摘要：介绍一种基于89S52单片机为核心的电力监测仪，该监测仪通过对电网的交流电压、电流进行采样，然后经过单片机进行运算处理可以实时监测电力系统的运行参数，文章详细描述了硬件电路组成和软件的设计，实验结果表明，该监测仪表具有精度高、工作可靠、使用简单等优点。
关键词：电力监控；交流采样；单片机
基于单片机的电力监测仪具有高精度、高可靠性、高效率、实时监测的优点。由于我国在电力监测仪技术方面的研究起步较晚，因此在很多功能的实现效果方面还同发达国家之间存在差距。但是近年来，随着单片机技术的成熟，我国在电力监测仪的设计方面表现的更加积极，不断缩小与发达国家之间的差距。就目前来看，电力监测仪设计的重点集中在硬件系统的设计和软件程序的编写方面。
1.1硬件设计
根据交流电压电流和的测量原理，电力监测仪由微处理器模块、电压电流采样模块、LED显示模块、键盘模块、RS485总线接II模块和过压过流报警模块等组成，其硬件结构原理图如图1所示。
图1 电力监测仪硬件结构原理图
1.1主处理器
主处理器的选择要使片内资源能适合系统的需求，系统采用At89s52作主处理器，AT89S52是一种高性能、低功耗的8位微控制器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容具有8K的Flash存储器、AT89S52具有以h标准功能：256字节RAM，8k字节Flash，32位I/0II线，2个数据指针看门狗定时器，三个16位定时器/计数器，全双工串行口，一个6向量2级中断结构片内晶振及时钟电路。
1.2E2PROM模块
E2PROM模块用来实时记录存储相关测量数据、故障记录及设置参数等，系统采用AT24C02作为E2PROM芯片，AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IC总线接II进行操作，有一个专门的写保护功能。
1.3交流电流电压采集
A/D转换是系统设计的第一个重要的环节，木设计需要对三相电压和三相电流进行采样，共需6个通道，采用1片A/D转换芯片MAX125组成8通道同时采样、每通道采样率76KSPS、分辨率14位、输入范围士SV的模拟输入部分。来自电网的电流、电压经CT，PT变换成满足要求的模拟输入量，然后由A/D转换芯片MAX125，将模拟信号转换为数字信号。模拟输入通道实际可达到8个通道，只不过这8个通道不是完全同时采样的，而是4通道/4通道同时采样，在合理安排采样通道数的情况卜，可以满足电力系统同相电压/电流同时采样的要求。
2.电力监测仪硬件电路设计
2.1电压采集和调理电路
单片机运行需要SV或3.3V的直流电路，因此需要设计降压调频迪电路，将采集的配电网中的电压值下调。该电路复杂度低、线性程度高，主要由二极管及电阻元件构成，电阻起到分压作用，二极管连接在输出电压的两端，起到限压的作用，防止电压过大对单片机造成破坏。
在电压采集和调理电路中除了需要进行电压值的控制以外，还要对电压的正负进行过滤，进行这一步的依据是单片机只能采集到电流的正信号。因此，电路中需要增加一组由电阻和电容器并联的滤波电路，对电流频率进行过滤。此外，还设计有电压跟随电路，将强电和弱点隔离开，防止前后级别电路的影响，并保障了工作人员的安全。
2.2电路采集和调理电路
为实现全波形采样，需要设计全波形采样电路。电路中包括二极管、电阻、电容元件、电感元件、三极管。首先，电流通过电感元件将大电流转变为小电流信号，然后小电流完成电压偏置、滤波、放大操作，最后输送给微控制器进行采样。在电路中设有特殊的双二极管元件，主要作用是限幅保护，此外还有完成限流保护作用的电阻元件。
2.3通信电路
通信电路主要包括集成电路、光电藕合器、电阻元件和三极管。一般来讲，在电力监测仪中常用的通信电路为RS485，该类型的通信协议标准具有结构简单、容易操作的特点。采用总线式拓扑结构，总线同数十个节点相连，能够提高与上位机联系的质量，实现通信范围的扩展。光电藕合器是通信电路的重要组件，由光的发射、光的接收、信号的放大组成，能够很好的隔离要处理的信号，保证需要的信号中不包含多余的成分。
2.4电源电路
电源电路的主要作用是为显示器、单片机、通信模块供电，因此对整个系统的稳定运行具有十分重要的意义。本设计将以高频开关电源为依据设计电路，电路主要由整流电路、滤波电路、高频变压器、反馈电路、电压箱位电路、金氧半场效晶体管等组成。电源电路中的高频变压器和二极管承担着将交流电转化为直流电的任务，以便单片机运作。金氧半场效晶体管是电源电路的核心部分之一，本设计中该部分采用TNY274芯片，该芯片对工作条件的要求较低，同时能够满足提高金氧半场效晶体管输出功率的要求，可实现自启动、电压监测、通导时间的调整等功能。高电压经过高频开关电源后能够转换成12V的直流电源，随后直流电源通过集成芯片输出为SV能够供单片机运转的直流电，同时完成显示屏、通信模块的供电任务。
