電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究

余洋

摘要：電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)對于人們的生產(chǎn)和生活是非常重要的，電壓、電流、用電量及功率等相關(guān)參數(shù)對整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮重要作用。文章對電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過單片機(jī)完成了系統(tǒng)的硬件控制，利用Delphi完成軟件的設(shè)計，并采用Modus傳輸協(xié)議完成硬件和軟件的通信，實現(xiàn)了電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)；單片機(jī)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2016）31-0128-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.064

1 概述

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)有了新的技術(shù)手段，近年來得到了較快的發(fā)展，國家在近年來對電網(wǎng)工程改造以后，電力的傳輸和使用得到了明顯的好轉(zhuǎn)，城市停電大大減少。但是目前電網(wǎng)的安全運行仍時有故障發(fā)生，電力系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、紋波系數(shù)等對于系統(tǒng)的穩(wěn)定都有非常重要的作用，因此需要實時對電網(wǎng)中的電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，了解電力系統(tǒng)運行的情況，預(yù)防設(shè)備出現(xiàn)故障。

2 電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)概述

電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠測量電力系統(tǒng)中的頻率、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、電能、諧波含量等相關(guān)參數(shù)。部分系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）信號采集部分：一般由硬件設(shè)施來完成，主要對電力系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集；（2）硬件控制部分：實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和采集數(shù)據(jù)的處理；（3）顯示部分：將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果通過顯示設(shè)備顯示出來。由于計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，許多設(shè)備都將計算機(jī)融入到電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中。這樣顯示的功能更加完善，因此這一類的電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)還具有兩個部分：（1）數(shù)據(jù)通信部分：將采集的數(shù)據(jù)通過協(xié)議傳輸至上位機(jī)；（2）計算機(jī)顯示程序：能夠?qū)⑾挛粰C(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后通過計算機(jī)顯示出來。

3 基于單片機(jī)的電力監(jiān)測系統(tǒng)研究

電力監(jiān)測系統(tǒng)主要基于單片機(jī)芯片的傅里葉算法實現(xiàn)，利用交流采樣的方法對電力參數(shù)實現(xiàn)在線實時測試和數(shù)據(jù)分析，分析的結(jié)果對于電能的傳輸有重要的作用，根據(jù)分析可以知道系統(tǒng)需要完成以下功能設(shè)計：（1）測定頻率、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、電能、諧波含量等相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)實時采樣和分析，需要設(shè)計完成采樣電路、處理電路、通訊電路和開關(guān)電源等有關(guān)的電路；（2）利用FFT算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，計算以后將數(shù)據(jù)通過485串口傳輸給計算機(jī)，然后在液晶屏顯示出來；（3）上位機(jī)利用編程實現(xiàn)軟件的控制界面，并利用鍵盤讓用戶進(jìn)行操作和設(shè)置，實現(xiàn)人機(jī)交互的功能；（4）能夠?qū)Τ霈F(xiàn)異常的數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)并能夠報警處理，防止電能過大造成的損害和傷害；（5）設(shè)計過程中考慮到便攜式，使得電力監(jiān)測系統(tǒng)體積較小、便于攜帶，能夠在野外方便使用。系統(tǒng)主要由工業(yè)主板、顯示屏、顯示屏控制板、電池組、電池保護(hù)板、電路控制板、檢測板及連接附件組成。檢測板主要用來對電力參數(shù)進(jìn)行檢測，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；電路控制板完成系統(tǒng)的電路和操作控制；電池保護(hù)板和電池組能夠為系統(tǒng)供電，系統(tǒng)可以在野外工作；工業(yè)主板作為計算機(jī)使用，能夠?qū)τ布O(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理；顯示屏和顯示屏控制板主要將工業(yè)主板處理的數(shù)據(jù)顯示出來。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分主要由電壓采集電路、電流采集電路、通信電路和鍵盤掃描電路等組成。其中單片機(jī)主要完成兩個作用：一是控制采樣和通信傳輸；二是在控制板中對整個系統(tǒng)的電路進(jìn)行控制和保護(hù)，并將上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。硬件電路設(shè)計圖如圖1所示：

3.1.1 電壓采集電路應(yīng)該分為三個部分：單片機(jī)控制部分、數(shù)據(jù)采集部分、驅(qū)動電路部分，這三個部分的電路相互配合使用。對于數(shù)據(jù)采集部分來說主要能夠?qū)?路交流電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時能夠測定6路交流電流，對于直流部分可以測定2路電壓和電流數(shù)據(jù)。交流電壓采樣電路采集的三相電壓信號，而交流電流采樣電路是對三相電流和補(bǔ)償電流信號進(jìn)行采集，2路直流電壓和2路直流電流的采樣電路橋式換流電路的直流側(cè)電壓信號和電流信號，電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路即電網(wǎng)電壓同步信號。如果在處理過程中逆變器的輸出數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，使得輸出的電壓和電網(wǎng)中的電壓數(shù)值大小是一致的，而且方向也是相同的，阻抗中也沒有電流出現(xiàn)，那么在實際使用中采樣電路的部分參數(shù)都是可以調(diào)節(jié)的。

