基于C8051F020多通道交流采樣電路設(shè)計(jì)

杜玉宇 于 群 史青禾 吳 飛

（山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590）

電量的采樣作為電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)控、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié)，毫無(wú)疑問(wèn)具有重要的作用[1-2]。這些功能實(shí)現(xiàn)通常是基于多路信號(hào)的，因此設(shè)計(jì)一種多通道同步交流采樣具有一定的實(shí)際意義。目前一般采用多個(gè)采樣保持器加上多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和高速、高分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成同步采樣模塊。但這樣的結(jié)構(gòu)存在使用器件多、結(jié)構(gòu)控制復(fù)雜、通道的誤差大、可靠性低等缺點(diǎn)[3]。基于這一事實(shí)，提出了一種以?xún)?nèi)嵌MCU的高性能、多通道12位數(shù)據(jù)采集芯片C8051F020為控制核心，以順序采樣來(lái)近似實(shí)現(xiàn)同步采樣的多通道交流采樣方法。從而使整個(gè)采集電路的芯片數(shù)量大為減少，從而提高了電路的抗干擾能力和可靠性，并節(jié)約了成本。這種采樣方法能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)監(jiān)控及低壓配電網(wǎng)絡(luò)微機(jī)繼電保護(hù)等的需求，因此具有一定的參考價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

考慮到采樣方法大同小異，本系統(tǒng)只采集三相電壓、電流。系統(tǒng)硬件電路由前向通道電路、C8051F020處理芯片、顯示電路、繼電保護(hù)跳閘電路等組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，前向通道電路起到信號(hào)調(diào)理作用，將調(diào)理好的信號(hào)輸入到ADC。數(shù)據(jù)的采集和處理由C8051F020來(lái)完成。液晶顯示用于實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。繼電保護(hù)跳閘電路用來(lái)模擬電流速斷保護(hù)以驗(yàn)證該系統(tǒng)能否滿(mǎn)足工程要求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 前向通道電路設(shè)計(jì)

C8051F020內(nèi)嵌單極性ADC，輸入電壓要求范圍為0～2.4V[4]。從電力電壓互感器、電力電流互感器二次側(cè)取得的電壓、電流信號(hào)的數(shù)值及噪聲較大無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須進(jìn)行信號(hào)調(diào)理才能輸入到ADC中。以一路電壓和一路電流為例（其它通道與此相同），前向通道如圖2所示。由電壓形成電路、偏置電路、電壓跟隨電路、RC低通濾波電路以及限幅保護(hù)電路等組成。電壓形成電路將電力電壓互感器、電力電流互感器二次側(cè)取得的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)慕涣麟妷盒盘?hào)。偏置電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值小于2.4V的電壓信號(hào)。電壓跟隨電路起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。RC低通濾波電路主要是濾除頻率高于采樣頻率一半的信號(hào)，以降低系統(tǒng)對(duì)硬件的要求。當(dāng)電網(wǎng)電壓、電流突然變大時(shí)，限幅保護(hù)電路對(duì)C8051F020起保護(hù)作用。

圖2 前向通道電路

3 系統(tǒng)軟件與算法

整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。此流程圖系統(tǒng)地體現(xiàn)了順序采樣近似實(shí)現(xiàn)同步采樣的多通道交流采樣思想。平時(shí)，C8051F020就是按照這個(gè)流程對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)運(yùn)算、處理，準(zhǔn)確、快速的將轉(zhuǎn)換結(jié)果予以顯示，并檢測(cè)微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀發(fā)出的模擬故障，給繼電保護(hù)跳閘機(jī)構(gòu)發(fā)出跳閘命令。

由于遞推的傅氏算法具有計(jì)算精度高，運(yùn)算速度快，本身具有較強(qiáng)的濾波作用[5]，因此在程序設(shè)計(jì)中對(duì)輸入的電壓、電流信號(hào)采用遞推的傅氏算法。要注意的是對(duì)第一個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)運(yùn)算要運(yùn)用全波傅氏算法，一個(gè)周期之后才可用遞推的傅氏算法。取采樣頻率為 600Hz，間隔即每周期采樣點(diǎn)數(shù)為12。遞推的傅氏算法如式（1）、式（2）所示。式中 a1（m）、 b1（ m）分別為基波分量在一個(gè)周期后t = m Ts(m ＞ 1 2)采樣時(shí)刻計(jì)算的正余弦項(xiàng)的幅值；x（ m）為 t = m TS時(shí)刻的采樣值。

圖3 程序流程圖

因此可根據(jù) a1( m)、b1( m)求出基波的有效值和相角，如式（3）、式（4）所示。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性，利用廣州昂立公司生產(chǎn)的4630G型微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。電壓、電流信號(hào)由測(cè)試儀產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換結(jié)果如表1所示。測(cè)得電流速斷動(dòng)作時(shí)間如表2所示。結(jié)果表明所測(cè)三相電壓、電流、同相電壓電流相位差以及電流速斷動(dòng)作時(shí)間均能滿(mǎn)足低壓配電網(wǎng)絡(luò)微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)際要求。

表1 轉(zhuǎn)換結(jié)果

表2 電流速斷動(dòng)作時(shí)間

5 結(jié)論

本文提出的基于C8051F020多通道交流采樣電路設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用內(nèi)嵌 MCU的高性能、多通道 12位數(shù)據(jù)采集芯片C8051F020為控制核心，以順序采樣來(lái)近似實(shí)現(xiàn)同步采樣，使電路的組成大為簡(jiǎn)化，縮小了電路板的尺寸，節(jié)約成本，提高了可靠性。

2）采集到的數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足低壓配電網(wǎng)絡(luò)微機(jī)繼電保護(hù)以及電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3）通過(guò)修改軟件可以進(jìn)行適當(dāng)硬件擴(kuò)展以及采集其他次諧波，為提高整個(gè)數(shù)據(jù)采樣電路的性能提供保證。

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