到U盤(pán)中，便于技術(shù)人員根據(jù)線路實(shí)際情況調(diào)整設(shè)備。該儀器具有工作性能穩(wěn)定可靠、體積小、成本低以及測(cè)量控制準(zhǔn)確、靈敏、安裝使用方便，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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