CN102721859B - 电力系统中三相输电线路功率因数采样控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统中三相输电线路功率因数采样控制器及控制方法，涉及交流电输电线路参数采样技术领域。本发明的控制器包括电压检测端、电流检测端和主控模块，该主控模块包括功率因数计算单元、相位关系判断单元和功率因数输出端。在利用该控制器实现功率因数采样控制的方法中，首先将两个电压检测端连接于三相电中任意两相，并将电流检测端连接于另外一相，而后功率因数计算单元计算功率因数；相位关系判断单元判断电压和电流的相位关系；最后将功率因数和相位关系发送至功率因数输出端。无论接线相位是否正确，利用本发明都能够判断电压电流相位关系，获得正确的功率因数，因此有效降低了操作人员的操作难度和技术要求。

Description

电力系统中三相输电线路功率因数采样控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及交流电输电线路参数采样技术领域，具体是指一种电力系统中三相输电线路功率因数采样控制器及控制方法。

背景技术

功率因数是电力网的最基本的参数之一，其定义为电压、电流相位差的余弦值。电压、电流的相位差为正，表示滞后，反之表示超前。现有技术中常用单相法测三相的有功、无功、功率因数等，实现功率因数采样。采用该方法的控制器的接线如图1所示。

根据图2所示的矢量图，线电压那么控制器就相当于采样了C相电压U_c、C相电流I_c，也就可以计算三相的视在功率S、有功因数P、无功因数Q、功率因数PF等。控制器包括以下输入信号：

电压U、电流I为有效值，可以直接测得。

电压与电流夹角：φ₁

在电压、电流接线都按接线图接线时：控制器测得输入为U_ab和I_c时的电参数如下：

S₁=U×I；

P₁=U×I×cosφ₁；

Q₁=U×I×sinφ₁；

由上述矢量图可知：φ=90°+φ₁

控制器再做如下转换为三相的电参数：

$S=\sqrt{3}\×U\×I$

$S=\sqrt{3}\×S_1$

P=3×U_c×I_c×cosφ

$P=-\sqrt{3}\×U\×I\×\sin {\mathrm{\φ}}_1$

$P=-\sqrt{3}\×Q_1$

Q=3×U_c×I_c×sinφ

$Q=\sqrt{3}\×U\×I\×\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$Q=\sqrt{3}\×P_1$

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}$

当电流滞后于电压时，P为正，Q为正。当电流超前于电压时，P为正，Q为负。

由上述推导可知：Q₁始终为负，要判断超前或是滞后，只要看P₁，P₁为正，则滞后，P₁为负则超前。所以要正确的得到电压与电流的超前、滞后关系，电压接线顺序不能颠倒，电流接线顺序也不能颠倒。不论是电压采样接反（如U_ab接成U_ba），还是电流互感器方向接反，都导致相位差相差180度，对超前或滞后的判断都会产生错误的结果。因此，在进行功率因数采样装置安装或现场调试过程中，必须要求操作人员一定要仔细检查接线，保证接线正确，避免接线错误将带来不可预知的后果，这就对于操作有极高的技术要求，加大了工作难度。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种无需确保接线相位的正确，将电压采样和电流采样接于任意相位，都能够通过相位关系判断确定电压电流的超前或滞后，获得正确的功率因数，因此技术要求更低，操作简便，应用成本低廉，应用范围广泛的电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制器及控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器具有如下构成：

该控制器包括两个电压检测端、一个电流检测端、主控模块。所述的主控模块包括功率因数计算单元、相位关系判断单元和功率因数输出端。所述的两个电压检测端连接于所述的三相电线路中任意两相，所述的电流检测端连接于所述的三相电线路中另外一相。所述的两个电压检测端和一个电流检测端均连接于所述的主控模块的功率因数计算单元，该功率因数计算单元通过所述的相位关系判断单元连接所述的功率因数输出端。

