三相电功率的检测及其数据处理

1三相电功率的检测及其数据处理郑天翔邢博吴宝刚哈尔滨工业大学摘要：对三相负载运行过程电参量的精确检测是实施电能质量控制,提高能源利用率的重要环节。本文利用一种双向三相功率/电能集成电路芯片SA9904B，通过对其外围电路的设计，可以方便地实现对三相四线制负载线路的有功功率、无功功率、电压有效值和频率这4个参数值的测量,再利用单片机系统，经过数据的传输与处理，可以精确计算出有功当量、无功当量及功率因数值。该方法简单易行，又具有实用价值。关键词：三相电参数检测功率因数数据处理SA9904BDetectionandDataDisposalofThree-phasePowerZhengTianxiangXingBoWuBaogangAbstract：Thepreciselydetectiontoelectricparametersduringthethree-phaseloadrunningprocessisanimportantlinkaboutimposingenergyqualitycontrolandraisingutilizationofsource.Usingabi-directionthree-phasepower/energyintegratedcircuitchipSA9904Bandthroughthedesigningtheperipherycircuit，thepapercouldrealizeactivepower，reactivepower，voltagevirtualvalueandfrequencymeasuringofthree-phasefour-lineloadlines。ThenittransmitsanddisposedatausingMCUsystem。Atlast，itcouldfigureoutactivevalentweight，reactivevalentweightandpower-factor。Thismethodissimpleandfeasible,andithasutilityvalue。Keywords：three-phaseelectricparameterdetectionpower-factordatadisposalSA9904B1引言现如今，人们对三相电功率电参数检测的要求越来越迫切。究其原因，主要就是全球化的能源危机，使人们不得不想办法解决存在于身边的能源浪费问题。通过对三相交流电的检测，获得足够多的电参数信息，进而解决提高供用电的质量和效率问题[1]。在诸多的电参数当中，最受关注的是功率因数的检测。现在通常采用的检测方法，多是基于“过零检测”理论，利用过零检测芯片、反相器和一些与非门组成电路[2]。不仅设计器件多、电路复杂，且功能单一，不适合推广使用。本文旨在介绍一种利用双向三相功率/电能集成电路芯片SA9904B组成的检测电路，它能够测量三相四线制负载线路的有功功率、无功功率、电压有效值和频率4个参数，再利用PIC单片机系统，完成与SA9904B之间进行的数据传输以及测量参数的计算和处理。22三相电功率的检测2.1SA9904B的检测原理SA9904B采用20脚封装，为混合模数信号的CMOS集成电路。具有SPI通讯接口，能够与具有SPI口的单片机进行快速的数据交换。它的内部电路框图见图1。由图1可知，三相电压信号从IVP1，IVP2和IVP3进入芯片；三相电流信号通过IIP和IIN进入芯片。在内部通过电压、电流的A/D转换器将其变为数字信号，再通过微处理器的进一步处理得到有功功率、无功功率以及电压的有效值。内部的微处理器还具有过零检测的功能，能够测量出频率值。SA9904B将测得的数据保存在其内部的寄存器中。图1SA9904B功能框架图为了读取存在其内部的数据，必须通过DI口对SA9904B下命令字。SA9904B收到命令字后，将相应的数据从DO口传出。当然，这些操作必须在片选端CS端置高的情况下进行。2.2外围电路的计算图2是SA9904B的典型应用电路图。其中，比较重要的外接元件是电流检测电阻、电压检测电阻和相位补偿电容。其计算方法分述如下。图2典型应用电路图2.2.1电流检测电阻的计算SA9904B的额定电压/电流为230V/80A，在此，选用1∶2500的CT对电流进行变流。在额定电流内，输入到IIN1和IIP1的电流应为16μA。因此，需要使用一个分流电阻R25。另外，在芯片内部IIP1与IIN1的连接方式如图3所示。通过图示，可以看出IIP1与IIN1是等电势的，在电路计算时可认为是用一根导线相连。将这段电路简化后如图4所示。3图3IIPx与IINx的内部连接图4电流检测电阻的简化电路I=80/2500=32mAI1=16μA，因此可以认为I=I2=32mA。于是，由I2×R25=I1×(R1+R2)得：2122512IRRRI（1）这里，取R25=2.7Ω，那么R1=R2=2.7kΩ。同理，R3=R4=R5=R6=2.7kΩ。2.2.2电压检测电阻的计算在额定电流内，进入电压检测端IVP的电流应设置在14μA。图5是IVP内部的连接示意图。图中可以看出IVP的电势为0，可认为接地。电压检测电阻的简化电路如图6所示。图5IVP的内部连接示意图图6电压检测电阻的简化电路在额定状态下，V1到IVP1的电压降为230V，I3=14μA。取R8=1MΩ。因此，U1=I3×R8=14V。