潘少祠，陈光黎，雷久淮

（广东省科学院电子电器研究所，广东广州 510400）

前言

电源是电力设备系统的核心部件，日常维护和维修中对电源的监测与分析是必不可少的，快速采集数据并进行分析是维护和维修工作中很重要的一部分，而且工作量较大，而结合计算机进行数据采集和处理可以大幅降低人工工作量，同时保证可靠性和提高工作效率。经研究分析，采用模块化设计的基于串口通信数据采集的电源功率监测与分析是可行的有效方法。

1 串口通讯

1.1 通讯协议

串口通信是按位发送和接收字节的通信方式，是非常简单而实用的通信方式[1-2]。通过RS485 转换只需要两根通信线即可完成通信，非常适合用于小范围内设备通信和级联。研究内容结构模型见图1，采用RS485 通信协议下的级联, 在短距离局域范围内也可以实现高速串行通讯。

图1 串口RS485 通信模型

1.2 数据采集

数据采集主要包括硬件采集电路和软件数据采集存储分析。下位机硬件部分主要是采集和通讯电路，上位机则包括计算机和数据采集监测工具；下位机模块采集设计频率覆盖直流到13.56 MHz，功率500 W 以内的电源单元可适用。

下位机程序设计逻辑结构和框图见图2。程序控制整个采样过程，包括数据缓存和接收指令发送数据、传输数据。

图2 下位机程序逻辑结构简图

数据采集的下位机设计包括数据采样、MCU 数据存储发送、通讯电路的数据传输，主要完成数据的采集、缓存、发送和传输[3]。结构简图见图3，如果应用多电源模式的级联结构，可以将图3 结构级联同时采集多路数据汇集到计算机，根据采集到数据和电源类型的模型，上位机进行综合分析。此操作可以同时进行而不受中途加入设备的影响，只需在新增设备中选择对应新加入设备即可继续采集数据和分析[4-5]。

图3 数据采集硬件框图

2 电源功率监测与分析

内容主要包括电源功率监测采样电路和上位机的数据分析及相关模型。

2.1 功率监测

电源功率监测模型，根据P=VIcos(θ),监测功率需要采集变量电压V 和电流I 以及两者相位θ。图4中(a)模型只能用于电源频率不是很高的采样；(b)模型增加了高频电容对较高频率的电源电压采样可以改善，但是图4 中的两个模型在相位采集中存在很大的采样难题，特别是电压频率大于10 MHz 时，对相位的捕捉及相差θ 的分析存在困难。因为此模式下的高频率相位采集需要更高速度的微控制器，这样会增加设计和应用成本。通过改进采样电路有效改善高频率电源的相位数据采集问题。

图4 采样模型

采用电流互感模式，设计合适电路可以解决高频相位采样问题[4]。如图5 所示功率采集监测电路简图，虽然电路中存在二极管，非线性的二极管电流，可能影响采样的线性度；但是在互感器输出端对地连接小于20 Ω 电阻，相当于源端内阻抗很低，而负载阻抗为高阻，大于10 kΩ；那幺流过二极管的电流很小，但是对外输出电动势几乎是等于采样的反馈量。考虑高频情况下电流互感初级线圈影响，应尽量减小初级耦合距离，对于高频效应的分布参数，对称电路结构设计能尽量消除相差，而在做电流互感器时应该将互感器的次级线圈做扁平环状，缩短采样路径的穿过长度，降低寄生电感。

图5 功率采集监测电路简图

图6 功率采集监测模块的3D 模型

模块化的设计可以在应用中具有独立性，扩展性，嵌入特性。对技术更新和产业应用具有良好的实现效果。

2.2 功率分析

功率分析通过上位机程序根据需要监测的电源模型选定监测选项进行操作。在选定电源模型后，进行数据采集分析，数据的采集可以根据应用场合采用不同策略：

（1） 连续采样的方法可以实现数据的实时性，但是会增加资源消耗，降低了在多模块并联情况下的功率监测分析效率。

（2） 同步采样的方式可以更好的实现一对一的功率精确监测，但是同样不利于多设备混合并联工作[3，6]。

（3） 主从模式的分布式采集分析模型，可以提高多设备混合并联工作效率。采用分布式并联工作方式能兼顾数据的时效性，方便实现一对多，一对一，易于扩展应用，见图7。

图7 主从模式分布监测采集模型

在监控系统中如图8 所示，输入信号作用下的闭环传递函数

图8 输入信号X(s)作用下的系统

式中：X(s)为输入量，Y(s)为输出量，G1(s)G2(s)为前向传递函数，B(s)为反馈量，H(s)为反馈通路传递函数。

电源功率监测模型是功率采集监测电路结合不同的电源建立的应用模型，而功率采集监测电路可以理解为监控系统中没有反馈控制的监测系统，在反馈函数通路断开，把反馈函数放置在前向传递函数通路的不同位置，将得到不同的采集量值[8]。

结合功率采集监测电路和公式(2)得到各变量采集数学模型

式中：V(s)为电压采集量，I(s)为电流采集量，PH(s)为相位采集量，X(s)为输入量，Y(s)为输出量，Gu(s)为电压采样函数,Gm(s)为互感器参数，Gp(s)为相位量采样函数。

通过建模仿真得到结果见图9，由仿真结果分析，要实现0～13.56MHz 频带，单个电流互感器耦合是无法实现全频段覆盖的，需要频率分段设计，通过分布总线集成，而这恰恰是模块化设计带来的优势，只需要更换其中关键部件即可实现模块需要的功能。

图9 建模采集线性度仿真结果

3 结论

基于串口通讯数据采集，采用模块化设计思路的电源功率监测与分析装置的应用研究，经研究得出的方法和模型，对工业设备中类似设备的监测具有参考意义。在0～13.56MHz 频带使用多路不同电流互感器实现频带覆盖，体现了这种模块化设计优势。模块化分段集成方法易于设备的扩展应用，对研究多路、多频电源功率的监测有实际参考价值。该技术可以广泛应用于其他需要通信和监测的工业设备，结合产业链融合可以应用在工业领域的电力电子设备生态中。