涂雪芹
（重庆电力高等专科学校 电力系，重庆 400053）
摘 要：本文介绍了电力系统交流电参量检测系统设计方法.采用同步采样法，将电流信号经互感器和I/V转换电路转换成电压信号.二者经互感器取样，一路送4046构成的锁相倍频电路产生32倍频采样控制信号，另一路送A/D转换器完成电压、电流信号的A/D转换.采集的电压、电流数据经由单片机进行电参量算法处理，结果送显示电路实时显示.该设计可实现同时对一路工频交流电的功率值、电压有效值、电流有效值等参数的测量.
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关键词 ：P89V51单片机；锁相倍频；电参量
中图分类号：TM93文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0031-03
引言
随着我国电力事业的快速发展，经常会发生电网供电时由于电压过高或过低，从而引起电气设备被损坏的现象[1].近些年来，单片机在监测电力参数测量中得到了广泛应用[2].监测过程主要对电网信号进行数据采集，然后运用各种计算方法实现电参数的监测与分析[3,4].电力系统交流电参量检测系统不但可以对电网中的电压、电流实现准确的检测，而且可以对电网中的有功功率、无功功率和功率因数等相关电参量实现准确的检测.该设计正是基于单片机对电网中的交流电参量进行实时检测，系统主要由互感放大电路、锁相倍频电路、AD转换电路、控制电路、显示电路组成.互感器准确采集数据并传给单片机由其处理，完成电力系统交流电参量检测，并送显示电路实时显示.
1 系统基本组成
根据系统要实现的功能，设计采用交流同步采样技术对电压、电流采样，其硬件主要由电压与电流采样电路、A/D转换电路、锁相倍频电路、控制电路、显示电路组成，其系统基本组成如图1所示.
系统由两个互感器分别对电流、电压做相应互感，然后由放大电路对信号放大，再通过选通开关4051和采样保持器LF398保持送给AD574，完成A/D转换，在软件的设计中先采样电流，再采样电压，采样数据由单片机读取并保存.当电流、电压值都采样并保存好后，单片机不再接收数据.这时的单片机的工作是根据功能按键的不同来处理数据，并将结果送7279显示，设计中数据采样采用同步采样方式实现，其同步采样信号是电压信号经过变换电路将交流信号变换为方波，方波经锁相倍频电路倍频32倍，产生同步采样信号控制AD574的采样，实现每周期32点的采样.
2 硬件设计
2.1 控制电路
P89V51单片机作为本次系统设计的核心，其最小系统设计电路如图2所示.在复位电路中，当S1键按下，单片机信号清零，即原采样数据被清除，系统重新进行采样计算.
2.2 电流采样放大电路
HGI-01精密电流互感器是采用先进技术制造的小型仪用互感器，其特点是体积小，精密度高，特别适用于电力测量上的电量变送、交流采样微机变送器、微机保护装置.从负载能力分电阻直接取样和运放放大两种形式，本设计采用运放放大形式.为了能提高小信号的测量精度，采用可编程放大器设计，通过改变电流转换为电压的电阻大小，实现对不同信号大小的量程转换，电阻的切换由4052完成，如图3所示.
图中，4052的1脚是1倍放大，5脚是10倍放大，2脚是100倍放大，4脚是1000倍放大.由于芯片的工作电压为5V，故输出最大为5V.
2.3 电压采样放大电路
设计采用HGV-01精密电压互感器，这是一种小型仪用互感器，其特点是体积小，精密度高，特别适用于电力测量上的电量变送、交流采样微机变送器.由于芯片的工作电压是5V，所以220V的交流电压必须转换为5V的交流电压.这里采用的是HGV-01型卧式交流电压互感器，并将电压通过4052选择性的放大，其中12脚是1倍，14脚是10 倍，15脚是100倍，11脚是1000倍.具体放大情况由检测到的工频交流电压大小来进行调节，以便获得最佳精确值，电路如图4所示.图中，当放大位为1时，对应的输入输出电压有效值为5V，由于采用电流型电压互感器，输入的额定值为1mA，考虑到输入电压波动10%，故输入电压为240V.
2.4 波形变换电路
为避免过零点毛刺的影响，提高系统的抗干扰能力，波形变换电路采用了滞回比较器电路，电路如图5所示.
图中，R13为稳压二极管的限流电阻，稳压管采用2个5.6V构成双向稳压，其稳压值约±5.6V，为R14，R15决定滞回比较器的电压阀值，其：V+=5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈0.163V，V-=-5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈-0.163V.输出的±5.6V的脉冲经D2单相整形后变为5V左右的正脉冲，给锁相倍频电路提供同步信号，且电平匹配.
