多路电网电压谐波监测仪的研制

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随着电力电子技术的快速发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的-大公害 。]，阻碍了电力电子技术的发展。因此，对电力系统谐波问题的研究已逐渐为人们重视 。电压谐波监测仪在国内外已有很多产品，但大多数使用8位8051单片机来实现，存在运算速度慢、处理数据能力受限制以及功耗高等问题，越来越难以满足目前电网监测的需要。本文设计的电网电压谐波监测仪基于C8051F020单片机，通过对三路电压信号的测量，利用快速傅里叶变换，算出谐波含量等电网参数，同时实现监测数据的统计存储、与外界通讯、人机交互等功能。由于C8051F020单片机具有丰富的外设、功耗低、运算速度快等优点，可以很好地解决传统的电压谐波监测仪设备存在的种种弊端。

1 系统构成及工作原理本仪器主要结构包括：开关电源拈 ，信号采样调理拈，实时时钟拈，实时数据存储拈，人机交互拈，通信拈和C8051F020控制器等。总体设计框图如图1。

三路被测信号经过电流型精密互感器对信号进行采集，经串联电阻转换为电压形式，然后进行信号的放大和滤波，经r.，ta/D转换器变为数字信号送给微处理器。微处理器利用FFT变换可计算出各路电压有效值及2-31次谐波含量。最后参照电网电压谐波标准进行相应处理4。该欢迎订阅欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息监测仪通过串口通信方式可与上位机或远程监控服务器进行数据传输。

竺兰信号 冀调理 二 C8051F020 拈 I-- 微控制器图1 系统的总体设计框图2 硬件设计本监测仪 的MCU选用Silicon Laboratories公司的C805lF020单片机。C805lF020单片机属于工业级单片机 ，工作温度范围为-40%～85℃，可以工作于各种工业环境 ，是-种典型的高性能单片机，拥有完全集成的混合信号系统级芯片(soc System of Chip)，具有与MCS-51完全兼容的指令 内核。内核采用流水线结构，最大速度可达25MIPS(25MHZ晶振)，比普通的51单片机陕10倍。该芯片的JTAG调试方式支持系统、全速、非插入的调试和编程，且不占用片内资源。片上集成64KB可在系统编程的FLASH、4352 B的内部RAM、64个数字I/O口、8通道12位100KSPS的可编程增益ADC、2路12位DAC、硬件实现的SPI、SMBus/I2C、两个UART串行接口、5个通用的16位定时器，EIC Vo1.20 2013 No.1 77臼经验窒逾日具有5个捕捉/1：1较拈的可编程计数器/定时器阵列、内部电压基准和看门狗定时器及VDD监视器等功能。

其各部分设计如下：1)电源管理拈为整个系统提供电源，本系统的电源为模拟电源和数字电源。系统中的模拟电路部分、光隔部分和数字电路部分别由三路相互隔离的5V直流电源进行供电，以减少各路电源之间的串扰，提高系统的抗干扰能力和系统的稳定性。供给数字电路的5V电源还经过直流电压转换芯片LM2576s-ADJ生成3.3V电压为MCu供电。

2)信号采样调理拈通过电流型精密互感器对信号进行采集，经串联-个电阻将其转换为电压形式，并使用运算放大器将输入信号的直流电平抬高I]AD采样参考电平的1/2，即1.2V左右，保证当电压产生波动时采样端的电压在O-2.4V之间。然后使用低通滤波器进行电压滤波，由于本监测仪仅仅对32次以下的谐波进行监测，所以使低通滤波器的截止频率设定在1.8KZ附近 ]。

3)通信拈主要用于数据通信，使用单片机的UART转485拈将测试仪保存的数据传递给PC机，可以在PC机的上位机软件中进行统计分析，产生相关的报表〖虑到具体的应用，本测试仪采用485总线与PC机通信，485总线具有很强的抗干扰能力，485总线的传输距离-般可以达1]1200米，若加上放大器则传输距离可以达到9600米6。

本测试仪采用485总线与PC机进行通信，具有传输距离远、传输稳定等优点。

4)实时时钟拈为系统提供精确的年、月、日信息，主机掉电时具有自动保存时钟信息功能，当系统再次上电时时间信息与网络时间同步，不需要每次上电校对时间。

5)实时数据存储拈采用ATMEL公司的E2PROM芯)-AT24C1024，通过I2C接口与微处理器通讯，用于保存当前的实时数据信息和月统计信息。

6)人机交互拈将相关数据显示在监测仪的数码管上，让用户可以直观地看到相关信息。

3 软件设计主要包括系统上电初始化、对电网电压值的采样转换、使用FFT算法计算采样值的、读取时钟芯片的实时时间、与上位机的通信协议设计以及人机交互等。程序采用拈化设计方法，将各个功能拈独立开来，方便以后的维护与系统的移植与升级。其软件主流程图如图2所示。

为了保证谐波检测在电压频率波动时也能准确测量，在进行电压检测时，还必须先对当前电压的时钟周期进行测量。本设计采用定时器2的启动和停止间的时间间隔在测定电压时钟周期。电压的周期测量采用比较器进行，将输入电压与1.2V恒定电压进行比较，在输入电压由低于1.2v上升到高于1.2V时，比较器产生中断，则两次中断之间的时间间隔即为电压周期，即为定时器2启停的时间。

将测得的电压周期除以每个周期中所需采样的点数f采样频率必须满足奈奎斯特定理)，即可得到每次采样的时间间隔，并以该时间间隔初始化AD采样定时器。在比较器再次产生中断时，开始采样操作。

置 塞 座D图2 主程序流程图采样完成后利用采样值计算电压有效值，并用FFT算法进行谐波计算。比较器中断服务程序流程图如图3。

图3 比较中断流程图4 结束语本文从实际应用出发，综合考虑各方面因素，以C8051F020单片机设计了三厢电网电压谐波监测仪，经过运行检验，稳定可靠，与标准仪器的测量结果进行比对，可发现其电压幅值和低次谐波的测量精度达到设计要求≮