简易单相电能质量检测仪的研究

熊力 李伟迁 何勇康 潘长宁 钟春良

摘要：本研究以FFT运算法为基础的单相电能质量检测仪，实现对工频交流电各参量进行测量。系统由测频电路模块、极性转换模块、移相模块、A/D采样模块、单片机模块和显示模块组成。通过函数信号发生器产生1-5V输入信号，通过硬件电路模块处理后，利用单片机MSP430F5529进行256个点采样，将采到的数据进行FFT运算，得到输入信号的基波和各次谐波，通过对谐波的分析，从而得到所需的电能参数。

关键词：单相;电能质量检测仪;FFT算法;单片机MSP430F5529

引言

随着经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中谐波的影响就慢慢显露出来了[1-2]，越来越多的精密的、对电能质量敏感的用电设备被制造，同时由于计算机技术的日益普及，越来越多的由计算机系统的控制设备和电子装置不但对供电电能质量非常敏感，同时也使电能质量恶化[3-5]。本研究设计一个单相电能质量检测仪，通过对电能质量的检测了解电能质量的好坏，从而对电能质量进行调整，使其影响最小化。

1 方案设计与论证

根据测量的目的和基本要求，本设计系统由测频电路模块、极性转换模块、移相模块、A/D采样模块、单片机模块和显示模块6个模块组成，以单片机MSP430F5529为核心，通过对信号的捕获和多次AD采样，从硬件电路中获取所需的数据，然后进行FFT运算，进而得到电流、电压有效值，有功功率，无功功率，视在功率和功率因素，最后通过控制显示屏将这些数值显示出来。

1）极性转换电路

使用运放对信号进行缩放和平移，在运放的输入端加入所需的基准电压，从而将双极性信号转变为单极性信号。

2）频率的硬件测量

首先通过滞回比较器将信号变换成同频率的方波信号，单片机捕获方波信号的上升沿。单片机通过测量相邻两个中断间的时间间隔来求取电压信号周期，以此得到系统的频率值。

3）谐波分析

快速傅里叶算法分析谐波。快速傅里叶变换（FFT）是离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法。FFT 的主要思想是把 N 点的 DFT 分解成几个较短 DFT，再利用旋转因子  的对称性及周期性进行简化运算。它所需要的运算量约为 次复数乘法和为 次复数加法，它把DFT的计算速度提高了大约 倍。在当今社会，傅里叶变换作为信号分析方法已较成熟，特别是FFT的应用，很大程度的提高了信号处理的实时性。

2理论分析与计算

电能质量参数计算是本设计的重点，单片机采样的是离散的数据点，经过 FFT 变换后依然是离散的数据;而电压电流采样值都是实数，如果把虚部置零就无法得到电压和电流之间的相位关系，故本设计采用电压和电流构造复数，即 x（n）=u（n）+ji（n），然后再进行 FFT 变换。

1）电压电流的检测

3测试结果及分析

由数控电源给整个系统供电，输入信号通过函数信号发生器产生，输出的波形及移相后的波形等可通过示波器观察。为了方便测试，输入电压100～500V和输入电流10～50A转换成有对应1～5V电压，因此在读取示波器的数值时应乘100倍后再填入表格中。任意改变函数信号发生器上输出电压、电流的有效值，通过观测示波器上的数值与屏幕显示的数值计算准确度如表1和表2所示。

通过计算，电压有效值的相对误差为0.54%，电流有效值的测量误差为0.43%。

4总结

通过FFT算法求出交流电压的有效值、交流电流的有效值及频率，同时可得到有功功率、无功功率和视在功率;在硬件电路中制作了一个移相器，该移相器能够实现正负90度的移相;通过单片机对信号的采样并进行FFT运算，从而能够在显示屏上显示电压电流的曲线及相位差，同时可以求得电压电流各次谐波的含有率。

参考文献：

[1]  周慈航.单片机程序应用设计[M].北京：航空航天大学出版社，1991.

[2]  孙涵芳.MSC-51、96系列单片机原理及应用[M]. 北京：航空航天大学出版社，1992.

[3]  黄胜军.微型计算机控制应用实例集[M]. 北京：清华大学出版社，1987.

[4]  王建校.51系列單片机及C51程序设计[M].北京：科学出版社，2002.

[5]  黄玉容.单片机开发系统的设计与实现[J].公安大学学报（自然科学版），2001，（06）.

课题基金：（1）2018年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目“单相电能质量检测仪的设计与制作”（编号：201811535014）;（2）湖南省2019年普通高校创新创业教育基地：“智能电气创新创业教育基地”（湘教通〔2019〕333 号）。

作者简介：潘长宁（1976-），男，汉族，湖南娄底人，博士，副教授，研究方向：微电子器件。

（作者单位：湖南工业大学）