CN1067744A - 测量电功率和电能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电功率和电能的方法及 其装置，它首先对电压、电流和环境温度进行采样并 模数转换，由微处理器利用傅里叶分析法对模数转换 后的信号计算和误差修正，然后对算出的单元时间内 有功功率，正反向无功功率进行时间积分，在一个采 样周期内采样点为12点至36点，单元时间为20ms 至100ms。

Description

本发明涉及一种实时在线测量电力负荷的电功率和电能的方法以及应用该方法而形成的装置。

目前，世界上电子数字功率计，电度表所采用的原理繁多，综合归纳起来可分为九种，即模拟乘法器法，时分割乘法器法，霍尔乘法器法，四分之一和差平方法，时分割取样法，平方律乘法器法，乘法器配合频谱分析法，随机取样法，热偶乘法器法。前四类仅适用于正弦波形的电压、电流被测量，当正弦波形发生畸变时，仪器仪表读数不能反映谐波分量产生的功率;而后五类的仪器仪表虽具有抗谐波畸变的能力，但又受到一定的限制，其中乘法器配合频谱分析的仪器，虽然精度很高，但结构又过分复杂，只适于实验室应用，不能作为工业上使用。余下四类，由于是近似方法的原理，而且精度低或过载能力不强，所以亦限制了它们的应用推广。

中国发明专利公报1990年5月13日公开了“一种计量电功率电能真有效值的数字仪器仪表或装置”（公开号：1042999A），它的构成是由电压互感器，电流互感器将输入的电压电流予以衰减，并通过两个加法器、两个减法器、三个真有效值变换器、平方电路以及常规显示电路对信号进行处理显示。如果通过转换开关，配上电压/频率（或模/数）转换器，并用电子或电磁计数器作为显示器，就构成单相数字电度表。该电度表所采用的方法是利用运算放大器和真有效值变换器，运用余弦定理把电压、电流向量的点乘积转化为代数运算。虽然该方法具有一定的抗谐波影响的能力，但它还存在一些缺点，主要是它使用了很多的模拟元器件对信号进行运算处理，而模拟元器件受环境温度、电网频率、电源电压波动、老化等因素影响较大。因此，用此方法形成的电能表测量的精度一致性差，通用性差并难以调整。

另外，功率因数是考核电力负荷用电质量的一个重要指标，电力负荷的功率因数超前或滞后都会带来较大的电能浪费。考核电力负荷的功率因数一般不使用其瞬时值，而是一种“权平均功率因数”值，公式如下：

权平均功率因数＝ ${\mathrm{cos\; tg}}^{\mathrm{-1}}\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Q\; dt}}{{\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{P\; dt}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{1+(}\frac{A}{W}{)}^2}}$

式中： $\mathrm{A=}{\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Q\; dt}$ 为无功电度表读数，

$\mathrm{W=}{\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Pdt}$ 为有功电度表读数。

无功功率Q有正负之分，同样亦就产生了正负无功电能即正反向无功电能的区别。当无功功率Q为负值时，电力负荷将会对电网产生破坏作用，这是不允许的。然而现有的电度表，不管是磁感应式还是电子式，都不能真实准确地反映电力负荷的有功电能消耗和无功电能消耗，特别是不能分别有效地反映正向无功电能和反向无功电能。

本发明的目的就是为了克服上述已有技术的缺点，而提供一种能真实准确测量电力负荷的电功率和电能的方法，尤其是真实准确测量正反向无功电能和有功电能的方法，以及使用该方法所形成的精度高，线路简单，造价低廉，适于有谐波条件下工作令人满意的工业用电子功率计和电度表。

本发明是采用以下措施来实现其目的的。

一种测量电功率和电能的方法，它首先对同一相电压、电流进行定时连续检测采样，并对环境温度进行检测采样，对采样信号进行模数转换，由微处理器利用傅里叶分析法对模数转换后输出的电压、电流进行计算，并根据环境温度进行补偿修正，得出单元时间内有功功率、正反向无功功率和全功率因数;将测出的单元时间内的有功功率、正反向无功功率对时间进行积分累积并计算出电能。在一个采样周期内采集电压，电流值数量为12点至36点。单元时间为20ms至100ms。

