锁相技术在单片机无功功率测量中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.06.011 第17卷第6期 北京科技大学学报 Vol.17 No.6 195年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 锁相技术在单片机无功功率测量中的应用 谭晓莲 杨志坚 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要介绍提高采样精度的锁相环同步采样技术，该方法适用于电网有畸变及频率有波动 的电网测量，并提出了实现方案， 关键词采样，测量，锁相环(PLL) 中图分类号TN911.8 Application of PLL in Reactive Power Measurement Using Single-chip Microcomputer Tan Xiaolian Yang Zhijian College of Automation and Information Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT A measure method to increase the sampling precision is introduced.The method is PLL(phaselock loops)simultaneously sampling.This method is adapt to measure the electric current,voltage,power and so on in the fluctuated power network. An example has been provided. KEY WORDS sampling,measurement,phaselock loops 电力系统中传统的补偿方法是以功率因数作为参照标准进行补偿装置的投切控 制，这种补偿方式无法做到对电网无功分量的完全平衡，甚至在电网低负荷运行时，易 产生过补或欠补的投切振荡，它对电网产生频繁的冲击，不仅影响补偿装置的可靠性和 使用寿命，还影响到电网和用户设备的安全运行，近年来提出了以无功功率作为参照标 准进行无功全量程补偿.为实现这一方法，无功功率的测量则成为无功补偿控制中必须 研究的课题. 本文介绍采用锁相技术实现对电网电压及电流的同步采样，以提高用单片机进行无 功功率测量的精度， 1无功测量的原理 由于电力系统中非线性设备的使用，致使电压和电流的波形产生畸变，不论畸变程 度如何，波形总是周期信号，根据定义，其主要电参数为： 195-04-15收痛第一作者女32岁硕士工程师

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 望巧 年 月 。 匕 沈 。 旦延巧 锁相 技 术在 单 片机无 功 功率测 量 中的应用 谭 晓莲 杨 志坚 北 京 科 技 大 学 自动 化 信 息 工 程 学 院 ， 北 京 】 摘要 介 绍 提 高采 样 精 度 的锁 相 环 同步 采 样 技 术 ， 该 方 法 适 用 于 电 网 有 畸 变 及 频 率 有 波 动 的 电 网 测 量 ， 并 提 出 了 实 现 方 案 关键 词 采 样 ， 测 量 ， 锁 相 环 中图分 类号 一 ， ， ， 毗 记 ， ， ， ， 电 力 系 统 中 传 统 的 补 偿 方 法 是 以 功 率 因 数 作 为 参 照 标 准 进 行 补 偿 装 置 的 投 切 控 制 ， 这 种 补 偿 方 式 无 法 做 到 对 电 网 无 功 分 量 的 完 全 平 衡 ， 甚 至 在 电 网低 负荷 运 行 时 ， 易 产 生 过 补 或 欠 补 的投 切 振 荡 它 对 电 网 产 生 频 繁 的 冲击 ， 不 仅 影 响补偿装 置 的 可 靠 性 和 使 用 寿命 ， 还 影 响 到 电 网 和 用 户 设 备 的安 全 运 行 近 年 来 提 出 了 以 无 功 功 率 作 为 参 照 标 准 进 行 无 功 全 量 程 补 偿 为 实 现 这 一 方 法 ， 无 功 功 率 的 测 量 则 成 为 无 功 补 偿 控 制 中 必 须 研 究 的课 题 本 文 介 绍 采 用 锁 相 技 术 实 现 对 电 网 电压 及 电 流 的 同步 采 样 ， 以 提 高 用 单 片 机 进 行 无 功 功 率 测量 的精 度 无 功测 量 的原 理 由于 电力 系 统 中非 线性 设 备 的使 用 ， 致 使 电压 和 电流 的波 形 产 生 畸 变 ， 不 论 畸 变 程 度 如 何 ， 波 形 总是 周 期 信 号 根 据 定 义 ， 其 主要 电参数 为 卯 一 以一 巧 收搞 第一作者 女 岁 硕士 工 程 师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．06．011

