贵州茅台酒股份有限公司协办 现场方法与实践 基于5 1单片机的 电能质量检测仪的设计 李志宇 余洋 刁庶 瞬时采样值) 无功功率Q=、／S2一P2 功率因数COS巾：P／S (二)FFT算法分析。 在本系统对1～51次的谐波进行 分析计算：首先利用2000点FFTr算 法，计算出各次谐波的基本量，进而 可以求出其幅值和相位。幅值求出 后．就可以求出各次谐波的含量和总 谐波畸变率。以电压量为例。若用 FFT算法求出的第k次谐波的实部和 虚部分别为U，(k)和UI(k)，则第k 次谐波电压的幅值U。和0。分别为 uk=询确’ek=arctg器。 谐波含有率：电压和电流的波形畸变 所含的某次谐波的含有率，反应畸变 波形中谐波所占的比率。电压畸变波 形的第k次谐波电压含有率等于其第 k次谐波电压幅值U。和U。的百分比： U。％={}×100％，电流畸变波形的 Ul 第k次谐波电流含有率等于其第k 次谐波电流幅值I。与其基波电流幅 值Il的百分比I。％=争。总谐波畸变 率 (THD)： 以其总谐波畸变率来表示。作为衡量 电能质量的一个指标。各次谐波含有 率的平方和的平方根值称为总谐波畸 变率THD。简称畸变率。 电压的总谐波畸变率： 厂1——————一 THDU．＼／∑(u。％)： 电流的总谐波畸变率： k=2 ’ 厂弋广—————一 THD。=、／∑(I。％)z T k：2 二、硬件设计 (一)总体方案设计。 采用单片机。CPLD及上位机共 同实现。单片机软件编程灵活．自由 度大，可用软件编程实现各种算法和 逻辑控制。上位机在FFT算法上可 更好地对数据进行处理与运算。电流 信号通过电流互感器对10～20A电流 进行电流采样．电压信号通过变压器 及调压器进行采集．可对80～450V 电压进行测量。在测量工频交流电 压、电流信号时，利用CPLD对信号 倍频，所得脉冲控制单片机对电压、 电流信号得相位测量。通过串口将数 据向上位机传送，同时也可以液晶显 电压和电流波形畸变的程度．常 示。原理框图如图l所示。 引言 电能质量检测仪是供电企业用来 监测电能质量中电压合格率指标的 重要工具。也是用电企业电气和民 用电气正常运行的重要保障之一。 现行市场上的电压检测仪均根据国 家对电网运行要求进行开发和设计． 具有一定统计功能。 一、理论分析与计算 (一)交流电压、电流有效值的 计算分析。 采用傅里叶算法来实现。所测信 号是一个周期的时间函数．除基波 外还含有直流分量和各次谐波。可 表示为u(t)=∑【b。cosn∞1t+a．sinntI)lt】， n=0 式中n=0，1,2，．．．alI和b。分别为各次谐 波的正弦项和余弦项的振幅。a，，b。 分别为基波分量的正、余弦项的振 幅；bo为直流分量的值。 根据傅里叶级数的原理．可以求 出a。，b。分别为基波分量的正、余弦 项的振幅；bo为直流分量的值。 分局傅里叶级数的原理。可以求 出a。，b。分别为 ，T al=(a／T)J。u(t)sin‘I)ltdt T r u(t)coscoltdt him(2／T)J o 则u(t)中的基波分量为tll--alsinooIt+ b,cosoolt 将上式化简．可以得到al=、／丁 Ucosal，bl=、／2 Usinal，U12：(a12+b12)／2， tgal=b。／a，。式中Ul为基波的有效值， a。为t=O时的基波分量的相角。用单 片机处理时，a。，b。的积分可以用梯 形法求得。即： N—l 1一 a。=(1／N)【2乞uksink(2xr／N)]，bl=(1／N) k=l N—l [Uo+2∑ukcosk(2w／N)+u．】，式中N为一 k=1 个周期。 视在功率S=UI 有功功率P=(1／T)J。uidt(u，i为 ，T 万方数据 

