CN102508021A - 一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法 - Google Patents

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徐晓彤
袁红升
牛会恩
王绪龙
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法，利用虚拟仪器功率因数实时监测系统中的信号处理板（1）检测电信号，经数据采集卡（2）进入计算机（3）波形采集模块（4），求得电信号幅值后进入有效值计算模块（5）和积分模块（6）；电信号有效值进入乘法模块（7）求取视在功率；积分模块（6）求取有功功率；积分模块（6）和乘法模块（7）的输出进入除法模块（8），求取功率因数。本方法将计算机的处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，功能强大、容易扩展，有效应对电量波形畸变的问题。

Description

一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种负载功率因数实时监测方法，特别是一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法。
背景技术
供电系统的稳定是供电系统安全运行的首要条件，因此对供电系统电能的各项参数予以监测，以保证供电系统能够稳定的运行。功率因数是供电系统使用状况和利用程度的重要指标，也是保证供电系统安全、经济运行的一项主要指标。目前，监测功率因数的方法包括：指针式功率因数表直接测量方法和用单片机构成的智能型功率因数监测方法。智能型功率因数监测方法所用系统主要由信号采样器件、信号处理板、单片机以及显示单元组成。运用取样电阻来取样电压,运用可编程计数器来实现电路频率、相位差的测量并通过单片机实时显示。用这种方法计算功率因数。
这两种方法监测功率因数，功能模块全部都以硬件或固化的软件形式存在，无法应对实时监测的电量波形发生畸变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法，解决功能模块固化无法有效应对电量波形畸变的问题。
一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法的具体步骤是：
第一步 搭建虚拟仪器功率因数实时监测系统
虚拟仪器功率因数实时监测系统，包括：信号处理板、数据采集卡、计算机、波形采集模块、有效值计算模块、积分模块、乘法模块和除法模块。信号处理板与数据采集卡导线连接，数据采集卡与计算机通过数据线连接。所有模块置于计算机内，波形采集模块用于求得电压、电流的幅值；有效值计算模块用于求取电压、电流的有效值；积分模块用于求取在一定时间内电压、电流的积分值即有功功率；乘法模块用于求取电压、电流有效值的乘积即视在功率；除法模块用于求取有功功率与视在功率的商即功率因数。
第二步  数据采集卡获取采样频率
数据采集卡采集电压、电流信号，根据奈圭斯特采样定理,采样频率fs不小于被测频率最大值fmax的2倍,在工程应用中,通常取6～10倍。因此数据采集卡的采样频率满足:fs≥6～10fmax。电量波形畸变时，电量波形中含有多次谐波,如3次、5次、…,通常我们只需考虑19次以下谐波分量, 19次以上的分量很小,忽略不计。因此数据采集卡的采样频率，fs≥6～10fmax=（6～10）×19f1，f1为基频。则一个工频周期内的采样点数N=fs/f1≥114～190,此时的采样率为fs=114～190f1。这样数据采集卡的采样频率就会随着信号频率f1的波动,跟踪变化。
第三步  积分模块计算有功功率
电压、电流信号经过数据采集卡后成为离散化数据，数据采集卡采集到的电压、电流数据进入波形采集模块后，得到电压、电流的幅值信息。电压、电流信号的幅值进入积分模块，积分模块采用公式（1）算法求得在一段时间内的瞬时功率的和，即有功功率。
Figure 2011103005446100002DEST_PATH_IMAGE001
   n=0、1、…、N-1        （1）
式中，P为有功功率，N为采样点数，u(n)为离散化的电压值，i(n)为离散化的电流值。        
第四步  乘法模块计算视在功率
电压、电流的幅值输入有效值计算模块：
 ，         （2）
利用公式（2），求得电压、电流有效值。
依据视在功率计算公式：
                                
Figure 657304DEST_PATH_IMAGE004
               （3）
    公式（3）中，S为视在功率，Urms为单相电压有效值，Irms为单相电流有效值。利用乘法模块，即可求得视在功率。 
第五步 除法模块计算功率因数
    在交流电路中，电压与电流之间的相位差(
Figure 2011103005446100002DEST_PATH_IMAGE005
)的余弦叫做功率因数，用符号
Figure 931421DEST_PATH_IMAGE006
表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值：
                                   （4）
公式（4）中，为功率因数，P为有功功率，S为有功功率。
将已计算出的有功功率和视在功率输入到除法模块，即可求得功率因数。
至此，完成基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法。
本方法通过虚拟仪器将计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，具有功能大、灵活、容易扩展的优点，有效应对电量波形畸变的问题。
附图说明
图1 一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法的虚拟仪器功率因数实时监测系统结构图。
1.信号处理板   2.数据采集卡   3.计算机   4.波形采集模块   5.有效值计算模块  
6.积分模块   7.乘法模块   8.除法模块。
具体实施方式
一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法的具体步骤为：
第一步 搭建虚拟仪器功率因数实时监测系统
虚拟仪器功率因数实时监测系统，包括：信号处理板1、数据采集卡2、计算机3、波形采集模块4、有效值计算模块5、积分模块6、乘法模块7和除法模块8。信号处理板1与数据采集卡2导线连接，数据采集卡2与计算机3通过数据线连接。所有模块置于计算机3内，波形采集模块4用于求得电压、电流的幅值；有效值计算模块5用于求取电压、电流的有效值；积分模块6用于求取在一定时间内电压、电流的积分值即有功功率；乘法模块7用于求取电压、电流有效值的乘积即视在功率；除法模块8用于求取有功功率与视在功率的商即功率因数。
第二步 数据采集卡2获取采样频率
数据采集卡2采集电压、电流信号，根据奈圭斯特采样定理,采样频率fs不小于被测频率最大值fmax的2倍,在本设计中,采取6倍被测频率最大值fmax作为数据采集卡2的采样频率fs，因此满足:fs≥6fmax。电量波形畸变时，电量波形中含有多次谐波,如3次、5次、…,通常我们只需考虑19次以下谐波分量, 19次以上的分量很小,忽略不计。因此数据采集卡2的采样频率，fs≥6fmax=6×19f1，f1为基频。则一个工频周期内的采样点数N=fs/f1≥114,从减少计算机计算量的角度考虑,N愈小愈好,在满足这两个条件的前提下,取N=128=27,此时的采样率为fs=128f1。采样率就会随着信号频率f1的波动,跟踪变化。
第三步  积分模块6计算有功功率
电压、电流信号经过数据采集卡2后成为离散化数据，数据采集卡2采集到的电压、电流数据进入波形采集模块4后，得到电压、电流的幅值信息。电压、电流信号的幅值进入积分模块6，积分模块6采用公式（1）算法求得在一段时间内的瞬时功率的和，即有功功率。
有功功率计算依据公式： 
Figure 291307DEST_PATH_IMAGE001
   n=0、1、…、N-1             （1）
式中，P为有功功率，N为采样点数，u(n)为离散化的电压值，i(n)为离散化的电流值。
第四步  乘法模块7计算视在功率
采取变采样率的方法采集到的电压、电流数据反映电压、电流波形的畸变情况。电压、电流有效值依据公式：
        