·548· 北京科技大学学报 1995年No.6 电压有效值： T U=[(1/T)u2(t)dt]2 (1) 电流有效值： 1=(1/To)d (2) 平均功率： 7 P=I(1/T(u()×i)d2 (3) 利用数字采样技术进行信号处理时，需要将模拟信号的连续量进行离散化处理，这 需满足如下条件： 条件1：采样频率￡必须满足香农采样定理，即≥2·，：采样频率；m：信号中的 最高频率分量， 条件2：NT,=MT,即N个采样点总保持落在被测信号周期上；T:被测信号的周期； T:采样间隔；N:采样点数；M:采样周期数· 换句话说当每周期采样点数N大于被离散的信号最高谐波次数L的两倍以及信号周期 T恰是采样周期T,的整数倍时，可用下面(4)~(6)式代替上面各式，即： U=1/N)∑w2(2N≥2L+1 (4) I=[(1/N)∑(n)2 N≥L.+L,+I (5) P=[(1/N)∑u(n)×i(n)】 N≥Lu+L+1 (6) 式中L,和L,分别为电压和电流信号的最高谐波次数，应注意上面各式都是基于等间隔采样· 由式(4)~(6)式得： 2=(UP-P)in (7) 由式(7)式可知，通过电压、电流的采样处理就可以得到无功功率· 为了实现上面(4)~(6)式数字采样处理，本文介绍采用锁相技术进行同步采样的方法. 2 锁相原理 锁相就是相位同步的自动控制，完成两个电信号相位同步的自动控制系统称为锁相 环（简称PLL)· 由图1可见，锁相环由3个基本单元构成：相位比较器 4() (LPF u) PC、电压控制振荡器VCO、低通滤波器LPF. () 施加于相位比较器有两个信号：输人信号u(t)压 VCO 控振荡器输出信号uo(t)相位比较器输出信号u(t),经 图1锁相环原理框图 低通滤波器后得到一个平均电压“。().这个电压控制 振荡器的频率变化，使输入与输出信号的频率之差不断减小，直到差值为零，此时即是 锁定.当锁定后，VCO能使其输出信号的频率跟随输人信号频率变化·

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 电压 有 效 值 一 【 开 亡 〕 电 流 有 效 值 ，一 韭轰 〕 】 平均 功 率 尸一 。 介 一 利 用 数 字 采 样 技 术 进 行 信 号 处 理 时 ， 需 要 将 模 拟 信 号 的 连 续 量 进 行 离 散 化 处 理 ， 这 需 满 足 如 下 条 件 条 件 采 样 频 率 丈必 须 满 足 香 农 采 样 定 理 ， 即 孺 ， 方 采 样 频 率 信 号 中 的 最 高频 率 分 量 条 件 二 ， 即 个 采 样 点 总 保 持 落 在 被 测 信 号 周 期 上 被 测 信 号 的 周 期 采 样 间 隔 采 样 点 数 采 样 周 期 数 换 句 话 说 当每 周 期 采 样点数 大 于 被离散 的信号最 高谐波次数 的两倍 以 及信 号周 期 恰 是 采 样 周 期 、 的 整 数 倍 时 ， 可 用 下 面 一 式 代 替 上 面 各 式 ， 即 艺 ，， 。 艺 ， ‘厂， 。 一 艺 。 式 中 。 和 ， 分别 为 电压 和 电流信号 的最 高谐波次数 ， 应注意上面各式都是基于 等 间隔采样 由式 一 式 得 ，厂一 ，‘， 由式 式 可 知 ， 通 过 电 压 、 电流 的 采 样 处理 就 可 以 得 到 无 功 功 率 为了实 现上 面 一 式数字采样处理 ， 本文介 绍采用锁相 技 术 进行 同步采样 的方 法 锁相 原 理 锁 相 就 是 相 位 同步 的 自动 控 制 ， 环 简称 完 成 两 个 电信 号 相 位 同步 的 自动 控 制 系 统 称 为 锁 相 由图 可 见 ， 锁 相 环 由 个基 本单元 构成 相 位 比较 器 、 电压 控 制 振 荡 器 、 低 通 滤 波 器 施 加 于 相 位 比较 器 有 两 个 信 号 输 人 信 号 以 压 控振 荡 器 输 出信 号 “ 。 心 相 位 比较 器 输 出 信 号 “ 。 心 经 低 通 滤 波 器 后 得 到 一 个 平 均 电 压 这 个 电 压 控 制 卫迎牛 叫 不万工兰全甘雨薛华鲤 户 二‘ 二二 二二二 二一 ， 丛四不而 图 锁 相 环 原 理 框 图 振荡 器 的频率 变 化 ， 使 输 人 与 输 出信 号的 频 率 之 差 不 断 减 小 ， 直 到 差 值 为 零 ， 此 时 即 是 锁 定 当锁 定 后 ， 能 使 其 输 出信 号 的 频 率 跟 随输 人 信 号 频 率 变 化

