公路隧道電網電能質量監測及其設計

解熠 姚運良

1.陜西省交通建設集團公司 陜西 西安 710075

2.長安大學 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、資源空間的節省和對生態環境影響較小。在整個隧道系統中需要大量可靠的電力來支撐其運營管理，保障行車安全。所以公路隧道電網參數需要實時進行監測及分析。電網的電流、電壓的在不正常范圍內的波動都會對各種儀表、電氣設備帶來嚴重的不可修復的危害，最嚴重會對人的生命安全造成威脅，電力系統的穩定與否對社會和每個人有著不可分割的聯系。及時發現電網的隱患和威脅，快速準確的監測電網參數（電壓、電流、頻率），對整個系統的動態掌握，發現異常的參數變化，及時采取合理的措施來控制系統的穩定性，保證電能參數的可靠性，電網設備也能夠可靠運行。我們可以通過對公路隧道電網參數的實時采集，在每個參量允許的安全穩定條件下，來監控整個電力系統，及時調整，維持電網各個參數的穩定值，做到整個電力系統安全可靠地運行，提供高質量的電能供給公路隧道電力系統使用。

1 總設計概述

1.1 設計過程

基于單片機與電能專用計量芯片ATT7022C結合的電能質量監測系統。

電網電壓、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。經過 ATT7022C 的內部電路處理進行采樣、模數轉換和計算得到基本參數。設計采用異步串行通信將單片機和計量芯片建立通信關系，數據讀寫，編寫相應的軟件程序獲得電能參數，可以通過 LCD12864 液晶顯示數據，供人員讀取操作。系統計時由時鐘芯片DS1302提供，單片機進行設置時間操作，實時顯示。實現了對公路隧道照明電力系統中電能參數準確無誤的測量出來，適用公路隧道照明電力系統，能夠充分滿足對電網的基本參數的測量，通過測得的數據來分析電能質量。具體結構如圖1及外圍接線圖2

圖1 總結構框圖

圖2 外圍接線圖

1.2 主要功能

實時監測分析公路隧道電能參數，可以隨時監測并顯示數據。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。系統操作菜單流程圖如圖3

圖3 操作菜單流程圖

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

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

電壓互感器、電流互感器與公路隧道電網連接，將高壓電轉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，經過內部處理器處理后將各種參數數據存儲在相應寄存器中。設計時可以用單片機通過異步串行方式讀取相應參數值，并通過鍵盤控制液晶顯示相應參數值。

LCD12864液晶顯示模塊具有漢字圖形點陣設計，能夠滿足基本圖形和文字顯示，更加直觀的得到想要的數據，一種很好的人機交互產品。

DS1302是一種低功耗涓流充電實時時鐘芯片，內含靜態RAM，采用同步通信，可采用突發方式一次傳送多字節的時鐘信號和RAM數據。

三端穩壓集成電路模塊LM7805的輸入端電壓在 7-30V 范圍內，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。將電網系統中的大信號通過電壓電流互感器轉換成交流小信號，再經過橋式整流電路下變成直流小信號輸入至LM7805穩壓模塊，經內部電路穩壓后，三角輸出5V電壓供給設備使用。

單片機STC89C54RD+介紹作為嵌入式系統，結構簡單、功能豐富、編寫易理解，結構如圖4

圖4 STC89C54RD+單片機結構圖

2.2 軟件設計

系統在工作運行的狀態下，首要是初始化設置，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。通過單片機內部處理信號、液晶 LCD12864 顯示時間和各項電量參數， 軟件功能設計流程如圖5所示

圖5 軟件功能設計流程

3 總結

本系統使用一種電能計量芯片ATT7022C，采用模塊化設計方案，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設計的實現，分析了組成硬件和相關傳感器器件的研究，系統設計完成之后能夠準確的測量公路隧道電能參數（電壓、電流、功率、電能、相角），具有高精度、穩定性、測量范圍之廣等有優點。達到實時對隧道電網中電能參數的監測，對突發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。