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帶有電網(wǎng)諧波分析功能的智能多電源監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：介紹了一種速肯諧波分析功能的智能多電源監(jiān)控系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的組成、硬件單元結(jié)構(gòu)、軟件流程以及所采用諧波計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)單片機(jī)諧波分析FFT
保證供電的連續(xù)性是提高供電質(zhì)量的一個(gè)重要方面。當(dāng)常用供電電源處于過(guò)壓、欠壓或斷相等不正常狀態(tài)時(shí)，應(yīng)及時(shí)將其切斷，改由備用電源供電；同時(shí)，如果各交流電源的負(fù)載能力不同，在切換前應(yīng)通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)調(diào)整負(fù)載，以保證重要設(shè)備和部門(mén)的安全和正常供電。目前這類(lèi)操作多由于手工完成，隨著用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，上述檢測(cè)和切換過(guò)程可由電壓監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。
本文介紹一種基于P80C552型單片機(jī)的電源監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的交流電源監(jiān)控器相比較，其使用更加靈活。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成，各控制單元結(jié)構(gòu)基本相同，通過(guò)RS485通信總線(xiàn)組成系統(tǒng)。各控制單元通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)加以選擇后接入系統(tǒng)，也可單獨(dú)使用。系統(tǒng)通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，也中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；并預(yù)留了與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換端口，用戶(hù)可方便地通過(guò)菜單操作方式設(shè)定、修改參數(shù)和邏輯；同時(shí)系統(tǒng)可自檢并對(duì)自身故障進(jìn)行報(bào)警。
考慮到電網(wǎng)的諧波問(wèn)題，該系統(tǒng)增加了對(duì)諧波電壓的監(jiān)控功能。
1系統(tǒng)框圖及控制單元功能
系統(tǒng)的組成框圖見(jiàn)圖1，包括常用電源控制單元#N、備用電源控制單元#R、應(yīng)急電源控制單元#U（控制發(fā)電機(jī)）以及母聯(lián)開(kāi)關(guān)控制單元#J。用戶(hù)可根據(jù)需要靈活選用控制單元接入系統(tǒng)。
#R、#U控制單元分別監(jiān)測(cè)常用電源、備用電源和發(fā)電機(jī)的三相交流電是否符合質(zhì)量要求，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)的電力參數(shù)，如電壓、諧波分量等，記錄各自所監(jiān)測(cè)的電源電壓正常與否，并將所控制和監(jiān)測(cè)的電源情況匯總到#N控制單元。
#N主控單元除監(jiān)測(cè)常用電源參數(shù)外，還能通過(guò)RS485通信方式獲得其它控制單元的采樣結(jié)果，并根據(jù)這些結(jié)果和事先先設(shè)定的邏輯對(duì)其它控制單元的動(dòng)作加以控制，組織不同電源間的相互切換。它可通過(guò)菜單、鍵盤(pán)互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和控制邏輯設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)通信線(xiàn)路狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并具有記錄操作、參數(shù)異常等事件的功能。在該控制單元中，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容包括詳細(xì)的時(shí)間和事件的性質(zhì)（如過(guò)壓、欠壓、斷相、諧波超標(biāo)等），數(shù)據(jù)可通過(guò)打印機(jī)輸出，也由RS232串行口輸出到其它設(shè)備。
#J控制單元不具有電源質(zhì)量檢測(cè)功能，它只能通過(guò)通信方式接收來(lái)自#N控制單元的命令，對(duì)母聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，用以調(diào)整各電源負(fù)載。
#R、#U、#J控制單元對(duì)各自所監(jiān)測(cè)的電源的分析與閉合操作完全受控于#N單元。
