【正文】 分的利用一些計(jì)算機(jī)算法本身具有的濾波功能，省略實(shí)際的濾波電路，而且計(jì)算機(jī)算法本身又具有計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。 基于交流采樣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越多的采用交流采樣技術(shù)進(jìn)行電參量的測(cè)量。電力系統(tǒng)交流電量采集是指把電力系統(tǒng)的交流電壓及電流等經(jīng)過(guò)變換、濾波、 S/H 及 A/D 轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)該交流電量的離散化數(shù)據(jù)序列，并存放到存儲(chǔ)器中的過(guò)程。交流電量的同步采集是指在電力系統(tǒng)的不同采樣點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始采樣，使不同采樣點(diǎn)的采樣結(jié)果在時(shí)間上具有同步性。電力系統(tǒng)隨著自身的發(fā)展變得越來(lái)越復(fù)雜，電力系統(tǒng)的各種監(jiān)測(cè)與保護(hù)裝置都要用到交流電量采集這個(gè)環(huán)節(jié)，并且在諸多場(chǎng)合都要求交流電量的同步采集，這對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、故障判斷和系統(tǒng)穩(wěn)定的分析與控制等都具有重要意義 [1]。 本設(shè)計(jì)的任務(wù) 設(shè)計(jì)出能夠測(cè)量三相低壓電電壓、頻率、相序參數(shù)的電路 ； 電壓范圍： 100～ 500V。頻率范圍： 0～ 75Hz； 該電路帶有以太網(wǎng)接口用于測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸 。 帶有相應(yīng)的顯示電路 。 論文章節(jié)安排 本論文分為 六 部分。第一章緒 言， 分為三部分，第一部分主要介紹 選題背景 ；西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二部分對(duì) 交流電數(shù)據(jù)的采集發(fā)展 進(jìn)行說(shuō)明；第三部分對(duì)該論文的安排做整體介紹。 第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為三部分。第一部分對(duì) 三相電進(jìn)行介紹，第二部分介紹二極管的嵌位 電路，第三部分對(duì) 過(guò)零檢測(cè)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹 。 第三章 是次論文的主要部分，也 分為 三大 部分講述了關(guān)于本系統(tǒng) 的詳細(xì) 設(shè)計(jì) 。第一部分介紹了三相電 電壓，頻率和相序 的 測(cè)量理論。第二部分介紹系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案和器件的選取。 第三部分對(duì) 硬件 電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 分小模塊進(jìn)行講述，細(xì)分電路，并對(duì) CP200 的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 第四章 是模塊電路的仿真，驗(yàn)證電路的正確性，以便本設(shè)計(jì)能夠順利的實(shí)現(xiàn)。 第五章簡(jiǎn)單地介紹軟件部分的設(shè)計(jì)，由于具體的設(shè)計(jì)是由我的搭檔戚偉同學(xué)完成，在他的論文中有詳細(xì)的論述，所以在此只著簡(jiǎn)單的說(shuō)明。主要考慮的是設(shè)計(jì)流程圖。 第 六 章從總結(jié)與展望兩部分進(jìn)行描寫。第一部分對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總結(jié)，第二部分對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的展望。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 硬件設(shè)計(jì)理論分析 本章主要介紹該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所用到的知識(shí)理論，電路結(jié)構(gòu)，電路分析，電路選擇等方面的知識(shí)。 三相電的基本知識(shí) 三相交流電是電能的一種輸送形式，簡(jiǎn)稱為三相電。三相交流電源，是由三個(gè)頻率相同、振幅相等、相位依次互差 120176。的交流電勢(shì)組成的電源。三相交流電的用途很多，工業(yè)中大部分的交流用電設(shè)備，例如電動(dòng)機(jī)，都采用三相交流電，也就是經(jīng)常提到的三相四線制。而在日常生活中，多使用單相電源，也稱為照明電。當(dāng)采用照明電供電時(shí)，使用三相電其中一相對(duì)用電設(shè)備供電，例如家用電器，而另外一根線是三相四線之中的第四根線，也就是其中的零線，該零線從三相電的中性點(diǎn)引出 [2]。 三相電源是三個(gè)頻率相同、振幅相同、相位依次相差 120176。的正弦電源。 對(duì)稱三相電源的相序： 三相電源各相經(jīng)過(guò)同一值（比如最大值）的先后順序， 正序（或稱順序） ： A→ B→ C→ A 負(fù)序（或稱逆序）： A→ C→ B→ A 線電壓 (電流 )與相電壓 (電流 )的關(guān)系： 名詞介紹： ① 端線 (火線 )：始端 A, B, C 三端引出線。 ② 中線：中性點(diǎn) N 引出線， ?連接無(wú)中線 。 ③ 相電壓：每相電源的電壓， CBA , ??? UUU 。 ④ 線電壓：端線與端線之間的電壓， CACB BA , ??? UUU 。 ⑤ 線電流：流過(guò)端線的電流， 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 1） Y 聯(lián)接 設(shè) oCCNoBBNoANA1201200????????????????UUUUUUUUU （式 ） 則有 oooNACNCAoooCNNBCBoooBNNABA15030120903120xx03031200????????????????????????????????????UUUUUUUUUUUUUUUUUU（式 ） 結(jié)論： 對(duì) Y 聯(lián)接的對(duì)稱三相電源，相電壓對(duì)稱，則線電壓也對(duì)稱 ； 線電壓相位領(lǐng)先對(duì)應(yīng)相電壓 30o；線電壓大小等于相電壓的 3 倍，即 pl UU 3? 。 所謂的 “對(duì)應(yīng) ”：對(duì)應(yīng)相電壓用線電壓的第一個(gè)下標(biāo)字母標(biāo)出。 CNCABNC BANB A?????????UUUUUU （式 ） 2） ?聯(lián)接 設(shè) oCoBoA1201200??????????UUUUUU （式 ） oCCAoBCBoABA1201200????????????????UUUUUUUUU （式 ） 線電壓等于對(duì)應(yīng)的相電壓 。 二極管嵌位電路 (1)功能：將輸入訊號(hào)的位準(zhǔn)予以上移或下移，并不改變輸入訊號(hào)的波形。 (2)基本元件：二極管 D、電容器 C 及電阻器 R（直流電池 VR）。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (3)類別：負(fù)鉗位器與正鉗位器。 (4)注意事項(xiàng) :D 均假設(shè)為理想， RC 的時(shí)間常數(shù)也足夠大，不致使輸出波形失真。任何交流訊號(hào)都可以產(chǎn)生鉗位作用 [3]。 負(fù)鉗位器： （ 1） 簡(jiǎn)單型 圖 21 簡(jiǎn)單型負(fù)嵌位電路 工作原理： Vi 正半周時(shí) , DON， C 充電至 V 值 ,Vo=0V。 Vi 負(fù)半周時(shí)， DOFF， Vo=－ 2V。 （ 2）加偏壓型 圖 22 加偏壓型負(fù)嵌位電路 工作原理 : Vi 正半周時(shí)，二極管 DON， C 被充電至 V 值（左正、右負(fù)）， Vo=+V1(a)圖或－ V1(b)圖。 Vi 負(fù)半周時(shí)，二極管 DOFF， RC 時(shí)間常數(shù)足夠大， Vo=VC+Vi（負(fù)半周） =2V。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 幾種二極管負(fù)鉗位器電路比較 : 圖 23 幾種二極管負(fù)鉗位器電路比較 正鉗位器 (1) 簡(jiǎn)單型 圖 24 簡(jiǎn)單型正嵌位電路 工作原理 Vi 負(fù)半周時(shí)， DON， C 充電至 V 值（左負(fù)、右正）， Vo=0V。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 Vi 正半周時(shí)， DOFF， Vo=VC+Vi（正半周） =2V。 (2) 加偏壓型 圖 25 加偏壓簡(jiǎn)單型正嵌位電路 判斷輸出波形的簡(jiǎn)易方法 : 由參考電壓 V1 決定輸出波形于坐標(biāo)軸上的參考點(diǎn)。 由二極管 D 的方向決定原來(lái)的波形往何方向移動(dòng)，若二極管的方向?yàn)?，則波形必須向上移動(dòng)；若二極管的方向?yàn)?，則波 形必須往下移動(dòng)。 決定參考點(diǎn)與方向后，再以參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，將原來(lái)的波形畫于輸出坐標(biāo)軸上，即為我們所求。 幾種二極管正鉗位器電路比較 : 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 26 幾種二極管正嵌位電路的比較 由以 上的分析可得，該電路較為復(fù)雜，對(duì)于該系統(tǒng)而言，涉及到的三相低壓信號(hào)約為 0 到 5V，為了防止電壓信號(hào)超過(guò)此范圍，影響到 A/D 轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的工作，于是我們可以采用更為簡(jiǎn)單的電路如 圖 27 所示。 圖 27 鉗位器電路 這個(gè)電路把輸出限制在 0 到 VCC 范圍內(nèi)，當(dāng) VCC 取 5V 是剛好滿足該系統(tǒng)的要求。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 過(guò)零檢測(cè)電路 為了能夠測(cè)量三相電的相序，在此考慮用到過(guò)零檢測(cè)電路，其功能是將三相電其中的一相設(shè)為 A 相，經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測(cè)電 路處理，得到一個(gè)脈沖信號(hào)，再將這個(gè)脈沖信號(hào)送給單片機(jī)的中斷。當(dāng) 其他兩相電壓依次為零時(shí)分別為 B 相、 C 相（按照順序方式）。于是解決了相序的測(cè)量問(wèn)題。同時(shí)，也可也根據(jù)單片機(jī)中斷口收到兩個(gè)零電平的時(shí)間差來(lái)確定三相電的頻率 [4][5]。 具體怎樣將三相電變成脈沖信號(hào)， 首先來(lái)了解光耦 TLP521 器件。 TLP521 是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量?jī)x器，影印機(jī)，自動(dòng)售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等電路之間的信號(hào)傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。 東芝 TLP521－ 1，－ 2 和－ 4 組成的砷化鎵紅外發(fā)光二極管耦合到光三極管。