Figure 441796DEST_PATH_IMAGE002
 ，
Figure 948915DEST_PATH_IMAGE003
           （2）
利用有效值计算模块5求得，依据视在功率计算公式： 
               
Figure 159447DEST_PATH_IMAGE004
                           （3）
式中，S为视在功率，Urms为单相电压有效值，Irms为单相电流有效值。利用乘法模块7，即可求得视在功率。
第五步 除法模块8计算功率因数
    在交流电路中，电压与电流之间的相位差(
Figure 826052DEST_PATH_IMAGE005
)的余弦叫做功率因数，用符号
Figure 780233DEST_PATH_IMAGE006
表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值：
                 
Figure 153576DEST_PATH_IMAGE007
                          （4）
公式（4）中，
Figure 800589DEST_PATH_IMAGE006
为功率因数，P为有功功率，S为有功功率。
将已计算出的有功功率和视在功率输入到除法模块8，即可求得功率因数。
至此，完成基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法。

Claims (1)

1.一种基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法，其特征在于本方法的具体步骤为：
第一步 搭建虚拟仪器功率因数实时监测系统
虚拟仪器功率因数实时监测系统，包括：信号处理板（1）、数据采集卡（2）、计算机（3）、波形采集模块（4）、有效值计算模块（5）、积分模块（6）、乘法模块（7）和除法模块（8）；信号处理板（1）与数据采集卡（2）导线连接，数据采集卡（2）与计算机（3）通过数据线连接；所有模块置于计算机（3）内，波形采集模块（4）用于求得电压、电流的幅值；有效值计算模块（5）用于求取电压、电流的有效值；积分模块（6）用于求取在一定时间内电压、电流的积分值即有功功率；乘法模块（7）用于求取电压、电流有效值的乘积即视在功率；除法模块（8）用于求取有功功率与视在功率的商即功率因数；
第二步  数据采集卡（2）获取采样频率
数据采集卡（2）采集电压、电流信号，根据奈圭斯特采样定理,采样频率fs不小于被测频率最大值fmax的2倍,在工程应用中取6～10倍；因此数据采集卡（2）的采样频率满足:fs≥6～10fmax；电量波形畸变时，电量波形中含有多次谐波,如3次、5次、…,只需考虑19次以下谐波分量, 19次以上的分量很小,忽略不计；因此数据采集卡（2）的采样频率，fs≥6～10fmax=（6～10）×19f1，f1为基频；则一个工频周期内的采样点数N=fs/f1≥114～190,此时的采样率为fs=114～190f1；这样数据采集卡（2）的采样频率就会随着信号频率f1的波动,跟踪变化；
第三步  积分模块（6）计算有功功率
电压、电流信号经过数据采集卡（2）后成为离散化数据，数据采集卡（2）采集到的电压、电流数据进入波形采集模块（4）后，得到电压、电流的幅值信息；电压、电流信号的幅值进入积分模块（6），积分模块（6）采用公式（1）算法求得在一段时间内的瞬时功率的和，即有功功率；
有功功率计算依据公式： 
                                                  
Figure 2011103005446100001DEST_PATH_IMAGE002
   n=0、1、…、N-1             （1）
式中，P为有功功率，N为采样点数，u(n)为离散化的电压值，i(n)为离散化的电流值；
第四步  乘法模块（7）计算视在功率
采取变采样率的方法采集到的电压、电流数据反映电压、电流波形的畸变情况；电压、电流有效值依据公式：
        
Figure 2011103005446100001DEST_PATH_IMAGE004
 ，
Figure 2011103005446100001DEST_PATH_IMAGE006
           （2）
利用有效值计算模块（5）求得，依据视在功率计算公式： 
                
Figure DEST_PATH_IMAGE008
                           （3）
式中，S为视在功率，Urms为单相电压有效值，Irms为单相电流有效值；利用乘法模块（7），即可求得视在功率；
第五步 除法模块（8）计算功率因数
    在交流电路中，电压与电流之间的相位差(
Figure DEST_PATH_IMAGE010
)的余弦叫做功率因数，用符号
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值：
                                            （4）
公式（4）中，
Figure 928417DEST_PATH_IMAGE012
为功率因数，P为有功功率，S为有功功率；
将已计算出的有功功率和视在功率输入到除法模块（8），即可求得功率因数；
至此，完成基于虚拟仪器的功率因数实时监测方法。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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