市电参数测量仪的设计

黄喜军，陈辉金，韦文越

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004;2.桂林电子科技大学 教学实践部，广西 桂林 541004)

市电参数测量仪的设计

黄喜军1，陈辉金2，韦文越1

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004;2.桂林电子科技大学 教学实践部，广西 桂林 541004)

为了实现市电质量监测并降低测量成本，以STC12C5A60S2微处理器为控制核心，利用电压有效值转换芯片等器件，设计了一款市电参数测量仪，对频率、电压有效值及失真度进行测量；基于测周法实现50 Hz频率的测量，通过一块电压有效值转换芯片测量总电压有效值与谐波电压有效值，实现市电电压的测量，并通过计算获得失真度值；实验结果表明，该测量仪测量精度较高，频率测量误差小于0.1%，电压有效值测量误差控制在1%以内，失真度测量误差小于5%；该测量仪结构简单、性能稳定，可应用于电能质量监测系统。

市电；测量仪；失真度；电能质量；监测

0 引言

随着太阳能等新能源发电方式的快速发展，大量的分布式电源并入电网，对电网的供电质量及稳定性产生了不利影响；同时，电网本身还受到大量非线性负载所带来的干扰，进一步加剧了电能质量的恶化，严重影响了电网的供电质量和可靠性[1]。因此，很有必要对电能质量进行监测，国内外研究者在这方面也取得了很多研究成果[2-5]。文献[3]和文献[5]中分别采用DSP芯片及专用电能计量芯片进行电能数据采集与分析，取得了较好的效果，但存在计算复杂且成本较高的问题。本文基于STC12C5A60S2微处理器设计了一款实现简单且成本较低的市电参数测量仪，作为电能监测终端设备进行市电数据采集，对交流电的频率、幅值和失真度参数进行测量，实现对电网中多种电力参数的监测，对电力工作人员有效掌握电网的运行状态，确保电网安全稳定有着重要意义。

1 总体设计方案

由于我国采用的市电是电压为220 V、频率为50 Hz的正弦信号，同时失真度指标在评价波形质量方面获得了广泛的认可，所以监测终端将对市电的频率、电压有效值和失真度进行测量。其中，失真度是用来衡量交流信号中所含谐波成分相对于基波成分的大小，故需要测量谐波电压有效值，根据测量的总电压有效值与谐波电压有效值计算出失真度。

设计的市电参数测量系统框图如图1所示，系统以运行速度较快、抗干扰能力较强的STC12C5A60S2单片机为微处理控制器，交流变压器模块将220 V交流电转换为12 V交流电，电阻分压模块将电压降至2 V以内，以满足后续电压测量模块的要求。增加电压跟随器的目的是为了防止前后级电路的相互干扰，而波形整形模块通过过零比较器将50 Hz的正弦信号整形为方波信号，再送入单片机进行频率测量。系统中通过单片机控制继电器进行开关选择，当继电器处于断开状态时选择电压有效值测量电路，将电压信号直接送入电压有效值测量电路，获得电压信号的有效值，而此时50 Hz陷波电路不工作；当单片机控制继电器处于吸合状态时选择陷波电路，电压信号将不再直接送入电压有效值测量电路，而是先通过50 Hz陷波电路获得该信号的谐波成分，再将谐波信号送入电压有效值测量电路进行谐波有效值测量。总电压有效值与谐波电压有效值在单片机内进行数据处理，可以获得电压测量值及失真度测量值，最后将测量得到的频率、电压及失真度在显示模块上显示。

