市電參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

黃喜軍，陳輝金，韋文越

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林 541004)

市電參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

黃喜軍1，陳輝金2，韋文越1

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林 541004)

為了實(shí)現(xiàn)市電質(zhì)量監(jiān)測(cè)并降低測(cè)量成本，以STC12C5A60S2微處理器為控制核心，利用電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片等器件，設(shè)計(jì)了一款市電參數(shù)測(cè)量?jī)x，對(duì)頻率、電壓有效值及失真度進(jìn)行測(cè)量；基于測(cè)周法實(shí)現(xiàn)50 Hz頻率的測(cè)量，通過(guò)一塊電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片測(cè)量總電壓有效值與諧波電壓有效值，實(shí)現(xiàn)市電電壓的測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算獲得失真度值；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量?jī)x測(cè)量精度較高，頻率測(cè)量誤差小于0.1%，電壓有效值測(cè)量誤差控制在1%以?xún)?nèi)，失真度測(cè)量誤差小于5%；該測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

市電；測(cè)量?jī)x；失真度；電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著太陽(yáng)能等新能源發(fā)電方式的快速發(fā)展，大量的分布式電源并入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量及穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響；同時(shí)，電網(wǎng)本身還受到大量非線性負(fù)載所帶來(lái)的干擾，進(jìn)一步加劇了電能質(zhì)量的惡化，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量和可靠性[1]。因此，很有必要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究者在這方面也取得了很多研究成果[2-5]。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]中分別采用DSP芯片及專(zhuān)用電能計(jì)量芯片進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集與分析，取得了較好的效果，但存在計(jì)算復(fù)雜且成本較高的問(wèn)題。本文基于STC12C5A60S2微處理器設(shè)計(jì)了一款實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且成本較低的市電參數(shù)測(cè)量?jī)x，作為電能監(jiān)測(cè)終端設(shè)備進(jìn)行市電數(shù)據(jù)采集，對(duì)交流電的頻率、幅值和失真度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中多種電力參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)電力工作人員有效掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

由于我國(guó)采用的市電是電壓為220 V、頻率為50 Hz的正弦信號(hào)，同時(shí)失真度指標(biāo)在評(píng)價(jià)波形質(zhì)量方面獲得了廣泛的認(rèn)可，所以監(jiān)測(cè)終端將對(duì)市電的頻率、電壓有效值和失真度進(jìn)行測(cè)量。其中，失真度是用來(lái)衡量交流信號(hào)中所含諧波成分相對(duì)于基波成分的大小，故需要測(cè)量諧波電壓有效值，根據(jù)測(cè)量的總電壓有效值與諧波電壓有效值計(jì)算出失真度。

設(shè)計(jì)的市電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以運(yùn)行速度較快、抗干擾能力較強(qiáng)的STC12C5A60S2單片機(jī)為微處理控制器，交流變壓器模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V交流電，電阻分壓模塊將電壓降至2 V以?xún)?nèi)，以滿(mǎn)足后續(xù)電壓測(cè)量模塊的要求。增加電壓跟隨器的目的是為了防止前后級(jí)電路的相互干擾，而波形整形模塊通過(guò)過(guò)零比較器將50 Hz的正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)，再送入單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。系統(tǒng)中通過(guò)單片機(jī)控制繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)選擇，當(dāng)繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)選擇電壓有效值測(cè)量電路，將電壓信號(hào)直接送入電壓有效值測(cè)量電路，獲得電壓信號(hào)的有效值，而此時(shí)50 Hz陷波電路不工作；當(dāng)單片機(jī)控制繼電器處于吸合狀態(tài)時(shí)選擇陷波電路，電壓信號(hào)將不再直接送入電壓有效值測(cè)量電路，而是先通過(guò)50 Hz陷波電路獲得該信號(hào)的諧波成分，再將諧波信號(hào)送入電壓有效值測(cè)量電路進(jìn)行諧波有效值測(cè)量。總電壓有效值與諧波電壓有效值在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以獲得電壓測(cè)量值及失真度測(cè)量值，最后將測(cè)量得到的頻率、電壓及失真度在顯示模塊上顯示。

圖1 市電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖

由于系統(tǒng)采用一塊高精度電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)了總電壓有效值與諧波電壓有效值兩個(gè)參量的測(cè)量，所以在獲得較高測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了低成本控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、變壓模塊、分壓模塊、電壓跟隨模塊、整形模塊、陷波模塊、電壓有效值測(cè)量模塊及顯示模塊。通過(guò)變壓模塊將220 V電壓降壓為12 V，同時(shí)，由于后續(xù)電壓有效值測(cè)量模塊要求輸入信號(hào)小于2 V，因此通過(guò)電阻分壓模塊將12 V進(jìn)一步降低至1.3 V。降壓后通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨電路，可以提高輸入阻抗，降低輸出阻抗減小對(duì)后級(jí)測(cè)量電路的干擾，提高測(cè)量精度。通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓過(guò)零比較器，將正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)，方便單片機(jī)測(cè)量信號(hào)周期，計(jì)算信號(hào)的頻率。而顯示模塊顯示被測(cè)交流信號(hào)的頻率、電壓有效值和失真度。下面重點(diǎn)對(duì)電壓有效值測(cè)量電路與50 Hz陷波電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 AD637電壓有效值測(cè)量電路

