CN105785112B - 一种基于功率的小相位补偿装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率的小相位补偿装置及其方法，装置包括顺次连接的补偿值计算模块以及功率补偿模块，所述补偿值计算模块用于计算补偿值，并输出给所述功率补偿模块。还涉及一种基于功率的小相位补偿方法，基于上述的补偿装置，包括补偿值计算步骤，以及补偿步骤。根据本发明的基于功率的小相位补偿装置及其方法，基于有功功率补偿无功功率计量中的输入信号的小相位误差，基于无功功率补偿有功功率计量中的输入信号的小相位误差，以极小的资源开销实现功率计量结果的准确度的提高，尤其对于需要希尔伯特变换的无功计量系统更加有效。

Description

一种基于功率的小相位补偿装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于功率的小相位补偿装置及其方法。

背景技术

随着对电能计量精度要求的提高，任何能改善计量精度的方法都值得被关注。在影响计量精度的众多因素之中，电流和电压的相位偏差是非常关键的一个，现有技术中，在sigma-delta ADC之前采用一个延时单元实现相位偏差校正，这种方法能够很大程度地校正通道的相位偏差，但由于采样精度等原因，相位误差无法完全精确地实现校正，这个小的相位偏差将会影响计量精度，特别是进行小功率信号测量时，更加敏感。

设有功功率计量值P'为：

设无功功率计量值Q'为：

上式(I)和(II)中，U,I分别是输入电压和电流的有效值，为电压电流的通道相位差，Δ为通道相位补偿后还存在的误差。

由于Δ很小，cosΔ≈1,上式(I)和(II)可等效为：

P'≈P-QsinΔ (III)

Q'≈Q+PsinΔ (IV)

上式(III)和(IV)中，P为补偿后的功功率值，Q为补偿后的无功功率值。

从(III)和(IV)式中可以看出，计量得到有功功率P‘和无功功率Q^’分别存在误差QsinΔ和PsinΔ。

目前，功率校正通常采用的方法是增益调整和偏置补偿，但都无法补偿上述中的小相位引起的功率误差(QsinΔ和PsinΔ)的，尤其在进行无功计量时，希尔伯特滤波器相位误差的影响将更加明显。所以这个无法消除的相位偏差将会带来功率计算的误差，从而导致计量精度的下降。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率的小相位补偿装置及其方法，能够实现减小由于输入信号的相位偏差校正不准确带来的功率(有功功率和无功功率)误差，使得功率值更加精确，从而提高电能表的计量精度，且整体系统结构简单，运算量小，硬件资源开销很小。

本发明提供一种基于功率的小相位补偿装置，包括顺次连接的补偿值计算模块以及功率补偿模块，所述补偿值计算模块用于计算补偿值，并输出给所述功率补偿模块；所述功率补偿模块中输入初始第二功率计量值，所述功率补偿模块用于根据所述补偿值对所输入的初始第二功率计量值进行补偿，并输出补偿后第二功率计量值。

具体的，所述补偿值计算模块包括：用于输入校表寄存器写入值的获取校表寄存器写入值单元、用于输入第一功率计量值的获取第一功率计量值单元以及与所述获取校表寄存器写入值单元、所述获取第一功率计量值单元相连接的补偿值计算单元，所述补偿值计算单元与所述功率补偿模块相连接。

具体的，所述补偿值计算单元为乘法器。

具体的，所述功率补偿模块包括：输入功率移位单元，初始第二功率计量值输入至所述输入功率移位单元中，所述输入功率移位单元用于获得所输入的初始第二功率计算值的移位值；比较判断单元，所述比较判断单元与所述补偿值计算单元、所述输入功率移位单元相连接，用于产生判断信号；补偿单元，与所述补偿值计算单元、所述比较判断单元相连接，用于基于所述比较判断单元输入的判断信号和所述补偿值计算单元所输入的补偿值，对输入的初始第二功率计量值进行补偿，并输出补偿后第二功率计量值。

