CN111693766A - 一种计算功率因数的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种计算功率因数的系统及方法，该方案中，利用电压降压模块将配电变压器的输出高压交流电压降为低压交流电压，利用电流降压模块将配电变压器输出的高压交流电流降为低压交流电流，电压采样电路和电流采样电路分别对低压交流电压和低压交流电流进行采样得到采样电压和采样电流，本申请考虑到功率因数与有功功率及视在功率之间的关系，处理器再根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率之后，直接根据有功功率及视在功率计算得到功率因数。可见，本申请计算有功功率、视在功率和功率因数的过程简单，计算时间短。

Description

一种计算功率因数的系统及方法

技术领域

本发明涉及计算电力参数领域，特别是涉及一种计算功率因数的系统及方法。

背景技术

随着电能质量问题的日益突出，电能质量产品的需求越来越大，经常需要对用电设备的无功功率进行快速跟踪补偿，以提高用电设备的功率因数。具体地，现有技术中，通常采用的补偿方式是将低压电容器通过低压开关并联在配电变压器的低压母线侧，通过控制低压开关的导通和闭合来调整功率因数，其中，配电变压器用于将10kV的电网高压降压至为400V左右。

在进行快速跟踪补偿的过程中，需要获取有功功率、无功功率、视在功率及功率因数等电力参数。请参照图1，2a至2c，其中，图1为现有技术中的一种转换电路的示意图，图2a为转换电路的输入波形图(也即配电变压器的电压电流输出波形图)，图2b为转换电路中的降压模块转换后的变换波形图。具体地，转换电路中的降压模块用于将400V降压至±2V，转换电路中的抬压升压模块用于对±2V进行抬压及降压，其中，抬压降压关系式为

现有技术中，计算功率因数时通常先把图2b所示的变换波形经过过零比较器得到如图3所示的方波，实际应用中，存在电流滞后电压的情况，如图4所示，也存在电压滞后电流的情况，如图5所示。然后，通过微控制器对方波的边沿进行捕捉，并计算交流电压和交流电流的两个边沿时间值，把两个边沿时间值通过公式转换为角度值，根据角度值查表得到功率因数。其中，时间角度关系式为θ＝(t1÷2500×90)°，t1为相位差的时间值，θ为相位差的角度值，2500为90°对应的时间值。此外，再根据图2c的所示的输出波形计算有功功率、无功功率及视在功率等电力参数。

可见，现有技术中通过抬压升压模块的输出波形计算有功功率、无功功率及视在功率，通过查表的方式计算功率因数，计算过程繁琐，计算时间长。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算功率因数的系统及方法,计算有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的过程简单不繁琐，计算时间短。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种计算功率因数的系统，包括：

电压降压模块，用于将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

电流降压模块，用于将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

电压采样电路，用于对所述低压交流电压进行采样，得到采样电压；

电流采样电路，用于对所述低压交流电流进行采样，得到采样电流；

处理器，用于根据所述采样电压和所述采样电流得到有功功率及视在功率，并根据所述有功功率及视在功率得到功率因数。

优选地，还包括：

设置于所述电压降压模块与所述电压采样电路之间的电压负半波削波电路，用于对所述低压交流电压进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电压；

设置于所述电流降压模块与所述电流采样电路之间的电流负半波削波电路，用于对所述低压交流电流进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电流。

优选地，所述电压负半波削波电路和所述电流负半波削波电路均包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第二电阻；

其中，所述第一运算放大器的输入正端输入所述低压交流电压或所述低压交流电流，所述第一运算放大器的输入负端分别与所述第一二极管的阳极及所述第一电阻的第一端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一二极管的阴极及所述第二二极管的阳极连接；所述第二运算放大器的输入负端分别与所述第一电阻的第二端及所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的输入正端分别与所述第二二极管的阴极及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地。

