CN109142857A - 列车用带相位自动校准功能的能量计算系统和方法 - Google Patents

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林显琦
杨东军
张利军
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Abstract

本发明提出一种列车用的能量计算系统和计算方法，能量计算系统用于计算交流电网电能，包括能量计，能量计包括处理器芯片，处理器芯片包括电网参数计算单元包括频率计算模块，具体包括：相位校准单元：用于根据标准电压信号和标准电流信号生成相位校准信号；锁相输出单元：根据电网电压信号、电网电流信号和相位校准信号生成电网频率信号。能量计算方法如下：电流互感器和电压互感器采集的信号传递至积分计算单元；积分计算单元的输出传递至坐标变换单元，锁相输出单元输出值反馈至坐标变换单元，q轴电流输出值PI校准器，PI校准器的输出传递至锁相输出单元，用以对锁相输出单元的输出信息进行相位补偿；锁相输出单元计算输出频率。

Description

列车用带相位自动校准功能的能量计算系统和方法
技术领域
本发明涉及列车运行能量计算技术领域，尤其涉及一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统和方法。
背景技术
高速列车运行过程中，通过受电弓从25kV、50Hz交流电网获取牵引电能或回馈制动电能，单相交流电压和电流分别通过电压和电流互感器转化为能量计可读取的低压信号，能量计通过对输入信号进行分析，得到电压、电流有效值，有功、无功功率，功率因数，频率，牵引、再生能耗，总能耗，谐波(3、5、7、9次)有效值等。
现有技术中电网设备应用的能量计包括专用电能芯片和处理器芯片(通常可采用DSP芯片)，其中专用电能芯片专用于能量分析的计算，计算结果将反馈到处理器芯片，作为生成控制数据的参考。这种能量计算系统结构复杂，且往往校准不便。
发明内容
本发明针对上述能量计存在的计算结构复杂，及校准问题，提供一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，包括：
一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，用于计算交流电网电能，包括能量计，能量计连接电网电压互感器和电网电流互感器，用于获取电网电压和电网电流，所述能量计包括处理器芯片，所述处理器芯片包括：电网参数计算单元：用于获取电网电流值和电网电压值并计算列车交流电网的电网参数；
所述电网参数计算单元进一步包括频率计算模块，包括：
相位校准单元：用于根据标准电压信号和标准电流信号生成相位校准信号；
锁相输出单元：根据电网电压信号、电网电流信号和相位校准信号生成电网频率信号。
作为优选：所述频率计算模块进一步包括：
积分计算单元：用于获取电压互感器采集的电压进行积分计算；
坐标变换单元：获取积分计算单元计算获得的正交数据和锁相输出单元输出的数据，并进行坐标变换，获取变换后的电压d轴和q轴分量；
所述锁相输出单元获取坐标变换单元输出的变换信号，对信号进行P I锁相控制，并输出频率信号。
作为优选：相位校准单元包括PI校准器，获取坐标变换单元输出的电流信号并进行PI控制输出。
作为优选：电网参数计算单元进一步包括：
有效值计算模块：用于获取电网电流值和电网电压值，计算电流有效值和电压有效值；
功率计算模块：用于获取有效值计算模块的输出结果并计算功率；
能耗计算模块：用于获取功率计算模块输出的结果并计算能耗。
作为优选：有效值包括电流有效值和电压有效值，所述功率包括视在功率、有功功率、无功功率、功率因数，所述能耗包括列车总能耗、牵引能耗和再生能耗。
一种列车用带相位自动校准功能的能量计算方法，采用上述的能量计算系统包括以下步骤：
电流互感器和电压互感器采集的信号，分别传递至积分计算单元；
积分计算单元的输出传递至坐标变换单元，经坐标变换单元输出d轴和q轴电压，以及，d轴和q轴电流；
锁相输出单元输出值反馈至坐标变换单元，q轴电流输出值P I校准器，P I校准器的输出传递至锁相输出单元，用以对锁相输出单元的输出信息进行相位补偿；
锁相输出单元计算输出频率。
作为优选：进一步包括以下步骤：