优选的，若实现的是对无功功率的补偿，所述第一功率计量值为有功功率平均值，所述初始第二功率计量值为无功功率瞬时值；若实现的是对有功功率计的补偿，所述初始第一功率计量值为无功功率平均值，所述第二功率计量值为有功功率瞬时值。

本发明还涉及一种基于功率的小相位补偿方法，基于上述基于功率的小相位补偿装置，具体包括以下步骤：

步骤S1：补偿值计算步骤，所述获取校表寄存器写入值单元将校表寄存器写入值输入至所述补偿值计算单元，所述获取第一功率计量值单元将第一功率计量值输入至所述补偿值计算单元，所述补偿值计算单元根据所输入的校表寄存器写入值、第一功率计量值计算出补偿值，并将补偿值输出至所述功率补偿模块；

步骤S2：将初始第二功率计量值输入至所述功率补偿模块，所述功率补偿模块根据所述补偿值以及所输入的初始第二功率计量值进行计算、补偿并输出补偿后的第二功率计量值。

优选的，在步骤S1中，所述补偿值的计算方法为：补偿值等于第一功率计量值与校表寄存器写入值的乘积。

具体的，步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：将初始第二功率计算值输入至所述输入功率移位单元，所述输入功率移位单元将初始第二功率计算值进行右移，获得第二功率移位值，并将第二功率移位值输入至比较判断单元中；

步骤S22：所述比较单元对所输入的补偿值的绝对值以及第二功率移位值的绝对值进行比较，若补偿值的绝对值大于第二功率移位值的绝对值，则执行步骤S23，否则执行步骤S24；

步骤S23：所述比较单元对所述补偿单元输出判断信号1，所述补偿单元根据补偿值对初始第二功率计量值进行补偿计算，输出补偿后的第二功率计量值；

步骤S24：所述比较单元对所述补偿单元输出判断信号0，所述补偿单元不进行补偿运算，直接输出初始第二功率计量值。

优选的，在步骤S23中，补偿计算方法为，对有功功率的补偿，初始第二功率计量值中与所输入的补偿值做加法运算，对无功功率的补偿，初始第二功率计量值与所输入的补偿值做减法运算。

根据本发明的基于功率的小相位补偿装置及其方法，基于有功功率补偿无功功率计量中的输入信号的小相位误差，基于无功功率补偿有功功率计量中的输入信号的小相位误差，以极小的资源开销实现功率计量结果的准确度的提高，尤其对于需要希尔伯特变换的无功计量系统更加有效。

附图说明

图1为本发明的基于功率的小相位补偿装置的结构框图；

图2为本发明的基于功率的小相位补偿装置的方法的流程图；

图3为本发明中步骤S2的流程图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的基于功率的小相位补偿装置及其方法做详细的说明。图1为本发明的基于功率的小相位补偿装置的结构框图，补偿计算模块1与功率补偿模块2顺次连接。补偿计算模块1包括获取校表寄存器写入值单元11、获取第一功率计量值单元12以及补偿值计算单元13，获取校表寄存器写入值单元11与获取第一功率计量值单元12均与补偿值计算单元13相连接。获取校表寄存器写入值单元11将校表寄存器写入值sinΔ发送至补偿值计算单元13，获取第一功率计量值单元12将第一功率计量值发送至补偿值计算单元13。补偿计算单元13将计算后的补偿值发送至功率补偿模块2中。

功率补偿模块2包括输入功率移位单元21，输入功率移位单元21用于移位输入的初始第二功率计量值(补偿之前的有功功率或者无功功率)，获得第二功率移位值。输入功率移位单元21与比较判断单元22相连接，同时比较判断单元22与补偿值计算单元13相连接。比较判断单元用于对补偿值与第二功率移位值进行比较后，对补偿单元23发送判断信号，该判断信号为1或者0，判断信号1表示指示补偿单元进行补偿，判断信号0表示指示补偿单元不进行补偿。

