基于LabVIEW和嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

楊 輝，張 凱，張文博，肖 曦

(1.西安電子工程研究所，陜西西安 721200；2.清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的大功率電子產(chǎn)品進入了千家萬戶的生活，顯著改善了人們的生活質(zhì)量，然而大功率電子產(chǎn)品以及其他不對稱沖擊性、非線性負荷容量的不斷增長，使得電網(wǎng)中發(fā)生電壓波形畸變、供電頻率波動和三相不平衡等電能質(zhì)量的問題也日益突出，所以研究如何有效地對敏感負荷的電能質(zhì)量實現(xiàn)在線監(jiān)測、分析與數(shù)據(jù)保存具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。盡管采用現(xiàn)場總線技術(shù)進行電能質(zhì)量監(jiān)測已經(jīng)比較成熟，但其通信協(xié)議沒有統(tǒng)一的標準[4]。為了實現(xiàn)對工業(yè)和民用建筑變配電系統(tǒng)的有效監(jiān)測和綜合管理，有必要對通信性能穩(wěn)定、多種傳輸介質(zhì)可選的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)進行研究，并基于該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)實時監(jiān)測的兩級監(jiān)控系統(tǒng)[5-6]。

本文基于ADUC812單片機和以太網(wǎng)控制器8019AS設(shè)計了一種價格低廉、多種傳輸介質(zhì)可選的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)，然后將其用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，實時監(jiān)測電網(wǎng)的各種電能質(zhì)量參數(shù)的實時采集，上位機采用LabVIEW作為開發(fā)軟件，以曲線和虛擬面板的形式完成了電壓、電流有效值及供電頻率等電能質(zhì)量參數(shù)的實時顯示。

1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本文基于可實現(xiàn)高速遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)以太網(wǎng)設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)是一個由總控管理層和現(xiàn)場監(jiān)控層組成的兩級監(jiān)控系統(tǒng)。

總控管理層的核心是總控管理計算機，其主要任務(wù)是實現(xiàn)人機交互，負責向現(xiàn)場監(jiān)控層的各個數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送采集命令并實時地對現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)進行處理。現(xiàn)場監(jiān)控層主要由各類傳感器和微控制器組成，其主要任務(wù)是根據(jù)總控管理計算機的命令，完成對各種監(jiān)測量的數(shù)據(jù)采集和存儲，并將采集數(shù)據(jù)根據(jù)主控制計算機的要求進行上傳。當現(xiàn)場監(jiān)控層脫離總控管理計算機時，也能夠根據(jù)微控制器設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)對電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控和管理。為了實現(xiàn)對工業(yè)和民用建筑變配電不同用戶區(qū)域的電能質(zhì)量監(jiān)控，就需要增設(shè)多個現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)(圖1只畫出了一個現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng))，不同的現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)定的不同IP地址，以工業(yè)以太網(wǎng)連接至路由交換機，然后再連接至總控管理計算機實現(xiàn)對不同現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)的管理。

圖1 兩級電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

2 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計主要是完成嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場監(jiān)控層的設(shè)計。

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

以太網(wǎng)控制器RTL8019AS集成了IEEE802.3協(xié)議標準的介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的性能，支持以太網(wǎng)全雙工通信方式，支持UTP，AUI和BNC自動檢測，支持16條I/O基本地址選項和額外I/O地址輸入輸出完全解碼方式，支持跳線RT、非跳線、即插即用3種配置方式，支持存儲器瞬時讀寫，收發(fā)可同時達到10 Mbit/s的速率。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控層的設(shè)計

為了實現(xiàn)對工業(yè)和民用建筑變配電不同用戶區(qū)域的電能質(zhì)量監(jiān)控，就需要增設(shè)多個現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)，每個現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)均由微控制器ADUC812、電流(電壓)信號采集模塊、供電頻率信號采集模塊、溫、濕度信號采集模塊、斷路器控制模塊、顯示與報警模塊等組成。

2.2.1 電流(電壓)信號采集模塊的設(shè)計

由圖3可知，為了對三向交流電的電壓、電流實現(xiàn)高精度測量的同時進行強電與弱電系統(tǒng)的隔離，本文先采用電流(或電壓)互感器對三向交流電的電流(或電壓)進行了采樣，隨后又采用信號放大電路對采樣信號進行了標度變換，將其變到了能夠滿足ADUC812模擬量輸入口測量范圍以內(nèi)。最后為了濾掉系統(tǒng)的高頻干擾信號，再將模擬信號送入ADUC812模擬量輸入口，進行離散化采集之前先使信號經(jīng)過了抗混疊濾波電路進行了濾波處理。在圖3中，兩對二極管起過壓保護作用，D3、D4為電路工作狀態(tài)的顯示，C1、C2為去耦電容，C3、C6用來消除尖峰干擾，R10、R11、C5構(gòu)成低通濾波器將輸入信號中的高次諧波成分濾除，從而得到所需的信號。

