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電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究

2016-12-22 17:05:18余洋
中國高新技術(shù)企業(yè) 2016年31期
關(guān)鍵詞:硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)

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(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jì)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(jì),并采用Modus傳輸協(xié)議完成硬件和軟件的通信,實(shí)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(jì);軟件設(shè)計(jì);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(yùn)行仍時(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,許多設(shè)備都將計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn),利用交流采樣的方法對電力參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)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(jì):(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(shí)時(shí)采樣和分析,需要設(shè)計(jì)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(jì)算,計(jì)算以后將數(shù)據(jù)通過485串口傳輸給計(jì)算機(jī),然后在液晶屏顯示出來;(3)上位機(jī)利用編程實(shí)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(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)并能夠報(bào)警處理,防止電能過大造成的損害和傷害;(5)設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)橄到y(tǒng)供電,系統(tǒng)可以在野外工作;工業(yè)主板作為計(jì)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(jì)

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(gè)作用:一是控制采樣和通信傳輸;二是在控制板中對整個(gè)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(jì)圖如圖1所示:

3.1.1 電壓采集電路應(yīng)該分為三個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)際工作中互感器是單獨(dú)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(gè)電阻,通信協(xié)議采用的是標(biāo)準(zhǔn)Modus協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

3.1.4 鍵盤掃描電路采用10個(gè)按鍵作為人機(jī)接口,其中有效的按鍵一共有6個(gè),主要用來設(shè)置上、下、左、右,確定和返回功能,進(jìn)而實(shí)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(jì)

軟件的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)需要把系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,計(jì)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)算機(jī),計(jì)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(jì)。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(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)算能力差、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性更高等

優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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