补偿单元23分别与补偿值计算单元13，比较判断单元21相连接，并且初始第二功率计量值也输出至补偿单元23中，在比较判断单元22输出的判断信号为1的情况下，根据补偿值计算单元13发来的补偿值，以及比较单元21发来的命令实现对初始第二功率计量值的补偿，并输出补偿后的第二功率计量值。

上述中，若实现的是对无功功率的补偿，第一功率为有功功率平均值，第二功率为无功功率瞬时值；若实现的是对有功功率计的补偿，第一功率为无功功率平均值，第二功率为有功功率瞬时值。

本发明还涉及一种基于功率的小相位补偿方法，参照图2和图3对具体步骤进行说明。

第一步S1：补偿值计算步骤。

获取校表寄存器写入值单元11用于读取校表寄存器写入值，该值的大小根据校表误差得到，位数越多，补偿精度越高，但同时硬件资源开销也就越大，考虑到后续还需要截位，一般用一个8比特的有符号数表示即可。

获取第一功率计量值单元12用于读取第一功率计量值，若此过程是对有功功率计量的补偿，读取的是无功功率计量值；若是对无功功率计量的补偿，读取的是有功功率计量值；功率值优先选择平均值。

将校表寄存器写入值以及第一功率计量值输出至所述补偿值计算单元13中，补偿值计算单元13利用乘法器将实现获取的校表寄存器写入值和获取的第一功率值的乘法，移位所需要的位宽后得到补偿值，并输出给功率补偿模块2。

以上步骤的原理如下，所输入的第一功率计量值中有功功率计量值P'为：

无功功率的计量值Q'为：

上式(I)和(II)中，U,I分别是输入电压和电流的有效值，为电压电流的通道相位差，Δ为通道相位补偿后还存在的误差。

通道相位补偿后，Δ值一般小于0.1°，所以cosΔ≈1,上式(I)和(II)可等效为：

P'≈P-QsinΔ (III)

Q'≈Q+PsinΔ (IV)

上式(III)和(IV)中，P为实际有功功率值，Q为实际无功功率值。

进一步可得：

P≈P‘+QsinΔ (V)

Q≈Q’-PsinΔ (VI)

对于补偿有功功率P'，基于公式(V)进行，则步骤S1的输入功率为无功功率计量值Q，输入校表寄存器写入值为sinΔ；

对于补偿有功功率Q‘，基于公式(VI)进行，则步骤S1的输入功率为有功功率计量值P，输入校表寄存器写入值为sinΔ；

由于Δ值很小，sinΔ可等效于Δ；从而通过输入第一功率(P或Q)计量值与校表寄存器写入值(sinΔ)的乘法运算，可得到需要的补偿值。

第二步S2：功率补偿模块根据步骤S1中输入的补偿值(PsinΔ或QsinΔ)对所输入的初始第二功率计算值进行功率补偿，并输出补偿后第二功率计量值。

以下接合图3对第二步S2进行具体说明。图3是步骤S2的详细过程的流程图。如图所示，步骤S2具体包括以下步骤。

步骤S21：输入功率移位单元21中右移输入初始第二功率计量值，获得第二功率移位值，并将第二功率移位值输入至比较判断单元22中；

第二功率移位值是一个可与补偿值做比较的阈值，右移的位数可根据补偿值的范围设置；另外，初始第二功率计量值优先选择瞬时值，经过后续的平均，可获得更高的补偿精度。

步骤S22：比较单元22对所输入的补偿值的绝对值以及第二功率移位值的绝对值进行比较，若补偿值的绝对值大于第二功率移位值的绝对值，则执行步骤S23，否则执行步骤S24；

此步骤用于减小小功率信号补偿的误差，例如，进行无功功率补偿，输入的无功功率Q‘值很小，PsinΔ值很大，此时，可能会出现补偿之后比补偿之前的误差还要大，通过此步骤可消除这种现象。

步骤S23：比较单元22输出判断信号1给补偿单元23，补偿单元23接收到判断信号后，根据补偿值对初始第二功率计量值进行补偿计算，输出补偿后的第二功率计量值；具体的，对有功功率计量的补偿，通过初始第二功率计量值的与补偿值计算单元13输出的补偿值的加法操作实现补偿；对无功功率计量的补偿，通过初始第二功率计量值与补偿值计算单元13输出的补偿值的减法操作实现补偿；

