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基于單片機的電力監控系統交流采樣技術的實現
摘要：系統采用8031單片機實現電力參數的交流采樣，通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數據采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有較好的精確度和穩定性。關鍵詞：單片機交流采樣頻率跟蹤電力監測
隨著電力系統的快速發展，電網容量的擴大使其結構更加復雜，實時監控、調芳的自動化顯得尤為重要；而在電力調度自動化系統中，電力參數的測量是最基本的功能。如何快速、準確地采集各種電力參數顯得尤為重要。
在實現自動化的過程中，最關鍵的環節是數據采集。根據采集信號的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經過各種變送器轉化為0～5V的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實現實時信號的采集；變送器的精度和穩定性對測量精度有很大影響；設備復雜，維護難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經高精度的CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機技術的不斷發展，交流采樣必將以其優異的性能價格比，逐步取代傳統的直流采樣方法。
本系統采用8031單片機實現電力參數的交流采樣。通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數據采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著較好的精確度和穩定性。
一、交流采樣原理
若將電壓有效值公式
離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數字量來代替一個周期內連續變化的電壓函數值，則
式中：ΔTm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為1個周期的采樣點數。
若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即ΔTm為常數ΔT，考慮到N=(T/ΔT)+1，則有
式（1）就是根據一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數計算電壓信號有效值的公式。
同理，電流有效值計算公式如下：
計算一相有功功率的公式
離散化后為
式中：im、um為同一時刻的電流、電壓采樣值。功率因數可由下式求得：
cosφ=P/UI
二、系統硬件組成
本系統的硬件部分由電源、主機、數據采集電路、鍵盤輸入電路、顯示器和打印機輸出電路共6部分組成。系統總體框圖如圖1所示。
1.主機
主機由單片機8031、地址鎖存器74LS373、外接4KB的程序存儲器2732和8KB的數據存儲器6264構成。
2.數據采集電路
系統數據采集電路如圖2所示。
由圖2可見，前向數據采集通道由傳感器、雙四選一多路開關4052、采樣保持器LF398、八選一多路開關4051、模數轉換器AD574、光隔及由電壓比較器LM339、鎖相環4046、分頻器4020構成的頻率跟蹤電路和用于控制采樣保持器的單穩觸發器4528組成。
由于采集的對象為電壓、電流等模擬量，所以必須經A/D轉換器變成數字量以后，才能送入8031進行處理。本系統選用AD574，該芯片使用逐次逼近法將-5～+5V模擬電壓轉換為數字量。轉換時間為25μs，非線性誤差小于±0.5LSB。
系統的采樣時間間隔為0.5s。采樣時，在1個信號周期內對一相電壓、電流等時間間隔準確采樣16點并把結果存入片外數據存儲器相應的存儲頁內（A相電壓：DPH=80H，A相電流：DPH=83H；C相電壓：DPH=84H，C相電流：DPH=85H）。三相全采完后，對采到的數據進行數字濾波。計算有效值后和上限、下限值進行比較，若有超標則進行聲光報警。對頻率的采樣是將交流電信號經LM339電壓比較器變成方波后送到8031的P3.2腳（外中斷0），由8031計數器0（工作在方式1計數初值為0）在方波保持高電平的時間內對8031（采用12MHz晶振）的內部時鐘進行計數。采樣期間在每一相16點電壓、電流采樣完畢后，8031讀入計數值存入相應的存儲頁（DPH=86H）內，數據處理階段將其轉換為頻率值后送8279進行顯示。
3.鍵盤和顯示器電路
采用帶字驅動和位驅動的LED顯示器進行顯示。鍵盤上共設置了8個鍵，其中：0鍵用于功能切換；1，2，3三鍵為雙功能鍵，分別用于顯示A，B，C三相電壓或電流；4鍵用于隨機打印。
4.打印機接口電路
8031直接帶一個TPμP微型打印機，用軟件能使其在規定時間自啟動并按設計格式打印指定數據。
三、軟件設計
在系統的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統的功能。系統軟件有以下模塊構成：主程序、時鐘中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序、數據采集處理子程序、顯示程序、打印程序等。主程序主要完成系統初始化，裝置自檢等任務。系統的初始化部分包括CPU各端口輸入輸出設置、中斷設置、外圍驅動、譯碼電路的初始化、數據RAM的初始化等。系統的數據采集處理子程序的功能是在定時中斷服務程序中完成的。在定時中斷服務程序中主要進行三相交流電壓、電流的采集，數字濾波、采樣數據存儲，標度變換以及報判斷與輸出等操作。打印程序由定時中斷服務程序團齡閏打印請求標志，主程序查詢到該標志時，執行打印準備和啟動程序，即將打印數據裝配成ASCII字符標準格式存入到外部RAM的打印緩沖器中。由于篇幅所限，本處不再一一介紹。
數據采集子程序：
SMP：MOVR0，#00H；相數選擇初始化
MOVR2，#80H；u1存放頁地址送R2
RET：MOVTL0，#00H
MOVTH0，#00H
SETBTR0
MOVA，R0
MOVP0，A；選中三相中的一相進入4052
MOVR7，#00H；采樣點數寄存器初始化
MOVR1，21H；當前采樣點的頁內地址指針
AD12：CLRP1.2；選通當前相的電壓信號
SH：JNB00H，SH；查詢S/H標志位
CLR00H；準備好，清標志
CLRP1.6
MOVP2，#DFH；啟動A/D轉換
AD1：JBP1.7，AD1;未完，等待
SETBP1.6；R/C置位，準備讀
LCALLDATA；讀入轉換結果存入相應頁
SETBP1.2；切換到電流信號
CLRP1.6
MOVP2，#DFH；啟動A/D轉換
AD2：JBP1.7，AD2；未轉換完，等待
INCR2；頁地址+1，到存放該相電流的頁面
SETBP1.6
LCALLDATA；讀入結果
INCR7；下一采樣點
INCR1
INCR1；采樣點存放單元地址
CJNER7，#10H，AD12；該相未完，繼續
LCALLFRQCY
INCR0；置下一相采樣標志
INCR2；下一相電壓存儲頁
MOVR1，21H；下一相存儲頁地址指針
CJNER1，#03H，RTE；三相未采完
ADD21H，#1FH；三相全采完，下次采樣各頁內地址指針
RET
另外，在電力系統的實際運行中，電網存在諧波，還會有各種瞬時干擾，如投切電容器和開關合閘、掉閘等都會產生干擾；而采用硬件濾波存在硬件電路復雜等諸多弊端，因此本系統求取電力參數采用數字濾波方法祛除干擾，用軟件代替硬件，實踐證明具有較好的濾波效果。此外，系統中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，以使系統具有良好的抗干擾性能。
結束語
本文提出的交流采樣方法解決了直流采樣硬件復雜、實時性差等問題。經實踐證明交流采樣方法能夠快速、準確地采集各種電力參數，具有一定的應用價值。
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