2控制單元硬件結(jié)構(gòu)
#N、#R、#U三種控制單元的硬件組成相同，其硬件電路主要由數(shù)據(jù)采樣電路、動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)（電機(jī)）控制電路、人機(jī)接口設(shè)備和本機(jī)電源控制電路幾部分構(gòu)成，如圖2所示。用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)帶有BCD編碼功能的撥碼開(kāi)關(guān)賦予各控制不同身份。#J控制單元沒(méi)有數(shù)據(jù)采樣電路。
2.1數(shù)據(jù)采樣電路
數(shù)據(jù)采樣電路包括交流衰減、隔離和信號(hào)調(diào)理電路。
考慮到衰減部分應(yīng)盡量減小頻率失真，所以沒(méi)有采用電容衰減形式，而是采用了電阻分壓電路。衰減后的交流信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性光電隔離器LOC211進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。LOC211具有體積小、成本低、隔離效果好等優(yōu)點(diǎn)，在本電路中與運(yùn)算放大器配合使用，既保證了1kHz以下信號(hào)基于不失真通過(guò)，又避免了外界強(qiáng)電干擾破壞系統(tǒng)內(nèi)部電路。P80C552單片機(jī)內(nèi)部帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，隔離后的模擬信號(hào)濾去了不必要的高次諧波（防止混疊效應(yīng)影響對(duì)諧波的測(cè)量），經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為0～4V之間的電壓信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換器。
數(shù)據(jù)采樣電路同時(shí)對(duì)系統(tǒng)本機(jī)電源總線(xiàn)上的交流電壓進(jìn)行采樣，其結(jié)果作為本機(jī)電源管理依據(jù)。
2.2人機(jī)接口設(shè)備
該部分包括鍵盤(pán)、點(diǎn)陣液晶顯示器和微型打印機(jī)等。
2.2.1鍵盤(pán)和液晶顯示器
鍵盤(pán)有五個(gè)按鍵，分別表示上、下、左、右和確認(rèn)，采用查詢(xún)方式掃描，與MGLS12864液晶顯示器配合實(shí)現(xiàn)分層式菜單，用戶(hù)可方便地對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)（如過(guò)電壓久電壓、操作延時(shí)等）和系統(tǒng)動(dòng)作的邏輯（如各電源母線(xiàn)開(kāi)關(guān)是否自投自復(fù)、切換的優(yōu)先級(jí)等）進(jìn)行設(shè)定。
2.2.2事件記錄輸出設(shè)備
事件記錄的輸出采用并行微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中還預(yù)留了一個(gè)RS232串行口（用HIN232實(shí)現(xiàn)），用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)外的輸出。HIN232同時(shí)為液晶顯示提供負(fù)電源。
2.3總線(xiàn)通信部分
RS485通信部分采用MAX485總線(xiàn)收發(fā)器。為避免由通信總線(xiàn)引入強(qiáng)電干擾從而損害內(nèi)部電路，在單片機(jī)串行口與MAX485之間作了光電隔離。
2.4動(dòng)作機(jī)構(gòu)控制電路
動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制是通過(guò)P80C552的I/O口、相關(guān)的邏輯和驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于固態(tài)繼電器具有無(wú)火花、易驅(qū)動(dòng)、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，帶動(dòng)母線(xiàn)天關(guān)的電機(jī)及本機(jī)交流電源總線(xiàn)的控制繼電器均采用了固態(tài)繼電器。
2.5本機(jī)電源
交流電壓正常時(shí)，各個(gè)分控單元的交流供電由為用戶(hù)正常供電被測(cè)交流電源通過(guò)本機(jī)電源總線(xiàn)提供，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的12V和5V直流電壓。在不進(jìn)行切換操作時(shí)，被測(cè)交流電源為后備電池充電。
后備電源采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，平時(shí)處于浮充狀態(tài)，可用來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)交流電壓合格時(shí)，由AC/DC供電，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在交流電壓異常以及切換過(guò)程中，后備電池臨時(shí)為系統(tǒng)供電，直至新的合格交流電源接入。