该电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器中，所述的主控模块还包括线电压计算单元，所述的两个电压检测端通过所述的线电压计算单元连接所述的功率因数计算单元。

该电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器中，所述的功率因数计算单元包括三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元、三相无功功率计算子单元和功率因数计算子单元，所述的线电压计算单元和电流检测端均分别连接所述的三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输入端，所述的三相视在功率计算子单元和三相有功功率计算子单元的输出端连接所述的功率因数计算子单元，所述的三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输出端连接所述的相位关系判断单元输入端，所述的功率因数计算子单元和相位关系判断单元的输出端均连接所述的功率因数输出端。

本发明还提供一种基于所述的控制器实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，该方法包括以下步骤：

（1）所述的两个电压检测端采样三相电线路中任意两相的电压值，所述的电流检测端采样所述的三相电线路中另外一相的电流值，并分别将采样的电压值和电流值发送至所述的主控模块；

（2）所述的主控模块根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压；

（3）所述的功率因数计算单元根据所述的线电压和电流值计算三相视在功率、三相有功功率和三相无功功率；

（4）所述的功率因数计算单元根据所述的三相视在功率和三相有功功率计算功率因数；

（5）所述的相位关系判断单元根据所述的三相有功功率和三相无功功率判断电压和电流的相位关系；

（6）所述的功率因数计算单元和相位关系判断单元将所述的功率因数和相位关系发送至所述的功率因数输出端。

该实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的主控模块还包括线电压计算单元，所述的两个电压检测端通过所述的线电压计算单元连接所述的功率因数计算单元，所述的步骤（2）具体为：

所述的线电压计算单元根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压，并发送至所述的功率因数计算单元。

该实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的功率因数计算单元包括三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元、三相无功功率计算子单元和功率因数计算子单元，所述的线电压计算单元和电流检测端均分别连接所述的三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输入端，所述的三相视在功率计算子单元和三相有功功率计算子单元的输出端连接所述的功率因数计算子单元，所述的三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输出端连接所述的相位关系判断单元输入端，所述的功率因数计算子单元和相位关系判断单元的输出端均连接所述的功率因数输出端，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（31）所述的三相视在功率计算子单元将所述的三相视在功率S确定为：

$S=\sqrt{3}\×U\×I,$

其中U为线电压，I为电流值；

（32）所述的三相有功功率计算子单元将所述的三相有功功率P确定为：

P=3×U_C×I_C×cosφ，

其中U_C为C相电压，I_C为C相电流，φ为C相电压与电流的夹角；

（33）所述的三相无功功率计算子单元将所述的三相无功功率Q确定为：

Q=3×U_C×I_C×sinφ。

该实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的步骤（4）具体为：

所述的功率因数计算子单元确定功率因数PF为：

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}.$

该实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的步骤（5）具体为：

所述的相位关系判断单元判断坐标点（P，Q）是否位于第二象限或第四象限内，若是，则确定三相电线路电流滞后于电压，若否，则确定三相电线路电流超前于电压。

采用了该发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器，其包括两个电压检测端、一个电流检测端和主控模块，该主控模块包括功率因数计算单元、相位关系判断单元和功率因数输出端。所述的两个电压检测端连接于所述的三相电线路中任意两相，所述的电流检测端连接于所述的三相电线路中另外一相。所述的两个电压检测端和一个电流检测端均连接于所述的主控模块的功率因数计算单元，该功率因数计算单元通过所述的相位关系判断单元连接所述的功率因数输出端。基于该控制器利用本发明的功率因数采样控制的方法，首先功率因数计算单元根据线电压和电流值计算三相视在功率、三相有功功率和三相无功功率；而后功率因数计算单元根据三相视在功率和三相有功功率计算功率因数；相位关系判断单元根据三相有功功率和三相无功功率判断电压和电流的相位关系；最后将所述的功率因数和相位关系发送至所述的功率因数输出端。通过该方法，无论电压检测端和电流检测端的接线相位是否正确，都能够通过相位关系判断确定电压电流的超前或滞后，获得正确的功率因数，因此利用本发明对于操作人员的技术要求更低，且本发明的电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制器及控制方法的操作简便，应用成本低廉，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中常用的功率因数采样控制器的接线示意图。