Vol.17 No.6 谭晓莲等：锁相技术在单片机无功功率测量中的应用 549. 3锁相环在无功测量中的应用 31系统原理 采样系统原理框图见图2 4051 8031 INTI S/H 品 CP LM311 4046 2 转换 4520 图2采样系统原理框图 S/H:采样保持器，以保证电压.电流同步采样；4051：多路模拟开关；AD574:12位AD转换器； 8031:8位单片机；LM311:电压比较器；4046：锁相环；4520：4位二进制计数器. 图中上半部分为单片机系统，下半部分为同步采 样环节，其目的是在电压或电流波形畸变及频率波 动时，能保持采样精度，该电路能跟踪系统频率变 化并输出与输入频率同步的N倍频方波信号 (6=N),经电平转换及整形电路输出一系列窄 “门口门门卫以 脉冲，作为单片机的中断信号INT1,以确保在1个 周期内均匀同步采样N点，D触发器的作用是保证 4,L 每周期采样都是在信号过零点开始，参见图3.· 图中4：为需采样的信号频率为的电压；u,的 频率为2；u,为倍频器的输出电压，其频率为N后P 为单片机I/O口输出的信号（用软件控制启动采 M 样)；“为整形后1个周期中N个采样脉冲，并作 N热中 为8031的INT1输人信号. 图3采样波形图

〕 谭 晓莲等 锁相 技术在 单片机无功功率测 量 中 的应用 锁相环在无 功测量 中的应用 系 统 原 理 采 样 系 统 原 理 框 图 见 图 阵 爪 一 些 劝 口 · 只 只 口 门口 口口 门 口 口 与 非 门 图 采 样 系 统 原 理框图 采 样保 持器 ， 以 保 证 电压 、 电流 同 步 采 样 多路 模拟 开 关 位 转 换 器 位 单 片机 电压 比较 器 锁 相 环 位 二 进 制 计 数 器 图 中上 半 部 分 为 单 片 机 系 统 ， 下 半 部 分 为 同 步 采 · 一 ， 样 环 节 ， 其 目 的 是 在 电 压 或 电 流 波 形 畸 变 及 频 率 波 动 时 ， 能 保 持 采 样 精 度 该 电 路 能 跟 踪 系 统 频 率 变 化 并 输 出 与 输 人 频 率 同 步 的 倍 频 方 波 信 号 二 叮 ， 经 电 平 转 换 及 整 形 电路 输 出 一 系 列 窄 脉 冲 ， 作 为 单 片 机 的 中 断 信 号 ， 以 确 保 在 个 周 期 内均 匀 同 步 采 样 点 触 发 器 的 作 用 是 保 证 每周 期 采 样 都 是 在 信 号 过 零 点 开 始 ， 参见 图 二 图 中 ‘ 为 需 采 样 的 信 号 频 率 为 的 电 压 的 频 率 为 柔 为倍频 器 的输 出 电压 ， 其 频 率 为 无 尸 为 单 片 机 口 输 出 的 信 号 用 软 件 控 制 启 动 采 样 为 整 形 后 个 周 期 中 个 采 样 脉 冲 ， 并 作 为 的 输 人 信号 一 卜一门 卜一 一川卜 一－ 司 ， 卜， 曰 门 一， 上一 ， 通一 二 一上 止目 一土 止 一 上一 工二 一 一 一 卜一一 川一共 图 采 样 波 形 图

·550· 北京科技大学学报 1995年No.6 3.2CMOS锁相环4046 锁相环4046包含1个异或门比较器PC I和1个边沿触发式数字比较器PCⅡ.使 4067 LPF 用PCI时要求两输人信号占空比为50% 的方波，用两信号的相位差的变化，可以得到 随占空比变化的电压.捕捉范围fR与锁定 PCI VCD 范围R之间的关系为：2f=(Iπ2πR/RC2. 相位比较器PCⅡ是边沿触发数字式比 1/N 较器，它是比较两个信号前沿（上跳边沿）使 452m 用PCⅡ可以使两信号的、和o的相 位严格同步，不要求波形的占空比是50%， 图4倍频器框图 其锁定范围等于捕捉范围即fR=cR. LPF:低通滤波器；VCO:压控振荡器； PCⅡ：比较器Ⅱ；4520：计数器作分频器 3.3用4046与4520构成倍频器 倍频器见图4. 将分频器接在VCO输出和比较器输入之间，当锁定时，分频器输出信号的频率与 锁相环输入信号频率相等，即，=N,或=N不 分频器采用4520四位二进制同步加法器，参见图5. a b 4520B 1CLD K 16 CP hhhhu 2 VDD 15 it D14 CR- 4p. D,3 5D, D,12 6D D Q C 0 8 0 VSS CLDCK e.- 图54520B芯片(a)及各端工作波形图() 由波形图可以看出： 6.=(1/2)fcm6,=(1/4)6p6,=(1/8)6p6,=(1/16)p 若将6脚与9脚联接起来则有如下关系： f1=(1/32)pf=(1/64)Epf=(1/128)6f4=(1/256)Ep 故4520可以来作为从二分频到256分频的分频器. 图6所示为32分频器与4046构成的倍频器，用来实现每周期32点的采样控制

