发明内容
为解决现有直流电能表进行电能计量的不足,针对直流配网由于负载需求,产生无功电流的具体工况条件下,传统直流电能表电能计量不准确的缺陷,本发明提供一种用于直流配网的直流电能表,其将电压、电流信号各分解为两路,分别求取瞬时功率,再进行差运算,最后进行差功率的时间累积,测取电能,从而消除无功电流以及电压谐波导致的电能计量影响。
本发明采用如下的技术方案:一种用于直流配网的直流电能表,其包括电压传感器、电流传感器、低通滤波器、隔直电容器、AD转换器、数字滤波器、增益放大器、比差校正模块、乘法器、秒平均模块、平均电压模块、零点补偿模块、差运算模块、平均电流模块、脉冲时间发生器、电能计量模块、电能脉冲输出模块和平均功率模块;
所述的电压传感器将被计量的电压转换为0-3V的电压信号,通过第一低通滤波器过滤掉被测电压的高频分量,电压信号经滤波后分成两路,一路直接接入到第一AD转换器的输入口,该路信号的特征是既包含信号的直流分量又包含叠加在直流电压上的交流分量,再经第一数字滤波器和第一增益放大器得到合适的电压信号;另一路经第一隔直电容器滤除电压信号中的直流分量,该路信号的特征是仅含有电压信号的交流分量,再经第二AD转换器、第二数字滤波器和第二增益放大器,得到合适的电压信号;
所述的电流传感器将被计量的电流转换为电流信号,通过第二低通滤波器过滤掉被测电流的高频分量,电流信号经滤波后分成两路,一路直接接入到第三AD转换器的输入口,该路信号的特征是既包含信号的直流分量又包含叠加在直流电流上的交流分量,再经第三数字滤波器和第三增益放大器得到合适的电流信号;另一路经第二隔直电容器滤除电流信号中的直流分量,该路信号的特征是仅含有电流信号的交流分量,再经第四AD转换器、第四数字滤波器和第四增益放大器,得到合适的电流信号;
含交流分量和直流分量的电压、电流信号分别经比差校正模块的比差校正后的电压、电流信号通过第一乘法器相乘后,经过零点补偿模块零点补偿处理后输入到差运算模块作为被减数;仅含交流分量的电压、电流信号通过第二乘法器相乘后,输入到差运算模块作为减数;差运算后输出的一路输入到电能计量模块,而电能计量模块根据脉冲时间发生器产生的时间信号,对功率进行时间累积,从而获得消耗额电能值,消除无功电流以及电压谐波导致的电能计量影响;电能脉冲输出模块根据累积的最小电能转换为脉冲输出。
进一步地,含交流分量和直流分量的电压、电流信号分别经比差校正模块的比差校正、秒平均模块的秒平均后,再经过平均电压模块和平均电流模块计算分别得到平均电压和平均电流;差运算后输出的另一路经第三秒平均模块秒平均后,再经平均功率模块计算得到平均功率。
本发明采用的另一种技术方案为:一种用于直流配网的直流电能计量方法,其通过隔直电容器将电压、电流信号均分成两路,一路包含直流分量和交流分量,另一路仅包含交流分量,经AD转换器、数字滤波器以及增益放大器后,将包含直流分量和交流分量的一路电压信号与包含直流分量和交流分量的一路电流信号,经乘法器相乘得到混合瞬时功率;同时,将仅包含交流分量的电压信号和仅包含交流分量的电流信号经乘法器相乘得到交流瞬时功率,再把混合瞬时功率和交流瞬时功率进行差运算,得到的差功率经过电能计量模块计算电能,它随脉冲时间发生器的时间信号对差功率进行时间累积,即可得到实际的消耗电能,从而消除无功电流以及电压谐波导致的电能计量影响。
进一步地,输入标准直流电压、电流,使其交流分量为零,通过设置比差校正模块参数校准系统内平均电压和平均电流模块测量得到的平均电压和平均电流的误差,通过设置零点补偿模块参数校准系统内平均功率模块测量得到的零点功率。
本发明具有的有益效果如下:结构简单,可以克服传统电能表电能“多计量”的缺陷;可得到实际的消耗电能,从而消除无功电流以及电压谐波导致的电能计量影响。
具体实施方式
下面结合说明书附图与实施例对本发明作进一步的说明。
近年来,直流输配电越来越多的应用到电网中,直流输电母线上并联有不同的负载,比如通过DC/DC变换器为电动车充电,又如通过DC/AC给电动机或其他交流装置供电。众所周知,交流负载往往需要无功功率,在直流配电网上,这些通过DC/AC变换器的无功需求会导致直流端的输入电流叠加一个交流分量,如式(1)所示,
式中I
0为直流电网提供给负载的直流电流,
为叠加在直流电流上的交流成分,它是DC/AC变换器交流端的无功需求产生的,它并没有被消耗掉,而是流动与电源与负载之间。同理,通过DC/DC变换器给电动车充电的回路中,也存在无功功率的流动,它是由于电力电子控制中输出电压的波动与电池电压的差值产生的,它流动与充电电池与电源之间。
显然,无功功率并没有被消耗掉,在直流电网的电能计量中,它不应该被计量,假设直流电网的直流母线电压为理想状态,即电源电压为:
u=U0
其中,U0为直流母线的电源电压幅值。
则该电路的瞬时功率p为:
有功功率Pa是瞬时功率p在一周期里的平均值,上式中第二项在一个周期内的平均值为零,则:
可见,理想直流电网母线电压的实际损耗功率即为有功功率,无功功率不会被累积。
然而,当前直流输电,母线直流电压是由交流整流而来,尽管直流电网具有滤波装置,但直流电源含有丰富的谐波,设直流母线电压为:
其中,U
n为谐波电压幅值,
为谐波频率,n为谐波次数,θ
n表示谐波相位角;
此时,电路的瞬时功率p为:
有功功率P
