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、硬件單元結構、軟件流程以及所采用諧波計算方法。 關鍵詞：電力系統(tǒng) 單片機 諧波分析 FFT 保證供電的連續(xù)性是提高供電質量的一個重要方面。當常用供電電源處于過壓、欠壓或斷相等不正常狀態(tài)時，應及時將其切斷，改由備用電源供電；同時，如果各交流電源的負載能力不同，在切換前應通過母聯(lián)開關調整負載，以保證重要設備和部門的安全和正常供電。目前這類操作多由于手工完成，隨著用戶對電能質量要求的提高，上述檢測和切換過程可由電壓監(jiān)控系統(tǒng)自動完成。本文介紹一種基于P80C552型單片機的電源監(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。整個系統(tǒng)由多個控制單元組成，各控制單元結構基本相同，通過RS485通信總線組成系統(tǒng)。各控制單元通過撥碼開關加以選擇后接入系統(tǒng)，也可單獨使用。系統(tǒng)通過總線實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，也中進行遠程控制；并預留了與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換端口，用戶可方便地通過菜單操作方式設定、修改參數(shù)和邏輯；同時系統(tǒng)可自檢并對自身故障進行報警。 考慮到電網(wǎng)的諧波問題，該系統(tǒng)增加了對諧波電壓的監(jiān)控功能。 1 系統(tǒng)框圖及控制單元功能 系統(tǒng)的組成框圖見圖1，包括常用電源控制單元#N、備用電源控制單元#R、應急電源控制單元#U（控制發(fā)電機）以及母聯(lián)開關控制單元#J。用戶可根據(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)測常用電源、備用電源和發(fā)電機的三相交流電是否符合質量要求，實時顯示有關的電力參數(shù)，如電壓、諧波分量等，記錄各自所監(jiān)測的電源電壓正常與否，并將所控制和監(jiān)測的電源情況匯總到#N控制單元。 #N主控單元除監(jiān)測常用電源參數(shù)外，還能通過RS485通信方式獲得其它控制單元的采樣結果，并根據(jù)這些結果和事先先設定的邏輯對其它控制單元的動作加以控制，組織不同電源間的相互切換。它可通過菜單、鍵盤互動方式實現(xiàn)整個系統(tǒng)的參數(shù)和控制邏輯設置，對系統(tǒng)通信線路狀況進行監(jiān)測，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，數(shù)據(jù)庫的內容包括詳細的時間和事件的性質（如過壓、欠壓、斷相、諧波超標等），數(shù)據(jù)可通過打印機輸出，也由RS232串行口輸出到其它設備。 #J控制單元不具有電源質量檢測功能，它只能通過通信方式接收來自#N控制單元的命令，對母聯(lián)開關進行操作，用以調整各電源負載。 #R、#U、#J控制單元對各自所監(jiān)測的電源的分析與閉合操作完全受控于#N單元。2 控制單元硬件結構 #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、動態(tài)機構（電機）控制電路、人機接口設備和本機電源控制電路幾部分構成，如圖2所示。用戶可以通過一個帶有BCD編碼功能的撥碼開關賦予各控制不同身份。#J控制單元沒有數(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、隔離和信號調理電路。 考慮到衰減部分應盡量減小頻率失真，所以沒有采用電容衰減形式，而是采用了電阻分壓電路。衰減后的交流信號通過線性光電隔離器LOC211進入信號調理電路。LOC211具有體積小、成本低、隔離效果好等優(yōu)點，在本電路中與運算放大器配合使用，既保證了1kHz以下信號基于不失真通過，又避免了外界強電干擾破壞系統(tǒng)內部電路。P80C552單片機內部帶有8路10位A/D轉換器，隔離后的模擬信號濾去了不必要的高次諧波（防止混疊效應影響對諧波的測量），經(jīng)過調理電路后轉換為0～4V之間的電壓信號，送入A/D轉換器。 數(shù)據(jù)采樣電路同時對系統(tǒng)本機電源總線上的交流電壓進行采樣，其結果作為本機電源管理依據(jù)。 2.2 人機接口設備 該部分包括鍵盤、點陣液晶顯示器和微型打印機等。 2.2.1 鍵盤和液晶顯示器 鍵盤有五個按鍵，分別表示上、下、左、右和確認，采用查詢方式掃描，與MGLS12864液晶顯示器配合實現(xiàn)分層式菜單，用戶可方便地對系統(tǒng)的各項參數(shù)（如過電壓久電壓、操作延時等）和系統(tǒng)動作的邏輯（如各電源母線開關是否自投自復、切換的優(yōu)先級等）進行設定。