基于C8051F020多通道交流采样电路设计

2012-06-22 07:29杜玉宇史青禾

电气技术 2012年8期

杜玉宇于群史青禾吴飞

（山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 266590）

电量的采样作为电力系统实时控制、监控、调度自动化的前提环节，毫无疑问具有重要的作用[1-2]。这些功能实现通常是基于多路信号的，因此设计一种多通道同步交流采样具有一定的实际意义。目前一般采用多个采样保持器加上多路转换开关和高速、高分辨率的模/数转换芯片构成同步采样模块。但这样的结构存在使用器件多、结构控制复杂、通道的误差大、可靠性低等缺点[3]。基于这一事实，提出了一种以内嵌MCU的高性能、多通道12位数据采集芯片C8051F020为控制核心，以顺序采样来近似实现同步采样的多通道交流采样方法。从而使整个采集电路的芯片数量大为减少，从而提高了电路的抗干扰能力和可靠性，并节约了成本。这种采样方法能够满足电力系统监控及低压配电网络微机继电保护等的需求，因此具有一定的参考价值。

1 总体设计方案

考虑到采样方法大同小异，本系统只采集三相电压、电流。系统硬件电路由前向通道电路、C8051F020处理芯片、显示电路、继电保护跳闸电路等组成。结构框图如图1所示，前向通道电路起到信号调理作用，将调理好的信号输入到ADC。数据的采集和处理由C8051F020来完成。液晶显示用于实时显示转换结果。继电保护跳闸电路用来模拟电流速断保护以验证该系统能否满足工程要求。

图1 系统结构框图

2 前向通道电路设计

C8051F020内嵌单极性ADC，输入电压要求范围为0～2.4V[4]。从电力电压互感器、电力电流互感器二次侧取得的电压、电流信号的数值及噪声较大无法满足要求，必须进行信号调理才能输入到ADC中。以一路电压和一路电流为例（其它通道与此相同），前向通道如图2所示。由电压形成电路、偏置电路、电压跟随电路、RC低通滤波电路以及限幅保护电路等组成。电压形成电路将电力电压互感器、电力电流互感器二次侧取得的电压、电流信号转换成适当的交流电压信号。偏置电路将交流电压信号转换成幅值小于2.4V的电压信号。电压跟随电路起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。RC低通滤波电路主要是滤除频率高于采样频率一半的信号，以降低系统对硬件的要求。当电网电压、电流突然变大时，限幅保护电路对C8051F020起保护作用。

图2 前向通道电路

3 系统软件与算法

整个系统的程序流程图如图3所示。此流程图系统地体现了顺序采样近似实现同步采样的多通道交流采样思想。平时，C8051F020就是按照这个流程对采集到的数据进行反复运算、处理，准确、快速的将转换结果予以显示，并检测微机继电保护测试仪发出的模拟故障，给继电保护跳闸机构发出跳闸命令。

由于递推的傅氏算法具有计算精度高，运算速度快，本身具有较强的滤波作用[5]，因此在程序设计中对输入的电压、电流信号采用递推的傅氏算法。要注意的是对第一个采样周期的数据运算要运用全波傅氏算法，一个周期之后才可用递推的傅氏算法。取采样频率为 600Hz，间隔即每周期采样点数为12。递推的傅氏算法如式（1）、式（2）所示。式中 a1（m）、 b1（ m）分别为基波分量在一个周期后t = m Ts(m ＞ 1 2)采样时刻计算的正余弦项的幅值；x（ m）为 t = m TS时刻的采样值。