市電參數(shù)測量儀的設(shè)計

黃喜軍，陳輝金，韋文越

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

市電參數(shù)測量儀的設(shè)計

黃喜軍1，陳輝金2，韋文越1

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

為了實現(xiàn)市電質(zhì)量監(jiān)測并降低測量成本，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)計了一款市電參數(shù)測量儀，對頻率、電壓有效值及失真度進行測量；基于測周法實現(xiàn)50 Hz頻率的測量，通過一塊電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片測量總電壓有效值與諧波電壓有效值，實現(xiàn)市電電壓的測量，并通過計算獲得失真度值；實驗結(jié)果表明，該測量儀測量精度較高，頻率測量誤差小于0.1%，電壓有效值測量誤差控制在1%以內(nèi)，失真度測量誤差小于5%；該測量儀結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

市電；測量儀；失真度；電能質(zhì)量；監(jiān)測

0 引言

隨著太陽能等新能源發(fā)電方式的快速發(fā)展，大量的分布式電源并入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的供電質(zhì)量及穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響；同時，電網(wǎng)本身還受到大量非線性負載所帶來的干擾，進一步加劇了電能質(zhì)量的惡化，嚴重影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量和可靠性[1]。因此，很有必要對電能質(zhì)量進行監(jiān)測，國內(nèi)外研究者在這方面也取得了很多研究成果[2-5]。文獻[3]和文獻[5]中分別采用DSP芯片及專用電能計量芯片進行電能數(shù)據(jù)采集與分析，取得了較好的效果，但存在計算復(fù)雜且成本較高的問題。本文基于STC12C5A60S2微處理器設(shè)計了一款實現(xiàn)簡單且成本較低的市電參數(shù)測量儀，作為電能監(jiān)測終端設(shè)備進行市電數(shù)據(jù)采集，對交流電的頻率、幅值和失真度參數(shù)進行測量，實現(xiàn)對電網(wǎng)中多種電力參數(shù)的監(jiān)測，對電力工作人員有效掌握電網(wǎng)的運行狀態(tài)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著重要意義。

1 總體設(shè)計方案

由于我國采用的市電是電壓為220 V、頻率為50 Hz的正弦信號，同時失真度指標在評價波形質(zhì)量方面獲得了廣泛的認可，所以監(jiān)測終端將對市電的頻率、電壓有效值和失真度進行測量。其中，失真度是用來衡量交流信號中所含諧波成分相對于基波成分的大小，故需要測量諧波電壓有效值，根據(jù)測量的總電壓有效值與諧波電壓有效值計算出失真度。

設(shè)計的市電參數(shù)測量系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以運行速度較快、抗干擾能力較強的STC12C5A60S2單片機為微處理控制器，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以內(nèi)，以滿足后續(xù)電壓測量模塊的要求。增加電壓跟隨器的目的是為了防止前后級電路的相互干擾，而波形整形模塊通過過零比較器將50 Hz的正弦信號整形為方波信號，再送入單片機進行頻率測量。系統(tǒng)中通過單片機控制繼電器進行開關(guān)選擇，當(dāng)繼電器處于斷開狀態(tài)時選擇電壓有效值測量電路，將電壓信號直接送入電壓有效值測量電路，獲得電壓信號的有效值，而此時50 Hz陷波電路不工作；當(dāng)單片機控制繼電器處于吸合狀態(tài)時選擇陷波電路，電壓信號將不再直接送入電壓有效值測量電路，而是先通過50 Hz陷波電路獲得該信號的諧波成分，再將諧波信號送入電壓有效值測量電路進行諧波有效值測量。總電壓有效值與諧波電壓有效值在單片機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，可以獲得電壓測量值及失真度測量值，最后將測量得到的頻率、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)換芯片實現(xiàn)了總電壓有效值與諧波電壓有效值兩個參量的測量，所以在獲得較高測量精度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了低成本控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：單片機最小系統(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、電壓有效值測量模塊及顯示模塊。通過變壓模塊將220 V電壓降壓為12 V，同時，由于后續(xù)電壓有效值測量模塊要求輸入信號小于2 V，因此通過電阻分壓模塊將12 V進一步降低至1.3 V。降壓后通過運算放大器構(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后級測量電路的干擾，提高測量精度。通過運算放大器構(gòu)成電壓過零比較器，將正弦信號整形為方波信號，方便單片機測量信號周期，計算信號的頻率。而顯示模塊顯示被測交流信號的頻率、電壓有效值和失真度。下面重點對電壓有效值測量電路與50 Hz陷波電路進行詳細說明。

