基于51系列單片機的電能質(zhì)量監(jiān)測仿真

洪 曦，胡 驊

(浙江海洋學院電氣與電子信息工程系，浙江舟山316022)

0 引言

近年，在國家政策的推動下，用戶側(cè)的可再生能源發(fā)電應用正逐步快速增加。由于原有配電網(wǎng)絡的規(guī)劃和運行并沒有考慮到這種情況，因此，當配電網(wǎng)絡中有大量分布式發(fā)電接入時，會給電能質(zhì)量、供電可靠性等帶來一系列影響。目前電能質(zhì)量監(jiān)測主要集中在電網(wǎng)供電側(cè)，若將目前的電能質(zhì)量監(jiān)測方案擴展到用戶側(cè)，則會導致投資過高;同時，高精度、大容量的電能質(zhì)量監(jiān)測以及諸如電壓閃變、間諧波等指標對于一般用戶而言沒有意義。對于家庭或小微企業(yè)用戶而言，影響其用電質(zhì)量的主要因素為電壓偏移和電壓波動，電壓偏移較大時會影響用戶設備的正常運行和使用壽命，而電壓波動則對照明設備的影響較大[1]。為了能夠以較高的性價比實現(xiàn)對供電電壓偏移和波動的檢測，本文開發(fā)了基于FFT算法和51系列單片機的電能質(zhì)量監(jiān)測模塊。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測模塊

為了便于家庭或小微企業(yè)用戶安裝，電能質(zhì)量監(jiān)測模塊應考慮安裝在配電箱內(nèi)，模塊電源可從電網(wǎng)經(jīng)變換后獲取。如圖1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過降壓變壓器后得到輸出為5V交流電，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號被單片機接收，進行數(shù)據(jù)的計算和分析[2]。同時，降壓后的電壓經(jīng)整流穩(wěn)壓之后，分別用于A/D轉(zhuǎn)換器和單片機供電。單片機計算得出的電壓波動和電壓偏移的百分量和各次諧波的有效值數(shù)據(jù)都會被傳輸?shù)揭壕э@示屏上顯示，以便于觀測?？紤]到用戶側(cè)的數(shù)據(jù)存儲，電能質(zhì)量監(jiān)測模塊也會配備大小約為64M的SD卡(可以儲存約為700萬個波形)，電壓波動和電壓偏移的百分量會與國家標準范圍進行比對，如果超過規(guī)定范圍，系統(tǒng)將會通過指示燈進行報警。

圖1 硬件電路設計框圖

圖2 仿真原理流程框圖

圖2中的單片機，其功能主要體現(xiàn)在用快速傅里葉算法對供電電壓進行傅里葉分解，分解出來的基波分量用于電能質(zhì)量的計算[3]。

2 快速傅里葉算法的實現(xiàn)

快速傅里葉算法(FFT)在信號分析和測量方面應用廣泛。該算法通過對N為2的整數(shù)冪時間序列x(n)的逐次分解而得到[4]。圖3所示計算流圖描述了這種快速計算。

圖3 8點DIT-FFT運算流圖

設圖中每個周期采樣8點，因此整個運算中的長度，也是流圖中的點數(shù)N=8，而N=2M=23，其中M是算法的運算級數(shù)(對應分析結(jié)果的最高諧波次數(shù))。采樣輸入序列要按序號進行二進制逆序排序，如 A(1)的序號二進制碼是001，顛倒之后為100，也就是4，則A(1)的位置放的是x(4)，而A(0)的序號0的二進制碼是000，排序后x(0)還是放在第 0 位[5]。

圖3中的每一個相交的黑點都代表進行了一次蝶形運算，每個蝶形都需要乘以相應的旋轉(zhuǎn)因子來完成計算。算法說明如下。

各級對應的旋轉(zhuǎn)因子公式為

其中，a=cos(2π/N)，b=-sin(2π/N)。

第一級第一個蝶形運算為

第一級第二個蝶形運算為

第二級第一個蝶形運算

蝶形算法中，相同的一級上，每個蝶形的兩個輸入數(shù)據(jù)只對計算本蝶形有用，而且每個蝶形的輸入、輸出數(shù)據(jù)節(jié)點又在同一條水平線上。在進行了3級的蝶形變換之后，再將A3(0)～A3(7)經(jīng)過簡單計算，所得的值分別是分解出的基波和1、3次諧波的有效值。基波有效值為

