基于51系列单片机的电能质量监测仿真

洪 曦，胡 骅

(浙江海洋学院电气与电子信息工程系，浙江舟山316022)

0 引言

近年，在国家政策的推动下，用户侧的可再生能源发电应用正逐步快速增加。由于原有配电网络的规划和运行并没有考虑到这种情况，因此，当配电网络中有大量分布式发电接入时，会给电能质量、供电可靠性等带来一系列影响。目前电能质量监测主要集中在电网供电侧，若将目前的电能质量监测方案扩展到用户侧，则会导致投资过高;同时，高精度、大容量的电能质量监测以及诸如电压闪变、间谐波等指标对于一般用户而言没有意义。对于家庭或小微企业用户而言，影响其用电质量的主要因素为电压偏移和电压波动，电压偏移较大时会影响用户设备的正常运行和使用寿命，而电压波动则对照明设备的影响较大[1]。为了能够以较高的性价比实现对供电电压偏移和波动的检测，本文开发了基于FFT算法和51系列单片机的电能质量监测模块。

1 电能质量监测模块

为了便于家庭或小微企业用户安装，电能质量监测模块应考虑安装在配电箱内，模块电源可从电网经变换后获取。如图1所示，电网电压经过降压变压器后得到输出为5V交流电，再经过A/D转换器转换成的数字信号被单片机接收，进行数据的计算和分析[2]。同时，降压后的电压经整流稳压之后，分别用于A/D转换器和单片机供电。单片机计算得出的电压波动和电压偏移的百分量和各次谐波的有效值数据都会被传输到液晶显示屏上显示，以便于观测。考虑到用户侧的数据存储，电能质量监测模块也会配备大小约为64M的SD卡(可以储存约为700万个波形)，电压波动和电压偏移的百分量会与国家标准范围进行比对，如果超过规定范围，系统将会通过指示灯进行报警。

图1 硬件电路设计框图

图2 仿真原理流程框图

图2中的单片机，其功能主要体现在用快速傅里叶算法对供电电压进行傅里叶分解，分解出来的基波分量用于电能质量的计算[3]。

2 快速傅里叶算法的实现

快速傅里叶算法(FFT)在信号分析和测量方面应用广泛。该算法通过对N为2的整数幂时间序列x(n)的逐次分解而得到[4]。图3所示计算流图描述了这种快速计算。

图3 8点DIT-FFT运算流图

设图中每个周期采样8点，因此整个运算中的长度，也是流图中的点数N=8，而N=2M=23，其中M是算法的运算级数(对应分析结果的最高谐波次数)。采样输入序列要按序号进行二进制逆序排序，如 A(1)的序号二进制码是001，颠倒之后为100，也就是4，则A(1)的位置放的是x(4)，而A(0)的序号0的二进制码是000，排序后x(0)还是放在第 0 位[5]。

图3中的每一个相交的黑点都代表进行了一次蝶形运算，每个蝶形都需要乘以相应的旋转因子来完成计算。算法说明如下。

各级对应的旋转因子公式为

其中，a=cos(2π/N)，b=-sin(2π/N)。

第一级第一个蝶形运算为

第一级第二个蝶形运算为

第二级第一个蝶形运算

蝶形算法中，相同的一级上，每个蝶形的两个输入数据只对计算本蝶形有用，而且每个蝶形的输入、输出数据节点又在同一条水平线上。在进行了3级的蝶形变换之后，再将A3(0)～A3(7)经过简单计算，所得的值分别是分解出的基波和1、3次谐波的有效值。基波有效值为

本设计中，为了使计算数据更加精确，每个周期的数据采集为64个点。这样会有6级的运算级数，计算结果会产生基波和1～32次谐波的数值。分析电压数据时，只要选取相应的数值即可。

电压波动是指电网电压有效值(方均根)的连续快速变动。计算公式为

其中，Ux(1)和Ux－1(1)分别是基波的两个相邻周期有效值，UN为额定电压。

电压偏移又称电压偏差，是指网络的实际电压与额定电压的数值之差。其公式为

3 软件的实现

本设计基于Proteus平台的仿真测试，单片机1用来模拟发送从220V电压提取后并经过AD转换的数据。单片机2完成电压波形数据的接收和计算。当单片机2的初始化以后，就会向单片机1发送一个信号，单片机1接收到这个信号以后就会向单片机2串口传送一个周期的波形数据。单片机2在接收这组数据之后，就开始对这组数据进行处理和计算。此间单片机1不会再向单片机2发送电压波形数据，直到单片机2处理完接收这组数据后再向单片机1发出一个允许接收的信号。

单片机2先会对电压数据变换成复数形式，进行快速傅里叶变换算法来分析电压谐波。谐波数据产生后，再将分解出来的基波进行电压波动和电压偏移的计算，并且把最后的计算数据在液晶上面显示出来。

图4 谐波分析与电压偏移、电压波动计算流程

4 仿真分析

仿真测试基于Proteus平台，考虑到真实供电电压中通常含有高次谐波，模拟的供电电压由基波和高次谐波叠加而成，如表1所示。由于偶次谐波和11次谐波之后的的数量级较小，仿真时高次谐波只考虑 3、5、7、9、11 次谐波。

表1 模拟供电电压各次谐波分量有效值

在仿真过程中，由于没有实际操作误差，可以较全面地分析理论误差。取少量由快速傅里叶变换算法分解后的谐波数据和标准数值进行对比，可以看出误差基本可以控制在10-3数量级见表2。

按照图1所示的硬件电路框图，电能质量监测模块成本分析如表3。

表2 测算误差分析

表3 成本分析

5 结语

配电网中分布式发电的大量应用给用户供电的电能质量带来影响，本文选择直接影响家庭或小微企业用户用电的电压偏移和电压波动指标，开展了基于51系列单片机的监测模块的设计，开发了基于FFT的电压偏移和电压波动检测算法，Proteus平台仿真及成本分析表明，该模块可用较低成本完成对家庭或小微企业用户电能质量的监测。

[1]Roger C.Dugan等著，欧阳森译.电力系统电能质量[M].北京:电子工业出版社.2013

[2]楼然苗等.51系列单片机原理及设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社.2010

[3]陈树勇等.智能电网技术综述[J]，北京:电网技术.2009，33(8):1～7

[4]李红等.傅里叶电力系统谐波检测方法综述[J]，北京:现代电力.2004，21(4):39 ～44

[5]祈才君等.应用插值FFT算法精确估计电网谐波参数[J]，杭州:浙江大学学报.2003，37(1):113 ～115