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帶有電網(wǎng)諧波分析功能的智能多電源監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：介紹了一種速肯諧波分析功能的智能多電源監(jiān)控系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的組成、硬件單元結(jié)構(gòu)、軟件流程以及所采用諧波計(jì)算方法。保證供電的連續(xù)性是提高供電質(zhì)量的一個(gè)重要方面。當(dāng)常用供電電源處于過壓、欠壓或斷相等不正常狀態(tài)時(shí)，應(yīng)及時(shí)將其切斷，改由備用電源供電；同時(shí)，如果各交流電源的負(fù)載能力不同，在切換前應(yīng)通過母聯(lián)開關(guān)調(diào)整負(fù)載，以保證重要設(shè)備和部門的安全和正常供電。目前這類操作多由于手工完成，隨著用戶對電能質(zhì)量要求的提高，上述檢測和切換過程可由電壓監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。
本文介紹一種基于P80C552型單片機(jī)的電源監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的交流電源監(jiān)控器相比較，其使用更加靈活。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成，各控制單元結(jié)構(gòu)基本相同，通過RS485通信總線組成系統(tǒng)。各控制單元通過撥碼開關(guān)加以選擇后接入系統(tǒng)，也可單獨(dú)使用。系統(tǒng)通過總線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，也中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；并預(yù)留了與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換端口，用戶可方便地通過菜單操作方式設(shè)定、修改參數(shù)和邏輯；同時(shí)系統(tǒng)可自檢并對自身故障進(jìn)行報(bào)警。
考慮到電網(wǎng)的諧波問題，該系統(tǒng)增加了對諧波電壓的監(jiān)控功能。
1 系統(tǒng)框圖及控制單元功能
系統(tǒng)的組成框圖見圖1，包括常用電源控制單元#N、備用電源控制單元#R、應(yīng)急電源控制單元#U（控制發(fā)電機(jī)）以及母聯(lián)開關(guān)控制單元#J。用戶可根據(jù)需要靈活選用控制單元接入系統(tǒng)。
#R、#U控制單元分別監(jiān)測常用電源、備用電源和發(fā)電機(jī)的三相交流電是否符合質(zhì)量要求，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)的電力參數(shù)，如電壓、諧波分量等，記錄各自所監(jiān)測的電源電壓正常與否，并將所控制和監(jiān)測的電源情況匯總到#N控制單元。
#N主控單元除監(jiān)測常用電源參數(shù)外，還能通過RS485通信方式獲得其它控制單元的采樣結(jié)果，并根據(jù)這些結(jié)果和事先先設(shè)定的邏輯對其它控制單元的動(dòng)作加以控制，組織不同電源間的相互切換。它可通過菜單、鍵盤互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和控制邏輯設(shè)置，對系統(tǒng)通信線路狀況進(jìn)行監(jiān)測，并具有記錄操作、參數(shù)異常等事件的功能。在該控制單元中，建立了數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括詳細(xì)的時(shí)間和事件的性質(zhì)（如過壓、欠壓、斷相、諧波超標(biāo)等），數(shù)據(jù)可通過打印機(jī)輸出，也由RS232串行口輸出到其它設(shè)備。
#J控制單元不具有電源質(zhì)量檢測功能，它只能通過通信方式接收來自#N控制單元的命令，對母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行操作，用以調(diào)整各電源負(fù)載。
#R、#U、#J控制單元對各自所監(jiān)測的電源的分析與閉合操作完全受控于#N單元。
2 控制單元硬件結(jié)構(gòu)
#N、#R、#U三種控制單元的硬件組成相同，其硬件電路主要由數(shù)據(jù)采樣電路、動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)（電機(jī)）控制電路、人機(jī)接口設(shè)備和本機(jī)電源控制電路幾部分構(gòu)成，如圖2所示。用戶可以通過一個(gè)帶有BCD編碼功能的撥碼開關(guān)賦予各控制不同身份。#J控制單元沒有數(shù)據(jù)采樣電路。
2.1 數(shù)據(jù)采樣電路
數(shù)據(jù)采樣電路包括交流衰減、隔離和信號(hào)調(diào)理電路。
考慮到衰減部分應(yīng)盡量減小頻率失真，所以沒有采用電容衰減形式，而是采用了電阻分壓電路。衰減后的交流信號(hào)通過線性光電隔離器LOC211進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。LOC211具有體積小、成本低、隔離效果好等優(yōu)點(diǎn)，在本電路中與運(yùn)算放大器配合使用，既保證了1kHz以下信號(hào)基于不失真通過，又避免了外界強(qiáng)電干擾破壞系統(tǒng)內(nèi)部電路。P80C552單片機(jī)內(nèi)部帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，隔離后的模擬信號(hào)濾去了不必要的高次諧波（防止混疊效應(yīng)影響對諧波的測量），經(jīng)過調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為0～4V之間的電壓信號(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換器。
數(shù)據(jù)采樣電路同時(shí)對系統(tǒng)本機(jī)電源總線上的交流電壓進(jìn)行采樣，其結(jié)果作為本機(jī)電源管理依據(jù)。
2.2 人機(jī)接口設(shè)備
該部分包括鍵盤、點(diǎn)陣液晶顯示器和微型打印機(jī)等。
2.2.1 鍵盤和液晶顯示器
鍵盤有五個(gè)按鍵，分別表示上、下、左、右和確認(rèn)，采用查詢方式掃描，與MGLS12864液晶顯示器配合實(shí)現(xiàn)分層式菜單，用戶可方便地對系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)（如過電壓久電壓、操作延時(shí)等）和系統(tǒng)動(dòng)作的邏輯（如各電源母線開關(guān)是否自投自復(fù)、切換的優(yōu)先級(jí)等）進(jìn)行設(shè)定。
2.2.2 事件記錄輸出設(shè)備
事件記錄的輸出采用并行微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中還預(yù)留了一個(gè)RS232串行口（用HIN232實(shí)現(xiàn)），用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對外的輸出。HIN232同時(shí)為液晶顯示提供負(fù)電源。
2.3 總線通信部分
RS485通信部分采用MAX485總線收發(fā)器。為避免由通信總線引入強(qiáng)電干擾從而損害內(nèi)部電路，在單片機(jī)串行口與MAX485之間作了光電隔離。
2.4 動(dòng)作機(jī)構(gòu)控制電路
動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制是通過P80C552的I/O口、相關(guān)的邏輯和驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。由于固態(tài)繼電器具有無火花、易驅(qū)動(dòng)、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，帶動(dòng)母線天關(guān)的電機(jī)及本機(jī)交流電源總線的控制繼電器均采用了固態(tài)繼電器。
2.5 本機(jī)電源
交流電壓正常時(shí)，各個(gè)分控單元的交流供電由為用戶正常供電被測交流電源通過本機(jī)電源總線提供，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的12V和5V直流電壓。在不進(jìn)行切換操作時(shí)，被測交流電源為后備電池充電。
后備電源采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，平時(shí)處于浮充狀態(tài)，可用來啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)交流電壓合格時(shí)，由AC/DC供電，
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