优选地，还包括：

设置于所述电压采样电路输出端的电压滤波模块，用于对所述仅包括正半轴的低压交流电压进行滤波；

设置于所述电流采样电路输出端的电流滤波模块，用于对所述仅包括正半轴的低压交流电流进行滤波。

优选地，还包括：

设置于所述电压采样电路输出端的电压驱动模块，用于对所述采样电压进行增强处理；

设置于所述电流采样电路输出端的电流驱动模块，用于对所述采样电流进行增强处理。

优选地，还包括：

设置于所述电压驱动模块输出端的第一抗干扰模块，用于对外界干扰进行消除处理；

设置于所述电流驱动模块输出端的第二抗干扰模块，用于对外界干扰进行消除处理。

优选地，所述第一抗干扰模块和所述第二抗干扰模块均包括第三二极管和第四二极管；

其中，所述第三二极管的阳极分别与所述第四二极管的阴极及所述电压驱动模块或者所述电流驱动模块连接，所述第三二极管的阴极与电源连接，所述第四二极管的阳极接地。

优选地，所述处理器具体用于：

对所述采样电压进行离散采样得到采样电压瞬时值；对所述采样电流进行离散采样得到采样电流瞬时值；

对所述采样电压瞬时值取相反数并延长半个所述交流电压的周期，得到所述采样电压瞬时值所在所述交流电压的周期的负半轴的采样电压瞬时值；对所述采样电流瞬时值取相反数并延长半个所述交流电流的周期，得到所述采样电流瞬时值所在所述交流电流的周期的负半轴的采样电流瞬时值；

对所述采样电压瞬时值及所述负半轴的采样电压瞬时值、所述电压降压模块的降压比及所述电压采样电路的采样增益进行相乘处理，得到交流电压瞬时值；

对所述采样电流瞬时值及所述负半轴的采样电流瞬时值、所述电流降压模块的降压比及所述电流采样电路的采样增益进行相乘处理，得到交流电流瞬时值；

基于所述交流电压瞬时值及交流电压有效值关系式得到电压有效值；

基于所述交流电流瞬时值及交流电流有效值关系式得到电流有效值；

将所述电压有效值和所述电流有效值进行相乘处理，得到视在功率；

基于所述交流电压瞬时值、所述交流电流瞬时值、所述交流电压的周期、所述交流电流的周期及有功功率关系式得到有功功率；

基于所述视在功率、所述有功功率及功率因数关系式得到功率因数；

其中，所述交流电压有效值关系式为

Vr.m.s为所述电压有效值，T为所述交流电压的周期或所述交流电流的周期，V为所述交流电压瞬时值，其中，V＝VKt x VKvxACinput[v]，VKt为所述电压降压模块的降压比，VKv为所述电压采样电路的采样增益，ACinput[v]为所述采样电压瞬时值；

所述交流电流有效值关系式

Ir.m.s为所述电流有效值，i为所述交流电流瞬时值，其中，i＝IKt x IKvxACinput[i]，IKt为所述电流降压模块的降压比，IKv为所述电流采样电路的采样增益，ACinput[i]为所述采样电流瞬时值；

所述视在功率的关系式为P_S＝Vr.m.s X Ir.m.s，P_S为所述视在功率；

所述有功功率关系式为

P_p为所述有功功率，i_n为所述交流电的周期中第n个所述交流电流瞬时值，v_n为所述交流电的周期中第n个所述交流电压瞬时值；

所述功率因数关系式为

P_Pf为所述功率因数。

优选地，所述处理器还用于在连续计算得到M个交流电压的周期的功率因数后，去掉第一个交流电压的周期的功率因数和第M个交流电压的周期的功率因数，对第二个交流电压的周期、第三个交流电压的周期直至第M-1个交流电压的周期的功率因数求取平均值，得到功率因数平均值，并将所述功率因数平均值输出，M为不小于4的正整数。

优选地，本申请还提供了一种计算功率因数的方法，包括：

电压降压模块将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

电流降压模块将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

电压采样电路对所述低压交流电压进行采样，得到采样电压；

电流采样电路对所述低压交流电流进行采样，得到采样电流；

处理器根据所述采样电压和所述采样电流得到有功功率及视在功率，并根据所述有功功率及视在功率得到功率因数。

本申请提供了一种计算功率因数的系统，由电压降压模块、电流降压模块、电压采样电路、电流采样电路和处理器组成，首先，利用电压降压模块将配电变压器的输出高压交流电压降为低压交流电压，利用电流降压模块将配电变压器输出的高压交流电流降为低压交流电流，然后，电压采样电路和电流采样电路分别对低压交流电压和低压交流电流分别进行采样得到采样电压和采样电流，本申请考虑到功率因数与有功功率及视在功率之间的关系，处理器再根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率之后，直接根据有功功率及视在功率计算得到功率因数。可见，本申请计算有功功率、视在功率和功率因数的过程简单，计算时间短。

