基于单片机的交流电压电流有效值测量系统

摘 要 随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压、电流、功率、频率等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。 基于此，此次设计采用单片机AT89C51实现电力监控系统的交流采样,即系统采集的是交流电压和电流，不需变送器进行交直流转换。模数转换器AD574A对三相交流电压和电流分时进行模数转换，把得到的数字量送单片机进行数据处理，然后通过LED数码管显示电压和电流，频率，功率，功率因数等的实时值。 文中论述了该系统实现电参数测量的工作原理，着重介绍了该系统的实现过程，在此基础上，详细介绍了整个系统的软件开发过程。 关键词：电力系统；交流采样；单片机；电参数测量 论文的选题背景 现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。 在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。? 1.2论文的研究意义 在微机技术发展初期，电力监控系统普遍采用经过变送器的直流采样方法，即经过变送器整流后的直流量。这种方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，因而采样周期短。由于以上特点，该方法在微机应用初期得到了广泛的应用。但经过变送器的直流采样方法存在一些问题，如测量精度直接受变送器的精度和稳定性的影响，设备复杂，监控系统造价高等。 随着科技的发展，仪器仪表的发展更新越来越进步。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。微机技术的发展，使微机系统主频提高，指令功能变强，模数转化芯片技术的提高，成本的降低，使得交流采样的运用成为可能。 ? 由于交流采样去掉变送器，按一定的规律对被测量的瞬时值进行采样，用一定的算法求得被测量，即用软件的功能代替硬件的功能，从而降低了系统造价。所以，研究运用交流采样技术实现电量的数据采集具有很大的意义。 1.3交流电量采集的现状及发展 在微型机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样技术。直流采样，即通过变送器采样经过整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题，比如:测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响;整流电路调整困难，而且受波形因素的影响较大等。此方法计算容易，计算量小，准确度较高(取决于变送器的精度)。但因变送器多，造价较高，占用体积也较大，也无法实现实时信号采集。 随着技术的发展，现阶段用于电量测量仪表中的越来越多的采用交流采样算法。交流采样技术是将被测电流、电压直接送入数据采集装置，在装置中经弱电用精密电流、电压互感器(( SA/O.OSA, 100V/SV)变成小电压(或小电流)在标准电阻上的压降，通过A/D转换和CPU计算得到电流、电压的有效值、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度等值。此方法可省去各种变送器和电度表，造价较低，准确度也很好，具有较好的实时性。交流采样技术将以往用硬件来实现的电参量计算用软件来实现。采用交流采样技术的好处有: (1)可以减少变送器等硬件设备的投入，省去了直流采样必须的交直流转换硬件单元，提高了计算速度; (2)可以充分的利用一些计算机算法本身具有的滤波功能，省略实际的滤波电路，而且计算机算法本身又具有计算精度高的优点。 基于交流采样技术的优点以及微机技术的发展，电力监控系统越来越多的采用交流采样技术进行电参量的测量。电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S/H 及 A/D 转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义。 1.4课题的主要内容 本课题研究的主要内容是MCS-51单片机在交流电量参数测量中的应用，在该课题中采用MCS-51单片机实现电力参数的交流采样。通过LED显示器显示频率、功率、功率因数、三相电压和电流的实时值。 在系统的软件设计中，采用模块化设计方法使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、键盘查询服务程序、数据采集处理子程序、显示程序等。 另外，我们还应考虑到电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此在此系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰，此外，系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。