一种使用上述方法而形成的测量电功率和电能的装置，它由MCS-51或MCS-96系列微处理器，程序存贮器，数据存贮器，模数转换和驱动显示电路所组成，而模数转换器的输入端分别与电压检测电路、电流检测电路和环境温度测量电路相连接，微处理器内部计数器输入端与电网频率测量电路相连接。数据存贮器是由静态RAM和可电擦除的EEPROM共同组成。电压检测电路是由电压变换器和整形放大器连接而成，而电压变压器为电阻分压电路。电流检测电路是由电流变换器和整形放大器连接而成，电流变换器是一个由电阻构成的电流电压转换电路。环境温度测量电路是由温度传感器和整形放大器连接而成，而温度传感器是由电阻R₁₉、R₂₇、R₂₈、R₂₉、电容C₁和二极管D₁、D₂所组成。电网频率测量电路是由过零斩波器和整形放大器连接而成。电压、电流检测电路的整形放大器是由带有温度补偿电路的运算放大器构成。

附图的图面说明如下：

图1为本发明所述方法的方框图，

图2为同一相电压、电流波形曲线及一采样周期内24点采样示意图，

图3为本发明所述装置的结构示意图，

图4为本发明所述装置的电路原理框图，

图5为本发明所述装置的电压检测电路，

图6为本发明所述装置的电流检测电路，

图7为本发明所述装置的环境温度测量电路，

图8为本发明所述装置的电网频率测量电路，

图9为本发明所述装置的主控程序流程图。

下面结合附图以及所示实施例对本发明做进一步描述。

参见图1，本发明所述方法首先是对同一相的电压（ _i），电流（

_i）以及环境温度（T_i）进行定时连续检测采样，将模拟的采样信号（

、

、T）进行模数转换，形成数字信号（V_L、I_L、T_L），然后再由微处理器利用傅里叶级数变换计算方法（简称傅氏算法），对模数转换后输出的电压（V_L）、电流（I_L）信号进行计算，并根据环境温度（T_L）进行补偿修正，得出单元时间内有功功率（P）、正向无功功率（+Q）、反向无功功率（-Q）和全功率因数（cosφ）。将测出的单元时间内的有功功率（P）、正向无功功率（+Q）和反向无功功率（-Q）对时间进行积分累积，并计算出有功电能（W）、正向无功电能（+A）和反向无功电能（-A）。在一个采样周期内检测采集电压电流值数量可为12点至36点。单元时间可选为20ms至100ms。

下面就傅氏算法在本发明中的应用做一个简单介绍。

电力负荷中常见的电压、电流波形都是周期性非正弦波形，并且能够满足狄里赫利条件，因此它可展开为傅里叶级数。

$\mathrm{U(t)=}\frac{a_o}{2}+\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\infty }{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; a}}_k\mathrm{cos\; kt+b}{}_k\mathrm{sin\; kt)}$

$\mathrm{I(t)=}\frac{A_o}{2}+\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\infty }{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; A}}_k\mathrm{cos\; kt+B}{}_k\mathrm{sin\; kt)}$

由于谐波振幅具有收敛性，所以它的主要成份集中在低频分量中。通过对电力负荷常见的非线性波形的傅氏分析中可得出，当这些波形的傅氏级数展开至6次谐波时就足以接近原来的电力波形，6次谐波频率为50×6＝300Hz。根据采样定理，采样频率f_采≥2f_mox＝2×300＝600Hz，所以在一个基波周期内至少要采集 600/50 ＝12点以上才能不失真地复现原输入信号。我们以在一个周期内采集24点为例，描述傅氏算法的思路。

电压U（t）和电流I（t）的24点傅氏展开式如下：

$\mathrm{U(t)=}\frac{a_o}{2}+\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\infty }{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; a}}_k\mathrm{cos\; kt+b}{}_k\mathrm{sin\; kt)}$ (1)

$\mathrm{I(t)=}\frac{A_o}{2}+\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\infty }{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; A}}_k\mathrm{cos\; kt+B}{}_k\mathrm{sin\; kt)}$ (2)

