配电网电能质量在线监测系统应用研究

摘要：基于MSP430F1611单片机、无线收发模块nRF905和PC机组成的电能质量在线监测系统。
论文关键词：电能质量监测,MSP430F1611

　　在当今社会，电已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度标志着一个国家的发展水平。改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常运行以及降低能耗等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

　　本文采用NRF905和MSP430F1611为核心设计电能质量在线监测系统。应用快速傅里叶变换（FFT）实现电压电流信号的谐波分析及其它电能质量参数的处理和运算分析。

　　二、监测装置的硬件设计

　　本设计的硬件方案框图见下图

　　

　　1、MSP430F16(1)X系列单片机特点

　　[1]工作电压：1.8~3.6V，

　　[2]超低功耗，活动模式：280uA，待机模式：1.6uA，关闭模式（RAM保持）：0.1uA

　　[3]5种省电模式

　　[4]从等待模式唤醒时间：6us

　　[5]16位RISC结构，125ns指令周期

　　[6]内置三通道DMA

　　[7]12位A/D带采样保持内部参考源

　　[8]双12位D/A同步转换

　　[9]16位定时器TimerA

　　[10]16位定时器TimerB

　　[11]片内比较器A

　　[12]串行通信USRT0(UART和SPI)接口

　　[13]串行通信USRT1（UART和SPI）接口

　　[14]具有可编程电平检测的供电电压管理器、监视器

　　[15]欠电压检测器

　　[16]Bootstrap Loader

　　[17]串行在线编程，无需外部编程电压，可[18]编程的保密熔丝代码保护

　　[19]48K+256B flash 10K RAM

　　2、A/D芯片

　　MAX155是由美国MAXIM公司推出的，具有8个模拟输入通道，并且每个通道拥有自己的保持/跟踪电路，可以实现跟踪、采样同时进行，有利于减小各通道之间通信时间的差异，具有多通道模数转换的属性。各个通道的转换时间相同，都为3.6μs，在运行后结果自动保存在RAM中。在单独一个+5V电源供电时，其可工作于单端或差分、单极或双极性等形式的转换电路中。如果需要更宽的范围，芯片必须由±5V供电。具有2.5V的电源关断功能和内部参考电压是MAX155的另一个特性，如此恰好构成一个完善的系统。

　　3、电压、电流变换

　　电流、电压变换电路主要实现的功能是弱电信号与强电信号之间的变换和隔离，主要包括的电路有：电流、电压信号放大电路、滤波电路、互感器信号转换电路等。

　　而在采集过程中，之所以要对信号进行缩小处理，是因为电压、电流的属性和范围与MAX155不相符。所以，要采用两种互感器，分别为SCT254AK电流互感和SPT204A电压互感器。下面对其分别介绍：

　　SCT254AK电流互感器，根据其精密程度规定，额定输入电流为5A，输出额定电流为2.5mA。如果需要将电流信号转换成电压信号时，应用电路如图3-5所示。下面简单介绍一下各个器件的作用。电容C2是用来防振和滤波。可调电阻r′ 及电容C1是用来补偿相移的。而输出电压是通过调整电阻R和r的值所得到。两个二极管是运算放大器的作用，C3有抗干扰的作用。运算放大器使用高精度运算放大器，因为性能好，在工作时能提高测量的精确度以及良好的稳定性。

　　SPT204A电压互感器，根据其精密程度规定，输出、输入而定电流都是2mA。使用电路如图3-6所示。下面简单介绍一下各个器件的工作原理。电容C2是用来防振和滤波，其各个器件的功能同电流互感器SCT254AK的作用十分相似，唯一有区别的就是在输入口，有个R′，作用是限制电流的，且不管输入的电压多大，只要适当的选择R′，就可以保持在规定的范围内。

　　

　　图3-5 SCT254AK典型应用电路

　　

　　图3-6 SPT204A典型应用电路

　　4、无线通信模块

　　无线通信选用nRF905集成通信模块。nRF905是单片无线收发集于一体的芯片，它的工作电压为范围是1.9到3.6V，可以工作在433 MHz 、868 MHz 、915 MHz这几个频段。它具有很强的抗干扰能力。

　　5、输入输出部分

　　本设计采用了行列式键盘，根据应用的需要，采用了程序扫描的工作方式。

　　显示屏采用的是液晶（LCD）显示，根据设计需求采用的是SMG12864ZK液晶，它是128×64点阵组成的汉字图形型方式的液晶显示模块，能够提供图形和汉字，内部包涵简体中文字库、64X256的点阵式显示RAM。它能够与中央处理器进行连接，并提供信息送至微处理器。

　　MSP430和ＰＣ机串口通信电路串行接口电路采用MAX232芯片。与计算机的COM口连接，进行数据传送。

　　三、检测装置的软件设计

　　软件是一个系统中的核心部分，它的运算分析效率将直接体现整个系统的效率。所以，能否编制出优良的、高效的系统将直接影响产品的层次。系统软件包含两个部分，上位机部分和下位机部分。本设计的电能质量在线监测系统中，下位机主要为无线传输和数据采集两部分设计。

　　1、发射端软件设计

　　由MSP430单片机的需求出发，软件设计流程如图4-1，其中，其前部分需要循环才能实现，形成一个主、子的程序关系。

　　

　　2、接收端子程序

　　接收端子程序主要完成接收数据并与计算机进行通信，把数据上传到计算机中。

　　

　　3、PC机软件的设计

　　本系统的PC机监控界面是通过VB6.0软件实现的。主界面包括“开始采集”、“保存数据”、“数据处理”等几个按键。最终的采集观测结果，通过Excel表格文件格式进行保存。采集来的信号的大体形式可以通过曲线显示界面来显现，并以曲线的形式表现出来。程序流程如图4-13所示。

　　

　　四、结束语

　　对电能质量指标参数数字化测量原理进行了剖析，并将采集到的数据和分析结果通过无线收发模块nRF905的数据传输至上位机，利用VB6.0中的Mscomm控件读取PC串口接收的数据，经过现场试验和实际测量，本系统取得了较好的效果。

参考文献
[1]谢锐凯.分布式电能质量监测系统监测原理及系统研制. [D].2008年.华南理工大学
[2]高潮 等.基于MSP430多功能无线监测系统的设计.《激光杂志》.[J].2009年
[3]史旭光.基于MSP430的多功能电能表研究.[D].2003年 哈尔滨工业大学

本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/sklw/kejilunwen/265901.html