令：161922813||ABRRRRRRR由于(RA+RB)/230V=RB/14V，并取R13为24kΩ，因此：RB＝23.44Ω，RA=RB×(230V/14V-1)=361.6kΩ取R16，R19和R22为等值电阻，其阻值应为120kΩ。由于三个电压通道是一样的，所以有R14＝R15=R16=R17=R18=R19=R20=R21=R22=120kΩ。2.2.3相位补偿电容的计算相位补偿电容C3，C4，C5是为了补偿由电流互感器引起的电压电流的相位偏移而设置的。它的计算方法如下（Xc为电容的容抗，为相位偏4移误差，以=0.22o为例）tan8RXc（2）于是，nF820tanπ2185fRC同理，C3=C4=C5=820nF。3数据处理3.1单片机控制下的数据传输SA9904B中的串行外围接口总线（SPI）是单片机和SA9904B之间进行数据传输的同步总线，涉及到的管脚是DO，DI，SCK，CS。其中，DO和DI是串行通讯的数据输出与输入口；SCK用于同步单片机与SA9904B的数据通讯，时钟信号由单片机产生；CS为片选端，置高时允许数据传输。SA9904B的12个寄存器都有单独的地址，所以可随机寻址。其寻址命令是9位二进制数，前3位必须是110，以表示随后读入的是寄存器地址，详见表1。当CS置高时，命令通过DI口输入，在SCK上升沿有效。待SA9904B收到寻址命令后，寄存器的值从DO口发出，在SCK的下降沿有效。表1SA9904B寄存器地址表ID寄存器HeaderbitsA5A4A3A2A1A01A相P110XX00002A相Q110XX00013A相U110XX00104A相f110XX00115B相P110XX01006B相Q110XX01017B相U110XX01108B相f110XX01119C相P110XX100010C相Q110XX100111C相U110XX101012C相f110XX10113.2参数数据处理3.2.1直接测量出的参数的处理从有功功率和无功功率寄存器读出的数值并不是其真实值，而是一个累加的数值。所以为了确定寄存器的真实值，以前的值应该从当前值中减去。在额定情况下，它们以320k的频率计数，那么每隔52s，有功和无功功率寄存器就会自动清零一次。这一点在编程的时候要特别注意。从寄存器中读出的数值为24bit，需要经过公式转换成真实值。其中有功、无功功率的计算方法如下：320000RATEDRATEDVIW320000RATERATETIMEVINPINT（3）式中：W为计数器加一所增加的能量；VRATE为所测设备的额定电压；IRATE为所测设备的额定电流；N为两次读数间寄存器计数差；INTTIME为每两次读数之间的时间差。电压有效值的计算方法如下：3200003200005/700RATEVALUEUVV（4）式中：VRATE为所测设备的额定电压；VVAULE为电压计数器的读数。频率值的计算方法如下：f=fCRYSTAL/256/fVAULA（5）式中：fCRYSTAL为外部所用晶体振荡器的频率；fVAULA为频率寄存器中D9-D0的值。3.2.2功率因数cos的计算通常计算功率因数cos的方法是先计算出视在功率S，利用cosPS计算出来。其中，22SPQ。注意到P，Q均为3字节数，对其再平方和开方，对8位单片机来说困难很大。因此应该改变一种方法。由PQtan，2tan11cos可以看出，要是使用这种方法来计算功率因数，可以使计算得到简练。程序流程对比如下：经过对比可以看出，虽然第1种方法的步骤要少一些，但是位数相当大，处理的时间必然随之增加；而第2种方法完全利用3字节浮点数进行计算，子程序多已规格化，程序执行时间也不多[3]在实际测试实验中，得到了如表2所示的6组实验数据。图7两种功率因数计算方法的对比表2实验数据第1组第2组第3组第4组第5组第6组ABABABABABABU375377376378376377375377372374377378P585858176017597762326320600161056236619961776265Q408942123886401635323411387637833366351336653550cos0.820.810.840.830.870.880.840.850.880.870.860.87其中A为利用本系统测得的数据，B为利用误差小于±0.1%的功率表测得的标准值。由此表对比可见本系统与标准值的误差精度达到±0.5%，满足一般的使用要求。功率－时间曲线如6图8所示。图8有功功率随时间变化曲线4结束语利用PIC单片机控制SA9904B，可有效精确地检测三相电功率。我们制作的检测系统配置液晶显示器、时钟芯片与USB接口，实现了实时功率曲线的显示与数据存储。利用该系统，通过检测电网的实时功率因数值，可以实施电网功率因数的动态调节以及对电机运行过程电参量的检测与控制。整套系统的特点是功能实用、实现简单，而且精度也比较高。参考文献1周文华.无功补偿技术在配电网中的应用.电力自动化设备，2004,5：52-552宁玉杰，王育新.采集相位差角的新方法.仪器仪表学报，2002：1-33MiodragBolic.DistributedMeasurementandControlSystemBasedonMicroControllerswithAutomaticProgramGeneration.SensorsandAutuators,Belgrade,Yugaslavia,2001:215-2217