該 TLP521－ 2 提供了兩個(gè)孤立的 光耦 8 引腳塑料封裝，而 TLP521－ 4 提供了 4個(gè)孤立的光耦中 16 引腳塑料 DIP 封裝，集電極 發(fā)射極電壓： 55V（最小值） ，經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例： 50 ％（最?。? ，隔離電壓： 2500 Vrms（最?。?。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 28 所示。 圖 28 TLP5211 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 TLP521 的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流 If 越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流 IC 越大。副邊三極管電流 IC 與原邊二極管電流 If 的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 耦正是利用 “ 原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化 ” 來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。 過(guò)零檢測(cè)電路的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)交流電壓通過(guò)零點(diǎn)時(shí)取出其脈沖。其工作過(guò)程為：當(dāng)通過(guò)正半周較高電壓時(shí)，光電管 D1， T1 導(dǎo)通 Vo 為低電平，當(dāng)正半周電壓反向接近零點(diǎn)時(shí) D1 達(dá)不到導(dǎo)通電壓的值而截止，從而使 T1 截止 Vo 為高電平 。同樣當(dāng)通過(guò)負(fù)半周較高電壓時(shí)，光電管 D2， T2 導(dǎo)通 Vo 為低電平，當(dāng)負(fù)半周電壓正向接近零點(diǎn)時(shí) D2 達(dá)不到導(dǎo)通電壓的值而截止，從而使 T2 截止 Vo 為高電平。通過(guò)這個(gè)正負(fù)交越零點(diǎn)時(shí)的正脈沖信號(hào)向單片機(jī) STC90C58AD 發(fā)出外部中斷 INT0，單片機(jī)根據(jù)該信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后控制可控硅導(dǎo)通。其電路如圖 29 所示。 圖 29 TLP5211 的過(guò)零檢測(cè)電路 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理 處 理 模 塊A / D 轉(zhuǎn) 換M C U（ 單 片 機(jī) ）顯 示以 太 網(wǎng)按 鍵三 相 電模 擬 信 號(hào)數(shù) 字 信 號(hào)實(shí) 時(shí) 顯 示待 測(cè) 信 號(hào)是 否 校 正NY 圖 31 硬件流程圖 電壓的測(cè)量 首先從單片機(jī) P1 口獲得經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的電壓采樣值的數(shù)字信號(hào)，如果取完整的 10 位結(jié)果 [6]，則按下面公式 21 計(jì)算 : 10bit A/D Conversion Result:(ADC_DATA[7:0], ADC_LOW2[1:0]) = 1024 *（ Vin/VCC） （式 21） 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 式中， Vin 為模擬輸入通道輸入電壓， VCC 為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。 相序的測(cè)量 第二章第一節(jié)已提過(guò)，相序分為正序和逆序，正序三把三相電的三相依次定義為 A→ B→ C→ A，逆序把三相電定義為 C→ B→ A→ C。這里使用的是正序這個(gè)定義。 首先選定三相電三相其中的一相為 A，經(jīng)過(guò)零檢測(cè)電路處理，得到一個(gè)脈沖信號(hào)。將此信號(hào)送給單片機(jī)的中斷 I/O 口，與其他兩相相比，其電壓依次為零的相分別為 B 相和 C 相。 頻率的測(cè)量 在相序的測(cè)量中，單片機(jī)的中斷口接收到的是已經(jīng)設(shè)定的 A 相的脈沖信號(hào)，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入中斷，用單片機(jī)的定時(shí)器和外部中斷資源，將定時(shí)器設(shè)置為一秒定時(shí)，信號(hào)接到 INT0，設(shè)置為下降沿觸發(fā)。在一秒內(nèi)計(jì)算外部中斷的次數(shù)即為所要測(cè)量的頻率。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷增大，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度的自動(dòng)化就顯得十分重要，電量的數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)，尤其是如何準(zhǔn)確、快速的采集系統(tǒng)中各元件的 模擬量（電壓、相序、頻率等），是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的一個(gè)重要因素。 對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)很重要 [3]。 三相電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)是一種專門為計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)模塊。它可兼容匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言編寫，所以具有良好的軟件和硬件平臺(tái)。其硬件