CN103389412B

CN103389412B - 一种小型发电机构成的电网电参数测量方法及装置

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Publication number: CN103389412B
Application number: CN201310333435.3A
Authority: CN
Inventors: 黄德晃; 杨与增; 潘凤; 吴琇塃
Original assignee: NINGDE XINGHUI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NINGDE XINGHUI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: CN103389412A

Abstract

本发明涉及一种小型发电机构成的电网电参数测量方法及装置，该方法的特征在于：提供一MCU；提供一频率采样电路与所述MCU连接；采用电流分流取样、电压分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调整到与被测信号量程范围相适应的检测信号给MCU的AD口；在MCU中经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。本发明解决了发电机在谐波大，波形畸变严重情况下的电网电参数的测量。不仅为发电机的仪表显示提供准确数据，且为发电机的电压自动控制（AVR)提供准确的电压电流取样数据。本发明电路简单，只有MUC、运放、阻容配件构成，成本低廉，具有显著的经济效益与社会效益。

Description

一种小型发电机构成的电网电参数测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电网电参数测量领域，特别是小型发电机构成的电网电参数测量方法。

背景技术

现有的电网参数测量是以电参数专用芯片、运放、比较器、电压互感器、电流互感器等组成电网综合参数的测量。其不仅成本高，而且电路复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电网电参数测量方法和装置，特别是为了解决小型发电机在谐波大、波形畸变严重情况下的交流电压、电流、频率、功率、功率因素的测量方法，本装置可測量完整的电参数数据，同时为发电机的电压自动控制（AVR)提供准确的电压电流取样数据。

本发明采用以下方案实现：一种电网电参数测量方法，其特征在于：提供一MCU；提供一频率采样电路与所述MCU连接；采用分流取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给MCU的AD1口；采用分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口；所述MCU将接收的数据经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。

在本发明一实施例中，所述的频率采样电路包括一交流输入端、电阻R11、电阻R12、电阻R13、二极管D1、二极管D2以及一输出端；所述的交流输入端经电阻R11、电阻R12、电阻R13与所述二极管D2的正极、二极管D1的负极连接；所述二极管D2的负极接VCC；二极管D1的正极接地；所述的输出端与所述二极管D2的正极连接。

在本发明一实施例中，所述电压计算是根据所述MCU配合所述频率采样电路测出的频率，作为定时器采样依据，连续4个周波128个点采样；将AD采样到的数组经数字滤波，并进行快速傅里叶变换；变换数组的模值即电压基波及各次谐波的有效值；具体算法如下：

VolAmplitude=sqrt(VolComplex[n].Real*VolComplex[n].Real+VolComplex[n].Imag*VolComplex[n].Imag);

Voltage = VolAmplitude/(FFT_N>>1);

其中：FFT_N：总共采样点数；Voltage：第n次谐波电压有效值；VolComplex[n].Real：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；VolComplex[n].Imag：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分。

在本发明一实施例中，所述电流计算是根据所述MCU配合所述频率采样电路测出的频率，作为定时器采样依据，连续4个周波128个点采样；将AD采样到的数组经数字滤波，并进行快速傅里叶变换；变换数组的模值即电流基波及各次谐波的有效值；具体算法如下：

CurAmplitude=sqrt(CurComplex[n].Real*CurComplex[n].Real+CurComplex[TAn].Imag*CurComplex[n].Imag); Current = CurAmplitude/(FFT_N>>1);

其中：FFT_N：总共采样点数；Current ：第n次谐波电流有效值；CurComplex[n].Real：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；CurComplex[n].Imag：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分。

在本发明一实施例中，所述功率因素即当前瞬时功率因数，具体算法如下：

VolAngle=atan2(VolComplex.Imag,VolComplex.Real); CurAngle=atan2(CurComplex.Imag,CurComplex.Real);

DeltaAngle=cos(VolAngle-CurAngle);其中VolAngle：电压的初始相位；CurAngle：电流的初始相位；DeltaAngle：电压电流的相差既当前瞬时功率因数。

