配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

[摘 要]本文針對(duì)0.4kV配電網(wǎng)，分析了電流、電壓有效值，電網(wǎng)頻率，諧波檢測(cè)，電壓波動(dòng)檢測(cè)，電壓三相不平衡度檢測(cè)等電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測(cè)原理和方法，采用基于電流的PQ算法的諧波電流檢測(cè)方法，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。開發(fā)了基于MSP430F1611單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)模塊nRF905和PC機(jī)組成的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件部分設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]MSP430F1611 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè) 諧波電流檢測(cè) 配電網(wǎng)

本設(shè)計(jì)的硬件方案框圖見(jiàn)下圖

MAX155是由美國(guó)MAXIM公司推出的，具有8個(gè)模擬輸入通道，并且每個(gè)通道擁有自己的保持/跟蹤電路，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤、采樣同時(shí)進(jìn)行，有利于減小各通道之間通信時(shí)間的差異，具有多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的屬性。各個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間相同，都為3.6μs，在運(yùn)行后結(jié)果自動(dòng)保存在RAM中。在單獨(dú)一個(gè)+5V電源供電時(shí)，其可工作于單端或差分、單極或雙極性等形式的轉(zhuǎn)換電路中。如果需要更寬的范圍，芯片必須由±5V供電。具有2.5V的電源關(guān)斷功能和內(nèi)部參考電壓是MAX155的另一個(gè)特性，如此恰好構(gòu)成一個(gè)完善的系統(tǒng)。

電流、電壓變換電路主要實(shí)現(xiàn)的功能是弱電信號(hào)與強(qiáng)電信號(hào)之間的變換和隔離，主要包括的電路有：電流、電壓信號(hào)放大電路、濾波電路、互感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等。

而在采集過(guò)程中，之所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮小處理，是因?yàn)殡妷?、電流的屬性和范圍與MAX155不相符。所以，要采用兩種互感器，分別為SCT254AK電流互感和SPT204A電壓互感器。下面對(duì)其分別介紹：

SCT254AK電流互感器，根據(jù)其精密程度規(guī)定，額定輸入電流為5A，輸出額定電流為2.5mA。如果需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)時(shí)，應(yīng)用電路如圖2所示。下面簡(jiǎn)單介紹一下各個(gè)器件的作用。電容C2是用來(lái)防振和濾波，其大小一般為400 pF至1000pF?？烧{(diào)電阻r′及電容C1是用來(lái)補(bǔ)償相移的。而輸出電壓是通過(guò)調(diào)整電阻R和r的值所得到。兩個(gè)二極管是運(yùn)算放大器的作用，C3的數(shù)值一般不大于400pF，有抗干擾的作用。而運(yùn)算放大器推薦使用較好系列的，因?yàn)樾阅芎玫?，在工作時(shí)能提高測(cè)量的精確度以及良好的穩(wěn)定性。電源的大小根據(jù)情況而定，一般是+12V或+15V。

SPT204A電壓互感器，根據(jù)其精密程度規(guī)定，輸出、輸入而定電流都是2mA。如需要把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)時(shí)，建議使用電路如圖3所示。下面簡(jiǎn)單介紹一下各個(gè)器件的工作原理。電容C2是用來(lái)防振和濾波，其大小一般為400至1000pF，其各個(gè)器件的功能同電流互感器SCT254AK的作用十分相似，唯一有區(qū)別的就是在輸入口，有個(gè)R′，作用是限制電流的，且不管輸入的電壓多大，只要適當(dāng)?shù)倪x擇R′，就可以保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

鍵盤是單片機(jī)的重要組成部分，輸入、查詢等方面都要用到它。同時(shí)鍵盤是人工干預(yù)系統(tǒng)的主要方式，也是最為直接、方便的形式。我們所使用的鍵盤，主要分為兩類，編碼和非編碼。編碼式的使用硬件線路，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且鍵數(shù)比較多，我們使用的電腦就是使用的這種方式。非編碼式只有按鍵的開和關(guān)，剩下的部分由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以一般應(yīng)用在單片機(jī)領(lǐng)域中。

本設(shè)計(jì)采用了行列式鍵盤，根據(jù)應(yīng)用的需要，采用了程序掃描的工作方式。為了能夠可靠地完成按鍵處理任務(wù)，就應(yīng)考慮到按鍵抖動(dòng)問(wèn)題。抖動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)的干擾，能夠?qū)е孪到y(tǒng)無(wú)法識(shí)別，從而引起錯(cuò)誤指令。有2種方法可以解決抖動(dòng)問(wèn)題，一種是采用專門的鍵盤/顯示器接口芯片，另一種是采用軟件延時(shí)法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，這種方法是可行的。

串行接口電路采用MAX232芯片

MAX232芯片為了能夠在5V電源的環(huán)境下工作，需在內(nèi)部裝設(shè)電壓發(fā)生器，而且是電容性的。MAX232接收器之所以能夠接收±30V的輸入，是因?yàn)樗鼡碛?.3V的典型門電路限制。

設(shè)計(jì)電路的抗干擾電路時(shí)，要將其一分為二：數(shù)據(jù)采集部分及無(wú)線射頻部分。因?yàn)樯漕l電路部分容易受到受到其他電路部分的干擾，為了避免這種情況，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)數(shù)據(jù)采集電路和射頻電路應(yīng)該分別制作在各自的電路板上。

對(duì)模擬信號(hào)能夠造成噪聲干擾的主要是那些時(shí)刻變化的數(shù)字信號(hào)，它們能量較大、占用的頻譜寬，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的電子器件有很大的影響，因此，需要加裝去耦電容。安裝的位置一般是跨接在地和電源之間。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該簡(jiǎn)單明了，緊湊清晰，這樣也會(huì)減小干擾。

射頻的工作波段是RF，無(wú)線模塊對(duì)于干擾十分敏感，比如說(shuō)附近的走線都會(huì)如電感般產(chǎn)生干擾，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到更好的效果，就應(yīng)充分的考慮到干擾對(duì)電路的影響，最好的方式就是將射頻電路單獨(dú)處理。將其他電路與它隔開一定的距離，這樣干擾程度會(huì)大大降低。

綜上所述，應(yīng)用最適宜的硬件，采用合理的軟件設(shè)計(jì)，盡最大可能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，完成此項(xiàng)目。