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 锁 相 环 锁 相 环 包 含 个 异 或 门 比 较 器 工 和 个 边 沿 触 发 式 数 字 比 较 器 使 用 时 要 求 两 输 人 信 号 占 空 比 为 的方 波 ， 用 两 信 号 的相 位 差 的变 化 ， 可 以 得 到 随 占 空 比 变 化 的 电 压 捕 捉 范 围 与 锁 定 范 围 之 间的关 系 为 汉不卫 加 认 ’ 相 位 比较 器 是 边 沿 触 发 数 字 式 比 较 器 ， 它 是 比 较 两 个 信 号 前 沿 上 跳 边 沿 使 用 可 以 使 两 信 号 的 不 、 和 知 的 相 位 严 格 同 步 ， 不 要 求 波 形 的 占 空 比 是 ， 其 锁 定 范 围 等 于 捕 捉 范 围 即 五 二 日二 用引润场 与 构成倍频器 图 倍 频 器框 图 低 通 滤 波 器 压 控 振 荡 器 且 比较器 计 数 器 作 分 频 器 倍 频 器 见 图 将 分 频 器 接 在 输 出和 比 较 器 输 人 之 间 ， 当锁 定 时 ， 分 频 器 输 出 信 号 的 频 率 与 锁 相 环 输 入 信 号 频 率 相 等 ， 即 关二 刀 ， 或 无 弄 分 频 器 采 用 四 位 二 进 制 同步 加 法 器 ， 参 见 图 一 · 一 叨 一 ， 一 厂 一 · 一 ， 。 · 诱〔 飞以二 一几 ‘ 几 ’ 飞 毛 …门，工工工丁丁丁工 卜川 卜日 卜日卜日 卜卜卜卜日日 图 芯 片 及 各 端 工 作 波 形 图 由波 形 图可 以 看 出 龙 。 二 ， 龙一 关 ， 无 夯 无 夯 若将 脚 与 脚 联 接 起 来 则 有 如 下 关 系 关 【 羌 尸 关 关 尸 关 羌 尸 关 美 ， 故 可 以 来 作 为从 二 分 频 到 分 频 的分 频 器 图 所 示 为 分 频 器 与 构 成 的 倍 频 器 ， 用来 实 现 每 周 期 点 的 采 样 控 制

Vol.17 No.6 谭晓莲等：锁相技术在单片机无功功率测量中的应用 .551· 经调试和参数整定，32倍频电路锁相范围为40Hz~60Hz. +15VR,R,C, 几U几 16129 整形电路 14 4846 6 586711 =32( R +15Vr o 4520B 0 图632分频器框图 4结论 利用锁相技术可以实现在电网电压及电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样.每 个周波的采样点数可根据需要选择，本线路最多选择256个点，可达到很高的精度，跟 踪采样对以无功功率为参照标准的无功补偿提供了有效的检测手段，实践证明这种方 法是可行的. 参考文献 1何立民.MS-51系列单片机应用系统设计.北京：航空航天大学出版社，1990.54~90 2沈尚贤等.电子技术导论（下）·北京：高教出版社，1986.131~134 3 Elham B Makram,Degan B Haines,Adly A Girgis.Effect of Harmonic Distortion in Rective Power Measurement.IEE Transactions on Industry Application,1992,28(4):564~579

谭 晓莲等 锁相 技术在单片机无功功率测 量 中的应用 经 调 试 和 参 数整 定 ， 倍 频 电路 锁 相 范 围 为 一 整 形 电 路 · 月吕叹 · ，” 么写 图 分 频器 框 图 结论 利 用 锁 相 技 术 可 以 实 现 在 电 网 电 压 及 电 流 波 形 发 生 畸 变 时 进 行 同 步 跟 踪 采 样 每 个 周 波 的采样 点 数 可 根 据需 要 选 择 本 线 路 最 多 选 择 个 点 ， 可 达 到 很 高 的 精 度 跟 踪 采 样 对 以 无 功 功 率 为参照 标 准 的 无 功 补 偿 提 供 了 有 效 的 检 测 手 段 ， 实 践 证 明 这 种 方 法 是 可 行 的 参 考 文 献 何立 民 〔 一 系列单片机应用 系 统设计 北 京 航空 航 天大 学 出版社 ， 明 另 一 叩 沈 尚贤等 电子技术 导论 下 北京 高教 出版社 ， 一 ， 欣粉 ， 吮少 忱 沈 二 二 爬叮犯口 庄泪 璐 汤 ， 卯 ， 剐 一