本申请还提供了一种计算功率因数的方法，具有与上述系统相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的现有技术中的一种转换电路的示意图；

图2a为本发明提供的现有技术中转换电路的输入波形图；

图2b为本发明提供的现有技术中转换电路中的降压模块转换后的变换波形图；

图2c为本发明提供的现有技术中转换电路中的抬压升压模块转换后的输出波形图；

图3为现有技术中的一种过零比较器的输入输出波形图；

图4为现有技术中的一种电流滞后电压的波形图；

图5为现有技术中的一种电压滞后电流的波形图；

图6为本发明提供的一种计算功率因数的系统示意框图；

图7为本发明提供的一种电压负半波削波电路、电压采样电路、电压滤波模块、电压驱动模块及第一抗干扰模块的连接关系示意图；

图8为本发明提供的一种计算功率因数的方法的过程流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种计算功率因数的系统及方法，能够简化计算过程，缩短计算时间。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图6，图6为本发明提供的一种计算功率因数的系统示意框图，该系统包括：

电压降压模块1，用于将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

电流降压模块2，用于将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

电压采样电路3，用于对所述低压交流电压进行采样，得到采样电压；

电流采样电路4，用于对所述低压交流电流进行采样，得到采样电流；

处理器5，用于根据所述采样电压和所述采样电流得到有功功率及视在功率，并根据所述有功功率及视在功率得到功率因数。

具体地，考虑到配电变压器输出的交流电压和交流电流较高，为了便于电压采样电路3和电流采样电路4进行采样，保证电压采样电路3和电流采样电路4的安全性和可靠性，首先，电压降压模块1对配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压，电流降压模块2对配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流。然后，电压采样电路3和电流采样电路4再分别对低压交流电压和低压交流电流分别进行采样得到采样电压和采样电流，处理器5先根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率，又考虑到功率因数与有功功率及视在功率之间的关系，处理器5在根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率后，直接根据有功功率及视在功率计算得到功率因数。

在一具体的实施例中，配电变压器输出的交流电压为400V，配电变压器输出的交流电流为5A，首先，利用电压降压模块1先将400V的交流电压降压至0-±5V，利用电流降压模块2将5A的交流电流降压至0-±1.5V。然后，电压采样电路3和电流采样电路4分别对0-±5V的低压交流电压和0-±1.5V的低压交流电流进行采样得到采样电压和采样电流。

此外，这里的处理器5可以为DSP(Digital Signal Progressing，数字信号处理器)，DSP具有集成性和稳定性好、精度高、接口和集成方便的优点。当然，这里的处理器5还可以选用其他类型的处理器5,本申请在此不作特别的限定。

可见，本申请考虑到功率因数与有功功率及视在功率之间的关系，处理器5在根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率之后，直接根据有功功率及视在功率得到功率因数，可见，本申请计算有功功率、视在功率及功率因数的过程简单，计算时间短。

在上述实施例的基础上：

请参照图7，图7为本申请提供的一种电压负半波削波电路、电压采样电路、电压滤波模块、电压驱动模块及第一抗干扰模块的连接关系示意图，其中，电流负半波削波电路、电流采样电路、电流滤波模块、电流驱动模块及第二抗干扰模块的连接关系示意图与图7所示的电路结构相同。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于电压降压模块1与电压采样电路3之间的电压负半波削波电路6，用于对低压交流电压进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电压；

设置于电流降压模块2与电流采样电路4之间的电流负半波削波电路，用于对低压交流电流进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电流。

具体地，考虑到在计算有功功率及视在功率前，需要先获得数值为正的采样电压和采样电流，现有技术中为了得到正的采样电压和采样电流，在转换电路中设置了抬压升压模块，抬压升压模块会将降压模块输出的电压或电流抬压到正半轴上，且还会将降压模块输出的电压或电流进一步降压至采样电路的采样范围内，其中，抬压降压关系式为

