CN101995514A - 一种无功功率的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无功功率的测量装置及方法，属于电力自动化领域的电能测量技术。采用正交载波调制原理设计了包括正交载波发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器在内的测量装置，用以测量电力信号的无功功率，由于本发明装置利用了载波的正交性以及运算的对称性，克服了现有测量技术易受工作频率不稳定、信号中包含谐波等因素对测量精度的影响；同时，采用了数字信号处理技术进行计算，既保证了本发明装置的测量精确度，又降低了该测量装置的制造成本，有利于本测量装置的推广使用。

Description

一种无功功率的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电力自动化领域的电能测量技术，尤其涉及一种无功功率的测量装置及方法。

背景技术

在计量电能时，需要精确测量的电功率包括有功功率、无功功率和视在功率。

其中，有功功率又叫平均功率，即瞬时功率在一个周期内的平均值，是指电路中纯电阻部分消耗的功率，单位是W(瓦)或kW(千瓦)。其物理意义为将电能转换为其他形式能量(如机械能、光能或热能等)的那部分电功率。

无功功率的定义比较抽象，在具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期内的一段时间内从电源吸收能量，另一段时间内将能量返回电源，能量在电源和电感或电容之间来回交换，其能量交换率的最大值叫做无功功率。但表现在整个周期内平均功率为零，也就是没有能量消耗。无功功率的单位为：VAR(乏)或kVAR(千乏)。

视在功率等于网络端口处电压有效值与电流有效值的乘积，单位是VA(伏安)或kVA(千伏安)。有功功率和无功功率的平方和再开平方就得到视在功率。

电力部门一般按照有功功率向用户收费。因此电能计量首先要精确测量有功功率，这方面已有发展多年的成熟技术，在此不再赘述。但测量无功功率也有着现实意义。在实际运行的电网中，纯电阻设备是不存在的，许多用电设备都是利用电磁感应原理进行工作的，如变压器、电动机等，它们都依赖各自建立的交变磁场才能完成能量的转换或传递从而进行工作。为建立交变磁场和感应磁通就需要用到无功功率，可见，所谓无功功率的“无功|”并不是无用的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能等而已。忽视无功功率，将会对供电和用电产生一定的不良影响，主要表现在：(1)降低发电机有功功率的输出；(2)降低输、变电设备的供电能力；(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥等

随着经济发展和居民生活水平的不断提高，大量的附带有电感性元件的用电器，如异步电动机、感应电炉、空调或冰箱等逐渐成为耗电大户，因此也会消耗大量无功功率，对电网的供电质量和供电设备造成损害。电力供应部门对于无功功率的测量也越来越重视，但现有的几种无功功率测量技术要么测量精度不足、要么无法测量谐波无功功率，要么就是测量性能好但其实现成本过高，不利于推广使用，因此，长期以来均缺乏对无功功率能够精确测量且实现成本低廉的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无功功率的测量装置及方法，能够实现低成本、高精度的无功功率的测量，以利于推广使用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无功功率的测量装置，包括第三乘法器和第三低通滤波器，所述测量装置还包括正交载波发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器以及第二低通滤波器；其中，

所述正交载波发生器用于产生一对幅度恒定、频率相同、相位差为90°的第一载波信号和第二载波信号；

所述第一乘法器，用于对原始电压信号及所述第一载波信号进行混频；

所述第二乘法器，用于对原始电流信号及所述第二载波信号进行混频；

所述第一低通滤波器，用于滤除所述第一乘法器输出信号中的上边带部分，得到第一下边带信号；

所述第二低通滤波器，用于滤除所述第二乘法器输出信号中的上边带部分，得到第二下边带信号；以及，

所述第三乘法器，用于将所述第一下边带信号和第二下边带信号进行相乘运算，得到乘积信号；

所述第三低通滤波器，用于滤除所述乘积信号中的交流信号。

其中，所述正交载波发生器为模拟电路构成。

所述正交载波发生器为数字电路构成。

所述第一低通滤波器、第二低通滤波器为无限冲激响应IIR滤波器，或有限冲激响应FIR滤波器。

一种无功功率的测量方法，所述测量方法包括：

A、利用正交载波发生器产生的第一载波信号与原始电压信号通过第一乘法器相乘进行混频得到第一混频信号；利用正交载波发生器产生的第二载波信号与原始电流信号通过第二乘法器相乘进行混频得到第二混频信号；

