CN103069285B - 双向数字功率计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向数字功率计，更特别地是，涉及一种双向数字功率计，其能够测量输送功率和接收功率的双向数据，校正每个误差，实时显示输送功率和接收功率之间的差值，并输出该差值至外部通信装置，从而有效管理连接至智能电网系统的功率。

Description

双向数字功率计

技术领域

本发明涉及一种双向数字功率计，更特别地是，涉及一种双向数字功率计，其可实时显示瞬时能耗，以及在功率发送和功率接收两个方向的累积电能，并根据每种操作环境的特性，执行特定的误差校正。

背景技术

电力公司在不断变化的耗电量（即输电和发电）的需求和供应之间要保持平衡。电力公司，例如，在一些情况下，为了保持需求和供应之间的平衡，会接收来自其他电力公司的电能。随着负载的增加，如果输送的电量大大增加，那么输电和发电之间不能保持平衡，电力公司则需要接收来自其他电力公司的电能，以弥补电力短缺。尤其是，最近，可替代能源，例如太阳能光伏电能、风能、潮汐能等等，使用得越来越多，这些能源可输送至发电厂，以及可从发电厂接收。在这种情况下，电力公司可接收来自另一电力公司发电厂的电能或输送电能至该发电厂。由于显示多个电力公司之间电力需求和供应状态的功率流状态每时每刻都在变化，因此，电力公司要一直检测功率流状态，并根据功率流中的变化管理适当的电力系统。

与此同时，为了操作适当的电力系统，需要以准确且快速的方式实现电力输送和接收的双向测量。然而，由于根据现有技术的功率计仅能够显示单向累积的电能，因此，需要一种功率计能够实时显示瞬时能耗，并显示功率输送和功率接收双向累积的电能，并且在功率输送和功率接收中使用不同的功率计。相应地，既然采用多个功率计分别用于测量输送功率和接收功率，那么由于这些功率计存在误差，在计算输送的电能和接收的电能时可能会产生争议，并且由于这些功率计是分开安装的，在操作电力系统时也会产生一些问题。

发明内容

技术问题

因此，考虑到上述问题，提出了本发明，本发明的目的是提供一种双向数字功率计，其能够实时显示电压、电流和电能，如：瞬时能耗，并显示累积电能，即：输送功率和接收功率之和与之差，并根据每种操作环境的特性执行特定的误差校正。

技术方案

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种双向数字功率计，其包括信号检测单元，A/D转换单元，测量单元，显示单元，第一存储单元，第二存储单元以及微型计算机。其中，信号检测单元用于检测电压信号和电流信号，该电压信号和电流信号分别与来自电力线路的电压值和电流值成比例，并用于输出检测到的电压信号和电流信号；A/D转换单元用于将从信号检测单元输出的电压信号和电流信号转换成数字信号；测量单元利用由A/D转换单元转换的数字信号，计算功率数据，包括输送功率、接收功率、有功功率及无功功率；显示单元用于向外部显示功率数据，包括电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率及有功功率；第一存储单元用于存储功率数据，包括电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率及有功功率；第二存储单元用于存储事先设定的误差校正信息，以校正存储在第一存储单元中的功率数据；微型计算机用于控制包括数据显示间隔的参数，其用于计算测量单元得出的功率数据；利用存储在第二存储单元中的误差校正信息，校正由测量单元计算的功率数据中的误差；利用校正后的数据，计算输送功率和接收功率之间的差值；以及控制将校正后的数据存储至第一存储单元或通过显示单元输出至外部。

根据本发明的双向数字功率计，该测量单元包括有功功率/频率转换器，无功功率/频率转换器，流向判定装置以及功率计算装置。其中，有功功率/频率转换器用于输出数据，该数据与电力线路的接收功率部件或输送功率部件的有功电能成比例；无功功率/频率转换器用于输出数据，该数据与利用了相对于电力线路的电压具有90°相移的电压、相位超前或相位滞后的无功电能成比例；流向判定装置用于从有功功率/频率转换器输出的数据中，以及从无功功率/频率转换器输出的数据中，判定无功功率/频率转换器的输出是电力输送/相位超前、电力输送/相位滞后、电力接收/相位超前还是电力接收/相位滞后状态；功率计算装置用于根据该流向判定装置的输出，估量出较为突出的无功功率。

