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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。

uui设B相为公共相，表示A、B相间的线电压，表示C、B相间的线电压，表

示A相CBABA

i负载的相电流，表示C相负载的相电流，三相交流总有功功率瞬时值为C

P,ui，uiKABKAKCBKCK

uuiuiui上式中的、、、分别表示线电压、相电流、线电压、相电

CBCBKCKABKABAAK

i流的第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/DC

uiui转换器，分别对、、、采样，将它们转换成数字量，然后用软件按上式计

算就能CBCABA

uiPui得到一时刻的总瞬时有功功率。假设在一个周期内分别对、、、四个交

流电量CBCKABA

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

n,11P,ui，ui(1),ABKAKCBKCKnK,0

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

tA,Pdt,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，常用两表跨相法。90:

ui用u表示A、B相间线电压的瞬时值，用表示B、C相间线电压的瞬时值，用

i、BCKCKABKAK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

Q,ui，uiKABKCKBCKAK

u,u,u,,(u,u),,u根据基尔霍夫第二定律，有，假设对这四个交流电量的每

BCBCCBCB

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

n,11Q,ui，(,ui)(2),ABKCKCBKAKnK,0

ui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u、

i、、这CBCABA

u四个交流电量，不同的是，在计算无功功率时，需要将线电压倒相。把电能

表接入电网在CB

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uu的数字信号向前移半个周期，就实现了的倒相。因

此，(2)式可改为CBCB

n,11(3)Q,ui，(ui),ABKCKnAKCB,knK,02
将Q对时间积分便得到某段时