在本发明一实施例中，所述有功功率为视在功率与功率因素的乘积；具体算法如下： Power=Voltage*Current*DeltaAngle；其中Power：有功功率。

在本发明一实施例中，所述的电流取样与电压取样电路采用单电源供电，所述Vcc是3.3V或5V。

在本发明一实施例中，所述 MCU的ADC是12位以上，采样速率是300K以上，具备32位浮点运算能力。

在本发明一实施例中，分流取样是采用非隔离康铜丝电阻分流取样。

本发明的另一目的是提供一种应用上述述小型发电机构成的电网电参数测量方法的装置，其特征在于：包括一MCU，所述的MCU连接有分流采样电路、分压采样电路以及频率采样电路；所述分流采样电路采用分流取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给MCU的AD1口；所述电压采样电路采用分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口；在所述MCU中经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。

本发明方法构思巧妙，适用于小型发电机构成的电网，其解决了发电机在谐波大，波形畸变严重情况下的交流电压、电流、频率、功率、功率因素的准确测量，不仅为发电机的仪表显示提供准确数据，且为发电机的电压自动控制（AVR)提供准确的电压电流取样数据。本发明电路简单，只有MUC、运放、阻容配件构成，成本低廉，具有显著的经济效益与社会效益。

附图说明

图1是本发明实施例电路原理框图。

图2是本发明实施例具体的电路连接示意图。

图3为频率采样电路AC输入波形图。

图4为频率采样电路输出的频率检测波形图。

图5是本发明实施例软件流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供一种电网电参数测量方法，其特征在于：提供一MCU；提供一频率采样电路与所述MCU连接；采用分流取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给MCU的AD1口；采用分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口；所述MCU将接收的数据经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。

具体的，请参见图2至图4所示，本实施例工作原理：

1.频率采样部份包含R10、R11、R12、D1、D2组成，它由电网经R10、R11、R12达到MCU的I/O口，较佳的可以采用外部中断INT口，D1、D2是实现电压过压部份的正负两端的钳位作用，以保护MCU的I/O不被打坏。即AC经过R10、R11、R12后，超过的高压和低压（0-Vcc）的部份被D1、D2钳位住，使之电平在0-Vcc之间变化，既能与MCU的I/O口匹配,又保护I/O口不会因为高压而被打坏。其中图3为AC输入波形图。图4为经过该频率采样电路输出的频率检测波形图。

2.电流采样采用非隔离康铜丝电阻分流取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给MCU的AD1口。

3.电压采样采用非隔离的电阻分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口。

值得一提的是，所述电流、电压采样电路可以使用单电源供电，Vcc可以是3.3V或者5V，更方便与MCU匹配就可以。本实施例中MCU要求在ADC精度12位以上，采样速率300K或更高，具备32位浮点运算能力，DSP芯片最佳。具体的软件数据处理流程框图请见图5。

为方便理解，下面对各部分采用的算法进行简单描述：

1）. 算法依据：利用离散化快速傅里叶变换，对采样到的数据进行处理；

傅里叶变换的公式为

展开式为：

其中：

；n=1,2,…

为电网的基波分量，其它各项为高次谐波。

2).离散化得：

；其中

展开后得：

3).离散化快速傅里叶变换程序实现：

int i,k,j=0;

int f; //蝶形级数计算临时参数

int m; //控制蝶形结构级数,表示第m级蝶形

int l; //l为蝶形级总数l=log（2）N

int le; //le蝶形结距离，即第m级蝶形的蝶形结相距le点

int lei; //同一蝶形结中参加运算的两点的距离

int ip; //表示参加蝶形运算的节点

_COMPLEX temp; //计算临时参数

_COMPLEX u; //蝶形结运算系数

_COMPLEX w; //系数商，即当前系数与前一个系数的商

/*变址运算，即把自然顺序变成倒位序，采用雷德算法*/

for(i=0; i<(N-1); i++) //实现奇偶分开排列

{

if(i<j) //如果i<j,即进行变址

{

temp = xin[j];

xin[j] = xin[i];

xin[i] = temp;