2.5 同步锁相倍频电路
由于电压存在波动，用时间设定采样周期会产生误差，对于高精度的测量仪器，设计时应尽量减少误差，所以系统采用了锁相环电路，把一个周期分为32段，而得到32个采样点，这样就大大减少了误差，提高了精度，锁相环电路的设计中，采用的是专门的芯片4046和4060，这两片芯片可以有效地将采样的矩形信号进行倍频.
CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，外接C9和R17作为充放电元件，由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波.CD4046的最高频率约为1.2MHz，可以和AD574的转换频率25us相匹配.由于一个周期采样32个点，故选择了容易实现32倍频的CD4060计数器.CD4060是由一振荡器和14级二进制串行计数位组成.振荡器的结构可以是RC或晶振电路.reset为高电平时，计数器清零且振荡器停止工作.所有的计数器均为主-从触发器，在/clock的下降沿，计数器以二进制进行计数.在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制.根据设计要求，设计的锁相倍频电路如图6所示.
图中，从14输入一个周期的方波，4046的4脚测出有32倍频的方波输出.这样就得到同步采样一周期的32个采样信号.这样就将方波经由锁相倍频电路放大32倍作为AD574的启动、读信号和单片机的INT0的响应数字信号.这部分的实现是本设计得以实现同步采样的关键所在.
2.6 A/D转换电路
本设计要求采样数据分辨率≤1/255，尽管8位逐次比较型A/D转换器可以满足采样数据分辨率≤1/255，但不容易实现设计中所要的同步采样，故设计采用12位逐次比较型A/D转换器AD574，它的转换精度和采样转换时间以及所具有的启动采样控制端可以满足设计所需的各项指标.
设计中将采样电流、电压的模拟量转换为数字量，其采样和读取由同步信号控制，转换完成后同步信号置单片机中断，由单片机读取数据并做相应的处理，所以设计时采用了AD574A，它是一种高速12位逐次比较型A/D转换器，内置有双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D转换器.基本电路如图7所示.图中，R8和R9都取100Ω，是AD574A的校零滑动变阻器，可以对AD574A进行校零，以提高最后的测量精度.
3 软件设计
设计中主要利用C-51语言来编写程序，完成软件的控制、采样、显示、各电参量计算分析等功能.主程序是整个系统软件的运行主体，各个子系统软件都必须经过它的调度，才能运行得当.根据设计的功能要求，主程序对系统进行初始化，初始化具体参数如下：
（1）内存工作单元初始化：
标志位初始化：BZ_0=0;电流显示标志位，BZ_1=0;有功功率显示标志位
BZ_2=0;无功功率显示标志位，BZ_3=0;功率因数显示标志位
读数标记初始化：wancheng=0x00，j=0x00；
（2）控制位初始化，本设计通过P1.4控制模拟开关，初始化设为P1_4=0；通过P1.7控制AD574A转换，P1.7初始化为0，设置AD574为12位转换.
（3）初始化外部中断INT0，设置为下降沿触发；
（4）显示初始化，系统启动时显示初始化为Hell0字样.
初始化后，启动AD，当中断来时，读A/D转换数据，单片机采集到数据后，调用滤波、电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数以及无功功率子程序计算出各个电参数值并通过显示电路显示，最后调用键扫程序，实现电参量的切换显示.系统通过将采样数据放大传送到A/D，进行变换后送入单片机计算，同时显示，软件设计将实现数据的传送、计算、显示，其主程序流程如图8所示.
4 结束语
完成了电力系统交流电参量检测系统的软硬件设计，用单片机与电子技术设计出了一个电力系统交流电参量交流同步采样电路，并将采样数据传送给以P89V51为主的单片机控制系统进行计算.设计的系统具有便捷的键盘、显示接口.能对交流电参量进行实时测量，可以对电压有效值、电流有效值等电参数进行实时测量.经测试该系统稳定、显示直观，性能稳定，测量精度较高，具有一定的实用价值.
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参考文献：
〔1〕廖建庆.便携式电网在线检测仪设计[J].电力系统保护与控制,2010(19):199-202.
〔2〕张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京：国防工业出版社,2004.
〔3〕周晖,付娅,韩盟,等.基于粒子群算法的含大规模风电互联系统的负荷频率控制[J].电力系统保护与控制,2014,42(10):1-7.
〔4〕廖建庆.发电机定子绕组局部放电超声波检测数据采集系统设计[J].宁德师范学院学报（自然科学版）,2014,26(1):42-45.