图2为现有技术中常用单相法测三相的有功、无功、功率因数的原理矢量图。

图3为本发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器的结构示意图。

图4为本发明的电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图3所示，为本发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器的结构示意图。

在一种实施方式中，该控制器包括两个电压检测端、一个电流检测端和主控模块。所述的主控模块包括功率因数计算单元、相位关系判断单元和功率因数输出端。所述的两个电压检测端的输入端连接于所述的三相电线路中任意两相，所述的电流检测端的输入端连接于所述的三相电线路中另外一相。所述的两个电压检测端和一个电流检测端的输出端均连接于所述的主控模块的功率因数计算单元，该功率因数计算单元通过所述的相位关系判断单元连接所述的功率因数输出端。

基于该实施方式所述的控制器实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，如图4所示，包括以下步骤：

（1）所述的两个电压检测端采样三相电线路中任意两相的电压值，所述的电流检测端采样所述的三相电线路中另外一相的电流值，并分别将采样的电压值和电流值发送至所述的主控模块；

（2）所述的主控模块根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压；

（3）所述的功率因数计算单元根据所述的线电压和电流值计算三相视在功率、三相有功功率和三相无功功率；

（4）所述的功率因数计算单元根据所述的三相视在功率和三相有功功率计算功率因数；

（5）所述的相位关系判断单元根据所述的三相有功功率和三相无功功率判断电压和电流的相位关系；

（6）所述的功率因数计算单元和相位关系判断单元将所述的功率因数和相位关系发送至所述的功率因数输出端。

在一种较优选的实施方式中，所述的主控模块还包括线电压计算单元，所述的两个电压检测端通过所述的线电压计算单元连接所述的功率因数计算单元。

基于该较优选的实施方式所述的控制器，实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的步骤（2）具体为：所述的线电压计算单元根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压，并发送至所述的功率因数计算单元。

在一种进一步优选的实施方式中，所述的功率因数计算单元包括三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元、三相无功功率计算子单元和功率因数计算子单元，所述的线电压计算单元和电流检测端均分别连接所述的三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输入端，所述的三相视在功率计算子单元和三相有功功率计算子单元的输出端连接所述的功率因数计算子单元，所述的三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输出端连接所述的相位关系判断单元输入端，所述的功率因数计算子单元和相位关系判断单元的输出端均连接所述的功率因数输出端。

基于该进一步优选的实施方式所述的控制器，实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法中，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（31）所述的三相视在功率计算子单元将所述的三相视在功率S确定为：

$S=\sqrt{3}\×U\×I,$

其中U为线电压，I为电流值；

（32）所述的三相有功功率计算子单元将所述的三相有功功率P确定为：

P=3×U_C×I_C×cosφ，

其中U_C为C相电压，I_C为C相电流，φ为C相电压与电流的夹角；

（33）所述的三相无功功率计算子单元将所述的三相无功功率Q确定为：

Q=3×U_C×I_C×sinφ。

在一种更优选的实施方式中，所述的步骤（4）具体为：所述的功率因数计算子单元确定功率因数PF为：

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}.$

且所述的步骤（5）具体为：所述的相位关系判断单元判断坐标点（P，Q）是否位于第二象限或第四象限内，若是，则确定三相电线路电流滞后于电压，若否，则确定三相电线路电流超前于电压。

在以及应用中，利用本发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器及采样控制方法进行功率因数采样时，由于电压检测端和电流检测端可采取任意接线形式，因此会出现以下四种情况：