本設計中，為了使計算數(shù)據(jù)更加精確，每個周期的數(shù)據(jù)采集為64個點。這樣會有6級的運算級數(shù)，計算結(jié)果會產(chǎn)生基波和1～32次諧波的數(shù)值。分析電壓數(shù)據(jù)時，只要選取相應的數(shù)值即可。

電壓波動是指電網(wǎng)電壓有效值(方均根)的連續(xù)快速變動。計算公式為

其中，Ux(1)和Ux－1(1)分別是基波的兩個相鄰周期有效值，UN為額定電壓。

電壓偏移又稱電壓偏差，是指網(wǎng)絡的實際電壓與額定電壓的數(shù)值之差。其公式為

3 軟件的實現(xiàn)

本設計基于Proteus平臺的仿真測試，單片機1用來模擬發(fā)送從220V電壓提取后并經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。單片機2完成電壓波形數(shù)據(jù)的接收和計算。當單片機2的初始化以后，就會向單片機1發(fā)送一個信號，單片機1接收到這個信號以后就會向單片機2串口傳送一個周期的波形數(shù)據(jù)。單片機2在接收這組數(shù)據(jù)之后，就開始對這組數(shù)據(jù)進行處理和計算。此間單片機1不會再向單片機2發(fā)送電壓波形數(shù)據(jù)，直到單片機2處理完接收這組數(shù)據(jù)后再向單片機1發(fā)出一個允許接收的信號。

單片機2先會對電壓數(shù)據(jù)變換成復數(shù)形式，進行快速傅里葉變換算法來分析電壓諧波。諧波數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，再將分解出來的基波進行電壓波動和電壓偏移的計算，并且把最后的計算數(shù)據(jù)在液晶上面顯示出來。

圖4 諧波分析與電壓偏移、電壓波動計算流程

4 仿真分析

仿真測試基于Proteus平臺，考慮到真實供電電壓中通常含有高次諧波，模擬的供電電壓由基波和高次諧波疊加而成，如表1所示。由于偶次諧波和11次諧波之后的的數(shù)量級較小，仿真時高次諧波只考慮 3、5、7、9、11 次諧波。

表1 模擬供電電壓各次諧波分量有效值

在仿真過程中，由于沒有實際操作誤差，可以較全面地分析理論誤差。取少量由快速傅里葉變換算法分解后的諧波數(shù)據(jù)和標準數(shù)值進行對比，可以看出誤差基本可以控制在10-3數(shù)量級見表2。

按照圖1所示的硬件電路框圖，電能質(zhì)量監(jiān)測模塊成本分析如表3。

表2 測算誤差分析

表3 成本分析

5 結(jié)語

配電網(wǎng)中分布式發(fā)電的大量應用給用戶供電的電能質(zhì)量帶來影響，本文選擇直接影響家庭或小微企業(yè)用戶用電的電壓偏移和電壓波動指標，開展了基于51系列單片機的監(jiān)測模塊的設計，開發(fā)了基于FFT的電壓偏移和電壓波動檢測算法，Proteus平臺仿真及成本分析表明，該模塊可用較低成本完成對家庭或小微企業(yè)用戶電能質(zhì)量的監(jiān)測。

[1]Roger C.Dugan等著，歐陽森譯.電力系統(tǒng)電能質(zhì)量[M].北京:電子工業(yè)出版社.2013

[2]樓然苗等.51系列單片機原理及設計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社.2010

[3]陳樹勇等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J]，北京:電網(wǎng)技術(shù).2009，33(8):1～7

[4]李紅等.傅里葉電力系統(tǒng)諧波檢測方法綜述[J]，北京:現(xiàn)代電力.2004，21(4):39 ～44

[5]祈才君等.應用插值FFT算法精確估計電網(wǎng)諧波參數(shù)[J]，杭州:浙江大學學報.2003，37(1):113 ～115