圖2 工業(yè)以太網(wǎng)接口電路

2.2.2 供電頻率信號采集模塊設(shè)計

本文設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用硬件測頻的方法來實現(xiàn)各個線路供電頻率的測量。首先將輸入電壓經(jīng)變換、隔離后通過50 Hz帶通濾波器獲得平滑的正弦波信號，然后經(jīng)過零比較器產(chǎn)生一列方波信號，再將這列方波信號接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路中，利用單穩(wěn)態(tài)電路捕獲功能得到在每個方波周期內(nèi)的ADUC812單片機T1計數(shù)值M，進而求得輸入電壓的頻率。

圖3 模擬輸入信號調(diào)理電路

2.2.3 溫濕度信號采集模塊的設(shè)計

溫濕度信號采集模塊的主要功能是實時地檢測電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)場檢測設(shè)備所處的工作環(huán)境是否良好，當發(fā)現(xiàn)工作環(huán)境的溫度或濕度不能滿足系統(tǒng)的工作要求時，ADUC812就會向總控管理計算機發(fā)送溫濕度信息的同時發(fā)出告警信息。數(shù)字傳感器SHTll的溫度量程范圍為-40.0～123.8 ℃，相對濕度量程范圍為0～100%，無需外部模擬電路，可直接被微控制器訪問，其測量命令包含3個地址位和5個命令位(其中溫度測量代碼為00011，濕度測量代碼為00101)[7]。本文設(shè)計時將SHTll的串行時鐘輸入線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA分別接到單片機的P0.2、P0.3引腳，其中，SCK用于單片機控制器與SHTll之間的通信同步，DATA用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入。單片機發(fā)布一組8 bit測量命令后，DATA在第8個SCK時鐘的下降沿被置為低電平。再發(fā)送第9個SCK時鐘作為命令確認，DATA在其下降沿之后，恢復為高電平，同時，單片機可以暫時停止發(fā)送時鐘序列以進入空閑模式，準備讀取測量數(shù)據(jù)。圖4為溫濕度信號采集模塊涉及的ADUC812外圍電路圖，在圖4中，按鍵SK1、SK2、SK3用于向ADUC812下載程序時使用。

圖4 ADUC812及其外圍配置電路

3 電能質(zhì)量的監(jiān)測評定

3.1 電壓、電流有效值的計算

設(shè)計中對電壓、電流波形信號進行離散化采樣，且是等間隔采樣，得到離散化序列{uk},{ik}后，則各參數(shù)有效值的計算公式為：

(1)

(2)

式中：N為一個周期的采樣點數(shù)；uk為第k個時間間隔的電壓采樣瞬時值；ik為第k個時間間隔的電流采樣瞬時值。

3.2 三相電壓不平衡度的測量

三相電壓不平衡度是指電力系統(tǒng)三相不平衡的程度。本文通過式(3)來計算三相不平衡度：

(3)

式中uAB、uBC、uCA為三相線電壓。

3.3 頻率偏差的評定

系統(tǒng)頻率為50 Hz。系統(tǒng)負荷功率總需求與系統(tǒng)電源的總供給相平衡時，才能維持所有發(fā)電機組頻率恒定。為了精確求得輸入電壓的頻率，需要多次測量取平均值。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的上位管理計算機監(jiān)控軟件采用LabVIEW進行開發(fā)，以圖表、曲線和虛擬面板的形式完成監(jiān)控所需的所有功能?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集各模塊的功能采用C語言來編程實現(xiàn)。整個電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟件工作流程如圖5所示。采用LabVIEW編寫的上位機總控軟件操作界面如圖6所示。

5 系統(tǒng)測試

由于M133C型功率校正器能夠輸出三相220 V/10 A/50 Hz的正弦波，其誤差范圍以百萬分之一為單位，因此，完全可以將其生成的信號源作為真實值接入本文設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進行測試，以此來驗證本文電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的功能和測試誤差。由于篇幅限制，本次實驗對顯示的各參數(shù)只采集了5 min數(shù)據(jù)，取平均值后的結(jié)果如表1所示。

圖5 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

圖6 上位機總控軟件界面

表1 采用本文系統(tǒng)的實驗結(jié)果

由表1可知，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)對電壓進行測量，其誤差絕對值不會超過0.10 V，電流有效值誤差絕對值不大于0.05 A，供電頻率有效值誤差絕對值不大于0.10 Hz，因此，可以說本文研制的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的測量精度，測量誤差及測量范圍皆符合我國標準。

6 結(jié)束語

本文基于ADUC812單片機和以太網(wǎng)控制器8019AS設(shè)計了一種能實時進行數(shù)據(jù)采集的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)，然后將其用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，實時監(jiān)測電網(wǎng)的各種電能質(zhì)量參數(shù)，上位機監(jiān)控軟件采用圖形化編程軟件LabVIEW語言作為開發(fā)工具，以動畫、圖表、曲線和虛擬面板的形式完成監(jiān)測所需的所有功能，該系統(tǒng)不但有功能易于拓展、組態(tài)靈活的特點，而且具有很高的性價比，可很好地滿足現(xiàn)代工業(yè)和民用建筑的電能質(zhì)量監(jiān)測需要。