三相有功电能与无功电能测量

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，并简要说明了提高系统可靠性的一些措施。

关键词：单片机；电能测量；有功电能；无功电能

1、引言

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。

2、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。

2.1 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，AB u 表示A 、B 相间的线电压，CB u 表示C 、B 相间的线电压，A i 表示A 相负载的相电流，C i 表示C 相负载的相电流，三相交流总有功功率瞬时值为

CK CBK AK ABK K i u i u P +=

上式中的 A B K u 、AK i 、CBK u 、CK i 分别表示线电压AB u 、相电流A i 、线电压CB u 、相电流C i 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AB u 、A i 、CB u 、C i 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K P 。假设在一个周期内分别对AB u 、A i 、CB u 、C i 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

1n K CK CBK AK ABK i u i u n P （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

⎰=t

Pdt A 0 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。

2.2 三相交流无功功率和无功电能的测量

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︒90法。

用ABK u 表示A 、B 相间线电压的瞬时值，用BCK u 表示B 、C 相间线电压的瞬时值，用AK i 、CK i 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

AK BCK CK ABK K i u i u Q +=

根据基尔霍夫第二定律，有CB B C C B BC u u u u u u -=--=-=)(，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

)(11

∑-=-+=n K AK CBK CK ABK i u i u n Q （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AB u 、A i 、CB u 、C i 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CB u 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CB u 数字信号向前移半个周期，就实现了CB u 的倒相。因此，(2)式可改为

)(11

02

∑-=-+=n K AK k n CB CK ABK i u i u n Q （3） 将Q 对时间积分便得到某段时间内的无功电能，即

⎰=t

Qdt N 0 为了满足数据移位半个周期的要求，需要将线电压CB u 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CB u 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

3.1 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 输入单元HSI 、可编程的高速输出单元HSO 、四路A/D 转换器、全双工串行口等。其内部数据总线为l6位，外部数据总线为8位。它既有16位单片机强有力的运算功能，又有8位单片机接口简单的优点，非常适合于智能检测和智能控制。

3.2 内存储器

8098单片机片内不含程序存储器，我们在片外扩展了一片EPROM27C128作程序存储器，用它存放全部的计算程序和控制程序。系统要求输入的参数和计算的结果在断电时能长期保存，为此，选用28642PROM E 作数据存储器。28642

PROM E 综合了EPROM 和静态RAM 的优点。它既能按字节在线进行电改写，快速读出，又能在断电情况下长期保存信息。

3.3 A/D 转换部分

本系统有四个模拟输入信号：两个线电压和两个相电流。线电压AB u 、CB u 经电压互感器分压变成0～5V 交流电压，相电流A i 和C i 经电流互感器分流和电流电压转换也变成0～5V 交流