1．引言

功率因數是交流電路中的重要參數，是衡量電力系統是否經濟運行的一個重要指標，也是供電線路在線監測系統的重要檢測量，在功率因數補償系統中需對其進行實時測量。因此設計出結構簡單、檢測精度高的功率因數在線檢測電路十分必要。而功率因數的測量一般都要對被測電路的電壓、電流進行采樣，然后進行處理提取功率因數信號，通常由電壓、電流取樣電路、整形電路、同步周期測量、相位測量等組成，其缺點是結構較復雜，檢修困難，有時會出現功率因數的測量精度不高的問題 。為此，基于電壓采樣，經單片機軟件進行分析、計算可得出被測電路的功率因數，通過顯示電路顯示出功率因數的大小，并由通信接口電路將被測功率因數進行遠距離傳輸。這樣既簡化功率因數測量電路的結構，提高功率因數的測量精度，又增強了功率因數檢測電路的功能。

2．原理分析

通過對電壓的提取來檢測功率因數的原理如圖 1 （a）所示，首先采用 3個高精度的 WB系列數字式交流電壓真有效值傳感器分別對被測電路的電源電壓 U1、附加可調電阻 RP兩端電壓 U2及負載電壓 U3進行檢測。可調電阻 RP的作用是使附加電阻盡可能小，以減小對被測負載的影響，又可得到數值適當的電壓U2滿足功率因數計算的要求。由電路理論，可畫出電壓 U_1 、U_2 和U_3 的相量圖如圖 1(b)所示，則 COSφ即是被測負載的功率因數。

圖 1 電壓測量原理示意圖與電壓相量圖

根據幾何學中的余弦定理可得，

由式（ 2）可知，只要將電壓 U1、U2、U3經過運算后就可求出負載的功率因數 COS?。為減小測量電路的硬件開銷，數據的處理與計算由單片機軟件完成。

3．單片機輸入輸出電路設計

單片機輸入輸出電路主要是對傳感器檢測的電壓信號需要進行處理，主要包括信號轉換、計算、存儲及功率因數的顯示和數據傳輸。為此，我們設計出了以單片機及有關部件組成的電路如圖 2所示。

電壓傳感器完成對電壓的檢測，其中 1-3端用于檢測電源電壓 U1、1-2端用于檢測附加電阻電壓 U2、2-3端用于檢測負載電壓 U3。

單片機選用 PIC16F877單片機，該芯片是目前集成外圍設備模塊最多、功能最強的單片機系列之一 [4]。該單片機芯片帶有 8通道、10位分辨率的數模轉換器 ADC模塊，并具有 4K的 FLASH程序存儲器。RA端口是一個只有 6個引腳的雙向 I/O端口，它在基本輸入/輸出功能的基礎上復合了 A/D轉換器功能，通過端口方向控制器可定義端口引腳為輸入或輸出。RB、RC分別為具有 8個引腳的輸入/輸出可編程接口，每個I/O口能提供或吸收 20mA的電流，能直接驅動發光二極管和固態繼電器，并有看門狗電路。具有外部電路結構簡單，使用方便，性能可靠的特點。功率因數由單片機直接輸出通過 4位紅色高亮度數碼管，對功率因數進行顯示，顯示精度達到0.001。

3個檢測電壓經輸入接口 RA的 RA0、RA1、RA2管腳輸入給單片機，首先經 A/D轉換器將功率因數轉換成數字信號并進行保存，并將經轉換后的數據經 RC和 RB接口進行實時顯示。另外還可經過串行接口與監控系統實現通信，及時將線路的功率因數傳送給監控系統。目前常用的串行通信有兩種 [5]，一種為 RS-232串行通信，另一種為 RS-485串行通信。但由于 PIC16F877單片機串行輸入、輸出接口均為 TTL或 CMOS電平，而監控系統的 PC機通常為 RS-232規范的外部總線標準串行接口，并采用負邏輯，因而 PIC16F877單片機的串行輸入、輸出接口電平不匹配，需要進行轉換，這里采用 MAX232芯片來實現電平轉換的功能。MAX232芯片的外圍電路簡單，只需外接 4個 0.1μF電容即可。