2.1 AD637電壓有效值測量電路

電壓有效值測量模塊采用型號為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有效值輸入時帶寬為8 MHz，能把輸入的交流信號變?yōu)橹绷餍盘栞敵?，可以測量各種復(fù)雜波形信號的有效值，在數(shù)據(jù)采集及儀器儀表等場合有著廣泛的應(yīng)用[6]。在市電頻率為50 Hz、電壓為220 V的情況下，要求電壓測量精度不低于1%，所以AD637芯片滿足市電電壓有效值測量的轉(zhuǎn)換精度及帶寬要求。從硬件上直接將測量信號進行真有效值轉(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量方法，減少了由A/D變換和軟件處理帶來的誤差，可獲得較高精度的測量數(shù)據(jù)，由AD637構(gòu)成的電壓有效值測量電路如圖2所示。交流信號從AD637芯片的Vin管腳輸入，而直流信號從芯片的RMS_out管腳輸出，經(jīng)單片機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為滑動電阻R4的兩部分電阻值，C=C1=C2=C3。根據(jù)上述公式，可計算得到陷波器的中心頻率可變范圍為45.94Hz至53.05Hz。因為電路中的元件參數(shù)存在誤差，故利用R4進行調(diào)節(jié)，從而使陷波器中心頻率達到50Hz。在橋式微分器型陷波電路中，要求(R1+R2)=6(R3+R4+R5)=240kΩ，可通過調(diào)節(jié)變阻器R2實現(xiàn)。在無源橋式微分器型陷波電路的基礎(chǔ)上增加兩個運算放大器構(gòu)成有源電路，實現(xiàn)電壓跟隨功能，可以進一步減小后級電路對陷波器的干擾，同時通過電阻R6、R7及R8，提高陷波器的品質(zhì)因數(shù)，使品質(zhì)因數(shù)成為原來的G倍，其中G的計算公式如式(2)所示。

(2)

為了兼顧品質(zhì)因數(shù)及濾波器帶寬，可以在電路中通過調(diào)節(jié)電阻R7實現(xiàn)。當(dāng)輸入信號Vi為220V、50Hz的交流信號時，經(jīng)過50Hz有源橋式微分器型陷波電路，輸出信號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，即可計算交流電的失真度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)需要實現(xiàn)頻率、電壓有效值及失真度的測量。根據(jù)頻率測量理論中的測周法，由單片機控制定時計數(shù)器計算出信號的頻率；其次通過將電壓有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637輸出的直流信號送入單片機測量得出電壓有效值；然后由單片機控制繼電器吸合選擇諧波測量模塊，計算出失真度。最后將測量得到頻率、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 頻率測量

由于待測信號屬于低頻信號，故使用測周法進行市電信號的頻率測量。當(dāng)整形電路將正弦信號變換為方波信號送入單片機后，外部中斷0在方波信號下降沿觸發(fā)，定時器1開始計數(shù)，當(dāng)又一個下降沿到達時，定時器對方波信號的一個完整周期計數(shù)完畢，讀取此時定時器的計數(shù)值，則可計算出信號的周期，進而求出信號的頻率。

3.3 電壓有效值測量

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

3.4 失真度測量

失真度測量流程如圖5所示。當(dāng)單片機獲取總電壓有效值U1以后，控制繼電器吸合，選擇測量諧波電壓有效值。此時信號通過50Hz陷波器濾除基波分量，經(jīng)過電壓有效值測量電路后，單片機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，其失真度計算公式如(3)式所示[8]。

圖5 失真度測量流程圖

(3)

4 測量結(jié)果

4.1 頻率測量數(shù)據(jù)

頻率測量數(shù)據(jù)如表1所示，其中頻率標準值是型號為Agilent53131A頻率計測量的頻率，而測量值是市電測量儀測量的頻率。通過表1可知，市電頻率約為50Hz，測量頻率誤差較小，相對誤差控制在0.1%以內(nèi)，具有較高測量精度，說明設(shè)計的測量儀適用于市電頻率測量。

4.2 電壓有效值測量數(shù)據(jù)

利用型號為GDM-8341的數(shù)字萬用表與系統(tǒng)設(shè)計的市電測量儀進行電壓有效值測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。其中，數(shù)字萬用表測量數(shù)據(jù)作為標準值，測量儀的測試結(jié)果為電壓測量值，從表中可以看出，測量的市電電壓在220～230V之間，測量絕對誤差控制在2V以內(nèi)，相對誤差控制在1%以內(nèi)，說明應(yīng)用本測量儀進行電壓有效值測量方法可行，適用于市電電壓質(zhì)量監(jiān)測。

表1 頻率測量數(shù)據(jù)

表2 電壓有效值測量數(shù)據(jù)

4.3 失真度測量數(shù)據(jù)

以型號為SA3602A的失真度測量儀的測試結(jié)果作為失真度標準值，而將市電測量儀的測試結(jié)果作為失真度測量值，測試結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，市電失真度約為5%，測量絕對誤差小于0.3%，相對誤差控制在5%以內(nèi)，具有較好的測量精度。

表3 失真度測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于單片機的市電參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)測試運行后，各參數(shù)測量模塊包括頻率測量模塊、電壓有效值測量模塊及失真度測量模塊均可正常運行，且參數(shù)測量精度較高，系統(tǒng)制作簡單，成本較低，能較好地滿足市電參數(shù)測量的需求，為監(jiān)測電力系統(tǒng)正常運行提供了一種參數(shù)測量方案。

[1] 曲廣龍，楊洪耕，李蘭芳.主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(10)：117-123.

[2]MilanovicJV，MeyerJ，BallRF，etal.InternationalIndustryPracticeonPower-QualityMonitoring[J].IEEETransactionsonPowerDelivery.2014，29(2) ：934-941.

[3] 萬海龍，趙春宇.多通道實時電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(10)：87-89.

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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