a是瞬时功率p在一周期里的平均值,上式中第二项、第三项在一个周期内的平均值为零,第四项中,电源电压的谐波是随谐波次数变化的,可以看做电流
与不同谐波电压的乘积,显然当
时,第四项只有
时,分项
在周期内的平均功率为I
aU
ncos(θ
n),其他的各分项功率在周期内的平均功率也为0。因此
由式(6)可知,当直流电网电压非理想时,直流电压中包含的谐波频率与无功电流的电流频率相同,则在电能计量中会产生一部分新的电能,其大小为:△E=IaUncos(θn)*t (7)
式中,t为电能计算时间。显然,ΔE的存在给直流电能的计量带来误差,当Ia*Un较小时,ΔE很小,电能计量误差可以忽略,而当Ia*Un较大时,ΔE较大,从而给直流电能的计量带来很大误差。
从上述的分析中可以看出,在直流输配电网中,从直流母线接入的各种负载不可避免的包含有少量的无功电流成分,这些电流成分的存在,可能会与直流电网的谐波分量相互作用,导致电能被多计量,从而导致误差。
实施例1
本实施例提供一种用于直流配网的直流电能表,其包括电压传感器、电流传感器、低通滤波器、隔直电容器、AD转换器、数字滤波器、增益放大器、比差校正模块、乘法器、秒平均模块、平均电压模块、零点补偿模块、差运算模块、平均电流模块、脉冲时间发生器、电能计量模块、电能脉冲输出模块和平均功率模块。
所述的电压传感器将被计量的电压转换为0-3V的电压信号,通过第一低通滤波器过滤掉被测电压的高频分量,电压信号经滤波后分成两路,一路直接接入到第一AD转换器的输入口,该路信号的特征是既包含信号的直流分量又包含叠加在直流电压上的交流分量,再经第一数字滤波器和第一增益放大器得到合适的电压信号;另一路经第一隔直电容器滤除电压信号中的直流分量,该路信号的特征是仅含有电压信号的交流分量,再经第二AD转换器、第二数字滤波器和第二增益放大器,得到合适的电压信号。
所述的电流传感器将被计量的电流转换为电流信号,通过第二低通滤波器过滤掉被测电流的高频分量,电流信号经滤波后分成两路,一路直接接入到第三AD转换器的输入口,该路信号的特征是既包含信号的直流分量又包含叠加在直流电流上的交流分量,再经第三数字滤波器和第三增益放大器得到合适的电流信号;另一路经第二隔直电容器滤除电流信号中的直流分量,该路信号的特征是仅含有电流信号的交流分量,再经第四AD转换器、第四数字滤波器和第四增益放大器,得到合适的电流信号。
含交流分量和直流分量的电压、电流信号分别经比差校正模块的比差校正、秒平均模块的秒平均后,再经过平均电压模块和平均电流模块计算分别得到平均电压和平均电流。
含交流分量和直流分量的电压、电流信号分别经比差校正模块的比差校正后的电压、电流信号通过第一乘法器相乘后,经过零点补偿模块零点补偿处理后输入到差运算模块作为被减数。仅含交流分量的电压、电流信号通过第二乘法器相乘后,输入到差运算模块作为减数;差运算后输出分两路,一路经第三秒平均模块秒平均后,再经平均功率模块计算得到平均功率;另一路输入到电能计量模块,而电能计量模块根据脉冲时间发生器产生的时间信号,对功率进行时间累积,从而获得消耗额电能值,电能脉冲输出模块根据累积的最小电能转换为脉冲输出。
本发明通过硬件电路将电压、电流信号分解为两路信号,一路包含直流量以及叠加在直流上的交流成分,如式(1)和式(4)所示,另一路仅包含交流成分,如式(8),式(9)所示。
显然,式(8)和式(9)在周期内的平均功率为IaUncos(θn)。电子式电能表电能计量时,将电压、电流信号进行离散化。
由式(1)、式(4)的电压、电流相互作用一个周期内产生的电能为:
由式(8)、式(9)的电压、电流相互作用一个周期内产生的电能为:
其中N为一个周期的采样个数,⊿t为电能累积时间,u(tn)、i(tn)、uac(tn)、iac(tn)为第n个采样点的电压、电流值。式(10)得到的电能中包含了直流分量产生的电能也包含交流分量产生的电能,而交流分量产生的电能为上述无功电流与直流电压母线上的谐波分量引起的,为了消除这部分由于无功电流引起的多计量的电能,将式(10)减去式(11)消除这部分电能误差。
实施例2
本实施例提供一种用于直流配网的直流电能计量方法,其通过隔直电容器将电压、电流信号均分成两路,一路包含直流分量和交流分量,另一路仅包含交流分量,经AD转换器、数字滤波器以及增益放大器后,将包含直流分量和交流分量的一路电压信号与包含直流分量和交流分量的一路电流信号,经乘法器相乘得到混合瞬时功率;同时,将仅包含交流分量的电压信号和仅包含交流分量的电流信号经乘法器相乘得到交流瞬时功率,再把混合瞬时功率和交流瞬时功率进行差运算,得到的差功率经过电能计量模块计算电能,它随脉冲时间发生器的时间信号对差功率进行时间累积,即可得到实际的消耗电能,从而消除无功电流以及电压谐波导致的电能计量影响。
输入标准直流电压、电流,使其交流分量为零,通过设置比差校正模块参数校准系统内平均电压和平均电流模块测量得到的平均电压和平均电流的误差,通过设置零点补偿模块参数校准系统内平均功率模块测量得到的零点功率。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是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、等同变化与修饰,均落入本发明的保护范围内。