電壓有效值測(cè)量模塊采用型號(hào)為AD637的高精度、寬帶有效值轉(zhuǎn)換芯片，其有效值輸入為0～2 V，最大非線性度為0.02%，且100 mV的有效值輸入帶寬為600 kHz，2 V有效值輸入時(shí)帶寬為8 MHz，能把輸入的交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)輸出，可以測(cè)量各種復(fù)雜波形信號(hào)的有效值，在數(shù)據(jù)采集及儀器儀表等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用[6]。在市電頻率為50 Hz、電壓為220 V的情況下，要求電壓測(cè)量精度不低于1%，所以AD637芯片滿(mǎn)足市電電壓有效值測(cè)量的轉(zhuǎn)換精度及帶寬要求。從硬件上直接將測(cè)量信號(hào)進(jìn)行真有效值轉(zhuǎn)換，獲得電壓有效值，區(qū)別于傳統(tǒng)的采用A/D變換及軟件編程處理獲得的電壓有效值的測(cè)量方法，減少了由A/D變換和軟件處理帶來(lái)的誤差，可獲得較高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，由AD637構(gòu)成的電壓有效值測(cè)量電路如圖2所示。交流信號(hào)從AD637芯片的Vin管腳輸入，而直流信號(hào)從芯片的RMS_out管腳輸出，經(jīng)單片機(jī)處理后即可獲得較高精度的交流電壓有效值。

圖2 電壓有效值測(cè)量電路原理圖

2.2 陷波電路

陷波電路是為了濾除50 Hz的基波分量，而留下各次諧波分量。本次設(shè)計(jì)采用的是有源橋式微分器型陷波電路，其電路如圖3所示[7]。陷波器的中心頻率計(jì)算公式如式(1)所示。

圖3 有源橋式微分器型陷波器原理圖

(1)

其中:R4a與R4b為滑動(dòng)電阻R4的兩部分電阻值，C=C1=C2=C3。根據(jù)上述公式，可計(jì)算得到陷波器的中心頻率可變范圍為45.94Hz至53.05Hz。因?yàn)殡娐分械脑?shù)存在誤差，故利用R4進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使陷波器中心頻率達(dá)到50Hz。在橋式微分器型陷波電路中，要求(R1+R2)=6(R3+R4+R5)=240kΩ，可通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R2實(shí)現(xiàn)。在無(wú)源橋式微分器型陷波電路的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成有源電路，實(shí)現(xiàn)電壓跟隨功能，可以進(jìn)一步減小后級(jí)電路對(duì)陷波器的干擾，同時(shí)通過(guò)電阻R6、R7及R8，提高陷波器的品質(zhì)因數(shù)，使品質(zhì)因數(shù)成為原來(lái)的G倍，其中G的計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

為了兼顧品質(zhì)因數(shù)及濾波器帶寬，可以在電路中通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R7實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸入信號(hào)Vi為220V、50Hz的交流信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)50Hz有源橋式微分器型陷波電路，輸出信號(hào)Vo中濾除了頻率為50Hz的基波分量，而只留下了50Hz的各次諧波分量，在獲得電壓有效值的基礎(chǔ)上，即可計(jì)算交流電的失真度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)頻率、電壓有效值及失真度的測(cè)量。根據(jù)頻率測(cè)量理論中的測(cè)周法，由單片機(jī)控制定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)算出信號(hào)的頻率；其次通過(guò)將電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637輸出的直流信號(hào)送入單片機(jī)測(cè)量得出電壓有效值；然后由單片機(jī)控制繼電器吸合選擇諧波測(cè)量模塊，計(jì)算出失真度。最后將測(cè)量得到頻率、電壓有效值和失真度在液晶上顯示。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 頻率測(cè)量

由于待測(cè)信號(hào)屬于低頻信號(hào)，故使用測(cè)周法進(jìn)行市電信號(hào)的頻率測(cè)量。當(dāng)整形電路將正弦信號(hào)變換為方波信號(hào)送入單片機(jī)后，外部中斷0在方波信號(hào)下降沿觸發(fā)，定時(shí)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)又一個(gè)下降沿到達(dá)時(shí)，定時(shí)器對(duì)方波信號(hào)的一個(gè)完整周期計(jì)數(shù)完畢，讀取此時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，則可計(jì)算出信號(hào)的周期，進(jìn)而求出信號(hào)的頻率。

