簡易單相電能質(zhì)量檢測儀的研究

熊力 李偉遷 何勇康 潘長寧 鐘春良

摘要：本研究以FFT運算法為基礎(chǔ)的單相電能質(zhì)量檢測儀，實現(xiàn)對工頻交流電各參量進行測量。系統(tǒng)由測頻電路模塊、極性轉(zhuǎn)換模塊、移相模塊、A/D采樣模塊、單片機模塊和顯示模塊組成。通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生1-5V輸入信號，通過硬件電路模塊處理后，利用單片機MSP430F5529進行256個點采樣，將采到的數(shù)據(jù)進行FFT運算，得到輸入信號的基波和各次諧波，通過對諧波的分析，從而得到所需的電能參數(shù)。

關(guān)鍵詞：單相;電能質(zhì)量檢測儀;FFT算法;單片機MSP430F5529

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)過程的高度自動化，電網(wǎng)中諧波的影響就慢慢顯露出來了[1-2]，越來越多的精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備被制造，同時由于計算機技術(shù)的日益普及，越來越多的由計算機系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置不但對供電電能質(zhì)量非常敏感，同時也使電能質(zhì)量惡化[3-5]。本研究設(shè)計一個單相電能質(zhì)量檢測儀，通過對電能質(zhì)量的檢測了解電能質(zhì)量的好壞，從而對電能質(zhì)量進行調(diào)整，使其影響最小化。

1 方案設(shè)計與論證

根據(jù)測量的目的和基本要求，本設(shè)計系統(tǒng)由測頻電路模塊、極性轉(zhuǎn)換模塊、移相模塊、A/D采樣模塊、單片機模塊和顯示模塊6個模塊組成，以單片機MSP430F5529為核心，通過對信號的捕獲和多次AD采樣，從硬件電路中獲取所需的數(shù)據(jù)，然后進行FFT運算，進而得到電流、電壓有效值，有功功率，無功功率，視在功率和功率因素，最后通過控制顯示屏將這些數(shù)值顯示出來。

1）極性轉(zhuǎn)換電路

使用運放對信號進行縮放和平移，在運放的輸入端加入所需的基準(zhǔn)電壓，從而將雙極性信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號。

2）頻率的硬件測量

首先通過滯回比較器將信號變換成同頻率的方波信號，單片機捕獲方波信號的上升沿。單片機通過測量相鄰兩個中斷間的時間間隔來求取電壓信號周期，以此得到系統(tǒng)的頻率值。

3）諧波分析

快速傅里葉算法分析諧波?？焖俑道锶~變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法。FFT 的主要思想是把 N 點的 DFT 分解成幾個較短 DFT，再利用旋轉(zhuǎn)因子 ?的對稱性及周期性進行簡化運算。它所需要的運算量約為 次復(fù)數(shù)乘法和為 次復(fù)數(shù)加法，它把DFT的計算速度提高了大約 倍。在當(dāng)今社會，傅里葉變換作為信號分析方法已較成熟，特別是FFT的應(yīng)用，很大程度的提高了信號處理的實時性。

2理論分析與計算

電能質(zhì)量參數(shù)計算是本設(shè)計的重點，單片機采樣的是離散的數(shù)據(jù)點，經(jīng)過 FFT 變換后依然是離散的數(shù)據(jù);而電壓電流采樣值都是實數(shù)，如果把虛部置零就無法得到電壓和電流之間的相位關(guān)系，故本設(shè)計采用電壓和電流構(gòu)造復(fù)數(shù)，即 x（n）=u（n）+ji（n），然后再進行 FFT 變換。

1）電壓電流的檢測

3測試結(jié)果及分析

由數(shù)控電源給整個系統(tǒng)供電，輸入信號通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生，輸出的波形及移相后的波形等可通過示波器觀察。為了方便測試，輸入電壓100～500V和輸入電流10～50A轉(zhuǎn)換成有對應(yīng)1～5V電壓，因此在讀取示波器的數(shù)值時應(yīng)乘100倍后再填入表格中。任意改變函數(shù)信號發(fā)生器上輸出電壓、電流的有效值，通過觀測示波器上的數(shù)值與屏幕顯示的數(shù)值計算準(zhǔn)確度如表1和表2所示。

通過計算，電壓有效值的相對誤差為0.54%，電流有效值的測量誤差為0.43%。

4總結(jié)

通過FFT算法求出交流電壓的有效值、交流電流的有效值及頻率，同時可得到有功功率、無功功率和視在功率;在硬件電路中制作了一個移相器，該移相器能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)90度的移相;通過單片機對信號的采樣并進行FFT運算，從而能夠在顯示屏上顯示電壓電流的曲線及相位差，同時可以求得電壓電流各次諧波的含有率。

參考文獻：

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[5] ?黃玉容.單片機開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].公安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，（06）.

課題基金：（1）2018年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“單相電能質(zhì)量檢測儀的設(shè)計與制作”（編號：201811535014）;（2）湖南省2019年普通高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地：“智能電氣創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地”（湘教通〔2019〕333 號）。

作者簡介：潘長寧（1976-），男，漢族，湖南婁底人，博士，副教授，研究方向：微電子器件。

（作者單位：湖南工業(yè)大學(xué)）