3.1.2 電流采集電路需要信號放大電路、二階濾波電路、單極性轉(zhuǎn)換電路，采集電流的最佳方式使用互感器，互感器是使用了霍爾效應(yīng)來將采集電流的信息的，系統(tǒng)采用的是SCT254AZ型互感器，這種互感器屬于毫安一級的互感器，測定的電流范圍在20A以內(nèi)，輸入額定的電流為5A。由于在實際工作中互感器是單獨進(jìn)行工作的，不需要外加其他電路，在使用中只需要將互感器的輸出數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)當(dāng)中就可以，核心就是互感

線圈。

3.1.3 通信電路選用MAX485作為RS485通訊芯片，采用的是半雙工的通訊模式，將單片機(jī)的控制信號端接入到MAX485芯片就可以使用，而芯片的A端和B端是接收和發(fā)送端，需要增加一個電阻，通信協(xié)議采用的是標(biāo)準(zhǔn)Modus協(xié)議實現(xiàn)信息的傳輸。

3.1.4 鍵盤掃描電路采用10個按鍵作為人機(jī)接口，其中有效的按鍵一共有6個，主要用來設(shè)置上、下、左、右，確定和返回功能，進(jìn)而實現(xiàn)了人機(jī)交互。這6根控制線都需要接入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)接口當(dāng)中，利用查詢問答的模式來獲取鍵值信息。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計流程為用戶啟動電源開關(guān)，利用轉(zhuǎn)接電纜將監(jiān)測設(shè)備接入到電力系統(tǒng)當(dāng)中，用戶通過控制鍵盤來實現(xiàn)人機(jī)交互，有按鍵按下后監(jiān)測系統(tǒng)開始工作。監(jiān)測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一旦用戶有新的指令監(jiān)測系統(tǒng)立即停止目前的工作，并對新的指令進(jìn)行處理和分析，然后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽。同時需要把系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及時給計算機(jī)進(jìn)行處理，計算機(jī)處理以后通過顯示屏顯示出來，用戶根據(jù)數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行操作，如果計算機(jī)電源斷開以后，系統(tǒng)就會停止工作。軟件部分主要為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊對于采集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩沖（存儲），然后進(jìn)行分析計算。系統(tǒng)中單片機(jī)與A/D器件之間沒有采用硬件FIFO，而是用軟件的方法在數(shù)據(jù)區(qū)開辟了6個512字節(jié)的存儲區(qū)域來完成對采集數(shù)據(jù)的緩沖。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊。采集后的數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，計算機(jī)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。軟件使用Delphi編寫完成，需要利用MSCOMM串口控件來輔助程序的設(shè)計。數(shù)據(jù)接收到以后立即進(jìn)行處理，由于收到的數(shù)據(jù)格式是16進(jìn)制，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用modus協(xié)議進(jìn)行解析，解析以后的數(shù)據(jù)格式為浮點型，然后在軟件界面中顯示出來。

4 未來電力監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

未來的電力監(jiān)測系統(tǒng)將向著智能化的方向發(fā)展，由于目前的電力監(jiān)測系統(tǒng)依然需要工作人員不間斷的查看和實時監(jiān)測，導(dǎo)致工作量的增加。近年來移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，為電力監(jiān)測系統(tǒng)智能化的發(fā)展指明了方向。工作人員可以使用手機(jī)查看電力監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)也能夠在出現(xiàn)異常或故障的時候發(fā)送短信數(shù)據(jù)，提醒工作人員關(guān)注。

5 結(jié)語

隨著人們對用電要求的不斷增加，電力監(jiān)測系統(tǒng)將會快速發(fā)展。本文在對電力參數(shù)系統(tǒng)分析后，提出了基于單片機(jī)的電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠解決傳統(tǒng)系統(tǒng)資源少、運算能力差、實時性弱、軟件硬件通信能力不強(qiáng)、系統(tǒng)靈活度低等問題，具有更可靠、實時性更高等

優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

[1] 牟龍華，朱國鋒，朱吉然.基于智能電網(wǎng)的智能用戶 端設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，（21）.

[2] 周思林，殷旭東.基于Modbus的多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012，（11）.

[3] 蘇金州，許志紅.基于LabVIEW軟件的電磁電器測試 系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].電工電氣，2010，（3）.

[4] 劉蓓，汪沨，陳春，等.一種配電網(wǎng)故障階段式恢復(fù) 方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，（3）.

[5] 陳德桂.智能電網(wǎng)與低壓電器智能化的發(fā)展[J].低壓 電器，2010，（5）.

[6] 周珊珊，謝啟，徐惠鋼，等.基于智能電量變送器 的電力參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)， 2013，（8）.