不难得到，抬压升压模块中的抬压和降压相互耦合，导致电阻参数难以选定，设计难度大，具有一定的局限性。

为解决以上技术问题，本申请使用电压负半波削波电路6和电流负半波削波电路，分别对低压交流电压和低压交流电流进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电压和低压交流电流，后续处理器5便可以基于半个交流电压的周期的数值为正的采样电压和半个交流电流的周期的采样电流得到有功功率及视在功率。

可见，采用本申请中的方式，不用对低压交流电压和低压交流电流进行抬压降压处理，不存在耦合的现象，参数容易选定，设计难度小。

作为一种优选的实施例，电压负半波削波电路6和电流负半波削波电路均包括第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1和第二电阻R2；

其中，第一运算放大器U1A的输入正端输入低压交流电压或低压交流电流，第一运算放大器U1A的输入负端分别与第一二极管D1的阳极及第一电阻R1的第一端连接，第一运算放大器U1A的输出端分别与第一二极管D1的阴极及第二二极管D2的阳极连接；第二运算放大器U1B的输入负端分别与第一电阻R1的第二端及第二运算放大器U1B的输出端连接，第二运算放大器U1B的输入正端分别与第二二极管D2的阴极及第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端接地。

具体地，以电压负半波削波电路6为例，本实施例中，利用二极管的单向导通特性实现电压负半波削波，但考虑到二极管具有正向压降，因此无法实现精准的电压负半波削波。

为解决以上技术问题，本申请综合利用二极管的单向导通特性和运算放大器的负反馈特性，利用二极管的单向导通特性实现电压负半波削波，利用运算放大器的深度负反馈补偿二极管的正向压降。具体地，当第一运算放大器U1A输入正端输入正的低压交流电时，第一二极管D1和第二二极管D2均导通，第一电阻R1为电压负半波削波电路6提供负反馈通道，电压负半波削波电路6可以实现整体的深度负反馈，此时，电压负半波削波电路6的输出电压等于输入电压；当第一运算放大器U1A的输入正端输入负的低压交流电时，第一电阻R1作为第二运算放大器U1B的跟随电阻，避免第一运算放大器U1A与第二运算放大器U1B的输出端通过第一二极管D1短接，且由于第二电阻R2接地，所以电压负半波削波电路6的输出电压被钳位为零。此外，电流负半波削波电路具有与电压负半波削波电路6相同的电路结构，本申请在此不再赘述。

综上，此方式可以实现精准的负半波削波，且规避了复杂的抬压升压电路，为计算功率因数的方法提供了硬件的基础。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于电压采样电路3输出端的电压驱动模块8，用于对采样电压进行增强处理；

设置于电流采样电路4输出端的电流驱动模块，用于对采样电流进行增强处理。

考虑到电压采样电路3输出的采样电压和电流采样电路4输出的采样电流的驱动能力较弱，为了保证系统的工作可靠性，本实施例中，设置了电压驱动模块8，用于对采样电压进行增强处理，还设置了电流驱动模块，用于对采样电流进行增强处理，提高采样电压和采样电流的驱动能力，保证系统的工作可靠性。

具体地，这里的电压驱动模块8和电流驱动模块均可以为电压跟随器U1C。当然，电压驱动模块8和电流驱动模块不仅限于电压跟随器U1C，本申请对哪种驱动模块不作特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于电压采样电路3输出端的电压滤波模块7，用于对仅包括正半轴的低压交流电压进行滤波；

设置于电流采样电路4输出端的电流滤波模块，用于对仅包括正半轴的低压交流电流进行滤波。

考虑到电压采样电路3输出的仅包括正半轴的低压交流电压中可能包含杂波，电流采样电路4输出的仅包括正半轴的低压交流电流中可能包含杂波，可能会影响有功功率、视在功率及功率因数的计算精度。

为解决以上问题，本申请在电压采样电路3的输出端设置了电压滤波模块7，用于对仅包括正半轴的低压交流电压进行滤波，以滤除仅包括正半轴的低压交流电压中的杂波；在电流采样电路4的输出端设置了电流滤波模块，用于对仅包括正半轴的低压交流电流进行滤波，以滤除仅包括正半轴的低压交流电流中的杂波。可见，通过这种方式保证了处理器5接收到的低压交流电压和低压交流电流的可靠性，提高了有功功率、视在功率及功率因数的计算精度。