光電隔離器以外的放大器和RS485通信芯片的電源采用了DC-DC隔離電源與光電隔離器配合使用，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)、通信總線(xiàn)與系統(tǒng)內(nèi)部電路之間的良好隔離。
3軟件流程
考慮到系統(tǒng)時(shí)效性和靈活性的需要，整個(gè)程序采用匯編語(yǔ)言完成。其中，#N控制單元子程序除對(duì)常用電源電壓質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄和判斷外，還作為整個(gè)系統(tǒng)的主程序（流程圖見(jiàn)圖3），完成監(jiān)控系統(tǒng)的動(dòng)作邏輯和通信線(xiàn)路檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、記錄打印輸出以及故障處理等。其它控制單元子程序在此基礎(chǔ)上取消了通訊線(xiàn)路檢測(cè)以及組織動(dòng)作邏輯的功能。#J控制單元程序還省去了信號(hào)檢測(cè)部分程序。
4諧波分析
諧波分析的基本方法是對(duì)同步采樣結(jié)果進(jìn)行離散傅立葉變換分析。為了減小泄露效應(yīng)引入的誤差。本系統(tǒng)對(duì)同步采樣結(jié)果進(jìn)行了插值預(yù)處理。根據(jù)單片機(jī)主頻及實(shí)際需要，該系統(tǒng)所處理的最高諧波次數(shù)為13次。
根據(jù)采樣定理，設(shè)fs為采樣頻率,fh為待采樣信號(hào)的最高頻率，當(dāng)滿(mǎn)足fs>2fh時(shí)，就可以根據(jù)采樣值準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)波形，也就可以計(jì)算出信號(hào)的各次諧波分量。計(jì)算公式如下：
設(shè)以T為周期的電壓信號(hào)，在[t0,t0+T]上等間隔采樣N次，則：
um即為m次諧波電壓的幅值A(chǔ)m。在本系統(tǒng)中，為方便利用FFT進(jìn)行計(jì)算，N的取值為32。
4.1采樣過(guò)程中信號(hào)零點(diǎn)的確定
片內(nèi)10位A/D的基準(zhǔn)電壓采用了正電壓。為保證采樣信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，采樣信號(hào)的零點(diǎn)電壓應(yīng)位于參考電壓UREF一半附近，但由于硬件電路很難確保證交流電壓為零時(shí)的A/D輸入為1/2UREF，故設(shè)A/D滿(mǎn)量程的一半為零點(diǎn)時(shí)的信號(hào)采樣結(jié)果是不準(zhǔn)確的。為得到準(zhǔn)確的零點(diǎn)電壓采樣值，可在設(shè)計(jì)硬件參數(shù)時(shí)，使A/D輸入電壓大致為1/2UREF，同時(shí)在系統(tǒng)初始化過(guò)程中對(duì)輸入信號(hào)為零時(shí)的A/D輸入信號(hào)采樣，采樣結(jié)果即為準(zhǔn)確的零點(diǎn)值。
4.2采樣值的預(yù)處理
實(shí)際信號(hào)不一定是嚴(yán)格的50Hz，為保證在一定頻率變化范圍內(nèi)仍能采得整周期信號(hào)，需按照理想采樣間隔多采若干點(diǎn)（實(shí)際中采樣36點(diǎn)）。為得到實(shí)際信號(hào)的32點(diǎn)等間隔采樣值，需先算出實(shí)際信號(hào)按理想時(shí)間間隔采樣一周期的點(diǎn)數(shù)，然后用內(nèi)插法算出實(shí)際信號(hào)一周期內(nèi)均勻的32個(gè)采樣點(diǎn)值。
4.3電壓諧波畸變率（THDu）的計(jì)算
利用基-2的FFT算法，可通過(guò)實(shí)際的32個(gè)采樣點(diǎn)求得基波和各次諧波電壓分量的均方根值Um，然后將其結(jié)果每5次取一次算術(shù)平均值作為測(cè)量的結(jié)果，進(jìn)而可以算出總的（2～13次）諧波含量UH和電壓總諧波畸變率THDU。THDU為：
當(dāng)然，由于精度和測(cè)量范圍的限制，這種算法不適用于負(fù)荷變化快的測(cè)量場(chǎng)合。
該系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地測(cè)量各相電壓參數(shù)，并可根據(jù)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，需要時(shí)還可以擴(kuò)展為對(duì)電流和各種功率參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行檢驗(yàn)，工作穩(wěn)定可靠。雖然系統(tǒng)本身并不作為測(cè)量?jī)x器使用，但通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可看出其對(duì)電壓幅值和低次諧波的測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
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