图1 市电参数测量系统框图

由于系统采用一块高精度电压有效值转换芯片实现了总电压有效值与谐波电压有效值两个参量的测量，所以在获得较高测量精度的基础上，实现了低成本控制。

2 系统硬件设计

系统的硬件电路主要包括以下模块：单片机最小系统模块、变压模块、分压模块、电压跟随模块、整形模块、陷波模块、电压有效值测量模块及显示模块。通过变压模块将220 V电压降压为12 V，同时，由于后续电压有效值测量模块要求输入信号小于2 V，因此通过电阻分压模块将12 V进一步降低至1.3 V。降压后通过运算放大器构成电压跟随电路，可以提高输入阻抗，降低输出阻抗减小对后级测量电路的干扰，提高测量精度。通过运算放大器构成电压过零比较器，将正弦信号整形为方波信号，方便单片机测量信号周期，计算信号的频率。而显示模块显示被测交流信号的频率、电压有效值和失真度。下面重点对电压有效值测量电路与50 Hz陷波电路进行详细说明。

2.1 AD637电压有效值测量电路

电压有效值测量模块采用型号为AD637的高精度、宽带有效值转换芯片，其有效值输入为0～2 V，最大非线性度为0.02%，且100 mV的有效值输入带宽为600 kHz，2 V有效值输入时带宽为8 MHz，能把输入的交流信号变为直流信号输出，可以测量各种复杂波形信号的有效值，在数据采集及仪器仪表等场合有着广泛的应用[6]。在市电频率为50 Hz、电压为220 V的情况下，要求电压测量精度不低于1%，所以AD637芯片满足市电电压有效值测量的转换精度及带宽要求。从硬件上直接将测量信号进行真有效值转换，获得电压有效值，区别于传统的采用A/D变换及软件编程处理获得的电压有效值的测量方法，减少了由A/D变换和软件处理带来的误差，可获得较高精度的测量数据，由AD637构成的电压有效值测量电路如图2所示。交流信号从AD637芯片的Vin管脚输入，而直流信号从芯片的RMS_out管脚输出，经单片机处理后即可获得较高精度的交流电压有效值。

图2 电压有效值测量电路原理图

2.2 陷波电路

陷波电路是为了滤除50 Hz的基波分量，而留下各次谐波分量。本次设计采用的是有源桥式微分器型陷波电路，其电路如图3所示[7]。陷波器的中心频率计算公式如式(1)所示。

图3 有源桥式微分器型陷波器原理图

(1)

其中:R4a与R4b为滑动电阻R4的两部分电阻值，C=C1=C2=C3。根据上述公式，可计算得到陷波器的中心频率可变范围为45.94Hz至53.05Hz。因为电路中的元件参数存在误差，故利用R4进行调节，从而使陷波器中心频率达到50Hz。在桥式微分器型陷波电路中，要求(R1+R2)=6(R3+R4+R5)=240kΩ，可通过调节变阻器R2实现。在无源桥式微分器型陷波电路的基础上增加两个运算放大器构成有源电路，实现电压跟随功能，可以进一步减小后级电路对陷波器的干扰，同时通过电阻R6、R7及R8，提高陷波器的品质因数，使品质因数成为原来的G倍，其中G的计算公式如式(2)所示。

(2)

为了兼顾品质因数及滤波器带宽，可以在电路中通过调节电阻R7实现。当输入信号Vi为220V、50Hz的交流信号时，经过50Hz有源桥式微分器型陷波电路，输出信号Vo中滤除了频率为50Hz的基波分量，而只留下了50Hz的各次谐波分量，在获得电压有效值的基础上，即可计算交流电的失真度。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序流程

系统需要实现频率、电压有效值及失真度的测量。根据频率测量理论中的测周法，由单片机控制定时计数器计算出信号的频率；其次通过将电压有效值转换芯片AD637输出的直流信号送入单片机测量得出电压有效值；然后由单片机控制继电器吸合选择谐波测量模块，计算出失真度。最后将测量得到频率、电压有效值和失真度在液晶上显示。系统主程序流程如图4所示。

