CN104502686A - 一种三相电参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电参数检测方法，采用单片机，单片机设有电压、电流信号采集器、电能计量芯片，检测方法在对电压、电流信号进行处理时，在有功功率不变的前提下，针对被检测系统中的谐波的无功功率做出补偿，检测方法还采用拉普拉斯变换对三相电参数的A/D信号进行分析，并结合时域、复频域两方面的零点、极点分析，对电压、电流信号进行精确计算和采集，单片机采用基于Cortex-M3内核的STM32F103VET6芯片作为主芯片。本发明在不影响测量精度的前提下，兼顾系统运算速度的同时降低系统的成本，对系统中的谐波的无功功率做出补偿，科学采集和处理所获得的三相电参数。

Description

一种三相电参数检测方法

技术领域

本发明涉及电力检测技术领域，尤其是涉及一种三相电参数检测方法。

背景技术

现有技术中三相电参数的检测方法主要有以下几种：一是利用电压互感器和电流互感器收集三相电参数的电压和电流信号，然后将获得的小信号通过专用的电能计量芯片，计量芯片计算后将数据传输给单片机，单片机整合计算所得的数据并显示；二是将电压信号直接分压接入A/D芯片(模数转换芯片)，得出实时的电压数值，电流通过电流互感器将获得的数据通过电流-电压转换电路，再通过A/D芯片，得出实时电流数值，最后将所得的数据传输给单片机，单片机处理数据并显示；三是同样是利用电流互感器和电压互感器采集信号，然后将数据传输给DSP芯片(数字信号处理芯片)，直接进行数字处理；

上述三相电参数检测方法主要存在的问题有：一是由于三相电需要测量的参数众多，不使用专用电能计量芯片的话，系统软件中计算的部分会很复杂，而且计算的精度也有待商榷，使用专用电能计量芯片也存在计量芯片的计量准确度和计量误差的影响，以及对于计量芯片给出的数值如何正确利用的问题；二是相对于使用DSP芯片来计算，使用单片机的成本要低很多，但是普通单片机的计算速度难以满足要求；三是现有技术对三相电的研究都只是停留在简单读取电能芯片数值或是计算基波的有功功率，对系统的谐波没有足够的关注和处理；

谐波是指除了基本频率(50Hz)外的任何频率的周期性电压、电流信号，在电力系统中谐波的危害十分严重，谐波使电能的产生、传输和利用的效率降低，使设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁，谐波还会引起继电保护和自动装置误操作，使电能计量出现混乱，对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

发明内容

本发明是为了解决现有三相电参数检测方法存在的问题，提供一种在不影响测量精度的前提下，兼顾系统运算速度的同时降低系统的成本，对系统中的谐波的无功功率做出补偿，科学采集和处理参数的三相电参数检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三相电参数检测方法，采用单片机，单片机设有电压、电流信号采集器、电能计量芯片，所述的检测方法在对电压、电流信号进行处理时，在有功功率不变的前提下，针对被检测系统中的谐波的无功功率做出补偿，所述检测方法还采用拉普拉斯变换对三相电参数的A/D信号进行分析，并结合时域、复频域两方面的零点、极点分析，对电压、电流信号进行精确计算和采集。本方案的测量仪器具有常用的232通信接口供用户使用，也方便系统的调试；根据计算采集的参数获得系统的谐波无功功率，对检测结果进行补偿；本方案使用拉普拉斯变换的方法对三相电数的A/D信号进行分析，拉普拉斯变换是将时间函数变换为复变函数，或做相反变换，这时，时域变量t虽是实数，复频域函数中的变量s却是复数，从物理意义看，相对于傅里叶变换，拉普拉斯是将频率w变换为复频域s，w只能描述振荡的重复频率，而s不仅能给出重复频率，还可以表示振荡幅度的增长速度或衰减速率。

作为优选，所述的单片机采用基于Cortex-M3内核的STM32F103VET6芯片作为主芯片，所述的电能计量芯片设有功率偏移寄存器、温度寄存器、基波无功功率寄存器、温度偏移寄存器。本方案使用基于Cortex-M3内核STM32F103VET6高级芯片作为主芯片来计算测量三相电参数，由于该芯片高速、低功耗、结构简单等特点，摆脱了传统单片机电参数测量方法精度不够高，并行处理能力弱的问题，相对于DSP芯片的设计成本又较低，另外大大提高了运算速度；功率偏移寄存器：可以通过对功率偏移寄存器的写入修正系统的芯片的误差，使系统的测量值更加准确；温度寄存器：在读取数据的同时记录当时的温度值，根据不同的温度对仪器的测量数据进行不同的温度补偿，将补偿的数值写入温度偏移寄存器；基波无功功率寄存器：可以通过该寄存器的值间接得到谐波无功功率数值，进而分析系统的无功功率对系统的影响；温度偏移寄存器：通过对该寄存器的写入可以对系统随温度变化的现象进行必要的修正。

