CN109633258B - 一种有功功率测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有功功率测量电路，包括第一信号调理电路、第一加法电路、电流‑电压转换电路、第二信号调理电路、第二加法电路、整形电路、F/V转换电路、放大电路、三角波发生电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、第一定时器、第二定时器、第一右移寄存器、第二右移寄存器和有功功率计算电路。本发明不仅能提高稳定性和准确性，而且成本较低。

Description

一种有功功率测量电路
技术领域
本发明涉及一种有功功率测量电路，特别是一种在基于导通时间、信号频率、偏置电压和有功功率的数学模型的有功功率测量电路。
背景技术
有功功率是电力系统的重要电力参数之一。有功功率测量既是了解用户用电状况和累计电能的必需环节，也是电力部门实现能源调控和市场运营的唯一手段。快速并准确实现对有功功率的测量一直是电力测量领域密切关注的重要研究课题。
目前，常用的有功功率测量方法主要有功率三角法、模拟乘法器方法、傅里叶变换法、Hilbert滤波器法、小波变换法等。但这些测量方法均都存在一定的局限性，如功率三角法只适合标准正弦电路；乘法器方法对电压和电流乘积，得到瞬时功率，再用固定时间对瞬时功率进行积分，即可获得瞬时功率的平均值即有功功率。该电路可以适用于任意交流波形信号的有功功率测量，但存在着要么使用模拟乘法器和积分电路实现或需要高精度AD采样实现，抗干扰能力较差，从而降低了准确性；傅里叶变换和Hilbert滤波器法可得到较好的测量结果，但傅里叶变换法计算量大且存在频谱泄露和受频率分辨率限制的问题，被分析的信号必须是稳态的，Hilbert滤波器设计较困难，同时傅里叶变换和Hilbert滤波器法对硬件性能要求非常高，一般需要高性能数字信号处理器来实现，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种有功功率测量电路。本发明不仅能提高稳定性和准确性，而且成本较低。
本发明的技术方案：一种有功功率测量电路，其特征在于：包括第一信号调理电路、第一加法电路、电流-电压转换电路、第二信号调理电路、第二加法电路、整形电路、F/V转换电路、放大电路、三角波发生电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、第一定时器、第二定时器、第一右移寄存器、第二右移寄存器和有功功率计算电路；
所述第一信号调理电路的输入端与待测交流电压信号v(t)相连，且经过放大或衰减系数为A的第一信号调理电路得到信号vA(t)；
第一加法电路用于将第一信号调理电路进行了滤波和调理之后的信号vA(t)进行直流偏置VDC得到信号vA(t)+VDC；
电流-电压转换电路将待测交流电流信号电流i(t)转换为电压信号并经过放大或衰减系数为B的第二信号调理电路得到信号vB(t)；
第二加法电路用于对信号vB(t)进行直流偏置VDC得到信号 vB(t)+VDC；
整形电路是还将待测交流电压信号v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
F/V转换电路是将矩形波信号的频率F转换为电压信号VF，并经过放大倍数为N的放大电路进行放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF；
三角波发生电路用于产生频率为N×F且电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri，电压VNF连接到三角波发生电路的频率设置接口；
第一PWM调制电路将信号vA(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure BDA0001939660650000021
第二PWM调制电路将信号vB(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure BDA0001939660650000022
第一定时器获取
Figure BDA0001939660650000023
每个周期的导通时间；
第二定时器获取
Figure BDA0001939660650000031
每个周期的导通时间；
第一右移寄存器在
Figure BDA0001939660650000032
的下降沿时刻，第一右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；
第二右移寄存器在
Figure BDA0001939660650000033
的下降沿时刻，第二右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；
有功功率计算电路读取第一右移寄存器中的N个数据、第二右移寄存器中的N个数据和矩形波频率F，计算有功功率公式为：
Figure BDA0001939660650000034
前述的有功功率测量电路中，所述第一定时器获取
Figure BDA0001939660650000035
每个周期的导通时间的方法是，第K个PWM周期，在
Figure BDA0001939660650000036
的上升沿到来时刻，将第一定时器清零，并开始定时，直到
Figure BDA0001939660650000037
的下降沿时刻，停止定时，并将第一定时器的定时值
Figure BDA0001939660650000038
锁存到输出端
Figure BDA0001939660650000039
前述的有功功率测量电路中，所述第二定时器获取
Figure BDA00019396606500000310
每个周期的导通时间的方法是，第K个PWM周期，在
Figure BDA00019396606500000311
的上升沿到来时刻，将第二定时器清零，并开始定时，直到
Figure BDA00019396606500000312
的下降沿时刻，停止定时，并将第二定时器的定时值