B、将所述第一混频信号通过第一低通滤波器滤除上边带部分，得到第一下边带信号；将所述第二混频信号通过第二低通滤波器滤除上边带部分，得到第二下边带信号；

C、将所述第一下边带信号与第二下边带信号通过第三乘法器相乘，得到乘积信号，然后将所述乘积信号通过第三低通滤波器滤除交流信号。

本发明所提供的无功功率的测量装置及方法，具有以下优点：

本发明的无功功率测量装置，采用正交载波发生器及配合第一、第二乘法器即可实现对电压及电流信号进行正交混频的作用，通过利用载波的正交性以及运算的对称性，从而克服了现有技术中对信号进行

移处理时易受工作频率变化以及包含谐波分量等因素所造成的测量结果准确度下降的缺陷，确保了运算过程中信号的对称性和严格的正交性，从而提高了本测量装置的精确度。另外，本发明装置采用常用的部件，降低了测量设备的制造成本，由于本发明方法还采用了数字信号处理技术对计算过程进行运算，进一步保证了测量结果的准确度。

附图说明

图1为现有用于测量无功功率的常见装置的原理示意图；

图2为本发明测量无功功率的装置原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。

图1为现有用于测量无功功率的常见装置的原理示意图，无功功率按照定义，其表述如下：假设电压信号为U*Cos(Wt+φu)、电流信号为I*Cos(Wt+φi)，则无功功率等于0.5*U*I*Sin(θ)，其中θ＝φu-φi。

如图1所示，电流信号(节点1)经90°移相器后到达节点2，节点2的电流信号与电压信号(节点3)相乘，得到乘积为节点4的信号，节点4的信号再经低通滤波器滤波处理后，剩余的直流信号，即节点5处得到的信号即为无功功率。

以下为图1中各节点处所对应的电信号的表达式：

节点1＝I*Cos(Wt+φi)，//原始电流信号

节点2＝I*Cos(Wt+φi+90°)；//原始电流信号经过90°移相器后的信号

节点3＝U*Cos(Wt+φu)；//原始电压信号

节点4＝U*Cos(Wt+φu)*I*Cos(Wt+φi+90°)

＝0.5*U*I*Cos(φu-φi-90°)+0.5*U*I*Cos(2*Wt+φu+φi+90°)

＝0.5*U*I*Cos(θ-90°)+0.5*U*I*Cos(2*Wt+φu+φi+90°)；

//所述原始电压信号与经过90°移相器后的电流信号相乘的结果

节点5＝0.5*U*I*Cos(θ-90°)＝0.5*U*I*Sin(θ)；

//节点4输出的信号经过低通滤波器滤波处理后，得到无功功率。

这里，所述90°移相器既可在节点1处的电流信号这一路进行正90°移相，还可以在节点3处的电压信号这一路进行负90°移相。

以上无功功率计算方案中，90°移相器的设计及实现是一个难点，目前常见的移相器设计有如下几种方法：

1)延时法：采用延时电路延时T/4(T为信号周期)即可实现90°移相，但只能针对某一恒定工作频率有效，如50Hz或60Hz，一旦工作频率和预设值不完全一致或者存在谐波分量，则这种方法无效。

2)低通滤波法：采用一个性能特定的低通滤波器，可以实现在工作频率附近一个小范围内近似移相90°。

该方法被广泛采用，但缺点是精确度不够，移相数值和滤波器增益会随频率变化而不同，在工作频率变化或有谐波分量时精确度大大下降。

3)希尔伯特法：采用一个希尔伯特滤波器可以实现在宽带范围内精确移相90°。

该方法是已知的性能最好的方法，无论工作频率漂移或存在谐波分量都不影响测量精确度。但缺点是实现一个高性能的希尔伯特滤波器成本过高。

图2为本发明测量无功功率的装置原理示意图，如图2所示，本发明的装置采用正交载波调制原理进行设计，以实现无功功率的测量。该装置包括第一乘法器3、第二乘法器4、第三乘法器14，第一低通滤波器7、第二低通滤波器8、第三低通滤波器16以及一个正交载波发生器12。

