三相有功电能与无功电能测量.docVIP

基于单片机的三相交流电能测量系统设计 姓名：张贻旭 专业：电气工程 学号：201030210748 摘要：本文介绍了用8098单片机测量三相交流电能的设计思想和实现方法详细描述了系统的硬件电路和软件设计阐述了硬件软件化的设计方法简要说明了提高系统可靠性的措施。 关键词：单片机；电能测量；有功电能；无功电能 电能表是使用量最大的电工仪表，从产生到现在它已经历了一百多年的历史。随着科学技 术的不断发展和人们对用电管理要求的日益提高，电能表在原理、结构和功能上都发生了重大 变化。传统的感应式电能表正逐步被新型电能表所取代。为了满足人们对用电计量和用电管理的要求，我们采用8098单片机作主芯片，设计出一种新型的电能表——全电子式电能表(以下简称为电能表)。这种电能表取消了传统感应式电能表的仪表转子，采用现代单片机软硬件技术，成为一种智能化的仪表。它不仪具有电能计量功能，而且将用电计量、用电管理、监控等功能集于一身，共有十几种功能。它能计量每月的总有功电能、总感性无功电能、容牲无功电能和平均功率因数；能计量每日每个时段的有功电能、感性无功电能、容性无功电能和平均功率因数；能计量一段时间内的最大需量和最大需量出现的时间；能计量超过功率定值的电能和超过功率定值延续的时间；具有年、月、日、时、分、秒六种计时功能；分时段计算电费；能用液晶显示器滚动显示各种电量；具有输出打印功能；具有掉电保护和死机自动恢复功能等。这些功能既体现了电能的商业价值，又体现了现代管理的要求。因此，这种智能化的电能表是九十年代电力计量系统中新一代高科技产品。 三相交流功率和电能测量原理 要测量三相交流电能，首先需要测出三相交流功率，然后将交流功率对时间积分，便得到 某一段时间内的三相交流电能。 三相有功功率和有功电能的测量 在三相三线制电路中，用传统感应式功率表测量三相交流总有功功率，不论电源和负载是 否对称，一般都采用两瓦特表法测量三相总有功功率。 设B相为公共相，表示A、B相间的线电压，表示C、B相间的线电压，表示A相负载的相电流，表示C相负载的相电流，三相交流总有功功率瞬时值为 上式中的 、、、分别表示线电压、相电流、线电压、相电流的第K个采样点瞬时值。在本系统中，不是采用感应式原理测量总功率，而是采用四路A/D转换器，分别对、、、采样，将它们转换成数字量，然后用软件按上式计算就能得到一时刻的总瞬时有功功率。假设在一个周期内分别对、、、四个交流电量均匀采样n个点(n为偶数)，那么在一个周期内的三相交流平均有功功率为 （1）将平均有功功率对时间积分就得到时间t内的有功电能。即 通过对我国电力电网谐波成分的分析后知道，8次以上谐波电压、电流所占比例很小。根 据采样定理，只要对电网电压、电流信号的每个周波均匀采样l6个点以上便能满足测量要求。 为了提高测量精度和满足含谐波分量较高的特殊电网的要求，将每个周波的采样点数确定为48个。 三相交流无功功率和无功电能的测 在三相三线制电路中，测量三相交流总无功功率，常用两表跨相法。 用表示A、B相间线电压的瞬时值，用表示B、C相间线电压的瞬时值，用、 分别表示A相负载、C相负载相电流的瞬时值，那么在某一时刻三相交流电路的总无功功率瞬时值为 根据基尔霍夫第二定律，有，假设对这四个交流电量的每个周波仍均匀采样n个点，那么在一个周期内的三相交流平均无功功率为 （2） 将(1)式与(2)式比较，可以看出，计算有功功率和无功功率都用到了、、、这四个交流电量，不同的是，在计算无功功率时，需要将线电压倒相。把电能表接入电网在线运行时，改动接线是不可能的。为了做到在硬件接线不动的情况下，既能测有功功率和有功电能，又能测无功功率和无功电能，只能用软件来解决。这里用数据移位法把A/D转换器采集的数字信号向前移半个周期，就实现了的倒相。因此，(2)式可改为 （3） 将Q对时间积分便得到某段时间内的无功电能，即 为了满足数据移位半个周期的要求，需要将线电压采集一个半周期，即采样72个点(每个周期采48个点)。这样处理后，计算有功功率和计算无功功率可共用一个功率计算子程序。当计算有功功率时，直接调用功率计算子程序按(1)式计算；当计算无功功率时，先将一个半周期的线电压采样队列向前移半个周期，然后调用功率计算子程序接(3)式计算。这样既简化了程序设计，又达到了一表多用的目的。这种用软件解决硬件难以解决或无法解决的问题的方法，叫硬件软化，是智能仪表设计中一种常用的方法。 3 系统硬件电路设计 主芯片 系统硬件框图如图1所示。本系统的主芯片采用性能价格比较高的准l6位单片机8098。 它内部含有一个17位的算术逻辑单元和相配合的256字节片内寄存器组，含有可编程的高速