Figure BDA00019396606500000313
锁存到输出端
Figure BDA00019396606500000314
与现有技术相比，本发明通过第一信号调理电路、第一加法电路、电流-电压转换电路、第二信号调理电路、第二加法电路、整形电路、 F/V转换电路、放大电路、三角波发生电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、第一定时器、第二定时器、第一右移寄存器、第二右移寄存器和有功功率计算电路有效的连接，从而实现通过待测交流电压信号v(t)和待测交流电流信号电流i(t)经过各个电路相应的信号处理后得到有功功率，本发明的电路硬件连接合理有序，处理信号稳定，抗干扰能力强，从而提高电路的稳定性和测量值的准确性；而且均采用常规电路硬件实现，硬件要求较低，从而降低了成本。本发明还具有实施结构简单和使用方便的特点。
附图说明
图1是本发明的硬件连接示意图；
图2是v(t)+VDC与uc(t)关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。假设待测交流电压信号v(t)，直流偏置电压VDC： 0<VDC<VCC，使得v(t)+VDC满足：VCC＞(v(t)+VDC)＞0。uc(t)为非负对称三角波信号，其满足：
Figure BDA0001939660650000041
其中：周期为TC，频率为fC，幅值为VCC。v(t)+VDC与uc(t)关系如图2所示：
由于：
Figure BDA0001939660650000042
并且：
Figure BDA0001939660650000043
Figure BDA0001939660650000044
所以：
Figure BDA0001939660650000045
又因为：
Figure BDA0001939660650000046
所以有：
Figure BDA0001939660650000051
其中：
Figure BDA0001939660650000052
因为：
Figure BDA0001939660650000053
所以：
Figure BDA0001939660650000054
当TC很小时，有：
Figure BDA0001939660650000055
同理，在满足VCC＞(i(t)+VDC)＞0情况时，i(t)+VDC与uc(t)的关系与前述一致时，有：
Figure BDA0001939660650000056
交流供电系统中，电压v(t)和电流i(t)为交流周期信号。假设v(t)的频率为fV，周期为TV。i(t)的频率为fi，周期为Ti。则有功功率P的定义为：
Figure BDA0001939660650000057
其中：[TV,Ti]＝(T)，即T为TV，Ti的最小公倍数。当T＝NTC时，有：
Figure BDA0001939660650000058
所以当TC较小时，有：
Figure BDA0001939660650000059
联立(9)、(10)和(13)，并整理得：
Figure BDA0001939660650000061
联立(12)和(14)，并整理得：
Figure BDA0001939660650000062
其中：
Figure BDA0001939660650000063
在交流供电系统中，通常认为电压和电流的周期保持一致，即 TV＝Ti＝T，亦fV＝fi＝f。所以，如果固定参数VCC、倍数N、直流偏置电压VDC，则只需获取频率f、导通时间
Figure BDA0001939660650000064
和
Figure BDA0001939660650000065
按公式(15) 即可求出有功功率P。
一种有功功率测量电路，构成如图1所示，包括第一信号调理电路、第一加法电路、电流-电压转换电路、第二信号调理电路、第二加法电路、整形电路、F/V(频率-电压)转换电路、放大电路、三角波发生电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、第一定时器、第二定时器、第一右移寄存器、第二右移寄存器和有功功率计算电路；
所述第一信号调理电路的输入端与待测交流电压信号v(t)相连，且经过放大或衰减系数为A的第一信号调理电路得到信号vA(t)；
第一加法电路用于将第一信号调理电路进行了滤波和调理之后的信号vA(t)进行直流偏置VDC得到信号vA(t)+VDC；满足： VCC＞vA(t)+VDC＞0
电流-电压转换电路将待测交流电流信号电流i(t)转换为电压信号并经过放大或衰减系数为B的第二信号调理电路得到信号vB(t)；
第二加法电路用于对信号vB(t)进行直流偏置VDC得到信号 vB(t)+VDC；满足：VCC＞vB(t)+VDC＞0
整形电路是还将待测交流电压信号v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
F/V转换电路是将矩形波信号的频率F转换为电压信号VF，并经过放大倍数为N的放大电路进行放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF；
三角波发生电路用于产生频率为N×F且电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri，电压VNF连接到三角波发生电路的频率设置接口；
第一PWM调制电路将信号vA(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure BDA0001939660650000071
第二PWM调制电路将信号vB(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure BDA0001939660650000072
第一定时器获取
Figure BDA0001939660650000073
每个周期的导通时间；方法是，第K个 PWM周期，在
Figure BDA0001939660650000074
的上升沿到来时刻，将第一定时器清零，并开始定时，直到
