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基于单片机的电力监控系统交流采样技术的实现
摘要：系统采用8031单片机实现电力参数的交流采样，通过LED显示器显示频率、电压、电流的实时值，在过压30%、欠压30%时进行声光报警，并能定时打印电压、电流及频率值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有较好的精确度和稳定性。随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调芳的自动化显得尤为重要；而在电力调度自动化系统中，电力参数的测量是最基本的功能。如何快速、准确地采集各种电力参数显得尤为重要。
在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。根据采集信号的不同，可分直流采样和交流采样两种。直流采样，顾名思义，采样对象为直流信号。它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0～5V的直流电压，再由各种装置和仪表采集。此方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现实时信号的采集；变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；设备复杂，维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。
本系统采用8031单片机实现电力参数的交流采样。通过LED显示器显示频率、电压、电流的实时值，在过压30%、欠压30%时进行声光报警，并能定时打印电压、电流及频率值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定性。
一、交流采样原理
若将电压有效值公式
离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则
式中：ΔTm为相邻两次采样的时间间隔；um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。
若相邻两采样的时间间隔相等，即ΔTm为常数ΔT，考虑到N=(T/ΔT) 1，则有
式（1）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。
同理，电流有效值计算公式如下：
计算一相有功功率的公式
离散化后为
式中：im、um为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求得：
cosφ=P/UI
二、系统硬件组成
本系统的硬件部分由电源、主机、数据采集电路、键盘输入电路、显示器和打印机输出电路共6部分组成。系统总体框图如图1所示。
1.主机
主机由单片机8031、地址锁存器74LS373、外接4KB的程序存储器2732和8KB的数据存储器6264构成。
2.数据采集电路
系统数据采集电路如图2所示。
由图2可见，前向数据采集通道由传感器、双四选一多路开关4052、采样保持器LF398、八选一多路开关4051、模数转换器AD574、光隔及由电压比较器LM339、锁相环4046、分频器4020构成的频率跟踪电路和用于控制采样保持器的单稳触发器4528组成。
由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A/D转换器变成数字量以后，才能送入8031进行处理。本系统选用AD574，该芯片使用逐次逼近法将-5～ 5V模拟电压转换为数字量。转换时间为25μs，非线性误差小于±0.5LSB。
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