1、电压、电流接线都正确。

则根据矢量图，图2，可知：φ=90°+φ₁

$S=\sqrt{3}\×U\×I$

$S=\sqrt{3}\×S_1;$

P=3×U_c×I_c×cosφ

$P=-\sqrt{3}\×U\×I\×\sin {\mathrm{\φ}}_1$

$P=-\sqrt{3}\×Q_1$

Q=3×U_c×I_c×sinφ

$Q=\sqrt{3}\×U\×I\×\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$Q=\sqrt{3}\×P_1$

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}$

2、电压接反、电流接线正确。

则根据矢量图，图2，可知：φ=φ₁-90°

$S=\sqrt{3}\×U\×I$

$S=\sqrt{3}\×S_1$

P=3×U_c×I_c×cosφ

$P=\sqrt{3}\×U\×I\×\sin {\mathrm{\φ}}_1$

$P=\sqrt{3}\×Q_1$

Q=3×U_c×I_c×sinφ

$Q=-\sqrt{3}\×U\×I\×\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$Q=-\sqrt{3}\×P_1$

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}$

3、电压接线正确、电流接反。

则根据矢量图，图2，可知：φ=φ₁-90°

$S=\sqrt{3}\×U\×I$

$S=\sqrt{3}\×S_1$

P=3×U_c×I_c×cosφ

$P=\sqrt{3}\×U\×I\×\sin {\mathrm{\φ}}_1$

$P=\sqrt{3}\×Q_1$

Q=3×U_c×I_c×sinφ

$Q=-\sqrt{3}\×U\×I\×\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$Q=-\sqrt{3}\×P_1$

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}$

4、电压、电流接线都接反。

则根据矢量图，图2，可知：φ=90°+φ1

$S=\sqrt{3}\×U\×I$

$S=\sqrt{3}\×S_1;$

P=3×U_c×I_c×cosφ

$P=-\sqrt{3}\×U\×I\×\sin {\mathrm{\φ}}_1$

$P=-\sqrt{3}\×Q_1$

Q=3×U_c×I_c×sinφ

$Q=\sqrt{3}\×U\×I\×\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$Q=\sqrt{3}\×P_1$

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S}$

因此，如果三相输电线路的电流滞后于电压，那么有功因数P为正，无功因数Q为正，故以上四种接线时，控制器计算得到的P₁、Q₁符号分别为：+、-；-、+；-、+；+、-。即P₁、Q₁在第二、第四象限。

同理如果系统电流超前于电压，那么有功因数P为正，无功因数Q为负，故以上四种接线时，控制器计算得到的P₁、Q₁符号分别为：-、-；+、+；+、+；-、-。即P₁、Q₁在第一、第三象限。

所以，只要判断控制器检测到的其输入信号P₁、Q₁在二、四象限，那么系统电流滞后于电压，其它情况下，系统电流超前于电压。

采用了该发明的电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器，其包括两个电压检测端、一个电流检测端和主控模块，该主控模块包括功率因数计算单元、相位关系判断单元和功率因数输出端。所述的两个电压检测端连接于所述的三相电线路中任意两相，所述的电流检测端连接于所述的三相电线路中另外一相。所述的两个电压检测端和一个电流检测端均连接于所述的主控模块的功率因数计算单元，该功率因数计算单元通过所述的相位关系判断单元连接所述的功率因数输出端。基于该控制器利用本发明的功率因数采样控制的方法，首先功率因数计算单元根据线电压和电流值计算三相视在功率、三相有功功率和三相无功功率；而后功率因数计算单元根据三相视在功率和三相有功功率计算功率因数；相位关系判断单元根据三相有功功率和三相无功功率判断电压和电流的相位关系；最后将所述的功率因数和相位关系发送至所述的功率因数输出端。通过该方法，无论电压检测端和电流检测端的接线相位是否正确，都能够通过相位关系判断确定电压电流的超前或滞后，获得正确的功率因数，因此利用本发明对于操作人员的技术要求更低，且本发明的电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制器及控制方法的操作简便，应用成本低廉，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种电力系统中的三相交流输电线路功率因数采样控制器，该控制器包括两个电压检测端、一个电流检测端和主控模块，所述的主控模块包括功率因数计算单元和功率因数输出端，所述的两个电压检测端和一个电流检测端均连接于所述的主控模块的功率因数计算单元，其特征在于，所述的主控模块还包括相位关系判断单元，所述的功率因数计算单元通过所述的相位关系判断单元连接所述的功率因数输出端，所述的两个电压检测端连接于所述的三相电线路中任意两相，所述的电流检测端连接于所述的三相电线路中另外一相；

