CN104267254B - 一种正弦电路无功功率检测方法 - Google Patents

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本发明涉及一种正弦电路无功功率检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：采集单元Ⅰ采样得到单相电网的电流信号及电压正半轴峰值，然后将采样到的电流信号及电压正半轴峰值送到控制单元；步骤2：采集单元Ⅱ采样得到单相电网的电压信号，并将电压信号进行过零检测处理，然后将过零检测电压信号送到控制单元；步骤3：控制单元检测步骤2中的电压过零点信号，并根据步骤1中的电流信号，检测得到电压过零点对应的电流的瞬时值；根据步骤1中电压正半轴峰值和预定的计算方法计算出无功功率Q。本发明的优点在于：只需检测电压正半轴峰值及电压过零点对应的电流的瞬时值，即可计算出无功功率Q，其计算简单方便，提高了无功功率Q的检测效率。

Description

一种正弦电路无功功率检测方法
技术领域
本发明属于电能计算技术领域，特别涉及一种正弦电路无功功率检测方法。
背景技术
无功功率作为电能质量重要衡量指标，对它的补偿关系到提高供电用电设备的安全可靠运行、提高功率因素、降低电路损耗、减少设备容量等诸多方面，而检测无功功率成为决策是否补偿和补偿量的重要环节。
目前无功功率Q的计算公式为：
其中为U电压，I为电流，α为电压电流的相位角。
基于上述无功功率的计算公式，目前检测方法为采样点法：先将电流数字信号或电压数字信号进行傅立叶变换，并对傅立叶变换得到的频域信号移相90度，再对移相后的频域信号进行傅立叶反变换，从而能够根据移相后的电流数字信号或电压数字信号与未移相的电压数字信号或电流数字信号计算得到无功功率。
上述方法的缺点为：需要采集较多的电压与电流数据，然后进行傅里叶变换，无功功率计算时间长，无功功率检测效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种计算简单，能够缩短无功功 率的检测时间，提高无功功率检测效率的正弦电路无功功率检测方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种正弦电路无功功率检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：采集单元Ⅰ采样得到单相电网的电流信号及电压正半轴峰值，然后将采样到的电流信号及电压正半轴峰值送到控制单元；
步骤2：采集单元Ⅱ采样得到单相电网的电压信号，并将电压信号进行过零检测处理，然后将过零检测电压信号送到控制单元；
步骤3：控制单元检测步骤2中的电压过零点信号，并根据步骤1中的电流信号，检测得到电压过零点对应的电流的瞬时值；根据步骤1中电压正半轴峰值和预定的计算方法计算出无功功率Q；所述预定计算方法为 vp为电压正半轴峰值，iθ为电压过零时电流的瞬时值；进一步地，所述采集单元I电流信号的采集电路包括电流采集电路、偏置信号产生电路和同相求和电路；
所述电流采集电路由电流互感器J2、电容C16和电阻R11组成，该电流互感器J2输入端连接到单相电网两端，其输出端依次并联电容C16和电阻R11，该电阻R11的一端作为电流采集电路的输出端ICIN，另一端接地GND；
所述偏置信号产生电路由电阻R14、电阻R17、运算放大器U3-A组成，电阻R14和电阻R17相串联后一端接电源VCC，另一端接地GND，所述运算放大器U3-A的同相输入端连接在所述电阻R14和R17之间的公共端上，所述运算放大器U3-A的反相输入端串联到其输出端；
所述同相求和电路由电阻R12、电阻R16、电阻R18、电阻R19及运算放大器U3-B组成；所述运算放大器U3-B的同相输入端分别串联上电阻R12和电阻R16，并通过电阻R12与电流采集电路的输出端ICIN串接，通过电阻R16与偏置信号产生电路的输出端CIM串接，其反向输入端分别串联上电阻R18和电阻R19，并通过电阻R19与其输出端串接，其输出端作为电流信号采集的最终输出端ADC-I，所述电阻R18的另一端接地GND。
进一步地，所述电流互感器J2采用50A/25mA的电流互感器J2。
进一步地，所述采集单元I电压正半轴峰值信号的采集电路包括电压采集电路和交流电压峰值测量电路，
所述电压采集电路由电压互感器J3、电阻R13、电阻R15和电容C17组成；所述电压互感器J3输入端串联上电阻R13后连接到单相电网两端，其输出端依次并联电阻R15和电容C17，所述电阻R15和电容C17并联后的一端作为电压采集电路的输出端Vin，另一端接地GND；