}

k = N>>1; //求j的下一个倒位序

while(k<=j) //如果k<=j,表示j的最高位为1

{

j = j-k; //把最高位变成0

k = k/2; //k/2，比较次高位，依次类推，逐个比较，直到某个位为0

}

j = j+k; //把0改为1

}

/*蝶形计算*/

{

f = N;

for(l=1; (f=f/2)!=1; l++); //计算l的值，即计算蝶形级数

for(m=1; m<=l; m++) //控制蝶形结级数

{ //m表示第m级蝶形，l为蝶形级总数l=log（2）N

le = 2<<(m-1); //le蝶形结距离，即第m级蝶形的蝶形结相距le点

lei = le/2; //同一蝶形结中参加运算的两点的距离

u.Real = 1.0; //u为蝶形结运算系数，初始值为1

u.Imag = 0.0;

//w.Real = cos(PI/lei); //效率低使用查表法计算sin值和cos值

//w.Imag = -sin(PI/lei);

w.Real = FFT_CosTab(PI/lei); //w为系数商，即当前系数与前一个系数的商

w.Imag = -FFT_SinTab(PI/lei);

for(j=0; j<=lei-1; j++) //控制计算不同种蝶形结，即计算系数不同的蝶形结

{

for(i=j; i<=(N-1); i=i+le) //控制同一蝶形结运算，即计算系数相同蝶形结

{

ip = i+lei; //i，ip分别表示参加蝶形运算的两个节点

temp = FFT_EE(xin[ip],u); //蝶形运算，详见公式

xin[ip].Real = xin[i].Real-temp.Real;

xin[ip].Imag = xin[i].Imag-temp.Imag;

xin[i].Real = xin[i].Real+temp.Real;

xin[i].Imag = xin[i].Imag+temp.Imag;

}

u = FFT_EE(u,w); //改变系数，进行下一个蝶形运算

}

4). 电参数测量

①、频率计算

采样一个完整周波的周期时间，测出当前实时频率。具体实现电路见图2。

②、电压计算

根据测出的频率，作为定时器采样依据，连续4个周波128个点采样。将AD采样到的数组经数字滤波，并进行快速傅里叶变换。变换数组的模值即电压基波及各次谐波的有效值。

具体算法如下：

Voltage = VolAmplitude/(FFT_N>>1);

FFT_N：总共采样点数（本函数使用128个点）

Voltage：第n次谐波电压有效值；

VolComplex[n].Real：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；

VolComplex[n].Imag：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分。

③、电流计算

电流有效值采样及处理方法与电压相同

具体算法如下：

FFT_N：总共采样点数（本函数使用128个点）

Current ：第n次谐波电流有效值；

CurComplex[n].Real：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；

CurComplex[n].Imag：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分。

④、功率因素计算

电压与电流的相差既当前瞬时功率因数；

具体算法如下：

DeltaAngle=cos(VolAngle-CurAngle);

VolAngle：电压的初始相位；

CurAngle：电流的初始相位；

DeltaAngle：电压电流的相差既当前瞬时功率因数。

⑤、功率计算

有功功率为视在功率与功率因素的乘积；

具体算法如下： Power=Voltage*Current*DeltaAngle;

Power：有功功率。

本发明另一实施例提供一种应用上述方法的装置，请参见图1和图2，该装置包括一MCU，所述的MCU连接有分流采样电路、分压采样电路以及频率采样电路；所述分流采样电路采用分流取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给MCU的AD1口；所述电压采样电路采用分压取样，经运放调理成过零点电位为Vcc/2的电压信号，其幅值范围调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口；在所述MCU中经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：提供一 MCU ；提供一频率采样电路与所述 MCU 连接；采用分流取样，经运放调理成过零点电位为 Vcc/2 的电压信号，其幅值调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给 MCU的 AD1 口；采用分压取样，经运放调理成过零点电位为 Vcc/2 的电压信号，其幅值调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给MCU的AD2口；所述MCU将接收的数据经FFT运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数；