根据本发明的双向数字功率计，微型计算机将对特定电流值测量出的功率误差值作为修正值，通过共同地增加或减去该修正值，来校正误差。

根据本发明的双向数字功率计，微型计算机将每个电流区域内预先设定的功率误差值作为修正值，通过在每个电流区域内增加或减去该修正值，来校正误差。

根据本发明的双向数字功率计，微型计算机将从每个电流区域内相对于电流变化的功率误差变化中计算出的连续值作为修正值，通过共同地增加或减去该修正值，来校正误差。

根据本发明的双向数字功率计，进一步包括有线/无线通信单元，以及连接至该有线/无线通信单元的外部存储装置。其中，有线/无线通信单元是以有线或无线方式，通过显示单元向外部输出信息；而连接至该有线/无线通信单元的外部存储装置，则用于存储实时功率或累积功率值，包括输送功率和接收功率值，以及有功功率和无功功率值。

根据本发明的双向数字功率计，依据经有线/无线通信单元输入的、用户自定义的误差校正值，可重置存储在第二存储单元中的误差校正信息。

此外，由于有可能显示通过增加接收到的有功电能和输送出的有功电能而累积的输送/接收功率的有功电能，在对功率输送时测得的电流区域和误差，以及功率接收时测得的电流区域和误差进行校正之后，可计算出通过增加输送电能和接收电能累积的值，这样就可以从根本上防止在计算输送和接收电能时引起的争议。

有益效果

根据上文所详述的本发明的双向数字功率计，通过执行功率误差校正，特别是根据操作环境的特性以各种方式来执行功率误差校正，可以以准确且快速的方式来执行功率测量，并且通过提供显示装置可以对功率进行适当的管理，该显示装置用于向外部显示输送功率和接收功率、有功功率和无功功率数值。此外，由于输送功率和接收功率、有功功率和无功功率数值可以通过外部通信装置输出，因此可联合智能电网系统对功率进行有效管理。

附图说明

图1是示出了根据本发明一个实施例的双向数字功率计的构成图；

图2是示出了根据本发明一个实施例的双向数字功率计的测量单元的示意图；

图3是示出了功率计相对于电流变化的误差特性曲线的曲线图；

图4是示出了根据本发明一个实施例的双向数字功率计中校正误差方法的示意图；

图5a是示出了根据本发明另一个实施例的双向数字功率计中校正误差方法的示意图；

图5b是示出了图5a中误差校正信息的实例的表格；

图6a是示出了根据本发明另一个实施例的双向数字功率计中校正误差方法的示意图；

图6b是示出了图6a中矢量型修正值的计算过程的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，详细描述本发明的优选的实施方式。

图1示出了根据本发明一个实施例的双向数字功率计10的结构。如图1所示，双向数字功率计10包括信号检测单元100，A/D转换单元200，测量单元300，显示单元700，第一存储单元500，第二存储单元600以及微型计算机400。其中，信号检测单元100用于检测电压信号和电流信号，该电压信号和电流信号分别与来自电力线路中的电压值和电流值成比例，并输出检测到的电压信号和电流信号；A/D转换单元200用于将从信号检测单元100输出的电压信号和电流信号转换成数字信号；测量单元300利用由A/D模数转换单元200转换的数字信号计算功率数据，包括电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率和有功功率；显示单元700用于向外部显示一个或多个功率数据，包括电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率及有功功率；第一存储单元500用于存储功率数据，包括电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率及有功功率；第二存储单元600用于存储误差校正信息，该误差校正信息用于校正存储在第一存储单元500中的功率数据；微型计算机400则用于控制包括数据显示间隔的参数，其用于计算测量单元300得出的功率数据；利用存储在第二存储单元中的误差校正信息，校正由测量单元计算出的功率数据中的误差；以及控制将校正后的数据存储至第一存储单元或通过显示单元输出至外部。在此，功率数据包括可以通过测量单元计算的各种各样的数据，这就意味着，计算功率所需的所有数据或所有已计算的功率数据，包括电压、电流、电压或电流的相位、电压或电流的频率、瞬时功率、累积功率、有功功率、无功功率、最大功率、最小功率、输送功率或接收功率的总体电能、输送功率或接收功率总体电能的总体电能累积相加值或差额值等等。尽管还可能有其他可测量的功率数据，未包含在上述所列出的功率数据中，但很显然，根据本领域技术人员的需要，也可以包括被省略的功率数据，并且可以为功率数据设定显示项目，以方便选取和调整。

