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基于單片機的電力監控系統交流采樣技術的實現
摘要：系統采用8031單片機實現電力參數的交流采樣，通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數據采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有較好的精確度和穩定性。隨著電力系統的快速發展，電網容量的擴大使其結構更加復雜，實時監控、調芳的自動化顯得尤為重要；而在電力調度自動化系統中，電力參數的測量是最基本的功能。如何快速、準確地采集各種電力參數顯得尤為重要。
在實現自動化的過程中，最關鍵的環節是數據采集。根據采集信號的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經過各種變送器轉化為0～5V的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實現實時信號的采集；變送器的精度和穩定性對測量精度有很大影響；設備復雜，維護難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經高精度的CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機技術的不斷發展，交流采樣必將以其優異的性能價格比，逐步取代傳統的直流采樣方法。
本系統采用8031單片機實現電力參數的交流采樣。通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數據采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著較好的精確度和穩定性。
一、交流采樣原理
若將電壓有效值公式
離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數字量來代替一個周期內連續變化的電壓函數值，則
式中：ΔTm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為1個周期的采樣點數。
若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即ΔTm為常數ΔT，考慮到N=(T/ΔT) 1，則有
式（1）就是根據一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數計算電壓信號有效值的公式。
同理，電流有效值計算公式如下：
計算一相有功功率的公式
離散化后為
式中：im、um為同一時刻的電流、電壓采樣值。功率因數可由下式求得：
cosφ=P/UI
二、系統硬件組成
本系統的硬件部分由電源、主機、數據采集電路、鍵盤輸入電路、顯示器和打印機輸出電路共6部分組成。系統總體框圖如圖1所示。
1.主機
主機由單片機8031、地址鎖存器74LS373、外接4KB的程序存儲器2732和8KB的數據存儲器6264構成。
2.數據采集電路
系統數據采集電路如圖2所示。
由圖2可見，前向數據采集通道由傳感器、雙四選一多路開關4052、采樣保持器LF398、八選一多路開關4051、模數轉換器AD574、光隔及由電壓比較器LM339、鎖相環4046、分頻器4020構成的頻率跟蹤電路和用于控制采樣保持器的單穩觸發器4528組成。
由于采集的對象為電壓、電流等模擬量，所以必須經A/D轉換器變成數字量以后，才能送入8031進行處理。本系統選用AD574，該芯片使用逐次逼近法將-5～ 5V模擬電壓轉換為數字量。轉換時間為25μs，非線性誤差小于±0.5LSB。
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