所述的频率采样电路包括一交流输入端、电阻 R11、电阻 R12、电阻 R13、二极管 D1、二极管 D2 以及一输出端；所述的交流输入端经电阻R11、电阻R12、电阻R13与所述二极管D2的正极、二极管D1的负极连接；所述二极管D2的负极接VCC ；二极管D1的正极接地；所述的输出端与所述二极管 D2 的正极连接。

2.根据权利要求 1 所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述电压计算是根据所述MCU配合所述频率采样电路测出的频率，作为定时器采样依据，连续4个周波 128 个点采样；将 AD 采样到的数组经数字滤波，并进行快速傅里叶变换；变换数组的模值即电压基波及各次谐波的有效值；具体算法如下：

VolAmplitude=sqrt(VolComplex[n].Real*VolComplex[n].Real+VolComplex[n].Imag*VolComplex[n].Imag);Voltage = VolAmplitude/(FFT_N>>1);

其中：FFT_N ：总共采样点数；Voltage ：第 n 次谐波电压有效值；VolComplex[n].Real ：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；VolComplex[n].Imag ：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分；VolAmplitude：第 n 次谐波电压有效值计算的临时变量。

3.根据权利要求 1所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述电流计算是根据所述MCU配合所述频率采样电路测出的频率，作为定时器采样依据，连续4个周波 128 个点采样；将 AD 采样到的数组经数字滤波，并进行快速傅里叶变换；变换数组的模值即电流基波及各次谐波的有效值；具体算法如下：

其中：FFT_N ：总共采样点数；Current ：第n次谐波电流有效值；CurComplex[n].Real ：快速傅里叶变换后，第n个数组的实数部分；CurComplex[n].Imag ：快速傅里叶变换后，第n个数组的虚数部分；CurAmplitude：第 n 次谐波电流有效值计算的临时变量。

4.根据权利要求 1所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述功率因素即当前瞬时功率因数，其具体算法如下：

V o l A n g l e = a t a n 2 ( V o l C o m p l e x . I m a g , V o l C o mp l e x . R e a l ) ;

CurAngle=atan2(CurComplex.Imag,CurComplex.Real); DeltaAngle=cos(VolAngle-CurAngle); 其中 VolAngle ：电压的初始相位；CurAngle ：电流的初始相位；DeltaAngle ：电压电流的相差既当前瞬时功率因数；VolComplex.Imag：傅里叶变换后，电压一次谐波的虚部；VolComplex.Real：傅里叶变换后，电压一次谐波的实部；CurComplex.Imag：傅里叶变换后，电流一次谐波的虚部；CurComplex.Real：傅里叶变换后，电流一次谐波的实部。

5.根据权利要求 4 所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述有功功率为视在功率与功率因素的乘积；具体算法如下： Power=Voltage*Current*Delta Angle ；其中 Power ：有功功率；Voltage：电压一次谐波有效值；Current：电流一次谐波有效值；Delta Angle: 电压电流的相差既当前瞬时功率因数。

6.根据权利要求 1 所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：用于分流取样的分流采样电路以及用于分压取样的分压采样电路采用单电源供电，所述 Vcc是 3.3V 或 5V。

7.根据权利要求 1 所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述MCU 的 ADC 是 12 位以上，采样速率是 300K 以上，具备 32 位浮点运算能力。

8.根据权利要求 1 所述的小型发电机构成的电网电参数测量方法，其特征在于：所述分流取样是采用非隔离康铜丝电阻分流取样。

9.一种应用权利要求 1 所述小型发电机构成的电网电参数测量方法的装置，其特征在于：包括一MCU，所述的MCU连接有分流采样电路、分压采样电路以及频率采样电路；所述分流采样电路采用分流取样，经运放调理成过零点电位为 Vcc/2 的电压信号，其幅值调理到与被测电流量程范围相适应的检测信号给 MCU 的 AD1 口；所述分压采样电路采用分压取样，经运放调理成过零点电位为 Vcc/2 的电压信号，其幅值调理到与被测电压量程范围相适应的检测信号给 MCU 的 AD2 口；在所述 MCU 中经 FFT 运算，获得电网的频率、电压、电流、功率因素及有功功率参数。