抗干擾功率因子測量裝置

功率因子是衡量電氣設備的一個重要參數，提高設備功率因子可以改善供電質量、減少用電損耗。傳統功率因子測量主要基于兩種辦法：電壓與電流相位差法；有功功率與視在功率之間的三角形關系法。但工業應用場景下電網環境通常很復雜，諧波干擾很容易影響相位差法的測量，功率三角形關系法雖然具有一定抗干擾性能，但不能給出功率因子的正負，都存在一定的缺點。

本文設計了一種抗干擾功率因數測量裝置能很好地解決這些問題。系統通過構建差分結構抗干擾電路提高數據采集的精準性，并使用高速ARM處理器實現抗干擾相關檢測算法，得到了較好結果。使用泰克TBS2104示波器對設計進行了驗證分析，借助該示波器強大的自動測量功能驗證了設計結果。為下一步實現新型小型化電力參數測量模塊打下了基礎。

一、引言

傳統功率因子測量法通常有兩種。相位差方法是對交流電網中的電壓和電流進行過零檢測，計算出電壓和電流之間的相位差，相位角余弦cosφ即是功率因數[1]。此測量法適用于比較干凈的電網。若電網中存在非線性元件或非線性負載，就會導致電網上產生許多非線性諧波，使電網正弦電壓波、電流波發生畸變，對功率因數的測量結果產生很大影響[2]。

功率測量法是通過測量視在功率和有功功率利用功率三角形關系測得功率因數，功率因數cosφ=P/S但此方法并不能判斷電路是感性還是容性[3]。本文提出的基于互相關的功率因數測量裝置，利用互相關信號處理有效地消除干擾獲得較為準確的測量值，并能判斷出電路感性或者容性。

二、互相關信號處理計算信號時延

市電采用正弦輸電，因此網中的電壓和電流都具有正弦波特性，因此可以使用互相關來評估它們之間的關系。對兩個連續的相關信號x(t)和y(t)，它們的互相關可以表達為：

其中τ是時延。如圖2.1所示，相關信號x(t)和y(t)進行互相關計算，僅當兩個信號在時間軸上正好相對時，互相關函數將出現一個最大波峰，此時對應的τ值則為x(t)和y(t)的時延差。時延差可轉化為相位差，從而可以計算出功率因子。

對上述信號進行離散化得x(n)和y(n)，它們的互相關表達式可以為：

其中n是時延，式中同頻相關、不同頻不相關。通過互相關測量可以有效提取出同頻信號相關參數抑制了諧波干擾，因此基于互相關時延測量的抗干擾能力很強[4]。

三、功率因數測量實現

圖3.1中通過互感器分別對負載工作電壓和電流進行電磁隔離采集。通過對稱電路設計，將互感器得到得的信號轉換為差分輸出，進而有效地消除了共軛干擾，提高了數據精度。

互感器輸出的差分電壓信號分別加到MCU的ADC1~ADC4端口，MCU對四路信號進行同時刻采集。圖中R18、R23、R24構成電壓采集直流偏移電路，R21、R25、R26構成電流采集直流偏移電路，使信號可以配接MCU輸入。系統實現結構框圖和實物如圖3.2 圖3.3所示。

系統工作時，某時刻通過A=(ADC1-ADC2)計算出當前時刻的電壓值B=(ADC3-ADC4)計算出電流值。這里電壓信號序列u(N)和電流信號序列i(N)頻率相同，電壓和電流的互相關函數可以定義為：

式3.1描述了u(N)和i(N)在任意兩個不同時刻之間的相互匹配程度[5]。通過互相關分析兩個信號峰值之間的時間差，即可得出電壓和電流信號的相位差。MCU通過FFT進行互相關運算找出幅值最大的點，此時兩個信號的相關性最好，相關性最好的點對應的數組下標可得到時延的下標差，當時延差T值被測定后，功率因數角φ根據公式φ=0.02/360*T求得。通過算出時延差T的正負可判斷當前所測的功率因數是超前還是滯后。系統程序設計如圖3.4所示。

四、驗證測試

搭建一個以電機及電容器組作為負載的測試平臺，使用泰克TBS2104B高速數字示波器、優利德UT230C計量插座、直流穩壓電源等儀器組成的系統進行驗證，圖4.1所示。泰克TBS2104B是4通道示波器，具有高達2G采樣率和5M點儲存深度，強大測量功能可以給出非常高的相位差測量結果，其自動相位差測量如圖4.2所示，數據準確而直觀。實驗中使用交流電機、電容器組、白熾燈進行并聯組合構成不同特性的負載，在不同組態情況下分別用數字示波器、計量插座、本文所述測量裝置進行對比測試，其結果如表4.1所示。

表4.1  功率因子測量實驗數據

五、結論

本文闡述了一種基于互相關算法的功率因子測量裝置，通過實驗對比驗證了設計的有效性，提高了測量性能。不過由于引入了互相關計算，增加了計算的復雜度，帶來了功耗和成本的增加，但在很多場合下為獲得較高測量性能這點代價是值得的。