抗干扰功率因子测量装置

功率因子是衡量电气设备的一个重要参数，提高设备功率因子可以改善供电质量、减少用电损耗。传统功率因子测量主要基于两种办法：电压与电流相位差法；有功功率与视在功率之间的三角形关系法。但工业应用场景下电网环境通常很复杂，谐波干扰很容易影响相位差法的测量，功率三角形关系法虽然具有一定抗干扰性能，但不能给出功率因子的正负，都存在一定的缺点。

本文设计了一种抗干扰功率因数测量装置能很好地解决这些问题。系统通过构建差分结构抗干扰电路提高数据采集的精准性，并使用高速ARM处理器实现抗干扰相关检测算法，得到了较好结果。使用泰克TBS2104示波器对设计进行了验证分析，借助该示波器强大的自动测量功能验证了设计结果。为下一步实现新型小型化电力参数测量模块打下了基础。

一、引言

传统功率因子测量法通常有两种。相位差方法是对交流电网中的电压和电流进行过零检测，计算出电压和电流之间的相位差，相位角余弦cosφ即是功率因数[1]。此测量法适用于比较干净的电网。若电网中存在非线性元件或非线性负载，就会导致电网上产生许多非线性谐波，使电网正弦电压波、电流波发生畸变，对功率因数的测量结果产生很大影响[2]。

功率测量法是通过测量视在功率和有功功率利用功率三角形关系测得功率因数，功率因数cosφ=P/S但此方法并不能判断电路是感性还是容性[3]。本文提出的基于互相关的功率因数测量装置，利用互相关信号处理有效地消除干扰获得较为准确的测量值，并能判断出电路感性或者容性。

二、互相关信号处理计算信号时延

市电采用正弦输电，因此网中的电压和电流都具有正弦波特性，因此可以使用互相关来评估它们之间的关系。对两个连续的相关信号x(t)和y(t)，它们的互相关可以表达为：

其中τ是时延。如图2.1所示，相关信号x(t)和y(t)进行互相关计算，仅当两个信号在时间轴上正好相对时，互相关函数将出现一个最大波峰，此时对应的τ值则为x(t)和y(t)的时延差。时延差可转化为相位差，从而可以计算出功率因子。

对上述信号进行离散化得x(n)和y(n)，它们的互相关表达式可以为：

其中n是时延，式中同频相关、不同频不相关。通过互相关测量可以有效提取出同频信号相关参数抑制了谐波干扰，因此基于互相关时延测量的抗干扰能力很强[4]。

三、功率因数测量实现

图3.1中通过互感器分别对负载工作电压和电流进行电磁隔离采集。通过对称电路设计，将互感器得到得的信号转换为差分输出，进而有效地消除了共轭干扰，提高了数据精度。

互感器输出的差分电压信号分别加到MCU的ADC1~ADC4端口，MCU对四路信号进行同时刻采集。图中R18、R23、R24构成电压采集直流偏移电路，R21、R25、R26构成电流采集直流偏移电路，使信号可以配接MCU输入。系统实现结构框图和实物如图3.2 图3.3所示。

系统工作时，某时刻通过A=(ADC1-ADC2)计算出当前时刻的电压值B=(ADC3-ADC4)计算出电流值。这里电压信号序列u(N)和电流信号序列i(N)频率相同，电压和电流的互相关函数可以定义为：

式3.1描述了u(N)和i(N)在任意两个不同时刻之间的相互匹配程度[5]。通过互相关分析两个信号峰值之间的时间差，即可得出电压和电流信号的相位差。MCU通过FFT进行互相关运算找出幅值最大的点，此时两个信号的相关性最好，相关性最好的点对应的数组下标可得到时延的下标差，当时延差T值被测定后，功率因数角φ根据公式φ=0.02/360*T求得。通过算出时延差T的正负可判断当前所测的功率因数是超前还是滞后。系统程序设计如图3.4所示。

四、验证测试

搭建一个以电机及电容器组作为负载的测试平台，使用泰克TBS2104B高速数字示波器、优利德UT230C计量插座、直流稳压电源等仪器组成的系统进行验证，图4.1所示。泰克TBS2104B是4通道示波器，具有高达2G采样率和5M点储存深度，强大测量功能可以给出非常高的相位差测量结果，其自动相位差测量如图4.2所示，数据准确而直观。实验中使用交流电机、电容器组、白炽灯进行并联组合构成不同特性的负载，在不同组态情况下分别用数字示波器、计量插座、本文所述测量装置进行对比测试，其结果如表4.1所示。

表4.1  功率因子测量实验数据

五、结论

本文阐述了一种基于互相关算法的功率因子测量装置，通过实验对比验证了设计的有效性，提高了测量性能。不过由于引入了互相关计算，增加了计算的复杂度，带来了功耗和成本的增加，但在很多场合下为获得较高测量性能这点代价是值得的。