其中，正交载波发生器12，用以产生一对幅度恒定、频率相同、相位差为90°的第一载波信号11和第二载波信号13。

第一低通滤波器7、第二低通滤波器8，用于滤除被处理电信号中的上边带部分；第三低通滤波器16，用于滤除电信号中的交流成份。

参考图2，原始电压信号1与所述第一载波信号11通过第一乘法器3相乘(即进行正交混频)得到第一混频信号即电信号5，原始电流信号2与所述第二载波信号13通过第二乘法器4相乘(即进行正交混频)得到第二混频信号即电信号6；所述第一载波信号11和第二载波信号13为同幅同频正交载波信号。第一路混频的结果即电信号5通过第一低通滤波器7滤除频谱上边带部分，保留频谱下边带部分即得到第一下边带信号9；第二路混频的结果即电信号6通过第一低通滤波器8滤除频谱上边带部分，保留频谱下边带部分即得到第二下边带信号10；将所述第一下边带信号9和第二下边带信号10通过第三乘法器14相乘得到乘积信号15，然后再通过第三低通滤波器16滤除交流信号后得到的直流信号17即为无功功率。

顺便值得一提的是，上述两路正交载波信号可以互换使用，其结果不影响无功功率的数值大小，只影响无功功率的正负号。

假设原始电压信号1的表达式为U*Cos(Wt+φu)，原始电流信号2的表达式为I*Cos(Wt+φi)。正交载波发生器12输出的一对正交载波信号，即第一载波信号11为：Cos(Vt)，第二载波信号13为Sin(Vt)。以下为上述测量过程的具体步骤和每个节点信号的数学表达式：

节点1＝U*Cos(Wt+φu)；

节点2＝I*Cos(Wt+φi)；

节点11＝Cos(Vt)；

节点13＝Sin(Vt)；

节点5＝U*Cos(Wt+φι)*Cos(Vt)

＝0.5*U*Cos((W+V)t+φu)+0.5*U*Cos((W-V)t+φu)；

节点6＝I*Cos(Wt+φi)*Sin(Vt)

＝0.5*I*Sin((W+V)t+φi)-0.5*I*Sin((W-V)t+φi)；

节点9＝0.5*U*Cos((W-V)t+φu)；//节点9处的信号为节点5信号经过第一低通滤波器7滤去上边带后剩余的第一下边带信号9

节点10＝-0.5*I*Sin((W-V)t+φi)；//节点10处的信号为节点6信号经过第二低通滤波器8滤去上边带后剩余的第二下边带信号10

节点15＝-0.5*U*Cos((W-V)t+φu)*0.5*I*Sin((W-V)t+φi)

＝-0.25*Sin(2*(W-V)t+φu+φi))+0.25*U*I*Sin(φu-φi)；//节点9处的第一下边带信号9与节点10处的第二下边带信号10经过第三乘法器14相乘的结果

节点17＝0.25*U*I*Sin(φu-φi)

＝0.25*U*I*Sin(θ)，其中θ＝φu-φi；//节点15处的信号经过第三低通滤波器16滤除交流信号后得到的直流信号，即无功功率。

可见，结合本发明的测量装置，通过上述运算，能够正确计算出待求的无功功率值。

另外，为提高测量结果的计算精度，本发明采用数字信号处理技术来实现上述计算过程：

假定原始电压信号和原始电流信号已经过模数转换和滤波处理，其符号速率同为8KSPS，电压信号包括50Hz的基频和不超过21次的谐波，有效信号大致分布在1500Hz以下。因此正交载波信号频率应不低于1500Hz。