有效值计算模块计算电流有效值和电压有效值；
功率计算模块计算模块的输出结果并计算功率；
能耗计算模块计算能耗。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
该发明给出了一种用于能量计的软件算法，相比传统的能量计系统，省略了能量计算芯片，处理器完全通过软件算法实现对电压的锁相，提取频率，无需过零检测等硬件电路；基于二阶广义积分的信号变换方法能够有效快速的实现对基波的处理；采用快速傅里叶算法实现对各次谐波的提取；该发明还可实现对设备采集环路造成的电压、电流信号相位延迟进行补偿，进而完成对功率等的精确计算。
附图说明
图1为本发明能量计系统原理示意图；
图2为本发明能量计算方法流程示意图；
图3为本发明积分器原理图；
图4为锁相环控制原理图；
图5为相位校准原理图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本实施例提供了一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统和计量方法，以下将结合能量计算系统的结构来论述能量计量方法。
列车用带相位自动校准功能的能量计算系统包括能量计，能量计包括处理器芯片，处理器芯片用于电网参数的计算、谐波计算和校准。
参考图1和图2，处理器芯片包括电网参数计算单元，所述电网参数计算单元包括有效值计算模块、功率计算模块、能耗计算模块和频率计算模块。
具体的说，电网参数计算单元：用于计算列车交流电网的电网参数；经电压互感器和电流互感器传递的电压信号和电流信号经模拟数字采集单元采集后进行模数转换，并送入电网参数计算单元。电网参数计算单元包括用于进行参数计算的程序算法，电网参数包括但不限于：电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数频率、列车总能耗、牵引系统能耗、再生系统能耗以及谐波有效值。为了实现以上功能，电网参数计算单元进一步包括有效值计算模块、功率计算模块以及能耗计算模块。
(1)有效值计算模块
有效值计算模块用于计算电流有效值和电压有效值，电流有效值和电压有效值的计算方法为：
其中，u(n)、i(n)分别为电压、电流第n个采样点，由电压互感器和电流互感器采集获得；N为计算周期内总采样点数，Urms和Irms分别为计算获得的电压有效值和电流有效值。
(2)功率计算模块
功率计算模块用于计算功率，功率包括视在功率、有功功率、无功功率、功率因数等。
有功功率的计算方法为：
S＝Urms·Irms (3)
其中，S为视在功率。
有功功率的计算方法为：
其中，P为有功功率。
无功功率的计算方法为：
其中Q为无功功率。
功率因数计算方法为：
其中PF为功率因数。
(3)能耗计算模块
能耗计算模块用于计算能耗，能耗分为列车总能耗、牵引能耗和再生能耗。
W总＝∫Pdt (7)
W牵引＝∫P+dt (8)
W再生＝∫P-dt (9)
其中P+、P-分别为正有功功率、负有功功率，W总、W牵引、W再生分别为总能耗、牵引能耗和再生能耗。
(4)频率计算模块。
频率计算模块进一步包括以下单元。
(4.1)积分计算单元。
积分计算单元获取电压互感器采集的电压进行积分计算，并对电压单相交流信号进行处理，得到互为正交的交流分量α和β信号，Uα和Uβ。本实施例采用的积分计算单元为二阶广义积分器。
(4.2)坐标变换单元。
谐波计算单元获取积分计算单元计算获得的正交数据，并进行坐标变换，获取变换后的电压d轴和q轴分量。
其中，ωt为交流电压角度。
(4.3)锁相输出单元。
参考图3，锁相输出单元获取坐标变换单元输出的变换信号，对信号进行PI锁相控制，并输出频率信号。
(4.4)相位校准单元。
参考图4，相位校准单元包括PI校准器。
电流互感器和电压互感器采集的信号，分别传递至积分计算单元。其中电流信号经积分计算单元计算输出Iα和Iβ，电压信号经积分计算单元计算输出Uα和Uβ。
Iα和Iβ、Uα和Uβ分别输出至坐标变换单元，其中Uα和Uβ经坐标变换单元输出Ud和Uq(分别表示d轴和q轴电压)，Iα和Iβ经坐标变换单元输出Id和Iq(分别表示d轴和q轴电流)。其中锁相输出单元输出值反馈至坐标变换单元，Iq输出值PI校准器，PI校准器的输出传递至锁相输出单元，用以对锁相输出单元的输出信息进行相位补偿。经相位补偿后，可以提高锁相输出单元输出频率的精度。