将在一个周期内采集的电压值（V₀、V₁、…V₂₃）和电流值（I₀、I₁、…I₂₃）代入上式可得

(a_O)/2 = 1/24 (V_O+V₁+…+V₂₃)

(A_O)/2 = 1/24 (I_O+I₁+…+I₂₃)

设V_k＇=V_K- (a₀)/2 (k=0、1…23）

I_k＇=I_K- (A₀)/2 (k=0、1…23）

联立解方程组①可得：

a_k＝f_k（V′₀、V′₁、…V′₂₃） （k＝1、2、…12）

b_k＝g_k（V′₀、V′₁、…V′₂₃） （k＝1、2、…12）

同理联立求解方程组②可得：

A_k＝f_k（I′₀、I′₁、…I′₂₃） （k＝1、2、…12）

B_k＝g_k（I′₀、I′₁、…I′₂₃） （k＝1、2、…12）

利用相量分析法可得出电压U（t）、电流I（t）对负荷电路作用引起的复功率

有下列公式：

= (A_O)/2 (a_o)/2 + $\underset{\mathrm{k=1}}{\overset{\mathrm{12}}{\mathrm{\Σ}}}$ 1/2 (A_ka_k+B_kb_k)+j $\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{\mathrm{12}}{\mathrm{\Σ}}}$ 1/2

（A_kb_k-B_ka_k）

因为

＝P+jQ

所以有功功率P= (A_O)/2 (a_o)/2 + $\underset{\mathrm{k=1}}{\overset{\mathrm{12}}{\mathrm{\Σ}}}$ 1/2 (A_ka_k+B_kb_k)

无功功率Q= $\underset{\mathrm{k=1}}{\overset{\mathrm{12}}{\mathrm{\Σ}}}$ 1/2 (A_kb_k+a_kB_k)

当电力负荷电流I滞后于电压V时，电力负荷消耗的无功功率为正向无功功率（+Q）;当电力负荷电流I超前于电压V时，电力负荷消耗的无功功率为反向无功功率（-Q）。

通过上述分析计算可以求得单相电压、电流所形成的电功率即有功功率P、正向无功功率+Q和反向无功功率-Q。同理亦可计算求出多相电力负荷所消耗的电功率，如三相电力负荷的有功功率和无功功率应为各单相之和，即：P＝P_A+P_B+P_C，

Q＝Q_A+Q_B+Q_C。

若设P/Q＝X，则全功率因数 $\mathrm{cos\phi =}\sqrt{\frac{X^2}{{\mathrm{1+X}}^2}}$ 。

通过在一个基波周期内采集24点电压、电流值所计算求得的有功功率P、正向无功功率+Q、反向无功功率-Q，可以认为它们在一个基波周期内是不变的。假设这一个周期（20ms）为一个单元时间的话，那么同样可以求算出电功率在此单元时间内所消耗的电能，即求算出有功电能，正向无功电能和反向无功电能。通过对单元时间耗能值的连续累积便可求得一段时间内的电能消耗。

使用本发明所述方法而形成的测量电功率和电能的装置，参见图4所示，它是由数据总线将微处理器（8031）、程序存贮器（2764）、数据存贮器（6116、2817）、并行I/O（74LS373、8255）、模数转换器（AD574）和驱动显示电路连接成一个微处理机系统。因为数据存贮器（2817）是一种电可擦除数据存贮器，即该芯片掉电后，寄存的数据不丢失，所以用来存放累计的有功电度数和正反向无功电度数。并行I/O（8255）与模数转换器（AD574）相联接，8255芯片控制对

的选通转换和输入转换结果。模数转换器将对由电压检测电路、电流检测电路和环境温度检测电路检测采样到的信号进行转换。电压检测电路是由电阻分压电路和整形放大器连接而成。电流检测电路是由整形放大电路和由电阻构成的电流电压转换电阻连接而成。环境温度测量电路是由整形放大器和由电阻R₁₉、R₂₇、R₂₈、R₂₉、电容C₁和二极管D₁、D₂组成的温度传感电路连接而成。电网频率测量电路是由过零斩波器、整形放大器和多路转换开关（CD4051）连接而成，该电路的输出信号送至微处理器（8031）内部计数器输入端。本装置所使用的整形放大器是由带有温度补偿电路的运算放大器构成。本装置的面板上设有功能键，当按下“停止计数”键后，显示屏上的W、±A值和cosφ值保持不变，但并不影响电能表对电力负荷消耗的测量和计度;按下功能键“检测”处于P位置时，则P_H、P_L通道输出与电力负荷有功功率成正比的高频和低频检测脉冲;当按下功能键“检测”处于Q位置时，则P_H、P_L通道输出与电力负荷无功功率成正比的高频和低频检测脉冲。

