电网功率因数监测模拟装置
韩忠杰1 王玲芝2 陈欣1 鲁曼君1 / 1.陕西省计量科学研究院；2.西安邮电大学
摘 要 设计了一种电网功率因数模拟监测装置。该装置以ATC51单片机为核心，通过采集交流电流电压波形之间的相位差来得到电路功率因数。首先对被测电路的电压、电流进行采样，通过整流电路将正弦波信号转化为方波信号，再将两方波信号送入双D触发器中，输出得到一路整合的方波，然后检测出一个周期内该方波的上升沿与下降沿，同时启动定时器计数，那么上升沿与下降沿之间定时器的计数值经过换算即可得到电压与电流的相位差，最后利用单片机计算出功率因数。实践表明该方案测量方便，结果可靠，易于实现。关键词 功率因数；相位差
0 引言
功率因数是电力系统中的重要参数，是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，也是供电系统检测电力系统高质量运作的重要参考量。在电力系统管理、运行过程中，对功率因数进行实时、准确的测量是非常必要的，从而为电网电能质量的治理和改善提供了依据，对进一步确保电力系统的安全、经济及稳定运行有着重大意义。本文介绍了通过采集交流电流电压波形之间的相位差来得到电路功率因数的检测方法，并对该测量原理作了具体的说明。该方法易于实现，具有测量误差小、速度快、操作简便等优点。
本设计包含了电压电流采集整流模块，相位差检测模块、功率因数计算模块以及液晶显示模块。其中，功率因数计算模块为处理模块。
式中：Fk —— 单片机时钟频率； N —— 两路信号整合后方波在一个周期内高电平时计数器的值；
T —— 整合信号的周期
该方案原理容易理解，便于实现，且与已掌握的知识相关度高，结合紧密。
系统整体模块如图1所示。
1 系统的设计
由于主要通过测量电压电流的相位差从而得到功率因数，所以首先利用电压互感器和电流互感器获得电压较低的交流电流信号，经过由OP07、运算放大器LM358以及74LS04构成的整形电路，把正弦波信号变换为TTL方波脉冲。再将两路TTL脉冲送入74LS74双D触发器，整合得到新的方波，通过计算整合方波的占空比，进而通过单片机换算出相位差。
得到相位差后，功率因数即为：
图1 系统模块
2 硬件设计
为实现相位差的检测，需要将从电网采集过来的正弦波信号转换成方波信号。电压电流波形整形模块主要实现电压电流采集以及波形转换。通过电压、电流互感器将来自电网的电压成比例地减小到适用于OP07和LM358的工作电压范围内，再通过
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该芯片将正弦波转换成同频同相的两路方波信号U，I。二极管IN4018对电压电流幅值进行。原理图如图2所示。
得到方波信号之后，根据设计方案，使用74LS74双D触发器将由LM358整流的电压与电流
的方波形合并成一个方波，然后经过单片机计算。将合成方波在一个周期内高电平持续的时间换算成相位即为相位差。进而得到功率因数，显示在液晶1602上。具体接线图如图3所示。
图2 电压电流整形电路
图3 整体电路
3 软件设计
软件部分设计时采用了模块化设计的思想，将整体程序化简为主程序部分、子程序部分，子程序内又分为各个功能模块。由于计算相差是通过合成方波在一个周期内高电平时所用时间占整个周期所用时间的比例进行相角换算，所以系统开始初始化，当定时计数器检测到第一个上升沿时，开
始计时，到下一个下降沿时停止计数，具体流程图如图4所示。
4 调试结果
根据仿真图，将实物进行焊接、调试，被测电路由电阻和电感组成，把该测量装置加到被测电路中，得到被测电路的频率为50 Hz，功率因数为0.99，最终结果为图5所示。
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图4 主程序流程
The power factor monitoring device design
Han Zhongjie1，Wang Lingzhi，Chen Xin1，
Lu Manjun1
（1.Shaanxi Institute of Metrology Science；2.Xi`an
University of Posts & Telecommunications）
图5 调试结果
5 结语
本文基于ATC51单片机，设计了一款简易方便的功率因数模拟监测装置。装置的设计包括四个模块，分别为电压电流整流模块、相位采集模块、功率因数测量模块、液晶显示模块。首先通过Protues和Protel仿真软件进行了电路仿真，然后通过调试，效果良好，说明所设计的模拟装置可以用来监测电网的功率因数，达到了设计的目的。参考文献
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Abstract: ATC51 single-chip microcomputer as the core has been introduced in this paper, through the acquisition of the phase difference between the alternating current voltage waveform for circuit power factor. Including the design of system hardware and software. Firstly, sampling the voltage and current of the circuit under test, through the rectifier circuit sine wave signal is converted into square wave signal, and then two square wave signals to the double D flip-flop and get integration all the way of square wave output, in a cycle detection rise along with the falling edge of the square wave, start the timer count at the same time, in this way, the timer count between rising and falling after conversion can get the phase difference of voltage and current, and then using the single chip microcomputer to calculate the power factor. Practice shows that the scheme measurement is convenient, the result is reliable, easy to implement.
Key words: power factor; phase difference
（上接第8页）
Abstract: There is currently no calibration specification for the tuning fork densitometer, and a calibration method for the tuning fork densitometer is proposed. U-vibration tube densitometer is used as the traceability standard.By calibrating the solution density value,the nominal value is compared with the instrument value to form a complete calibration chain, and a calibration device for the tuning fork densitometer is established. Repeatability experiments were carried out on the tuning fork densitometer in the density range of (0.8-1.5) g/cm3, and the influence of
temperature characteristics on the calibration process was analyzed. The experimental results show that the nominal value is basically consistent with the indicated value, and the maximum deviation is ±0.001 2 g/cm3, which provides a practical and feasible method for the calibration of such instruments.
Key words: tuning fork densitometer; resonant frequency; density measurement; calibration method
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