3.3 電壓有效值測(cè)量

當(dāng)電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637將轉(zhuǎn)換后的直流信號(hào)送入單片機(jī)后，STC12C5A60S2單片機(jī)啟動(dòng)內(nèi)部10位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，延時(shí)等待后即可讀取AD寄存器中的數(shù)據(jù)，并將獲得的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值。同時(shí)，為了提高測(cè)量精度，將10次測(cè)量值取平均后作為電壓實(shí)際測(cè)量值。

3.4 失真度測(cè)量

失真度測(cè)量流程如圖5所示。當(dāng)單片機(jī)獲取總電壓有效值U1以后，控制繼電器吸合，選擇測(cè)量諧波電壓有效值。此時(shí)信號(hào)通過(guò)50Hz陷波器濾除基波分量，經(jīng)過(guò)電壓有效值測(cè)量電路后，單片機(jī)獲取的是諧波電壓的有效值U2。則失真度為諧波電壓有效值與基波電壓有效值的比值，其失真度計(jì)算公式如(3)式所示[8]。

圖5 失真度測(cè)量流程圖

(3)

4 測(cè)量結(jié)果

4.1 頻率測(cè)量數(shù)據(jù)

頻率測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，其中頻率標(biāo)準(zhǔn)值是型號(hào)為Agilent53131A頻率計(jì)測(cè)量的頻率，而測(cè)量值是市電測(cè)量?jī)x測(cè)量的頻率。通過(guò)表1可知，市電頻率約為50Hz，測(cè)量頻率誤差較小，相對(duì)誤差控制在0.1%以?xún)?nèi)，具有較高測(cè)量精度，說(shuō)明設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x適用于市電頻率測(cè)量。

4.2 電壓有效值測(cè)量數(shù)據(jù)

利用型號(hào)為GDM-8341的數(shù)字萬(wàn)用表與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的市電測(cè)量?jī)x進(jìn)行電壓有效值測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。其中，數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量?jī)x的測(cè)試結(jié)果為電壓測(cè)量值，從表中可以看出，測(cè)量的市電電壓在220～230V之間，測(cè)量絕對(duì)誤差控制在2V以?xún)?nèi)，相對(duì)誤差控制在1%以?xún)?nèi)，說(shuō)明應(yīng)用本測(cè)量?jī)x進(jìn)行電壓有效值測(cè)量方法可行，適用于市電電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

表1 頻率測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 電壓有效值測(cè)量數(shù)據(jù)

4.3 失真度測(cè)量數(shù)據(jù)

以型號(hào)為SA3602A的失真度測(cè)量?jī)x的測(cè)試結(jié)果作為失真度標(biāo)準(zhǔn)值，而將市電測(cè)量?jī)x的測(cè)試結(jié)果作為失真度測(cè)量值，測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，市電失真度約為5%，測(cè)量絕對(duì)誤差小于0.3%，相對(duì)誤差控制在5%以?xún)?nèi)，具有較好的測(cè)量精度。

表3 失真度測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的市電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試運(yùn)行后，各參數(shù)測(cè)量模塊包括頻率測(cè)量模塊、電壓有效值測(cè)量模塊及失真度測(cè)量模塊均可正常運(yùn)行，且參數(shù)測(cè)量精度較高，系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，成本較低，能較好地滿(mǎn)足市電參數(shù)測(cè)量的需求，為監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了一種參數(shù)測(cè)量方案。

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Design of Parameter Measuring Instrument for Utility Power

Huang Xijun1, Chen Huijin2，Wei Wenyue1

(1.College of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2.Department of Experiential Practice , Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to monitor the quality of utility power and reduce measuring cost, a parameter measuring instrument is designed to measure frequency, the voltage effective value and distortion, with STC12C5A60S2 microprocessor as the control core and by using the voltage conversion chip and other devices. The measurement of 50 Hz frequency is based on the method of measuring cycle, and the effective value of the total voltage and harmonic voltage are measured by an effective value conversion chip, thus the voltage measurement of utility power is realized, and the distortion value is obtained by calculating. Experimental results show that the measuring precision of the instrument is high. The error of frequency measurement is less than 0.1%, the voltage effective value measurement error is controlled within 1% and the distortion measurement error is less than 5%.And the measuring instrument has simple structure and stable performance, and it can be applied to the power quality monitoring system.

utility power；measuring instrument；distortion；power quality；monitoring

2016-08-29；

2016-11-08。

黃喜軍(1977-)，男，湖南婁底人，講師，主要從事智能儀器及信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2017)03-0244-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.066

TM932

A