现场方法与实践 贵州茅台洒股份有限公司协办 频速度较慢．无法满足高速、高精 度的测频要求。我们采用高集成度、 高速的可编程逻辑门阵列CPLD／ FPGA为实现高速。为高精度的测频 提供了保证。原理框图如图3所示。 3．数据采集系统部分。 本系统选用CPLD作为单片机和 外围器件的连接接I=I．来简化整个 系统的结构和复杂性。逻辑控制由 单片机发出。具体完成所需逻辑控 制的操作由CPLD来完成实现。这样 大大降低了单片机的负担。也方便 图l系统原理框图 (二)功能模块设计。 点数不受工频信号波动的影响． 软件的编程操作。数据采集系统原 本系统基于单片机最小系统、 CPLD另外产生控制脉冲，控制SST CPLD采集系统和上位机数据处理来 对电压、电流信号得相位测量。通 实现电能质量检测；测频部分采用可 过串口将数据向上位机传送．同时 编程逻辑器件CPLD实现高精度测 也可以在液晶显示12864将采集数据 量：单片机控制CPLD进行数据采集 送至上位机进行处理。 与信号调理单元完成数据采集，利用 1．信号调理单元设计。 上位机软件强大的运算功能进行数据 在频率测量正弦波信号的时候． 处理。使测量更加精确，尤其是在 将其整形成一个幅度不变的方波之后 FFTr算法上可更好地对数据进行处理 进行测量。故在测频模块之前加一 理框图如图4所示。 三、软件设计 下位机软件流程图如图5所示。 上位机软件流程图如图6所示。 四、结果测试 (一)测试仪器。 DF4120失真度测量仪 与运算：电流信号通过电流互感器 个调理电路．进行信号整形。调理电 Icp0000149动态性能分析仪 CM050MG对10—20A电流进行电流 路的设计中，需要用比较器，自动增益 VC9807A万用表 采样．电压信号通过变压器及调压 控制放大器(AC,C)等。如图2所示。 器进行采集．可对80—450V电压进 2．测频、测周期部分。 (二)测试结果。 测试结果见表1～表2。 行测量。在测量工频交流电压、电 流信号时。利用CPLD对信号进行整 要保证较高精度的测频．必须采 220V电压、1500W负载测量的 用较高的标准频率信号。而单片机 51次谐波。见表3。 周期采样．固定采样点数．即采样 受本身时钟频率等因素的限制．测 测试结果表明：基于5l单片机 万方数据 图2调理电路电路图 

贵州茅台洒股份有限公司协办 现场方法与实践 标准信号 诬置门信号 较测信号 图3等精度测量原理图 表1 U U (动态信号分析仪测量结果) (实测基波有效值) 62．16 123．10 18I．24 246．84 309．07 362．09 71．62 141．82 208．7l 284．47 355．78 418．67 U(真实) 81．15 160．7 236．5 322．0 404．2 474．0 误差 13．4％ 13．3％ 13．2％ 13．2％ 13．1％ 13．5％ 注：动态信号分析不是整周期采样．所以与真实值存在固定误差 表2 U 真值 220 220 功率 U基波 I基波 有效值 有效值 功率S 功率P 功率Q 因数 视在 有效 无功 品质 THD THD (I) 0．04 0．039 (U) 0．04 0．04 1500W 203．3l 2500W 210．05 5．86 10．2 1193 2148 191 348 0．987 0．987 220 4300W 200．52 16．9l 3395 548 0．987 0．039 0．038 1178 2120 3350 表3 图4数据采集系统原理框图 图5下位机软件流程图 谐波次数 U幅频 U相频 l 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 308．34 —111．82 10．98 一114．66 3．63 O．81 3．30 2．60 1．oo 2．7l O．86 0．19 0．10 0．29 0．44 0．53 0．14 0．3l O．30 0．20 0．18 0．23 0．19 0．06 0．05 O．12 0．09 0．06 33．04 36．28 一l“．50 一lO．12 133．49 65．48 170．08 100．72 -92．63 142．90 一164．42 —97．24 —29．63 -9．88 126．91 一169．19 145．88 -53．98 108．23 53．03 151．16 —44．65 53．98 一18．30 I幅频 13．47 0．46 O．17 O．06 0．14 0．10 0．03 0．1l 0．03 0．01 O．005 O．003 0．02 0．02 0．004 O．0l O．01 0．005 0．007 O．005 O．008 0．004 O．002 O．002 O．002 0．004 I相频 一100．83 -82．41 85．10 105．88 —66．9l 107．42 —94．91 —135．39 —1．89 —36．02 90．32 82．43 104．16 176．68 —69．64 一24．62 109．03 —176．72 —167．63 40．28 —179．07 106．69 —5．60 35．98 一121．42 —146．90 的电能质量检测仪实现了对 结构简单、可靠性高、价廉、 交流电压值、交流电流值、 实用等优点。在本仪器的基 有功功率、无功功率、功率 础上可以通过对软件进行改 因数的测量和测频、波形显 进，扩展更多的测试功能。· 示的功能，操作界面友好。 结束语 参考文献：(略) (作者单位：吉林大学 图6上位机流程图 该电能质量检测仪具有 仪器科学与电器工程学院) 万方数据 

基于51单片机的电能质量检测仪的设计 作者： 李志宇， 余洋， 刁庶 作者单位： 刊名： 吉林大学仪器科学与电器工程学院 中国质量 英文刊名： CHINA QUALITY 年，卷(期)： 2010，(1) 0次 被引用次数： 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zhonggzl201001032.aspx 下载时间：2011年5月26日