韩忠杰 王玲芝 陈欣 鲁曼君 / .陕西省计量科学研究院；.西安邮电大学

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中央处理模块。

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：

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。

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限制。原理图如图2 所示。

图2 电压电流整形电路

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。

图4 主程序流程

图5 调试结果

5 结语

本文基于AT89C51 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。