步骤S24：比较单元22输出判断信号0给补偿单元23，补偿单元23接收到判断信号后，不进行补偿运算，直接输出初始第二功率计量值。

本发明的能够实现减小由于输入信号的相位偏差校正不准确带来的功率(有功功率和无功功率)误差，使得功率值更加精确，从而提高电能表的计量精度，且整体系统结构简单，运算量小，硬件资源开销很小。

Claims (2)

1.一种基于功率的小相位补偿装置，其特征在于，包括顺次连接的补偿值计算模块以及功率补偿模块，所述补偿值计算模块用于计算补偿值，并输出给所述功率补偿模块，所述功率补偿模块中输入初始第二功率计量值，所述功率补偿模块用于根据所述补偿值对所输入的初始第二功率计量值进行补偿，并输出补偿后第二功率计量值，所述补偿值计算模块包括：用于输入校表寄存器写入值的获取校表寄存器写入值单元、用于输入第一功率计量值的获取第一功率计量值单元以及与所述获取校表寄存器写入值单元、所述获取第一功率计量值单元相连接的补偿值计算单元，所述补偿值计算单元与所述功率补偿模块相连接，所述功率补偿模块包括：输入功率移位单元，初始第二功率计量值输入至所述输入功率移位单元中，所述输入功率移位单元用于获得所输入的初始第二功率计算值的移位值；比较判断单元，所述比较判断单元与所述补偿值计算单元、所述输入功率移位单元相连接，用于产生判断信号；补偿单元，与所述补偿值计算单元、所述比较判断单元相连接，用于基于所述比较判断单元输入的判断信号和所述补偿值计算单元所输入的补偿值，对输入的初始第二功率计量值进行补偿，并输出补偿后第二功率计量值，若实现的是对无功功率的补偿，所述第一功率计量值为有功功率平均值，所述初始第二功率计量值为无功功率瞬时值；若实现的是对有功功率计的补偿，所述第一功率计量值为无功功率平均值，所述初始第二功率计量值为有功功率瞬时值，所述补偿值计算单元为乘法器。

2.一种基于功率的小相位补偿方法，基于如权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：补偿值计算步骤，所述获取校表寄存器写入值单元将校表寄存器写入值输入至所述补偿值计算单元，所述获取第一功率计量值单元将第一功率计量值输入至所述补偿值计算单元，所述补偿值计算单元根据所输入的校表寄存器写入值、第一功率计量值计算出补偿值，并将补偿值输出至所述功率补偿模块；

步骤S2：将初始第二功率计量值输入至所述功率补偿模块，所述功率补偿模块根据所述补偿值以及所输入的初始第二功率计量值进行计算、补偿并输出补偿后的第二功率计量值，

在步骤S1中，所述补偿值的计算方法为：补偿值等于第一功率计量值与校表寄存器写入值的乘积，

步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：将初始第二功率计算值输入至所述输入功率移位单元，所述输入功率移位单元将初始第二功率计算值进行右移，获得第二功率移位值，并将第二功率移位值输入至比较判断单元中；

步骤S22：所述比较判断单元对所输入的补偿值的绝对值以及第二功率移位值的绝对值进行比较，若补偿值的绝对值大于第二功率移位值的绝对值，则执行步骤S23，否则执行步骤S24；

步骤S23：所述比较判断单元对所述补偿单元输出判断信号1，所述补偿单元根据补偿值对初始第二功率计量值进行补偿计算，输出补偿后的第二功率计量值；

步骤S24：所述比较判断单元对所述补偿单元输出判断信号0，所述补偿单元不进行补偿运算，直接输出初始第二功率计量值，

在步骤S23中，补偿计算方法为，对有功功率的补偿，初始第二功率计量值中与所输入的补偿值做加法运算，对无功功率的补偿，初始第二功率计量值与所输入的补偿值做减法运算。