4．軟件設計[6]

軟件主要任務是完成 A/D轉換、數據的運算、顯示和通信等，為方便起見，軟件編寫時采用模塊結構，主程序主要包括程序初始化、調用子程序、顯示等。

(1)A/D轉換子程序

該子程序主要是選擇 A/D輸入通道、選擇 A/D轉換時鐘；設置 A/D中斷，開放相應的中斷使能位；等待所需要的采樣時間；啟動A/D；等待 A/D完成；讀取 A/D轉換結果，并存入指定的存儲單元。

（2） 數字濾波子程序

為避免在工業現場產生的干擾噪聲對功率因數測量造成誤差，在軟件設計時增加了數字濾波。通常數字濾波方法有多種，這里采用了中值濾波法。即對電壓 U1、U2、U3連續采樣 5次，然后將這些采樣值進行排序并選取中間值。這種濾波方法對濾除脈沖性質的干擾比較有效。

（3）運算子程序

首先將經過數字濾波后的電壓 U1、U2、U3讀入，然后通過乘法指令完成平方運算，得到U12 、U22 、U32 ，再經減法運算、乘法和除法運算最后得到，即得到被測功率因數。

通信子程序的任務是完成串行通信的初始化。PIC16F877單片機帶有的同步異步接收發送模塊（USART），它是利用 C口的RC6、RC7兩個引腳作為二線制的串行通信接口，為使 USART分別工作與發送和接收狀態，編程時首先將 USART的接收狀態和控制寄存器的 bit 7和 TRISC寄存器的 bit 7均置為1，把 TRISC寄存器的 bit 6均置為0。其次，要使 USART工作在異步通信方式，還必須設置發送和接收速率即波特率。最后通過對發送狀態和控制寄存器 TXSTA的 bit 4設置為“0”，從而使 USART工作于異步通信模式。

5.試驗及結果分析

為驗證功率因數在線測量的精度，作者搭建了如圖 4所示的試驗平臺，圖中 COS?是準確等級為 0.2級的單相功率因數表。試驗時分別采用白熾燈、電風扇兩種不同負載作為測量對象進行了功率因數測量試驗，并將實驗結果與功率因數表的讀數進行比較。

圖 4 試驗電路示意圖圖中

S1為電源開關，S2為轉換開關，當 S2合在下邊位置時可得到功率因數表直接讀數；當 S2合在上邊位置時可得到在線測量電路的功率因數測量值,試驗結果與計算值如表 1所示。

由表 1可知，采用測量電路得到的測量值與功率因數表的讀數非常接近，說明該測量電路具有較好的測量精度。白熾燈為純電阻負載，而電風扇為電感性負載，試驗表明該功率因數測量電路具有較好通用性，既適用于電阻性負載也適用于感性負載。

5 結束語

基于電壓采樣來測量功率因數的方案，簡化了功率因數在線檢測電路的結構、降低了成本，提高了檢測精度。并且這種檢測功率因數的思路還具有很好的實用價值，因在實際中電壓表比功率因數表更為常見，當手頭沒有功率因數表的情況下，就可用電壓表測量相應的 3個電壓，通過公式（ 2）計算也可得到負載的功率因數，解決了無功率因數表就無法測量功率因數的困難，給功率因數的測量帶來了很大的方便。但該測量電路也存在不足之處，測量時需要串接一個附加可調電阻，因而測量顯得不太方便，另外還會影響負載的工作，因此在使用時應盡量使阻值調小些以得到適當的電壓為宜，通過試驗我們認為該電壓調到 10V左右即可，這樣既能滿足測量要求，又不至于對負載造成太大影響。