信号检测单元100包括电压信号检测单元110和电流信号检测单元120，其分别用于接收电压信号和电流信号，这电压信号和电流信号与来自电力线路的电压和电流成比例。该电压信号检测单元110接收来自电力线路的电压，使电压降至可被功率计测量的范围，并输出与电力线路的电压成比例的电压信号。电流信号检测单元120也输出电流信号，这电流信号以与电压信号检测单元110同样的方式，与电力线路的电流成比例。

A/D（模拟/数字）转换单元200包括电压A/D转换单元210和电流A/D转换单元220，其将从电压信号检测单元110和电流信号检测单元120中接收到的信号转换为数字信号。由于电压信号检测单元110和电流信号检测单元120的特定操作原理是公知技术，故在此省略其详细介绍。

如图2所示，测量单元300包括有功功率/频率转换装置310，无功功率/频率转换装置320，相移装置330，流向判定装置340以及功率计算装置350。其中，有功功率/频率转换装置310用于输出数据，该数据与电力线路的接收功率部件或输送功率部件的有功电能成比例；无功功率/频率转换装置320用于输出数据，该数据与利用了相对于电力线路的电压具有90°相移的电压、相位超前或相位滞后的无功电能成比例；相移装置330用于将电压A/D转换单元210的电压相位偏移90°；流向判定装置340用于从有功功率/频率转换装置310输出的数据中，以及从无功功率/频率转换装置320输出的数据中，判定无功功率/频率转换装置320的输出是电力输送/相位超前、电力输送/相位滞后、电力接收/相位超前还是电力接收/相位滞后状态；功率计算装置350用于根据该流向判定装置340的输出，计算数据，包括输送功率、接收功率、瞬时功率及有功功率，该功率计算装置350还用于根据流向判定装置340的输出，计算较为突出的功率值。

通过将由电压A/D转换单元210转换成数字信号的电压值，与由电流A/D转换单元220转换成数字信号的电流值相乘，有功功率/频率转换装置310可计算出功率值，并将计算出的功率值传输至流向判定装置340。

通过将电压值与电流值相乘，无功功率/频率转换装置320可计算出功率值，并将计算出的功率值传输至流向判定装置340。其中，该电压值是一个通过相移装置330将电压A/D转换单元210的电压相位偏移90°，转换成数字信号的值，该电流值是一个从电流A/D转换单元220输出的、转换成数字信号的值。

流向判定装置340接收有功功率/频率转换装置310和无功功率/频率转换装置320的输出，并确定输送功率和接收功率的存在，以及有功功率和无功功率的量。流向判定装置340的特定原理已在日本专利注册号为3544466的专利文件中公开，此处不再详细叙述。

功率计算装置350接收由流向判定装置340确定的有功功率、无功功率、输送功率和接收功率的值，并计算实时功率或累积功率。为了计算累积功率，该功率计算装置350在此可包括缓冲存储器或存储单元。此外，该功率计算装置350可分开计算有功功率、无功功率、输送功率和接收功率的值，并将分开计算的这些值输送至下文所述的微型计算机400，并且在执行了误差校正流程之后，将这些值存储至第一存储单元500中。

微型计算机400控制本发明的双向数字功率计10的各种参数。也就是，微型计算机400可控制测量单元300的数据显示间隔，并校正测量数据过程中产生的误差。通过将存储在第一存储单元500中的实际电压、实际电流和各种实际功率的信息与存储在第二存储单元600中的误差校正信息对比，可计算出用于校正实际值的修正值；并且通过向实际值增加修正值或从实际值中减去修正值，可执行误差校正。

图3是示例图，示出了功率计相对于电流变化的误差特性曲线。横轴表示对应于负载电流的操作情况，纵轴表示根据A/D转换单元200测得的电流计算出的功率值与实际功率值之间的误差（图中以偏差量表示）。如图4所示，在A/D转换单元200测得的所有电流区域内都存在误差。校正误差的特定方法如下文所述。

作为校正误差的第一种实施例，如图4中所示，提供了一种共同校正数据误差的方法。也就是，采用在特定操作条件下测得的功率误差值作为修正值，通过共同地增加或减去修正值来进行误差校正。该特定操作条件可由用户任意设定或根据另行指定的标准化规范来设定。根据该实施例，功率测量和所测得功率的误差校正都能以快速的方式进行。当功率计用于特定操作环境中时，可应用这种实施例。