3.软件设计
软件设计的主要任务是完成对交流信号，如：电压、电流的数据采集，以及有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等的计算，并根据键盘输入的显示项目，在LED显示管相应地把结果显示出来，同时，通过RS232串行通信传送到上位机，一旦电流和电压超限时，立即发出报警声音并不断闪烁LED灯。在系统的软件设计中，整个系统的用软件用C51编写，编程开发环境采用KeiluVi-song，用结构化程序编程，可使各功能程序模块化，这些模块包括：主程序、电压电流采样程序、数据处理程序、定时器中断服务程序、键盘中断服务程序、LED显示程序、E2PROM读写程序和通信程序等。
在主程序里，首先对各种芯片进行初始化，设置各种寄存器；完成初始化工作后，打开中断，之后就进入主程序循环等，在循环过程中不断进行键盘扫描得到键值来确定在LED显示器上显示的菜单内容软件流程图如图2所示。
图2 程序主流程图
3.1交流电压电流采集
在电力监测仪设计中，最关键的环节是交流电流电压采集。交流输入包括A，B，C三相电压和电流。电流接入电流端子，一共6个电流端子，分别为IA入、IA出、IB入、IB出、IC入、IC出，分别接三相电流输入。电压接线端子一共7个端子，有3个是空端子，不允许连线，有效接线端子4个，分别为UA，UB，UC和UN；对于中性点不接地的系统，UA，UB，UC可以直接与电网的A相、B相、C相连接，UN可以浮空或者在需要绝缘监视的系统中直接接大地或者通过一个高阻值电阻接入大地，这样系统可以非常准确的计算3U0。
交流输入可以接成两表法，接线方式是电压A相接UA，C相接UC，B相接UN，电流输入仅接A相和C相。输入的交流电压信号通过小型的PT（电压互感器），变换为交流O.SV的信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样。输入的电流信号，通过导线穿入小CT（电流互感器），CT的输出接一个精密电阻，变换成电压信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样；采样好的信号存入单片机的RAM中供软件处理。在软件中，设置每个周期采样24个点，根据采样定理，可以计算出输入信号的16次谐波。对于6路输入信号，进行FFT变换，得出各次谐波的幅值和相角，并且计算零序电流和负序电流。计算的结果存入RAM中，供通信程序、保护程序等其他程序使用。
3.2A/D采集模块的设计
A/D采集模块的流程分为以下几步：1）初始化，对端口、转换器、寄存器以及各种参数数据初始化处理。a）A/D采集模块开始工作并设定定时器。定时，而后，定时器与采样器协同工作完成对电流信号的采集，在采样之前还需要使用频率跟踪信号确定采样周期。在一个采样周期完成后进行采样结果的储存、读取工作。3）根据采样数据现实的结果判断采样是否符合要求，如果采样数据满足要求那么进人FFT数据处理模块，对数据进行下一步处理；如果采样数据不满足要求需要返回重新操作。4）经过FFT数据处理模块分类后的谐波分量进人电参数计算模块，并显示存储电参数。5）定时器出发重点信号，单片机进人下一个采样周期。
A/D采集模块编写中，较为重要和复杂的定时器的设置和A/D转换程序的设计。首先，定时器程序编写中需要注意，定时器设置的周期达到后，程序将从主程序中跳出并进人中断服务程序，中断触发后，定时器的值重新回到初始状态，以便在开始进人下一周期数据采集时能够正常进行时间的计算。其次，在A/D转换程序的编写中，需要注意设置实现“退出子程序之前重新开启中断”的语句，否则程序将无法再次出现中断并退出主程序。
结论
对一种电力监测系统作初步和基木的研究该监测具有可编程能、自动化测量、数码管显示、电能累加、能监测仪表）该监测仪集智能化、数字化数字通讯等功能为一体的、网络化于一身自动完成功智数据采集程及数据分析处理，可）‘一泛应用于电站、电厂、变电所等各电力系统的输配电路及机电设备。
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论文作者:何学通
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
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