(5)谐波计算单元。
谐波计算单元获取电流互感器和电压互感器采集的数据，并进行谐波有效值计算。
其中，x(n)为采样序列，X(k)为复数形式傅里叶级数，即X(k)＝X(k)real+j*X(k).img。
进而得3、5、7、9次谐波有效值分别为：
能量计进行相应计算的过程中，谐波计算采样为每个基波周期128点，每100ms计算一次；其余计算频率为2000Hz。
通过设置被测电源，加入各次谐波，电压电流信号相同，如表1。
表1
采用电能质量分析仪测量实际电压谐波如表2。
表2
基波电压有效值(V)及频率(Hz) 188.4、50
3次谐波含有率(％) 16.57
5次谐波含有率(％) 13.01
7次谐波含有率(％) 9.46
9次谐波含有率(％) 5.70
11次谐波含有率(％) 5.68
13次谐波含有率(％) 5.84
本发明算法测量电能质量结果如表3。
表3
基波电压有效值(V)及频率(Hz) 187.1、50
3次谐波含有率(％) 16.37
5次谐波含有率(％) 12.69
7次谐波含有率(％) 9.13
9次谐波含有率(％) 5.34
可见，频率测量偏差远小于1％；基波有效值测量误差不到1％；3、5次谐波测量误差不到3％；7次谐波测量误差不到5％，9次谐波误差测量不到7％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，用于计算交流电网电能，包括能量计，能量计连接电网电压互感器和电网电流互感器，用于获取电网电压和电网电流，所述能量计包括处理器芯片，其特征在于：所述处理器芯片包括：电网参数计算单元：用于获取电网电流值和电网电压值并计算列车交流电网的电网参数；
所述电网参数计算单元进一步包括频率计算模块，包括：
相位校准单元：用于根据标准电压信号和标准电流信号生成相位校准信号；
锁相输出单元：根据电网电压信号、电网电流信号和相位校准信号生成电网频率信号。
2.如权利要求1所述的列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，其特征在于：所述频率计算模块进一步包括：
积分计算单元：用于获取电压互感器采集的电压进行积分计算；
坐标变换单元：获取积分计算单元计算获得的正交数据和锁相输出单元输出的数据，并进行坐标变换，获取变换后的电压d轴和q轴分量；
所述锁相输出单元获取坐标变换单元输出的变换信号，对信号进行PI锁相控制，并输出频率信号。
3.如权利要求2所述的列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，其特征在于：所述相位校准单元包括PI校准器，获取坐标变换单元输出的电流信号并进行PI控制输出。
4.如权利要求1或3所述的列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，其特征在于：所述电网参数计算单元进一步包括：
有效值计算模块：用于获取电网电流值和电网电压值，计算电流有效值和电压有效值；
功率计算模块：用于获取有效值计算模块的输出结果并计算功率；
能耗计算模块：用于获取功率计算模块输出的结果并计算能耗。
5.如权利要求4所述的列车用带相位自动校准功能的能量计算系统，其特征在于：所述有效值包括电流有效值和电压有效值，所述功率包括视在功率、有功功率、无功功率、功率因数，所述能耗包括列车总能耗、牵引能耗和再生能耗。
6.一种列车用带相位自动校准功能的能量计算方法，采用权利要求3或5所述的能量计算系统，其特征在于：包括以下步骤：
电流互感器和电压互感器采集的信号，分别传递至积分计算单元；
积分计算单元的输出传递至坐标变换单元，经坐标变换单元输出d轴和q轴电压，以及，d轴和q轴电流；
锁相输出单元输出值反馈至坐标变换单元，q轴电流输出值PI校准器，PI校准器的输出传递至锁相输出单元，用以对锁相输出单元的输出信息进行相位补偿；
锁相输出单元计算输出频率。
7.如权利要求6所述的列车用带相位自动校准功能的能量计算方法，进一步包括以下步骤：
有效值计算模块计算电流有效值和电压有效值；
功率计算模块计算模块的输出结果并计算功率；
能耗计算模块计算能耗。
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