2.2.2 事件記錄輸出設備 事件記錄的輸出采用并行微型打印機實現(xiàn)。系統(tǒng)中還預留了一個RS232串行口（用HIN232實現(xiàn)），用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)對外的輸出。HIN232同時為液晶顯示提供負電源。 2.3 總線通信部分 RS485通信部分采用MAX485總線收發(fā)器。為避免由通信總線引入強電干擾從而損害內部電路，在單片機串行口與MAX485之間作了光電隔離。 2.4 動作機構控制電路 動作機構的控制是通過P80C552的I/O口、相關的邏輯和驅動電路控制繼電器動作來實現(xiàn)的。由于固態(tài)繼電器具有無火花、易驅動、體積小等突出優(yōu)點，帶動母線天關的電機及本機交流電源總線的控制繼電器均采用了固態(tài)繼電器。 2.5 本機電源 交流電壓正常時，各個分控單元的交流供電由為用戶正常供電被測交流電源通過本機電源總線提供，經(jīng)AC/DC轉換電路轉換為系統(tǒng)所需的12V和5V直流電壓。在不進行切換操作時，被測交流電源為后備電池充電。 后備電源采用免維護鉛酸蓄電池，平時處于浮充狀態(tài)，可用來啟動系統(tǒng)。當交流電壓合格時，由AC/DC供電，維持系統(tǒng)的正常運轉；在交流電壓異常以及切換過程中，后備電池臨時為系統(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，可實現(xiàn)被測信號、通信總線與系統(tǒng)內部電路之間的良好隔離。 3 軟件流程 考慮到系統(tǒng)時效性和靈活性的需要，整個程序采用匯編語言完成。其中，#N控制單元子程序除對常用電源電壓質量進行監(jiān)測、記錄和判斷外，還作為整個系統(tǒng)的主程序（流程圖見圖3），完成監(jiān)控系統(tǒng)的動作邏輯和通信線路檢測、參數(shù)設置、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上取消了通訊線路檢測以及組織動作邏輯的功能。#J控制單元程序還省去了信號檢測部分程序。 4 諧波分析 諧波分析的基本方法是對同步采樣結果進行離散傅立葉變換分析。為了減小泄露效應引入的誤差。本系統(tǒng)對同步采樣結果進行了插值預處理。根據(jù)單片機主頻及實際需要，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fs為采樣頻率,fh為待采樣信號的最高頻率，當滿足fs>2fh時，就可以根據(jù)采樣值準確復現(xiàn)波形，也就可以計算出信號的各次諧波分量。計算公式如下： 設以T為周期的電壓信號，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Am。在本系統(tǒng)中，為方便利用FFT進行計算，N的取值為32。 4.1 采樣過程中信號零點的確定 片內10位A/D的基準電壓采用了正電壓。為保證采樣信號的動態(tài)范圍，采樣信號的零點電壓應位于參考電壓UREF一半附近，但由于硬件電路很難確保證交流電壓為零時的A/D輸入為1/2UREF，故設A/D滿量程的一半為零點時的信號采樣結果是不準確的。為得到準確的零點電壓采樣值，可在設計硬件參數(shù)時，使A/D輸入電壓大致為1/2UREF，同時在系統(tǒng)初始化過程中對輸入信號為零時的A/D輸入信號采樣，采樣結果即為準確的零點值。 4.2 采樣值的預處理 實際信號不一定是嚴格的50Hz，為保證在一定頻率變化范圍內仍能采得整周期信號，需按照理想采樣間隔多采若干點（實際中采樣36點）。為得到實際信號的32點等間隔采樣值，需先算出實際信號按理想時間間隔采樣一周期的點數(shù)，然后用內插法算出實際信號一周期內均勻的32個采樣點值。 4.3 電壓諧波畸變率（THDu）的計算 利用基-2的FFT算法，可通過實際的32個采樣點求得基波和各次諧波電壓分量的均方根值Um，然后將其結果每5次取一次算術平均值作為測量的結果，進而可以算出總的（2～13次）諧波含量UH和電壓總諧波畸變率THDU。THDU為： 當然，由于精度和測量范圍的限制，這種算法不適用于負荷變化快的測量場合。 該系統(tǒng)能比較準確地測量各相電壓參數(shù)，并可根據(jù)測量結果產(chǎn)生相應的執(zhí)行動作，需要時還可以擴展為對電流和各種功率參數(shù)進行測量和計算。整個系統(tǒng)經(jīng)過運行檢驗，工作穩(wěn)定可靠。雖然系統(tǒng)本身并不作為測量儀器使用，但通過與標準儀器的測量結果進行比對，可看出其對電壓幅值和低次諧波的測量精度達到設計要求。