图4 系统主程序流程图

3.2 频率测量

由于待测信号属于低频信号，故使用测周法进行市电信号的频率测量。当整形电路将正弦信号变换为方波信号送入单片机后，外部中断0在方波信号下降沿触发，定时器1开始计数，当又一个下降沿到达时，定时器对方波信号的一个完整周期计数完毕，读取此时定时器的计数值，则可计算出信号的周期，进而求出信号的频率。

3.3 电压有效值测量

当电压有效值转换芯片AD637将转换后的直流信号送入单片机后，STC12C5A60S2单片机启动内部10位AD转换器进行模数转换，延时等待后即可读取AD寄存器中的数据，并将获得的二进制数据转换为电压值。同时，为了提高测量精度，将10次测量值取平均后作为电压实际测量值。

3.4 失真度测量

失真度测量流程如图5所示。当单片机获取总电压有效值U1以后，控制继电器吸合，选择测量谐波电压有效值。此时信号通过50Hz陷波器滤除基波分量，经过电压有效值测量电路后，单片机获取的是谐波电压的有效值U2。则失真度为谐波电压有效值与基波电压有效值的比值，其失真度计算公式如(3)式所示[8]。

图5 失真度测量流程图

(3)

4 测量结果

4.1 频率测量数据

频率测量数据如表1所示，其中频率标准值是型号为Agilent53131A频率计测量的频率，而测量值是市电测量仪测量的频率。通过表1可知，市电频率约为50Hz，测量频率误差较小，相对误差控制在0.1%以内，具有较高测量精度，说明设计的测量仪适用于市电频率测量。

4.2 电压有效值测量数据

利用型号为GDM-8341的数字万用表与系统设计的市电测量仪进行电压有效值测量，测量数据如表2所示。其中，数字万用表测量数据作为标准值，测量仪的测试结果为电压测量值，从表中可以看出，测量的市电电压在220～230V之间，测量绝对误差控制在2V以内，相对误差控制在1%以内，说明应用本测量仪进行电压有效值测量方法可行，适用于市电电压质量监测。

表1 频率测量数据

表2 电压有效值测量数据

4.3 失真度测量数据

以型号为SA3602A的失真度测量仪的测试结果作为失真度标准值，而将市电测量仪的测试结果作为失真度测量值，测试结果如表3所示。从表中可以看出，市电失真度约为5%，测量绝对误差小于0.3%，相对误差控制在5%以内，具有较好的测量精度。

表3 失真度测量数据

5 结论

本文设计了一个基于单片机的市电参数测量系统，该系统经测试运行后，各参数测量模块包括频率测量模块、电压有效值测量模块及失真度测量模块均可正常运行，且参数测量精度较高，系统制作简单，成本较低，能较好地满足市电参数测量的需求，为监测电力系统正常运行提供了一种参数测量方案。

[1] 曲广龙，杨洪耕，李兰芳.主动配电网电能质量实时监测系统设计与实现[J].电力系统自动化，2015，39(10)：117-123.

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

[3] 万海龙，赵春宇.多通道实时电能质量监测系统[J].仪表技术与传感器，2014(10)：87-89.

[4] 姚 强，安国军，肖 冰,等.电能质量监测信息智能检索系统[J].电测与仪表，2016，53(4)：102-107.

[5] 杨焕峥，欧阳乔，杨国华,等.基于STM32的乐联网的电能监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014，22(8)：2353-2355.

[6] 乐 珺，姚恩涛，张明伟,等.基于AD637的直流电源纹波真有效值测量电路设计[J].电源技术，2014，38(10)：1926-1929.

[7] 常 丹，蒋宇中，伊 鑫.超低频有源桥式微分器型陷波器的设计与实现[J].舰船电子工程，2008，28(10)：90-94.

[8] 孙璟宇，王中宇，梁志国.任意波形失真度的一种评价方法[J].北京航空航天大学学报，2015，41(1)：33-37.

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。

黄喜军(1977-)，男，湖南娄底人，讲师，主要从事智能仪器及信号处理方向的研究。

1671-4598(2017)03-0244-04

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

TM932

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