基于LabVIEW和嵌入式工业以太网的电能质量监控系统

杨 辉，张 凯，张文博，肖 曦

(1.西安电子工程研究所，陕西西安 721200；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

0 引言

随着科学技术的不断发展，越来越多的大功率电子产品进入了千家万户的生活，显著改善了人们的生活质量，然而大功率电子产品以及其他不对称冲击性、非线性负荷容量的不断增长，使得电网中发生电压波形畸变、供电频率波动和三相不平衡等电能质量的问题也日益突出，所以研究如何有效地对敏感负荷的电能质量实现在线监测、分析与数据保存具有重要的现实意义[1-3]。尽管采用现场总线技术进行电能质量监测已经比较成熟，但其通信协议没有统一的标准[4]。为了实现对工业和民用建筑变配电系统的有效监测和综合管理，有必要对通信性能稳定、多种传输介质可选的嵌入式工业以太网进行研究，并基于该网络实现电能质量参数实时监测的两级监控系统[5-6]。

本文基于ADUC812单片机和以太网控制器8019AS设计了一种价格低廉、多种传输介质可选的嵌入式工业以太网，然后将其用于电能质量监测系统中，实时监测电网的各种电能质量参数的实时采集，上位机采用LabVIEW作为开发软件，以曲线和虚拟面板的形式完成了电压、电流有效值及供电频率等电能质量参数的实时显示。

1 电能质量监控系统总体方案

本文基于可实现高速远距离数据传输的工业以太网设计的电能质量监控系统如图1所示，该系统是一个由总控管理层和现场监控层组成的两级监控系统。

总控管理层的核心是总控管理计算机，其主要任务是实现人机交互，负责向现场监控层的各个数据采集设备发送采集命令并实时地对现场采集回来的数据进行处理。现场监控层主要由各类传感器和微控制器组成，其主要任务是根据总控管理计算机的命令，完成对各种监测量的数据采集和存储，并将采集数据根据主控制计算机的要求进行上传。当现场监控层脱离总控管理计算机时，也能够根据微控制器设定的程序实现对电能质量参数的监控和管理。为了实现对工业和民用建筑变配电不同用户区域的电能质量监控，就需要增设多个现场监控子系统(图1只画出了一个现场监控子系统)，不同的现场监控子系统需要根据设定的不同IP地址，以工业以太网连接至路由交换机，然后再连接至总控管理计算机实现对不同现场监控子系统的管理。

图1 两级电能质量监控系统

2 电能质量监控系统硬件设计

电能质量监控系统硬件的设计主要是完成嵌入式工业以太网及现场监控层的设计。

2.1 工业以太网接口电路设计

以太网控制器RTL8019AS集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层(MAC)和物理层的性能，支持以太网全双工通信方式，支持UTP，AUI和BNC自动检测，支持16条I/O基本地址选项和额外I/O地址输入输出完全解码方式，支持跳线RT、非跳线、即插即用3种配置方式，支持存储器瞬时读写，收发可同时达到10 Mbit/s的速率。

2.2 现场监控层的设计

为了实现对工业和民用建筑变配电不同用户区域的电能质量监控，就需要增设多个现场监控子系统，每个现场监控子系统均由微控制器ADUC812、电流(电压)信号采集模块、供电频率信号采集模块、温、湿度信号采集模块、断路器控制模块、显示与报警模块等组成。

2.2.1 电流(电压)信号采集模块的设计

由图3可知，为了对三向交流电的电压、电流实现高精度测量的同时进行强电与弱电系统的隔离，本文先采用电流(或电压)互感器对三向交流电的电流(或电压)进行了采样，随后又采用信号放大电路对采样信号进行了标度变换，将其变到了能够满足ADUC812模拟量输入口测量范围以内。最后为了滤掉系统的高频干扰信号，再将模拟信号送入ADUC812模拟量输入口，进行离散化采集之前先使信号经过了抗混叠滤波电路进行了滤波处理。在图3中，两对二极管起过压保护作用，D3、D4为电路工作状态的显示，C1、C2为去耦电容，C3、C6用来消除尖峰干扰，R10、R11、C5构成低通滤波器将输入信号中的高次谐波成分滤除，从而得到所需的信号。