在实际应用中，电压滤波模块7和电流滤波模块均可以为RC滤波模块，具体地，以图7中的电压滤波模块7为例，该种情况下，第三电阻R3和第四电阻R4构成了电压采样电路3，第三电阻R3、第四电阻R4和电容C还构成了电压滤波模块7。其中，第三电阻R3的第一端与电压负半波削波电路6的输出端连接，第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第一端、电容C的第一端及电压驱动模块8的输入正端连接，第四电阻R4的第二端与电容C的第二端连接，电容C的第二端接地。

具体地，第三电阻R3和第四电阻R4起到分压的作用，例如，第三电阻R3和第四电阻R4将0V至5V的电压分压转换为0V至3.3V的电压，第三电阻R3、第四电阻R4和电容C还构成了RC滤波模块，对采样电压进行滤波处理。

此外，电流滤波模块与电压滤波模块7具有相同的电路结构，电流采样电路4与电压采样电路3具有相同的电路结构，本申请在此不再赘述。其中，电流采样电路4与电压采样电路3中的第三电阻R3和第四电阻R4的阻值设置不同，以实现相应的电流采集和电压采集。

作为一种优选的实施例，还包括：

设置于电压驱动模块8输出端的第一抗干扰模块9，用于对外界干扰进行消除处理；

设置于电流驱动模块输出端的第二抗干扰模块，用于对外界干扰进行消除处理。

在实际应用中，可能会存在雷击、浪涌及突波等外界干扰，本申请设置第一抗干扰模块9以保护电压驱动模块8输出的电压不受外界干扰，设置第二抗干扰模块以保护电流驱动模块输出的电流不受外界干扰。

作为一种优选的实施例，第一抗干扰模块9和第二抗干扰模块均包括第三二极管D3和第四二极管D4；

其中，第三二极管D3的阳极分别与第四二极管D4的阴极及电压驱动模块8连接，第三二极管D3的阴极与电源连接，第四二极管D4的阳极接地。

具体地，本实施例中，利用二极管的单向导通特性将二极管作为抗干扰元件。在一具体的实施例中，若电压驱动模块8输出的电压范围为0V至NV，其中，这里N为正数，则可以将电源电压设置为NV，正常情况下，第三二极管D3的阳极电压低于第三二极管D3的阴极电压，第三二极管D3不导通，第四二极管D4的阴极电压高于第四二极管D4的阳极电压，第四二极管D4不导通，此时电压驱动模块8输出的电压直接输出至处理器5。当外界干扰信号对电压驱动模块8输出的电压产生干扰，导致电压驱动模块8的输出电压很大，也即大于NV时，此时第三二极管D3的阳极电压大于阴极电压，第三二极管D3导通，电压驱动模块8输出的电压被钳位在NV，从而有效地消除了外界的干扰，实现了对系统中各器件如处理器5的保护。此外，第二抗干扰模块与第一抗干扰模块9具有相同的电路结构，本申请在此不再赘述。

作为一种优选的实施例，处理器5具体用于：

对采样电压进行离散采样得到采样电压瞬时值；对采样电流进行离散采样得到采样电流瞬时值；

对采样电压瞬时值取相反数并延长半个交流电压的周期，得到采样电压瞬时值所在交流电压的周期的负半轴的采样电压瞬时值；对采样电流瞬时值取相反数并延长半个交流电流的周期，得到采样电流瞬时值所在交流电流的周期的负半轴的采样电流瞬时值；

对采样电压瞬时值及负半轴的采样电压瞬时值、电压降压模块1的降压比及电压采样电路3的采样增益进行相乘处理，得到交流电压瞬时值；

对采样电流瞬时值及负半轴的采样电流瞬时值、电流降压模块2的降压比及电流采样电路4的采样增益进行相乘处理，得到交流电流瞬时值；

基于交流电压瞬时值及交流电压有效值关系式得到电压有效值；

基于交流电流瞬时值及交流电流有效值关系式得到电流有效值；

将电压有效值和电流有效值进行相乘处理，得到视在功率；

基于交流电压瞬时值、交流电流瞬时值、交流电压的周期、交流电流的周期及有功功率关系式得到有功功率；

基于视在功率、有功功率及功率因数关系式得到功率因数；

其中，交流电压有效值关系式为

Vr.m.s为电压有效值，T为交流电压的周期或交流电流的周期，V为交流电压瞬时值，其中，V＝VKt x VKv x ACinput[v]，VKt为电压降压模块1的降压比，VKv为电压采样电路3的采样增益，ACinput[v]为采样电压瞬时值；