Figure BDA0001939660650000075
的下降沿时刻，停止定时，并将第一定时器的定时值
Figure BDA0001939660650000076
锁存到输出端
Figure BDA0001939660650000077
第二定时器获取
Figure BDA0001939660650000078
每个周期的导通时间；方法是，第K个 PWM周期，在
Figure BDA0001939660650000079
的上升沿到来时刻，将第二定时器清零，并开始定时，直到
Figure BDA00019396606500000710
的下降沿时刻，停止定时，并将第二定时器的定时值
Figure BDA00019396606500000711
锁存到输出端
Figure BDA00019396606500000712
第一右移寄存器在
Figure BDA00019396606500000713
的下降沿时刻，第一右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；其最右边的数据丢弃，并将锁存到定时器输出端口的
Figure BDA00019396606500000714
移入寄存器的最左边；
第二右移寄存器在
Figure BDA00019396606500000715
的下降沿时刻，第二右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；其最右边的数据丢弃，并将锁存到定时器输出端口的
Figure BDA00019396606500000716
移入寄存器的最左边；
有功功率计算电路读取第一右移寄存器中的N个数据、第二右移寄存器中的N个数据和矩形波频率F，计算有功功率公式为：
Figure BDA0001939660650000081

Claims (3)

1.一种有功功率测量电路，其特征在于：包括第一信号调理电路、第一加法电路、电流-电压转换电路、第二信号调理电路、第二加法电路、整形电路、F/V转换电路、放大电路、三角波发生电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、第一定时器、第二定时器、第一右移寄存器、第二右移寄存器和有功功率计算电路；
所述第一信号调理电路的输入端与待测交流电压信号v(t)相连，且经过放大或衰减系数为A的第一信号调理电路得到信号vA(t)；
第一加法电路用于将第一信号调理电路进行了滤波和调理之后的信号vA(t)进行直流偏置VDC得到信号vA(t)+VDC；
电流-电压转换电路将待测交流电流信号电流i(t)转换为电压信号并经过放大或衰减系数为B的第二信号调理电路得到信号vB(t)；
第二加法电路用于对信号vB(t)进行直流偏置VDC得到信号vB(t)+VDC；
整形电路是还将待测交流电压信号v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
F/V转换电路是将矩形波信号的频率F转换为电压信号VF，并经过放大倍数为N的放大电路进行放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF；
三角波发生电路用于产生频率为N×F且电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri，电压VNF连接到三角波发生电路的频率设置接口；
第一PWM调制电路将信号vA(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure FDA0001939660640000011
第二PWM调制电路将信号vB(t)+VDC与称三角波信号Vtri进行调制得到PWM信号
Figure FDA0001939660640000012
第一定时器获取
Figure FDA0001939660640000021
每个周期的导通时间；
第二定时器获取
Figure FDA0001939660640000022
每个周期的导通时间；
第一右移寄存器在
Figure FDA0001939660640000023
的下降沿时刻，第一右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；
第二右移寄存器在
Figure FDA0001939660640000024
的下降沿时刻，第二右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据；
有功功率计算电路读取第一右移寄存器中的N个数据、第二右移寄存器中的N个数据和矩形波频率F，计算有功功率公式为：
Figure FDA0001939660640000025
2.根据权利要求1所述的有功功率测量电路，其特征在于：所述第一定时器获取
Figure FDA0001939660640000026
每个周期的导通时间的方法是，第K个PWM周期，在
Figure FDA0001939660640000027
的上升沿到来时刻，将第一定时器清零，并开始定时，直到
Figure FDA0001939660640000028
的下降沿时刻，停止定时，并将第一定时器的定时值
Figure FDA0001939660640000029
锁存到输出端
Figure FDA00019396606400000210
3.根据权利要求1所述的有功功率测量电路，其特征在于：所述第二定时器获取
Figure FDA00019396606400000211
每个周期的导通时间的方法是，第K个PWM周期，在
Figure FDA00019396606400000212
的上升沿到来时刻，将第二定时器清零，并开始定时，直到
Figure FDA00019396606400000213
的下降沿时刻，停止定时，并将第二定时器的定时值
Figure FDA00019396606400000214
锁存到输出端
Figure FDA00019396606400000215
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