配電網電能質量在線監測系統研究

[摘 要]本文針對0.4kV配電網，分析了電流、電壓有效值，電網頻率，諧波檢測，電壓波動檢測，電壓三相不平衡度檢測等電能質量指標監測原理和方法，采用基于電流的PQ算法的諧波電流檢測方法，并對其進行仿真分析。開發了基于MSP430F1611單片機、無線收發模塊nRF905和PC機組成的電能質量在線監測系統，詳細介紹了其硬件部分設計。

[關鍵詞]MSP430F1611 電能質量監測 諧波電流檢測 配電網

本設計的硬件方案框圖見下圖

MAX155是由美國MAXIM公司推出的，具有8個模擬輸入通道，并且每個通道擁有自己的保持/跟蹤電路，可以實現跟蹤、采樣同時進行，有利于減小各通道之間通信時間的差異，具有多通道模數轉換的屬性。各個通道的轉換時間相同，都為3.6μs，在運行后結果自動保存在RAM中。在單獨一個+5V電源供電時，其可工作于單端或差分、單極或雙極性等形式的轉換電路中。如果需要更寬的范圍，芯片必須由±5V供電。具有2.5V的電源關斷功能和內部參考電壓是MAX155的另一個特性，如此恰好構成一個完善的系統。

電流、電壓變換電路主要實現的功能是弱電信號與強電信號之間的變換和隔離，主要包括的電路有：電流、電壓信號放大電路、濾波電路、互感器信號轉換電路等。

而在采集過程中，之所以要對信號進行縮小處理，是因為電壓、電流的屬性和范圍與MAX155不相符。所以，要采用兩種互感器，分別為SCT254AK電流互感和SPT204A電壓互感器。下面對其分別介紹：

SCT254AK電流互感器，根據其精密程度規定，額定輸入電流為5A，輸出額定電流為2.5mA。如果需要將電流信號轉換成電壓信號時，應用電路如圖2所示。下面簡單介紹一下各個器件的作用。電容C2是用來防振和濾波，其大小一般為400 pF至1000pF。可調電阻r′及電容C1是用來補償相移的。而輸出電壓是通過調整電阻R和r的值所得到。兩個二極管是運算放大器的作用，C3的數值一般不大于400pF，有抗干擾的作用。而運算放大器推薦使用較好系列的，因為性能好的，在工作時能提高測量的精確度以及良好的穩定性。電源的大小根據情況而定，一般是+12V或+15V。

SPT204A電壓互感器，根據其精密程度規定，輸出、輸入而定電流都是2mA。如需要把電壓信號轉換成電流信號時，建議使用電路如圖3所示。下面簡單介紹一下各個器件的工作原理。電容C2是用來防振和濾波，其大小一般為400至1000pF，其各個器件的功能同電流互感器SCT254AK的作用十分相似，唯一有區別的就是在輸入口，有個R′，作用是限制電流的，且不管輸入的電壓多大，只要適當的選擇R′，就可以保持在規定的范圍內。

鍵盤是單片機的重要組成部分，輸入、查詢等方面都要用到它。同時鍵盤是人工干預系統的主要方式，也是最為直接、方便的形式。我們所使用的鍵盤，主要分為兩類，編碼和非編碼。編碼式的使用硬件線路，電路結構比較復雜而且鍵數比較多，我們使用的電腦就是使用的這種方式。非編碼式只有按鍵的開和關，剩下的部分由軟件來實現，因其結構簡單，所以一般應用在單片機領域中。

本設計采用了行列式鍵盤，根據應用的需要，采用了程序掃描的工作方式。為了能夠可靠地完成按鍵處理任務，就應考慮到按鍵抖動問題。抖動時會產生電信號的干擾，能夠導致系統無法識別，從而引起錯誤指令。有2種方法可以解決抖動問題，一種是采用專門的鍵盤/顯示器接口芯片，另一種是采用軟件延時法，經過實驗證明，這種方法是可行的。

串行接口電路采用MAX232芯片

MAX232芯片為了能夠在5V電源的環境下工作，需在內部裝設電壓發生器，而且是電容性的。MAX232接收器之所以能夠接收±30V的輸入，是因為它擁有1.3V的典型門電路限制。

設計電路的抗干擾電路時，要將其一分為二：數據采集部分及無線射頻部分。因為射頻電路部分容易受到受到其他電路部分的干擾，為了避免這種情況，在設計系統時數據采集電路和射頻電路應該分別制作在各自的電路板上。

對模擬信號能夠造成噪聲干擾的主要是那些時刻變化的數字信號，它們能量較大、占用的頻譜寬，對整個系統中的電子器件有很大的影響，因此，需要加裝去耦電容。安裝的位置一般是跨接在地和電源之間。電路的設計應該簡單明了，緊湊清晰，這樣也會減小干擾。

射頻的工作波段是RF，無線模塊對于干擾十分敏感，比如說附近的走線都會如電感般產生干擾，所以在設計時，為了得到更好的效果，就應充分的考慮到干擾對電路的影響，最好的方式就是將射頻電路單獨處理。將其他電路與它隔開一定的距離，這樣干擾程度會大大降低。

綜上所述，應用最適宜的硬件，采用合理的軟件設計，盡最大可能實現設計的要求，完成此項目。