交流电流有效值关系式

Ir.m.s为电流有效值，i为交流电流瞬时值，其中，i＝IKt x IKvxACinput[i]，IKt为电流降压模块2的降压比，IKv为电流采样电路4的采样增益，ACinput[i]为采样电流瞬时值；

视在功率的关系式为P_S＝Vr.m.s X Ir.m.s，P_S为视在功率；

有功功率关系式为

P_p为有功功率，i_n为交流电流的周期中第n个交流电流瞬时值，v_n为交流电压的周期中第n个交流电压瞬时值；

功率因数关系式为

P_Pf为功率因数。

考虑到现有技术中计算有功功率、视在功率及功率因数时，需先将转换电路中降压模块输出的变换波形经过过零比较器得到方波，然后，根据方波得到交流电压和交流电流的两个边沿时间值，再根据两个边沿时间值及角度时间关系式得到角度值，最后根据角度值进行查表得到功率因数。此外，在计算有功功率及视在功率时，还需将转换电路中降压模块输出的交流电压和交流电流进行抬压降压处理得到数值全为正的交流电压和交流电流，再根据数值全为正的交流电压和交流电流计算有功功率及视在功率。可见，通过两种方式分别计算功率因数和有功功率及视在功率，计算过程繁琐，计算时间长。

为解决上述问题，本申请先对电压采样电路3输出的采样电压和电流采样电路4输出的采样电流分别进行离散采样得到采样电压瞬时值和采样电流瞬时值，然后，对采样电压瞬时值进行取相反数得到采样电压瞬时值所在交流电压的周期的负半轴的采样电压瞬时值，对采样电流瞬时值进行取相反数得到采样电流瞬时值所在交流电流的周期的负半轴采样电流瞬时值。然后，再根据采样电压瞬时值和采样电流瞬时值分别得到交流电压瞬时值和交流电流瞬时值，然后，根据交流电压瞬时值和交流电流瞬时值得到交流电压有效值和交流电流有效值及有功功率，再根据交流电压有效值和交流电流有效值得到视在功率，最后根据有功功率和视在功率得到功率因数。其中，交流电压的周期与交流电流的周期相同。

具体地，以采样电压为例，假设交流电压的周期为20ms，在一个交流电压的周期20ms内，处理器5捕捉到采样电压或者采样电流过零时开始采样，可以采用轮循采样的方式分别对仅包括正半轴的采样电压及仅包括正半轴的采样电流进行采样，10us采集一次，各采样500个点，10us*2*500＝1000us＝10ms，恰好T/2(即半个交流电压的周期)。然后，根据低压交流电压和低压交流电流的正负半轴对称性，处理器5将离散采样得到的仅包括正半轴的采样电压瞬时值，延长T/2(即半个交流电的周期)，再对仅包括正半轴的采样电压瞬时值取相反数得到仅包括正半轴的采样电压瞬时值所在交流电压的周期的负半轴的采样电压瞬时值。处理器5还将离散采样得到的仅包括正半轴的采样电流瞬时值，延长T/2(即半个交流电的周期)，再对仅包括正半轴的采样电流瞬时值取相反数得到仅包括正半轴的采样电流瞬时值所在交流电流的周期的负半轴的采样电流瞬时值。

具体地，本实施例提供的交流电压有效值关系式可以准确地表达出交流电压的周期和交流电压瞬时值之间的关系，本实施例中，采样电压瞬时值是由交流电压瞬时值经过电压降压模块1降压和电压采样电路3再次降压得到的，因此，使用交流电压瞬时值计算交流电压有效值时，应先计算出交流电压瞬时值，其中，交流电电压瞬时值等于采样电压瞬时值与电压降压模块1的降压比和电压采样电路3的采样增益的乘积。