作为校正误差的第二种实施例，提供了一种利用数据表格校正误差的方法，在该数据表格中为各种操作情形事先设定了功率误差，该各种操作情形以负载电流的形式表示，如图5a所示。图5b中示出了数据表格的一种实例，并且通过重复的实验可计算出误差校正数据。

图5b所示出的应用区域是根据电流来决定的，并且a、b、c、d和e都是负载电流，分别表示不同的操作状况。该单元并不会独立指定，且可以使用多个一般常量值或由微型计算机400识别的多个数值。

依照电流区域，在功率输送的情况下，误差修正值（图中示为偏差量），即，每个电流范围的误差数据，可通过将用于功率计误差校正的双向数字功率计与标准功率计进行对比获得。在本发明的实施例中，电流区域a-b、b-c、c-d和d-e内误差修正值分别是A、B、C和D。在功率接收的情况下，电流区域a-b、b-c、c-d和d-e内误差修正值（图中示为偏差量）分别是A’、B’、C’和D’。其中所使用的单元不是独立指定的，是可以使用多个一般常量值或由微型计算机400识别的多个数值。也就是，在功率接收时，电流值是在电流区域a-b内，误差是A’，微型计算机400校正由测量单元300测定的、有误差A’的有功电能值，在第一存储单元500中存储校正后的有功电能值，并在显示单元700上显示接收功率的有功电能。此外，微型计算机400在操作单元的显示单元上显示有功电能，在输送和接收电能附加显示单元中，实时反映出已校正的数值。这一流程适用于输送功率和接收功率，并且该流程也可应用于计算其他类型的功率值，以及有功功率。根据该实施例，功率计的精度可通过调整测量次数来确定，尽管输送功率和接收功率的大小量级不同，其稳定的精度还是可以达到的。

作为校正误差的第三种实施例，提供了一种以矢量方式校正误差的方法，如图6a所示。图6b示出了矢量计算，并以图6a的区域a-b为例进行描述；从该区域中相对于负载电流变化而产生的功率误差的变化中，可计算出矢量类型的修正值。如果计算出矢量类型的修正值，则通过在每个负载电流区域中增加或减去该计算出的矢量类型修正值，可以计算出校正的功率数据。如果应用这种实施例，则只需相对次数较少的测量就可获得高可靠性的数据。在该实施例中，功率计的特性示出了确定的趋势，因此，在双向数字功率计安装之后，当环境不发生变化时，可以使用这种实施例。

与此同时，由于本发明的双向数字功率计无需分开处理信号就可将测得的电压信号和电流信号转换成数字信号，转换后的数字信号的校正也以数字处理方法来运行，因此，该校正能够以快速的方式执行。尤其是，当输送功率和接收功率之间的差值较大时，电流的变化剧烈，输送功率和接收功率的误差是分别进行校正的，并通过与误差值相加，显示出累积的输送功率和接收功率之间的功率差值，从而避免了在早期阶段出现对输送功率和接收功率的测量误差产生争议。

显示单元700显示出电压、电流、输送功率、接收功率、瞬时功率值以及累积的功率值，直至达到某个特定的时间点，这些数据是由本发明的双向数字功率计10来测量的，此外，显示单元能够显示外部通信状态，如：电路是否中断，功率消耗值、电池状态等等。此外，还可以实时显示瞬时能耗及累积电能。从外部接收到的电能和通过自主生成供应至外部的电能可以以增量或减量的形式，按小时计算地增加并显示，从而可按小时为时间单位，对精确的功耗量进行监测。

与此同时，根据本发明的双向数字功率计10还进一步包括有线/无线通信单元800，其用于把从显示单元700输出的信息，输出到外部终端（图中未示出）。该有线/无线通信单元800包括有线通信装置和无线通信装置。RS-232/485、DCPLC、PLC、NFC等等可用作有线通信装置，而WiFi、Zigbee、蓝牙、CDMA/GSM、3G、LTE等等可用作无线通信装置。

此外，通过有线或无线通信收集的，在双向数字功率计10上的信息可以与外部监测系统结合起来，成为智能电网系统的一部分，并且为了存储实时信息和累积功耗信息，在有线/无线通信单元800上还可以设置独立的外部存储装置。功耗信息包括上文所述的输送功率和接收功率、有功功率和无功功率，等等。

此外，根据经有线/无线通信单元800输入的、用户自定义的误差校正值，双向数字功率计10可以重置存储在第二存储单元600中的误差校正信息。

作为一个实施例，当双向数字功率计10的电压信号检测单元110和电流信号检测单元120使用了一段时间，且它们的特性发生了变化时，对于所产生的实际误差值来说，误差校正值可能是弱化了的校正值，其需要重新设置。