参见图9，微处理机系统上电复位后，将存放于EEPROM2817A指定单元中的W₀值，±A₀值分别取出并显示出来。然后对其它部分清零。对外部中断源，定时/计数器和8255芯片进行初始化后延时25ms以保证24点采样完成，延时25ms后则关中断开始计算P、Q值并开中断，根据环境和电网频率实时值进行补偿修正。求出单元时间内单元有功电度数W_k和单元无功电度数±A_k并累计求出W＝W₀+W_k、+A＝+A₀+A_k和-A＝（-A₀）+（-A_k）送入W₀、+A₀、-A₀存放单元中。显示W值和±A值后检测10秒延时到则计算并显示cosφ值返回，否则直接返回计算P、Q值。

综上所述，本发明所述的方法和由此形成的电能表具有以下优点：

本发明的整个信号处理过程为数字化、智能化，从测量方法上消除了影响电能测量精度的诸多因素。本发明利用傅氏算法能同时准确地测量电力负荷的有功功率、正反向无功功率和全功率因数，并能同时准确计量电力负荷所消耗的有功电度数、正反向无功电度数，为电力用户和供电部门全面准确考核用电质量提供了一个行之有效的方法。本发明采用了硬件和软件的方法对温度进行补偿修正，并对电网频率的变化进行误差修正。本发明由于采用了EEPROM数据存贮器，确保了电度表断电后数据不丢失，同时，由于该表具有高频脉冲，低频脉冲输出通道，非常便于检验。使用本发明所形成的装置具有精度高，线路简单，造价低廉的优点，是一种适于有谐波条件下工作令人满意的工业用和民用电子功率计和电度表。

Claims (10)

1、一种测量电功率和电能的方法，其特征是：

1·1对同一相电压、电流进行定时连续检测采样；

1·2对环境温度进行检测采样；

1·3对采样信号进行模数转换；

1·4由微处理器利用傅里叶分析法对模数转换后输出的电压、电流进行计算，并根据环境温度进行补偿修正，得出单元时间内有功功率，正向无功功率，反向无功功率和全功率因数；

1·5将测出的单元时间内的有功功率，正向无功功率和反向无功功率对时间进行积分累积并计算出电能。

2、根据权利要求1所述的一种测量电功率和电能的方法，其特征是在一个周期内采集电压、电流值12点至36点。

3、根据权利要求1所述的一种测量电功率和电能的方法，其特征是在于所述的单元时间为20ms至100ms。

4、一种使用权利要求1所述方法而形成的测量电功率和电能的装置，它是由MCS-51或MCS-96系列微处理器，程序存贮器，数据存贮器，模数转换器，驱动显示电路所组成，其特征是模数转换器的输入端分别与电压检测电路，电流检测电路和环境温度测量电路相连接，微处理器内部计数器输入端与电网频率测量电路相连接。

5、根据权利要求4所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的数据存贮器是由静态RAM和可电擦除的EEPROM共同组成。

6、根据权利要求4所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的电压检测电路是由电压变换器和整形放大器连接而成，而电压变换器为电阻分压电路。

7、根据权利要求6所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的电流检测电路是由电流变换器和整形放大器连接而成，电流变换器是一个由电阻构成的电流电压转换电路。

8、根据权利要求7所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的环境温度测量电路是由温度传感电路和整形放大器连接而成，而温度传感电路由电阻R₁₉、R₂₇、R₂₈、R₂₉、电容C₁和二极管D₁、D₂所组成。

9、根据权利要求8所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的电网频率测量电路是由过零斩波器和整形放大器连接而成。

10、根据权利要求7所述的测量电功率和电能的装置，其特征在于所述的整形放大器是由带有温度补偿电路的运算放大器构成。

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