同理，本实施例提供的交流电流有效值关系式也可以准确地表达出交流电流的周期和交流电流瞬时值之间的关系，本实施例中，采样电流瞬时值是由交流电流瞬时值经过电流降压模块2降压和电流采样电路4降压得到的，因此，使用交流电流瞬时值计算交流电流有效值时，应先计算出交流电流瞬时值，其中交流电流瞬时值等于采样电流瞬时值与电流降压模块2的降压比和电流采样电路4的采样增益的乘积。

此外，本实施例中提供的视在功率的关系式是根据上述得到的交流电压有效值和交流电流有效值进行相乘得到的；本实施例提供的有功功率关系式是根据交流电周期中每个交流电压瞬时值、每个交流电流瞬时值、交流电压的周期以及交流电流的周期得到的；本实施例提供的功率因数的关系式是根据有功功率除以视在功率得到的。

可见，通过这种方式使计算有功功率、视在功率及功率因数的过程简单，缩短了计算的时间。

此外，在实际应用中，还可以根据需要基于视在功率、有功功率及无功功率关系式得到无功功率，其中，无功功率关系式为

P_q为无功功率。

作为一种优选的实施例，处理器5还用于在连续计算得到M个交流电压的周期的功率因数后，去掉第一个交流电压的周期的功率因数和第M个交流电压的周期的功率因数，对第二个交流电压的周期、第三个交流电压的周期直至第M-1个交流电压的周期的功率因数求取平均值，得到功率因数平均值，并将功率因数平均值输出，M为不小于4的正整数。

考虑到一个交流电压的周期的功率因数输出的结果可能会存在误差，不够精准，为了提高功率因数计算结果的精度，本申请取连续M个交流电压的周期的功率因数，去掉第一个交流电压的周期的功率因数和第M个交流电压的周期的功率因数，仅对中间M-2个交流电压的周期的功率因数进行求取平均值，并将功率因数的平均值输出。可见，通过这种方式，提高了功率因数计算结果的精度，使计算结果更加准确。

此外，计算功率因数平均值的方式不仅限于以上方式，本申请在此不再赘述。

请参照图8，图8为本申请提供的一种计算功率因数的方法的过程流程图，该方法包括：

S11：电压降压模块将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

S12：电流降压模块将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

S13：电压采样电路对低压交流电压进行采样，得到采样电压；

S14：电流采样电路对低压交流电流进行采样，得到采样电流；

S15：处理器根据采样电压和采样电流得到有功功率及视在功率，并根据有功功率及视在功率得到功率因数。

对于本发明提供的一种计算功率因数的方法的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种计算功率因数的系统，其特征在于，包括：

电压降压模块，用于将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

电流降压模块，用于将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

电压采样电路，用于对所述低压交流电压进行采样，得到采样电压；

电流采样电路，用于对所述低压交流电流进行采样，得到采样电流；

处理器，用于根据所述采样电压和所述采样电流得到有功功率及视在功率，并根据所述有功功率及视在功率得到功率因数。

2.如权利要求1所述的计算功率因数的系统，其特征在于，还包括：

设置于所述电压降压模块与所述电压采样电路之间的电压负半波削波电路，用于对所述低压交流电压进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电压；

设置于所述电流降压模块与所述电流采样电路之间的电流负半波削波电路，用于对所述低压交流电流进行负半波削波处理，得到仅包括正半轴的低压交流电流。

3.如权利要求2所述的计算功率因数的系统，其特征在于，所述电压负半波削波电路和所述电流负半波削波电路均包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第二电阻；

其中，所述第一运算放大器的输入正端输入所述低压交流电压或所述低压交流电流，所述第一运算放大器的输入负端分别与所述第一二极管的阳极及所述第一电阻的第一端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一二极管的阴极及所述第二二极管的阳极连接；所述第二运算放大器的输入负端分别与所述第一电阻的第二端及所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的输入正端分别与所述第二二极管的阴极及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地。