所述交流电压正半轴峰值测量电路由电阻R20、运算放大器U4-A、二极管D1、二极管D2、电阻R25、电阻R23、MOS管Q1、电容C18和运算放大器U4-B组成；所述运算放大器U4-A的同相输入端串联电阻R20后串联到电压采集电路的输出端Vin，其反向输入端分别串联到二极管D2的正极和电阻R25的一端，其输出端分别串联到二极管D2的负极和二极管D1的正极；所述运算放大器U4-B的同相输入端串联到二极管D1的负极，其反向输入端分别串联到电阻R25的另一端和其输出端，其输出端作为交流电压正半轴峰值测量电路的输出端；在与运算放大器U4-A输出端串联的二极管D1的负极和运算放大器U4-B的同相输入端之间依次并联上MOS管Q1的漏极和电容C18的一端，MOS管Q1的栅极串联上电阻R23，且该电阻23、MOS管Q1的源极和电容C18的另一端同时接地GND。
进一步地，所述电压互感器J3采用2mA/2mA的电压互感器J3。
进一步地，所述采集单元II电压过零点信号的采集电路包括电压过零检测电路，
所述电压过零检测电路由电阻R22、电阻R24、光耦U7、光耦U8和电阻R21；所述光耦U7和所述光耦U8的输入端反并联后，串联上电阻R22和电阻R24，其输出端反并联后，一端接地GND，另一端作为整个过零检测电路的输出端U-ZERO；所述电阻R22和电阻R24的另一端分别连接到单相电网两端；所述电阻R21一端串联到电源VDD，另一端串联到输出端U-ZERO。
进一步地，所述控制单元具有32位ARM微控制器STM32F103，主要包括处理器CPU、复位电路和时钟电路，CPU上具有I/O引脚PC0、PC1、PC2；所述引脚PC0与采集单元I的电压过零检测电路的输出端U-ZERO相连，引脚PC1与采集单元I的电流信号采集的最终输出端ADC-I相连，引脚PC2与采集单元I的交流电压正半轴峰值测量电路的输出端相连，所述CPU计算并检测正弦电路的无功功率。
本发明的优点在于：
1.本方法，只需检测电压正半轴峰值及电压过零点时电流的瞬时值，通过公式即可计算出无功功率Q，其计算简单方便，提高了无功功率Q 的检测效率；
2.采集单元Ⅰ电流信号的采集电路包括电流采集电路、偏置信号产生电路和同相求和电路；电压正半轴峰值信号的采集电路包括电压采集电路和交流电压峰值测量电路；将采样到的电流信号及电压正半轴峰值送到控制单元；
3.采集单元Ⅱ具有电压过零检测电路，将过零检测电压信号送到控制单元；
4.控制单元具有32位ARM微控制器STM32F103，根据采集单元Ⅱ中的电压过零检测电路，检测得到电压过零点，并根据采集单元Ⅰ中的电流信号，检测到电压过零点对应的电流的瞬时值iθ；根据采集单元Ⅰ中和预定的计算方法计算出无功功率Q。
附图说明
图1为本发明一种正弦电路无功功率检测方法的电路流程图。
图2为单相电网电压及电流的波形图。
图3为本发明实施例1中采集单元Ⅰ电路的结构示意图。
图4为本发明实施例1中采集单元Ⅱ电路的结构示意图。
图5为本发明实施例1中采集单元Ⅱ电网侧电压信号及经过过零检测输出的电压信号的波形图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种正弦电路无功功率检测方法，包括如下步骤：
S1：采集单元Ⅰ101采样得到单相电网的电流信号及电压正半轴峰 值，然后将采样到的电流信号及电压正半轴峰值送到控制单元103；
S2：采集单元Ⅱ102采样得到单相电网的电压信号，并将电压信号进行过零检测处理，然后将过零检测电压信号送到控制单元103；
S3：控制单元103检测S2中的电压过零点信号，并根据S1中的电流信号，检测得到电压过零点对应的电流的瞬时值；根据S1中电压正半轴峰值和预定的计算方法计算出无功功率Q，预定的计算方法为 Vp为电压正半轴峰值，iθ为电压过零时电流的瞬时值；预定的计算方法推导如下：对于如图2所示的正弦电路中，电压、电流及无功功率的方程组如下：
其中，u为电压瞬时值，U为电压有效值，ω为角频率，t为时间；i为电流瞬时值，I为电流有效值，为电流滞后电压的相角，Vp电压正半轴峰值；
当电压u＝0时，电流的瞬时值表示为，解方程组得。
本实施例中，
其一，如图3所示，采集单元I电流信号的采集电路包括电流采集电路、偏置信号产生电路和同相求和电路；
电流采集电路由50A/25mA的电流互感器J2、电容C16和电阻R11组成，该电流互感器J2输入端连接到单相电网两端，其输出端依次并联电容C16和电阻R11，该电阻R11的一端作为电流采集电路的输出端ICIN，另一端接地GND；