为简化信号处理过程并降低成本，本发明选择2KHz作为正交载波信号的频率，这样一来载波频率正好是符号速率的四分之一。

图2所示的正交混频部分即正交载波发生器12可以用以下简化方案实现：当载波频率正好是符号速率的四分之一时，实际的余弦Cos数字信号为1、0、-1、0这4个数字的循环，而正弦Sin数字信号为0、1、0、-1这4个数字的循环，因此可以用很简单的计数器和译码逻辑来构成正交载波发生器，不需要用真正的NCO(数控振荡器)或DDS(直接数字频率合成器)来实现。同样，用来实现正交混频的两个乘法器也不需要使用真正的乘法器，因为乘数只有最简单的0、1、-1这3个数，因此利用简单的组合逻辑就可以实现两个乘法器的功能。

用来滤除上边带的两个低通滤波器第一低通滤波器7和第二低通滤波器8的性能参数完全一样，在设计实现时不需要考虑它们的相位特性，为节省成本，可以优先考虑采用IIR(无限冲激响应)滤波器来实现。由于上边带、下边带的间隙只有不到100Hz，需要仔细设计滤波器的幅频特性，保证过渡带足够陡峭。下面为利用科学计算软件Matlab设计出的用来滤除上边带的低通滤波器的设计程序：

close all；

clear all；

％Elliptic Lowpass filter designed using the ELLIP function.

％All frequency values are in Hz.

Fs＝8000；//设置采样频率为8000Hz

N    ＝10；//设置滤波器阶数为10阶，经多次试验得到此指标

Fpass＝1960；//设置通带拐点频率为1960Hz

Apass＝0.002；//设置通带平坦度为0.002dB，这一指标很重要，只有通带足够平坦，才能保

                证在有谐波存在以及工作频率变化条件下都能精确测量无功功率

Astop＝40；//设置阻带衰减为40dB，这一指标是为了去除上边带频谱的影响，因两路低

                通滤波器都有40dB的阻带衰减，在经过第三乘法器14后，上边带频谱信

                号对测量带来的误差会被衰减80dB，完全满足高精度电能测量的需要

％Calculate the zpk values using the ELLIP function.

[z.p.k]＝ellip(N，Apass，Astop，Fpass/(Fs/2)，′L0W′)；//采用椭圆滤波器设计程序，这样可以得到

                最小的滤波器阶数

[sos_var，g]＝zp2sos(z，p，k)；//将10阶滤波器分解为5个2阶滤波器级联方式

res_coeff_lpf＝15；//设置滤波器系数精度为15比特

b1＝floor(sos_var(1，1:3)*2^res_coeff_lpf+0.5)；

a1＝floor(sos_var(1，4:6)*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器第1级系数抽出并规格化

b2＝floor(sos_var(2，1:3)*2^res_coeff_lpf+0.5)；

a2＝floor(sos_var(2，4:6)*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器第2级系数抽出并规格化

b3＝floor(sos_var(3，1:3)*2^res_coeff_lpf+0.5)；

a3＝floor(sos_var(3，4:6)*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器第3级系数抽出并规格化

b4＝floor(sos_var(4，1:3)*2^res_coeff_lpf+0.5)；

a4＝floor(sos_var(4，4:6)*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器第4级系数抽出并规格化

b5＝floor(sos_var(5，1:3)*2^res_coeff_lpf+0.5)；

a5＝floor(sos_var(5，4:6)*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器第5级系数抽出并规格化