图2 工业以太网接口电路

2.2.2 供电频率信号采集模块设计

本文设计的电能质量监控系统采用硬件测频的方法来实现各个线路供电频率的测量。首先将输入电压经变换、隔离后通过50 Hz带通滤波器获得平滑的正弦波信号，然后经过零比较器产生一列方波信号，再将这列方波信号接到单稳态触发电路中，利用单稳态电路捕获功能得到在每个方波周期内的ADUC812单片机T1计数值M，进而求得输入电压的频率。

图3 模拟输入信号调理电路

2.2.3 温湿度信号采集模块的设计

温湿度信号采集模块的主要功能是实时地检测电能质量监控系统，尤其是现场检测设备所处的工作环境是否良好，当发现工作环境的温度或湿度不能满足系统的工作要求时，ADUC812就会向总控管理计算机发送温湿度信息的同时发出告警信息。数字传感器SHTll的温度量程范围为-40.0～123.8 ℃，相对湿度量程范围为0～100%，无需外部模拟电路，可直接被微控制器访问，其测量命令包含3个地址位和5个命令位(其中温度测量代码为00011，湿度测量代码为00101)[7]。本文设计时将SHTll的串行时钟输入线SCK和串行数据线DATA分别接到单片机的P0.2、P0.3引脚，其中，SCK用于单片机控制器与SHTll之间的通信同步，DATA用于内部数据的输出和外部数据的输入。单片机发布一组8 bit测量命令后，DATA在第8个SCK时钟的下降沿被置为低电平。再发送第9个SCK时钟作为命令确认，DATA在其下降沿之后，恢复为高电平，同时，单片机可以暂时停止发送时钟序列以进入空闲模式，准备读取测量数据。图4为温湿度信号采集模块涉及的ADUC812外围电路图，在图4中，按键SK1、SK2、SK3用于向ADUC812下载程序时使用。

图4 ADUC812及其外围配置电路

3 电能质量的监测评定

3.1 电压、电流有效值的计算

设计中对电压、电流波形信号进行离散化采样，且是等间隔采样，得到离散化序列{uk},{ik}后，则各参数有效值的计算公式为：

(1)

(2)

式中：N为一个周期的采样点数；uk为第k个时间间隔的电压采样瞬时值；ik为第k个时间间隔的电流采样瞬时值。

3.2 三相电压不平衡度的测量

三相电压不平衡度是指电力系统三相不平衡的程度。本文通过式(3)来计算三相不平衡度：

(3)

式中uAB、uBC、uCA为三相线电压。

3.3 频率偏差的评定

系统频率为50 Hz。系统负荷功率总需求与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所有发电机组频率恒定。为了精确求得输入电压的频率，需要多次测量取平均值。

4 系统软件设计

电能质量监测系统的上位管理计算机监控软件采用LabVIEW进行开发，以图表、曲线和虚拟面板的形式完成监控所需的所有功能。现场数据采集各模块的功能采用C语言来编程实现。整个电能质量监测系统的软件工作流程如图5所示。采用LabVIEW编写的上位机总控软件操作界面如图6所示。

5 系统测试

由于M133C型功率校正器能够输出三相220 V/10 A/50 Hz的正弦波，其误差范围以百万分之一为单位，因此，完全可以将其生成的信号源作为真实值接入本文设计的电能质量监测系统进行测试，以此来验证本文电能质量监测系统的功能和测试误差。由于篇幅限制，本次实验对显示的各参数只采集了5 min数据，取平均值后的结果如表1所示。

图5 电能质量监测系统软件流程

图6 上位机总控软件界面

表1 采用本文系统的实验结果

由表1可知，采用本文设计的系统对电压进行测量，其误差绝对值不会超过0.10 V，电流有效值误差绝对值不大于0.05 A，供电频率有效值误差绝对值不大于0.10 Hz，因此，可以说本文研制的电能质量监控系统具有较高的测量精度，测量误差及测量范围皆符合我国标准。

6 结束语

本文基于ADUC812单片机和以太网控制器8019AS设计了一种能实时进行数据采集的嵌入式工业以太网，然后将其用于电能质量监测系统中，实时监测电网的各种电能质量参数，上位机监控软件采用图形化编程软件LabVIEW语言作为开发工具，以动画、图表、曲线和虚拟面板的形式完成监测所需的所有功能，该系统不但有功能易于拓展、组态灵活的特点，而且具有很高的性价比，可很好地满足现代工业和民用建筑的电能质量监测需要。