偏置信号产生电路由电阻R14、电阻R17、运算放大器U3-A组成，电阻R14和电阻R17相串联后一端接电源VCC，另一端接地GND，运算放大器U3-A的同相输入端连接在电阻R14和R17之间的公共端上，运算放大器U3-A的反相输入端串联到其输出端；
同相求和电路由电阻R12、电阻R16、电阻R18、电阻R19及运算放大器U3-B组成；运算放大器U3-B的同相输入端分别串联上电阻R12和电阻R16，并通过电阻R12与电流采集电路的输出端ICIN串接，通过电阻R16与偏置信号产生电路的输出端CIM串接，其反向输入端分别串联上电阻R18和电阻R19，并通过电阻R19与其输出端串接，其输出端作为电流信号采集的最终输出端ADC-I，电阻R18的另一端接地GND；
上述C16起滤波作用，提高电流检测稳定性，第一级运放MCP6002-A产生2.5V的偏置电压CIM，第二级运放MCP6002-B将采集到的电流信号ICIN与偏置信号CIM相叠加，得到电流信号ADC-I，并将电流信号ADCI输送到控制单元STM32F103的AD端供微处理器进行数据采集；
采集单元I电压正半轴峰值信号的采集电路包括电压采集电路和交流电压正半轴峰值测量电路，电压采集电路由2mA/2mA的电压互感器J3、电阻R13、电阻R15和电容C17组成；电所述电压互感器J3的端口1串联上电阻R13后连接到单相电网的UL端，端口2连接到UN端，电压互感器J3的输出端依次并联电阻R15和电容C17，电阻R15和电容C17并联后的一端作为电压采集电路的输出端Vin，另一端接地GND；
交流电压正半轴峰值测量电路由电阻R20、运算放大器U4-A、二极管D1、二极管D2、电阻R25、电阻R23、MOS管Q1、电容C18和算放大器U4-B组成；运算放大器U4-A的同相输入端串联电阻R20后串联到电压采集电路的输出端Vin，其反向输入端分别串联到二极管D2的正极和电阻R25的一端，其输出端分别串联到二极管D2的负极和二极管D1的正极；运算放大器U4-B的同相输入端串联到二极管D1的负极，其反向输入端分别串联到电阻R25的另一端和其输出端，其输出端作为交流电压正半轴峰值测量电路的输出端；在与运算放大器U4-A输出端串联的二极管D1的负极和运算放大器U4-B的同相输入端之间依次并联上MOS管Q1的漏极和电容C18的一端，MOS管Q1的栅极串联上电阻R23，且该电阻23、MOS管Q1的源极和电容C18的另一端同时接地GND；
其二，如图4和图5所示，采集单元II102电压过零点信号的采集电路包括电压过零检测电路，电压过零检测电路由电阻R22、电阻R24、光耦U7、光耦U8和电阻R21；光耦U7和光耦U8的输入端反并 联后，串联上电阻R22和电阻R24，其输出端反并联后，一端接地GND，另一端作为整个过零检测电路的输出端U-ZERO；电阻R22和电阻R24的另一端分别连接到单相电网两端；电阻R21一端串联到电源VDD，另一端串联到输出端U-ZERO；电压过零检测电路输入端连接到单相电网电压，输出端U-ZERO连接到控制单元103的PC0引脚上，UL端、UN端为电网侧电压输入端；线性光耦NEC2501的截止电流为0.7mA，当输入电压大于168V时，光耦输出电压接近于0；当输入电压小于168V时，光耦输出端U-ZERO处电压为从0～Umax变化的抛物线状电压信号；当电压为0时，光耦输出电压为Umax＝5V；
其三，控制单元103，采用32位ARM微控制器STM32F103，主要包括处理器CPU、复位电路和时钟电路，CPU上具有I/O引脚PC0、PC1、PC2；所述引脚PC0与采集单元I的电压过零检测电路的输出端U-ZERO相连，引脚PC1与采集单元I的电流信号采集的最终输出端ADC-I相连，引脚PC2与采集单元I的交流电压正半轴峰值测量电路的输出端相连；
利用处理器CPU的输入捕获功能，捕获电压信号的上升沿，捕捉到信号后启动A/D转换，读取一个周期内的电压值，取其中的最大值，即对应实际电网侧输入电压的过零点，并读取此时电网侧的电流值，即，然后根据采集单元I101采集的电压正半轴峰值和预定的计算方法计算出无功功率Q。

Claims (6)

1.一种正弦电路无功功率检测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1：采集单元Ⅰ采样得到单相电网的电流信号及电压正半轴峰值，然后将采样到的电流信号及电压正半轴峰值送到控制单元；步骤2：采集单元Ⅱ采样得到单相电网的电压信号，并将电压信号进行过零检测处理，然后将过零检测电压信号送到控制单元；