作为优选，所述的检测方法对被检测系统中的谐波的无功功率进行补偿包括：1)通过计算获得被检测系统的谐波无功功率，2)通过并联电容器进行无功补偿。一般待检测电力系统存在视在功率(S)、有功功率(P)、无功功率(Q)、系统基波无功功率(Q_b)，其中S、P、Q之间存在以下关系，可以用功率直角三角形来表示，两直角边分别为Q和P，斜边为S，S和P之间的夹角φ为功率因数角，它反映了该交流电路中电压和电流之间的相位差，本方案中，首先通过实时电压电流获得视在功率，在数值上是交流电路中电压和电流的乘积，然后读取系统的有功功率，通过功率三角形计算系统的无功功率，即Q²＝S²-P²，然后减去系统基波的无功功率，最后得到系统的谐波无功功率Q_x＝Q-Q_b；获得Q_x后，利用无功补偿的原理，通过并联电容器进行补偿，无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换，这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿；并联电容器安装容量的选择，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线路损失等因素来确定，按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确，为国内外所通用。

作为优选，所述的检测方法通过单位时间内多次读取电能计量芯片内参数值，求和后获取平均值。瞬时电流、电压、功率，这几个参数可以直接从电能计量芯片的寄存器中读取，由于是瞬时值，寄存器中数据会因为不同的采集速度而不同，为了精确起见，可以多次读取寄存器的数值，然后求和取平均，得到准确值。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)在不影响测量精度的前提下，兼顾系统运算速度的同时降低系统的成本；(2)对系统中的谐波的无功功率做出补偿；(3)科学采集和处理所获得的三相电参数。

附图说明

图1是本发明的一种原理示意图。

图2是本发明的功率三角形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

一种三相电参数检测方法，原理如图1所示，采用单片机，单片机设有电压、电流信号采集器、电能计量芯片，检测方法在对电压、电流信号进行处理时，在有功功率不变的前提下，针对被检测系统中的谐波的无功功率做出补偿，检测方法还采用拉普拉斯变换对三相电参数的A/D信号进行分析，并结合时域、复频域两方面的零点、极点分析，对电压、电流信号进行精确计算和采集，单片机采用基于Cortex-M3内核的STM32F103VET6芯片作为主芯片，电能计量芯片，采用CS5463，设有功率偏移寄存器、温度寄存器、基波无功功率寄存器、温度偏移寄存器，检测方法通过单位时间内多次读取电能计量芯片内参数值，求和后获取平均值，检测方法对被检测系统中的谐波的无功功率进行补偿包括：1)通过计算获得被检测系统的谐波无功功率，2)通过并联电容器进行无功补偿。

具体实施过程是，待检测系统的基波无功功率记为Q_b，单片机通过单位时间内多次读取电能计量芯片内参数值，通过对功率偏移寄存器、温度寄存器、基波无功功率寄存器、温度偏移寄存器的数值读取来修正系统的芯片的误差，使用拉普拉斯变换的方法对三相电数的A/D信号进行分析，使系统的测量值更加准确，求和后获取电流、电压、有功功率的平均值，分别记为I、U、P，然后分别计算视在功率S、无功功率Q，其中，S＝IxU，通过图2所示功率三角形可知Q²＝S²-P²，开方后得出无功功率Q数值，再计算待检测系统的谐波无功功率Q_x，Q_x＝Q-Q_b，获得Q_x后，利用无功补偿的原理，通过并联电容器进行补偿；

电容器安装容量的选择，利用上述所得Q_x，根据功率之间的向量关系，可以求出无功补偿容量Qc，计算公式如下所示，

式中，P——最大负荷月的平均有功功率，KW；

      tgφ1、tgφ2——补偿前后功率因数角的正切值；

      cosφ1、cosφ2——补偿前后功率因数值；

可利用查表法，查出每1KW有功功率、功率因数，改善前后所需补偿的容量，再乘以最大负荷的月平均有功功率，即可计算出所需要的无功补偿容量。

Claims (4)

1.一种三相电参数检测方法，采用单片机，单片机设有电压、电流信号采集器、电能计量芯片，其特征在于，所述的检测方法在对电压、电流信号进行处理时，在有功功率不变的前提下，针对被检测系统中的谐波的无功功率做出补偿，所述检测方法还采用拉普拉斯变换对三相电参数的A/D信号进行分析，并结合时域、复频域两方面的零点、极点分析，对电压、电流信号进行精确计算和采集。

2.根据权利要求1所述的一种三相电参数检测方法，其特征是，所述的单片机采用基于Cortex-M3内核的STM32F103VET6芯片作为主芯片，所述的电能计量芯片设有功率偏移寄存器、温度寄存器、基波无功功率寄存器、温度偏移寄存器。

3.根据权利要求1所述的一种三相电参数检测方法，其特征是，所述的检测方法对被检测系统中的谐波的无功功率进行补偿包括：1)通过计算获得被检测系统的谐波无功功率，2)通过并联电容器进行无功补偿。

4.根据权利要求1所述的一种三相电参数检测方法，其特征是，所述的检测方法通过单位时间内多次读取电能计量芯片内参数值，求和后获取平均值。