4.如权利要求2所述的计算功率因数的系统，其特征在于，还包括：

设置于所述电压采样电路输出端的电压滤波模块，用于对所述仅包括正半轴的低压交流电压进行滤波；

设置于所述电流采样电路输出端的电流滤波模块，用于对所述仅包括正半轴的低压交流电流进行滤波。

5.如权利要求2所述的计算功率因数的系统，其特征在于，还包括：

设置于所述电压采样电路输出端的电压驱动模块，用于对所述采样电压进行增强处理；

设置于所述电流采样电路输出端的电流驱动模块，用于对所述采样电流进行增强处理。

6.如权利要求5所述的计算功率因数的系统，其特征在于，还包括：

设置于所述电压驱动模块输出端的第一抗干扰模块，用于对外界干扰进行消除处理；

设置于所述电流驱动模块输出端的第二抗干扰模块，用于对外界干扰进行消除处理。

7.如权利要求6所述的计算功率因数的系统，其特征在于，所述第一抗干扰模块和所述第二抗干扰模块均包括第三二极管和第四二极管；

其中，所述第三二极管的阳极分别与所述第四二极管的阴极及所述电压驱动模块或者所述电流驱动模块连接，所述第三二极管的阴极与电源连接，所述第四二极管的阳极接地。

8.如权利要求2至7任一项所述的计算功率因数的系统，其特征在于，所述处理器具体用于：

对所述采样电压进行离散采样得到采样电压瞬时值；对所述采样电流进行离散采样得到采样电流瞬时值；

对所述采样电压瞬时值取相反数并延长半个所述交流电压的周期，得到所述采样电压瞬时值所在所述交流电压的周期的负半轴的采样电压瞬时值；对所述采样电流瞬时值取相反数并延长半个所述交流电流的周期，得到所述采样电流瞬时值所在所述交流电流的周期的负半轴的采样电流瞬时值；

对所述采样电压瞬时值及所述负半轴的采样电压瞬时值、所述电压降压模块的降压比及所述电压采样电路的采样增益进行相乘处理，得到交流电压瞬时值；

对所述采样电流瞬时值及所述负半轴的采样电流瞬时值、所述电流降压模块的降压比及所述电流采样电路的采样增益进行相乘处理，得到交流电流瞬时值；

基于所述交流电压瞬时值及交流电压有效值关系式得到电压有效值；

基于所述交流电流瞬时值及交流电流有效值关系式得到电流有效值；

将所述电压有效值和所述电流有效值进行相乘处理，得到视在功率；

基于所述交流电压瞬时值、所述交流电流瞬时值、所述交流电压的周期、所述交流电流的周期及有功功率关系式得到有功功率；

基于所述视在功率、所述有功功率及功率因数关系式得到功率因数；

其中，所述交流电压有效值关系式为

Vr.m.s为所述电压有效值，T为所述交流电压的周期或所述交流电流的周期，V为所述交流电压瞬时值，其中，V＝VKt xVKvxACinput[v]，VKt为所述电压降压模块的降压比，VKv为所述电压采样电路的采样增益，ACinput[v]为所述采样电压瞬时值；

所述交流电流有效值关系式

Ir.m.s为所述电流有效值，i为所述交流电流瞬时值，其中，i＝IKt x IKvxACinput[i]，IKt为所述电流降压模块的降压比，IKv为所述电流采样电路的采样增益，ACinput[i]为所述采样电流瞬时值；

所述视在功率的关系式为P_S＝Vr.m.sX Ir.m.s，P_S为所述视在功率；

所述有功功率关系式为

P_p为所述有功功率，i_n为所述交流电的周期中第n个所述交流电流瞬时值，v_n为所述交流电的周期中第n个所述交流电压瞬时值；

所述功率因数关系式为

P_Pf为所述功率因数。

9.如权利要求8所述的计算功率因数的系统，其特征在于，所述处理器还用于在连续计算得到M个交流电压的周期的功率因数后，去掉第一个交流电压的周期的功率因数和第M个交流电压的周期的功率因数，对第二个交流电压的周期、第三个交流电压的周期直至第M-1个交流电压的周期的功率因数求取平均值，得到功率因数平均值，并将所述功率因数平均值输出，M为不小于4的正整数。

10.一种计算功率因数的方法，其特征在于，包括：

电压降压模块将配电变压器输出的交流电压进行降压，得到低压交流电压；

电流降压模块将配电变压器输出的交流电流进行降压，得到低压交流电流；

电压采样电路对所述低压交流电压进行采样，得到采样电压；

电流采样电路对所述低压交流电流进行采样，得到采样电流；

处理器根据所述采样电压和所述采样电流得到有功功率及视在功率，并根据所述有功功率及视在功率得到功率因数。

Images