公路隧道电网电能质量监测及其设计

解熠 姚运良

1.陕西省交通建设集团公司 陕西 西安 710075

2.长安大学 陕西 西安 710064

引言

隧道由于其特殊的地理位置，大幅缩短行车距离、提高运输效益、资源空间的节省和对生态环境影响较小。在整个隧道系统中需要大量可靠的电力来支撑其运营管理，保障行车安全。所以公路隧道电网参数需要实时进行监测及分析。电网的电流、电压的在不正常范围内的波动都会对各种仪表、电气设备带来严重的不可修复的危害，最严重会对人的生命安全造成威胁，电力系统的稳定与否对社会和每个人有着不可分割的联系。及时发现电网的隐患和威胁，快速准确的监测电网参数（电压、电流、频率），对整个系统的动态掌握，发现异常的参数变化，及时采取合理的措施来控制系统的稳定性，保证电能参数的可靠性，电网设备也能够可靠运行。我们可以通过对公路隧道电网参数的实时采集，在每个参量允许的安全稳定条件下，来监控整个电力系统，及时调整，维持电网各个参数的稳定值，做到整个电力系统安全可靠地运行，提供高质量的电能供给公路隧道电力系统使用。

1 总设计概述

1.1 设计过程

基于单片机与电能专用计量芯片ATT7022C结合的电能质量监测系统。

电网电压、电流大信号变成可直接输送给计量芯片 ATT7022C的小信号，可以通过电压电流互感器来处理。经过 ATT7022C 的内部电路处理进行采样、模数转换和计算得到基本参数。设计采用异步串行通信将单片机和计量芯片建立通信关系，数据读写，编写相应的软件程序获得电能参数，可以通过 LCD12864 液晶显示数据，供人员读取操作。系统计时由时钟芯片DS1302提供，单片机进行设置时间操作，实时显示。实现了对公路隧道照明电力系统中电能参数准确无误的测量出来，适用公路隧道照明电力系统，能够充分满足对电网的基本参数的测量，通过测得的数据来分析电能质量。具体结构如图1及外围接线图2

图1 总结构框图

图2 外围接线图

1.2 主要功能

实时监测分析公路隧道电能参数，可以随时监测并显示数据。除此之外，还可以时刻显示年、月、日、时、分、秒、及星期。断电情况下，DS1302 时钟芯片有备用电源来供电，时钟电路仍能正常工作，不会断电丢失。系统操作菜单流程图如图3

图3 操作菜单流程图

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

高精度、高稳定性、高安全性性能的ATT7022C芯片。内部电路有七路以微分-积分的方式调整脉冲密度，以脉冲平均值代替量化的方式的电路、数字信号计算处理电路。满足我们此次对电网参数设计的需要。含延时和滤波的电源监控，可以实时保存原始采样数据。同时芯片还支持单通道、双通道、及三通道的同步采样功能，供用户进行采样数据的分析。含延时和滤波的电源监控电路，

电压互感器、电流互感器与公路隧道电网连接，将高压电转换至电流先信号传输至ATT7022C 芯片的连接以此获得工作电压、电流信号，经过内部处理器处理后将各种参数数据存储在相应寄存器中。设计时可以用单片机通过异步串行方式读取相应参数值，并通过键盘控制液晶显示相应参数值。

LCD12864液晶显示模块具有汉字图形点阵设计，能够满足基本图形和文字显示，更加直观的得到想要的数据，一种很好的人机交互产品。

DS1302是一种低功耗涓流充电实时时钟芯片，内含静态RAM，采用同步通信，可采用突发方式一次传送多字节的时钟信号和RAM数据。

三端稳压集成电路模块LM7805的输入端电压在 7-30V 范围内，输出的电压是 5V 电压，正常工作下模块输入与输出两端电压相差 8V。将电网系统中的大信号通过电压电流互感器转换成交流小信号，再经过桥式整流电路下变成直流小信号输入至LM7805稳压模块，经内部电路稳压后，三角输出5V电压供给设备使用。

单片机STC89C54RD+介绍作为嵌入式系统，结构简单、功能丰富、编写易理解，结构如图4

图4 STC89C54RD+单片机结构图

2.2 软件设计

系统在工作运行的状态下，首要是初始化设置，初始化部分有单片机、电能计量芯片、显示模块、以及时钟模块 DS1302，使用软件来进行校表，采用异步串行通信方式。通过单片机内部处理信号、液晶 LCD12864 显示时间和各项电量参数， 软件功能设计流程如图5所示

图5 软件功能设计流程

3 总结

本系统使用一种电能计量芯片ATT7022C，采用模块化设计方案，有DS1302实时钟芯片模块、LCD12864 液晶模块、输入输出模块，通过STC89C54RD+单片机整合各个模块来达到软件和硬件的系统设计的实现，分析了组成硬件和相关传感器器件的研究，系统设计完成之后能够准确的测量公路隧道电能参数（电压、电流、功率、电能、相角），具有高精度、稳定性、测量范围之广等有优点。达到实时对隧道电网中电能参数的监测，对突发情况采取及时正确的措施，提高了隧道通行安全性，保障行车安全。