这里，由于电压信号检测单元110和电流信号检测单元120的特性随电压信号检测单元110和电流信号检测单元120使用一段时间后发生了改变（弱化），当输入信号变得与初始设定值不同时，其弱化校正就是用初始设定值去校正输入信号。

制造公司可通过多次重复试验计算出该弱化校正值，并且可根据该双向数字功率计10的使用时间不同，计算出不同的弱化校正值。可通过有线/无线通信单元800，输入计算出的弱化校正值。可以采用公知技术作为手段，通过有线/无线通信单元800输入该计算出的弱化校正值。

将输入的弱化校正值传输至微型计算机400，并通过微型计算机400用于重置存储在第二存储单元600内的误差校正值。如果误差校正值被重置，则将重置后的误差校正值再次存储至第二存储单元600内。该重置后的误差校正值和误差校正信息可通过显示单元700来确认。

对于所有已安装的双向数字功率计10，或安装在特定区域的双向数字功率计10，或单个独立的双向数字功率计10，都可实施这种双向数字功率计10的误差校正值的重置。

尽管本发明参照特定的示范性实施例进行了描述，但其并不被这些实施例所限定，而仅由所附权利要求来限定。值得重视的是，对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本发明范围和精神的前提下，改变或修改这些实施例。

Claims (7)

1.一种双向数字功率计，包括：

信号检测单元，用于检测电压信号和电流信号，并将检测到的电压信号和电流信号输出，所述电压信号和电流信号分别与来自电力线路的电压值和电流值成比例；

A/D转换单元，用于将从所述信号检测单元输出的电压信号和电流信号转换成数字信号；

测量单元，利用由所述A/D转换单元转换的数字信号，计算功率数据；

显示单元，用于显示由所述测量单元计算出的功率数据；

第一存储单元，用于存储由所述测量单元计算出的功率数据；

第二存储单元，用于存储误差校正信息，以校正存储在所述第一存储单元中的功率数据；

微型计算机，利用存储在所述第二存储单元中的误差校正信息，校正由所述测量单元计算出的功率数据的输送功率数据和接收功率数据的误差；利用校正后的功率数据，计算输送功率数据和接收功率数据之间的差值；控制所述第一存储单元存储校正后的功率数据；以及控制所述显示单元向外部显示校正后的功率数据；以及

所述微型计算机将从每个电流区域内相对于电流变化的功率误差变化中计算出的连续值作为修正值，通过共同地增加或减去修正值，来校正误差。

2.根据权利要求1所述的功率计，其特征在于，所述功率数据是电能，所述电能通过把输送功率的总体电能和接收功率的总体电能之间的差值相加来获得。

3.根据权利要求2所述的功率计，其特征在于，所述测量单元包括：

有功功率/频率转换器，用于输出数据，所述数据与电力线路的接收功率部件或输送功率部件的有功电能成比例；

无功功率/频率转换器，利用相对于电力线路电压有90o相移的电压，输出数据，所述数据与相位超前或相位滞后的无功电能成比例；

流向判定装置，用于从有功功率/频率转换器输出的数据中以及从无功功率/频率转换器输出的数据中，判定无功功率/频率转换器的输出是功率输送/相位超前、功率输送/相位滞后、功率接收/相位超前还是功率接收/相位滞后状态；以及

功率计算装置，用于接收由所述流向判定装置确定的有功功率、无功功率、输送功率和接收功率的值，并计算实时功率或累积功率。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的功率计，其特征在于，所述微型计算机将对特定电流值测量出的功率误差值作为修正值，通过共同地增加或减去所述修正值，来校正误差。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的功率计，其特征在于，所述微型计算机将每个电流区域内预先设置的功率误差值作为修正值，通过在每个电流区域内增加或减去修正值，来校正误差。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的功率计，进一步包括：

有线/无线通信单元，以有线或无线方式，把所述显示单元输出的信息，向外部输出；以及

外部存储装置，用于存储实时功率或累积功率值，包括输送功率和接收功率值，以及有功功率和无功功率值，所述外部存储装置连接至所述有线/无线通信单元。

7.根据权利要求6所述的功率计，其特征在于，根据经所述有线/无线通信单元输入的、用户自定义的误差校正值，可重置存储在所述第二存储单元中的误差校正信息。