公路隧道電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及其設(shè)計

解熠 姚運良

1.陜西省交通建設(shè)集團公司 陜西 西安 710075

2.長安大學(xué) 陜西 西安 710064

引言

隧道由于其特殊的地理位置，大幅縮短行車距離、提高運輸效益、資源空間的節(jié)省和對生態(tài)環(huán)境影響較小。在整個隧道系統(tǒng)中需要大量可靠的電力來支撐其運營管理，保障行車安全。所以公路隧道電網(wǎng)參數(shù)需要實時進行監(jiān)測及分析。電網(wǎng)的電流、電壓的在不正常范圍內(nèi)的波動都會對各種儀表、電氣設(shè)備帶來嚴(yán)重的不可修復(fù)的危害，最嚴(yán)重會對人的生命安全造成威脅，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與否對社會和每個人有著不可分割的聯(lián)系。及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的隱患和威脅，快速準(zhǔn)確的監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)（電壓、電流、頻率），對整個系統(tǒng)的動態(tài)掌握，發(fā)現(xiàn)異常的參數(shù)變化，及時采取合理的措施來控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證電能參數(shù)的可靠性，電網(wǎng)設(shè)備也能夠可靠運行。我們可以通過對公路隧道電網(wǎng)參數(shù)的實時采集，在每個參量允許的安全穩(wěn)定條件下，來監(jiān)控整個電力系統(tǒng)，及時調(diào)整，維持電網(wǎng)各個參數(shù)的穩(wěn)定值，做到整個電力系統(tǒng)安全可靠地運行，提供高質(zhì)量的電能供給公路隧道電力系統(tǒng)使用。

1 總設(shè)計概述

1.1 設(shè)計過程

基于單片機與電能專用計量芯片ATT7022C結(jié)合的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

電網(wǎng)電壓、電流大信號變成可直接輸送給計量芯片 ATT7022C的小信號，可以通過電壓電流互感器來處理。經(jīng)過 ATT7022C 的內(nèi)部電路處理進行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計算得到基本參數(shù)。設(shè)計采用異步串行通信將單片機和計量芯片建立通信關(guān)系，數(shù)據(jù)讀寫，編寫相應(yīng)的軟件程序獲得電能參數(shù)，可以通過 LCD12864 液晶顯示數(shù)據(jù)，供人員讀取操作。系統(tǒng)計時由時鐘芯片DS1302提供，單片機進行設(shè)置時間操作，實時顯示。實現(xiàn)了對公路隧道照明電力系統(tǒng)中電能參數(shù)準(zhǔn)確無誤的測量出來，適用公路隧道照明電力系統(tǒng)，能夠充分滿足對電網(wǎng)的基本參數(shù)的測量，通過測得的數(shù)據(jù)來分析電能質(zhì)量。具體結(jié)構(gòu)如圖1及外圍接線圖2

圖1 總結(jié)構(gòu)框圖

圖2 外圍接線圖

1.2 主要功能

實時監(jiān)測分析公路隧道電能參數(shù)，可以隨時監(jiān)測并顯示數(shù)據(jù)。除此之外，還可以時刻顯示年、月、日、時、分、秒、及星期。斷電情況下，DS1302 時鐘芯片有備用電源來供電，時鐘電路仍能正常工作，不會斷電丟失。系統(tǒng)操作菜單流程圖如圖3

圖3 操作菜單流程圖

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

高精度、高穩(wěn)定性、高安全性性能的ATT7022C芯片。內(nèi)部電路有七路以微分-積分的方式調(diào)整脈沖密度，以脈沖平均值代替量化的方式的電路、數(shù)字信號計算處理電路。滿足我們此次對電網(wǎng)參數(shù)設(shè)計的需要。含延時和濾波的電源監(jiān)控，可以實時保存原始采樣數(shù)據(jù)。同時芯片還支持單通道、雙通道、及三通道的同步采樣功能，供用戶進行采樣數(shù)據(jù)的分析。含延時和濾波的電源監(jiān)控電路，

電壓互感器、電流互感器與公路隧道電網(wǎng)連接，將高壓電轉(zhuǎn)換至電流先信號傳輸至ATT7022C 芯片的連接以此獲得工作電壓、電流信號，經(jīng)過內(nèi)部處理器處理后將各種參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)寄存器中。設(shè)計時可以用單片機通過異步串行方式讀取相應(yīng)參數(shù)值，并通過鍵盤控制液晶顯示相應(yīng)參數(shù)值。

LCD12864液晶顯示模塊具有漢字圖形點陣設(shè)計，能夠滿足基本圖形和文字顯示，更加直觀的得到想要的數(shù)據(jù)，一種很好的人機交互產(chǎn)品。

DS1302是一種低功耗涓流充電實時時鐘芯片，內(nèi)含靜態(tài)RAM，采用同步通信，可采用突發(fā)方式一次傳送多字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。

三端穩(wěn)壓集成電路模塊LM7805的輸入端電壓在 7-30V 范圍內(nèi)，輸出的電壓是 5V 電壓，正常工作下模塊輸入與輸出兩端電壓相差 8V。將電網(wǎng)系統(tǒng)中的大信號通過電壓電流互感器轉(zhuǎn)換成交流小信號，再經(jīng)過橋式整流電路下變成直流小信號輸入至LM7805穩(wěn)壓模塊，經(jīng)內(nèi)部電路穩(wěn)壓后，三角輸出5V電壓供給設(shè)備使用。

單片機STC89C54RD+介紹作為嵌入式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、編寫易理解，結(jié)構(gòu)如圖4

圖4 STC89C54RD+單片機結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)在工作運行的狀態(tài)下，首要是初始化設(shè)置，初始化部分有單片機、電能計量芯片、顯示模塊、以及時鐘模塊 DS1302，使用軟件來進行校表，采用異步串行通信方式。通過單片機內(nèi)部處理信號、液晶 LCD12864 顯示時間和各項電量參數(shù)， 軟件功能設(shè)計流程如圖5所示

圖5 軟件功能設(shè)計流程

3 總結(jié)

本系統(tǒng)使用一種電能計量芯片ATT7022C，采用模塊化設(shè)計方案，有DS1302實時鐘芯片模塊、LCD12864 液晶模塊、輸入輸出模塊，通過STC89C54RD+單片機整合各個模塊來達到軟件和硬件的系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)，分析了組成硬件和相關(guān)傳感器器件的研究，系統(tǒng)設(shè)計完成之后能夠準(zhǔn)確的測量公路隧道電能參數(shù)（電壓、電流、功率、電能、相角），具有高精度、穩(wěn)定性、測量范圍之廣等有優(yōu)點。達到實時對隧道電網(wǎng)中電能參數(shù)的監(jiān)測，對突發(fā)情況采取及時正確的措施，提高了隧道通行安全性，保障行車安全。