gain_lpf＝floor(g*2^res_coeff_lpf+0.5)；//将滤波器增益抽出并规格化

lpf1_mr＝freqz(b1，al，′whole′，Fs)；

figure()；

plot(abs(lpf1_mr))；

％plot(20*log10(abs(lpf1_mr)+eps))；//计算第1级滤波器幅频特性并输出

lpt2_mr＝freqz(b2，a2，′whole′，Fs)；

figure()；

plot(abs(lpf2_mr))；

％plot(20*log10(abs(lpf2_mr)+eps))；//计算第2级滤波器幅频特性并输出

lpf3_mr＝freqz(b3，a3，′whole′，Fs)；

figure()；

plot(abs(lpf3_mr))；

％plot(20*log10(abs(lpf3_mr)+eps))；//计算第3级滤波器幅频特性并输出

lpf4_mr＝freqz(b4，a4，′whole′，Fs)；

figure()；

plot(abs(lpf4_mr))；

％plot(20*log10(abs(lpf4_mr)+eps))；//计算第4级滤波器幅频特性并输出

lpf5_mr＝freqz(b5，a5，′whole′，Fs)；

figure()；

plot(abs(lpf5_mr))；

％plot(20*log10(abs(lpf5_mr)+eps))；//计算第5级滤波器幅频特性并输出

total_lpf_mr＝lpf1_mr.*lpf2_mr.*lpf3_mr.*lpf4_mr.*lpf5_mr*gain_lpf/2^res_coeff_lpf:

figure()；

plot(abs(total_lpf_mr))；

figure()；

plot(20*log10(abs(total_lpf_mr)+eps))；//计算5级滤波器级联幅频特性并输出

[EOF]

所述第三乘法器14采用多比特乘法器，第三低通滤波器16采用最简单的一阶IIR低通滤波器即可，下面为本发明发明人提供的一阶IIR低通滤波器Matlab程序代码：

Fs＝8000；//设置采样频率为8000Hz

lpf_coeff＝2^(-10)；

b＝[lpf_coeff]；

a＝[1，lpf_coeff-1]；//设置滤波器系数

lpf_mr＝freqz(b，a，′whole′，Fs)；//计算滤波器幅频特性并输出

figure()；

plot(20*log10(abs(lpf_mr)+eps))；

％[EOF]

本发明提供的方法并不局限于上述具体方案，例如，所述正交载波频率的选择可以不是正好为符号速率的四分之一，还可以是任何其他符合要求的频率值。两个正交载波的幅度可以相同，也可以不相同，对无功功率的测量结果仅是固定增益的影响。两个正交载波可以互换，对无功功率的测量结果仅是正负号的影响。所述正交载波发生器和正交混频过程的实现，还可采用任何其他的等同功能的模拟电路或数字电路实现；用来滤除上边带的第一低通滤波器、第二低通滤波器既可以用IIR(无限冲激响应)滤波器设计，也可以用FIR(有限冲激响应)滤波器来实现。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无功功率的测量装置，包括第三乘法器和第三低通滤波器，其特征在于，所述测量装置还包括正交载波发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器以及第二低通滤波器；其中，

所述正交载波发生器用于产生一对幅度恒定、频率相同、相位差为90°的第一载波信号和第二载波信号；

所述第一乘法器，用于对原始电压信号及所述第一载波信号进行混频；

所述第二乘法器，用于对原始电流信号及所述第二载波信号进行混频；

所述第一低通滤波器，用于滤除所述第一乘法器输出信号中的上边带部分，得到第一下边带信号；

所述第二低通滤波器，用于滤除所述第二乘法器输出信号中的上边带部分，得到第二下边带信号；以及，

所述第三乘法器，用于将所述第一下边带信号和第二下边带信号进行相乘运算，得到乘积信号；

所述第三低通滤波器，用于滤除所述乘积信号中的交流信号。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述正交载波发生器为模拟电路构成。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述正交载波发生器为数字电路构成。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一低通滤波器、第二低通滤波器为无限冲激响应IIR滤波器，或有限冲激响应FIR滤波器。

5.一种无功功率的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

A、利用正交载波发生器产生的第一载波信号与原始电压信号通过第一乘法器相乘进行混频得到第一混频信号；利用正交载波发生器产生的第二载波信号与原始电流信号通过第二乘法器相乘进行混频得到第二混频信号；

B、将所述第一混频信号通过第一低通滤波器滤除上边带部分，得到第一下边带信号；将所述第二混频信号通过第二低通滤波器滤除上边带部分，得到第二下边带信号；

C、将所述第一下边带信号与第二下边带信号通过第三乘法器相乘，得到乘积信号，然后将所述乘积信号通过第三低通滤波器滤除交流信号。

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