步骤3：控制单元检测步骤2中的电压过零点信号，并根据步骤1中的电流信号，检测得到电压过零点对应的电流的瞬时值；根据步骤1中电压正半轴峰值和预定的计算方法计算出无功功率Q；所述预定计算方法为，为电压正半轴峰值，为电压过零时电流的瞬时值；所述采集单元I电流信号的采集电路包括电流采集电路、偏置信号产生电路和同相求和电路；
所述电流采集电路由电流互感器J2、电容C16和电阻R11组成，该电流互感器J2输入端连接到单相电网两端，其输出端依次并联电容C16和电阻R11，该电阻R11的一端作为电流采集电路的输出端ICIN，另一端接地GND；
所述偏置信号产生电路由电阻R14、电阻R17、运算放大器U3-A组成，电阻R14和电阻R17相串联后一端接电源VCC，另一端接地GND，所述运算放大器U3-A的同相输入端连接在所述电阻R14和R17之间的公共端上，所述运算放大器U3-A的反相输入端串联到其输出端；
所述同相求和电路由电阻R12、电阻R16、电阻R18、电阻R19及运算放大器U3-B组成；所述运算放大器U3-B的同相输入端分别串联上电阻R12和电阻R16，并通过电阻R12与电流采集电路的输出端ICIN串接，通过电阻R16与偏置信号产生电路的输出端CIM串接，其反向输入端分别串联上电阻R18和电阻R19，并通过电阻R19与其输出端串接，其输出端作为电流信号采集的最终输出端ADC-I，所述电阻R18的另一端接地GND。
2.根据权利要求1所述的正弦电路无功功率检测方法，其特征在于：所述电流互感器J2采用50A/25mA的电流互感器J2。
3.根据权利要求1所述的正弦电路无功功率检测方法，其特征在于：所述采集单元I电压正半轴峰值信号的采集电路包括电压采集电路和交流电压峰值测量电路，所述电压采集电路由电压互感器J3、电阻R13、电阻R15和电容C17组成；所述电压互感器J3的端口1串联上电阻R13后连接到单相电网的UL端，端口2连接到UN端，电压互感器J3的输出端依次并联电阻R15和电容C17，所述电阻R15和电容C17并联后的一端作为电压采集电路的输出端Vin，另一端接地GND；所述交流电压正半轴峰值测量电路由电阻R20、运算放大器U4-A、二极管D1、二极管D2、电阻R25、电阻R23、MOS管Q1、电容C18和运算放大器U4-B组成；所述运算放大器U4-A的同相输入端串联电阻R20后串联到电压采集电路的输出端Vin，其反向输入端分别串联到二极管D2的正极和电阻R25的一端，其输出端分别串联到二极管D2的负极和二极管D1的正极；所述运算放大器U4-B的同相输入端串联到二极管D1的负极，其反向输入端分别串联到电阻R25的另一端和其输出端，其输出端作为交流电压正半轴峰值测量电路的输出端；在与运算放大器U4-A输出端串联的二极管D1的负极和运算放大器U4-B的同相输入端之间依次并联上MOS管Q1的漏极和电容C18的一端， MOS管Q1的栅极串联上电阻R23，且该电阻23、MOS管Q1的源极和电容C18的另一端同时接地GND。
4.根据权利要求3所述的正弦电路无功功率检测方法，其特征在于：所述电压互感器J3采用2mA/2mA的电压互感器J3。
5.根据权利要求1所述的正弦电路无功功率检测方法，其特征在于： 所述采集单元II电压过零点信号的采集电路包括电压过零检测电路，所述电压过零检测电路由电阻R22、电阻R24、光耦U7、光耦U8和电阻R21；所述光耦U7和所述光耦U8的输入端反并联后，串联上电阻R22和电阻R24，其输出端反并联后，一端接地GND，另一端作为整个过零检测电路的输出端U-ZERO；所述电阻R22和电阻R24的另一端分别连接到单相电网两端；所述电阻R21一端串联到电源VDD，另一端串联到输出端U-ZERO。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的正弦电路无功功率检测方法，其特征在于：所述控制单元具有32位ARM微控制器STM32F103，主要包括处理器CPU、复位电路和时钟电路，CPU上具有I/O引脚PC0、PC1、PC2；所述引脚PC0与采集单元I的电压过零检测电路的输出端U-ZERO相连，引脚PC1与采集单元I的电流信号采集的最终输出端ADC-I相连，引脚PC2与采集单元I的交流电压正半轴峰值测量电路的输出端相连，所述CPU计算并检测正弦电路的无功功率。
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