所述的主控模块还包括线电压计算单元，所述的两个电压检测端通过所述的线电压计算单元连接所述的功率因数计算单元；

所述的功率因数计算单元包括三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元、三相无功功率计算子单元和功率因数计算子单元，所述的线电压计算单元和电流检测端均分别连接所述的三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输入端，所述的三相视在功率计算子单元和三相有功功率计算子单元的输出端连接所述的功率因数计算子单元，所述的三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输出端连接所述的相位关系判断单元输入端，所述的功率因数计算子单元和相位关系判断单元的输出端均连接所述的功率因数输出端。

2.一种基于权利要求1所述的控制器实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的两个电压检测端采样三相电线路中任意两相的电压值，所述的电流检测端采样所述的三相电线路中另外一相的电流值，并分别将采样的电压值和电流值发送至所述的主控模块；

(2)所述的主控模块根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压；

(3)所述的功率因数计算单元根据所述的线电压和电流值计算三相视在功率、三相有功功率和三相无功功率；

(4)所述的功率因数计算单元根据所述的三相视在功率和三相有功功率计算功率因数；

(5)所述的相位关系判断单元根据所述的三相有功功率和三相无功功率判断电压和电流的相位关系；

(6)所述的功率因数计算单元和相位关系判断单元将所述的功率因数和相位关系发送至所述的功率因数输出端。

3.根据权利要求2所述的实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，其特征在于，所述的主控模块还包括线电压计算单元，所述的两个电压检测端通过所述的线电压计算单元连接所述的功率因数计算单元，所述的步骤(2)具体为：

所述的线电压计算单元根据所述的两个电压检测端采样的三相电线路中两相的电压值计算线电压，并发送至所述的功率因数计算单元。

4.根据权利要求3所述的实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，其特征在于，所述的功率因数计算单元包括三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元、三相无功功率计算子单元和功率因数计算子单元，所述的线电压计算单元和电流检测端均分别连接所述的三相视在功率计算子单元、三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输入端，所述的三相视在功率计算子单元和三相有功功率计算子单元的输出端连接所述的功率因数计算子单元，所述的三相有功功率计算子单元和三相无功功率计算子单元的输出端连接所述的相位关系判断单元输入端，所述的功率因数计算子单元和相位关系判断单元的输出端均连接所述的功率因数输出端，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(31)所述的三相视在功率计算子单元将所述的三相视在功率确定为：

$S=\sqrt{3}\×U\×I,$

其中U为线电压，I为电流值，S为三相视在功率；

(32)所述的三相有功功率计算子单元将所述的三相有功功率确定为：

P＝3×U_C×I_C×cosφ，

其中U_C为C相电压，I_C为C相电流，φ为C相电压与电流的夹角，P为三相有功功率，C相为三相线电路中的任意一相；

(33)所述的三相无功功率计算子单元将所述的三相无功功率确定为：

Q＝3×U_C×I_C×sinφ，

Q为三相无功功率。

5.根据权利要求4所述的实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体为：

所述的功率因数计算子单元确定功率因数为：

$PF=\frac{P}{S},$

PF为功率因数。

6.根据权利要求4所述的实现电力系统中三相交流输电线路功率因数采样控制的方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为：

所述的相位关系判断单元判断由三相有功功率和三相无功功率构成的坐标点(P，Q)是否位于第二象限或第四象限内，若是，则确定三相电线路电流滞后于电压，若否，则确定三相电线路电流超前于电压。