CN2703260Y - 实现九十度移相的无功功率测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于全电子式电度表中的实现九十度移相的无功功率测量电路，包括：接收电流通道信号的模拟/数字转换电路、降采样电路、低通滤波电路；接收电压通道信号的模拟/数字转换电路、相位补偿电路；分别接收经过低通滤波电路和相位补偿电路信号的数字乘法器、低通滤波电路、数字/频率转换电路；其特点是：在降采样电路和低通滤波电路之间设置一可进行90°相移的微分单元电路；该微分单元电路包括：一时钟电路、一延迟器和一减法器，该减法器的两输入端分别与信号输入信号端和延迟器输出端连接。从而实现90°的移相和无功功率的计量；其方法简单且相移的精度高，对电网中心频率偏移不敏感，能够保证无功功率的计算精度，因此极为实用。

Description

实现九十度移相的无功功率测量电路

技术领域

本实用新型涉及一种电能测量技术，尤其涉及一种用于全电子式电度表中实现九十度移相的无功功率测量电路。

背景技术

在电能计量系统中，有功功率、无功功率是确定用电量和用电效率的重要环节。有功功率表征所做有用功的大小，它的计算已有许多成型的方法；而无功功率表征用于与用电装置和线路中的储能元件(电容或电感)进行能量交换而未能转换为其它形式能量(未做有用功)的那部分功率，其矢量与有功矢量呈正交，它的精确测量依然在研究实践中。

计算无功功率有两种最基本的方法：一种方法是基于有功功率和无功功率的矢量正交关系而进行90°移相；另一种方法是由视在功率和有功功率的计算而得到。在基于视在功率和有功功率的方法中，计算无功功率需要先确定三个量：有功功率、电压有效值、电流有效值——P，U，I，不仅计算复杂，而且精度很难保证。相比之下，基于90°移相的方法只要保证移相的精度就可以得到和有功功率精度相当的无功功率，计算方法和实现结构相对简单。随着移相技术和数字化测量技术的发展，目前人们主要采用基于90°移相的方法来完成无功功率的测量。

基于90°移相的无功功率计算方法目前有四种：

一种是跨相法，它是采用有功功率表通过改变接线方式实现无功功率的测量。其不足之处在于：跨相法只适用于三相无功功率的测量，而且它是以三相电路的对称为基础而实现的，当电路不对称时将产生很大的原理性误差；

第二种是采用模拟移相器的方法实现90°移相，即由一系列电容电阻以及放大器来构成移相网络，这样的电路缺点在于：当信号中心频率(假设为50HZ)有所变化时，相移的准确度会大大降低；

第三种是对于数字采样信号，通过寄存器来实现相隔四分之一周期(即90°)的电流信号和电压信号相乘，得到无功功率，这种方法要求采样周期为被测信号周期的恒定整数倍(又称同步采样)，因此需要用到锁相环和许多存储单元电路，比较复杂；

第四种是采用数字积分方式实现移相，请参见图1所示，这是用于比较的基于积分方法实现90度移相方法的框图。从图1中可见，基于积分方法进行90度移相的算法在具体实施中需要在前面加上高通滤波器，用以来滤掉输入信号中可能存在的直流偏置，而在积分单元之后，还需要一个高通滤波器来滤掉积分必然引入的直流量。由此可见这种方法虽然比较精确可靠，但由于要求进入积分单元的信号上不能有直流偏置，否则积分模块将对直流量进行累加，这样就相当于在输出正弦信号上加上了一个很难滤掉的斜变信号，使后面无功功率的精确计算很难进行。

由上述可知，前面三种方法存在着应用受限或误差较大或实现复杂的问题，而第四种方法虽然能做到无功功率的精确计算，但对输入信号要求较高，这就增加了整个电路的设计复杂性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种改进的实现九十度移相的无功功率测量电路，它能可靠且精确测量无功功率，并且电路结构简单便于实现。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种用于全电子式电度表中的实现九十度移相的无功功率测量电路，包括：接收电流通道信号的模拟/数字转换电路、与模拟/数字转换电路连接的用以去除高频量化噪声的降采样电路、与降采样电路连接的低通滤波电路；接收电压通道信号的模拟/数字转换电路，与模拟/数字转换电路连接的相位补偿电路；分别接收经过低通滤波电路和相位补偿电路信号的数字乘法器，与乘法器连接的低通滤波电路，与低通滤波电路连接的数字/频率转换电路；

其特点是：

在所述的降采样电路和低通滤波电路之间设置一可进行90°相移的微分单元电路；该微分单元电路包括：

一时钟电路；

一延迟器，该延迟器的输入端与输入信号端和时钟电路的输出端连接，接收输入信号和时钟电路来的脉冲信号；

一减法器，该减法器的两输入端分别与信号输入信号端和延迟器输出端连接，同时接收输入信号和延迟器输出信号。

在上述的实现九十度移相的无功功率测量电路中，其中，在所述的微分单元电路中，所述的延迟器由多个D触发器电路组成；所述的减法器由多与D触发器电路输出端连接的反相器电路和与反相器电路输出端连接的多个加法器电路组成。

在上述的实现九十度移相的无功功率测量电路中，其中，所述的延迟器中的D触发器电路的数量由模/数转换的位数决定。

在上述的实现九十度移相的无功功率测量电路中，其中，在所述的多个与反相器电路输出端连接的加法器电路中，前一级加法器电路的输出端与后一级加法器电路的输入端连接，形成全加器。

本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.电路简洁要求降低。本实用新型由于采用了具有微分单元电路进行90°相移，从而可以省掉降采样电路后的高通滤波器，并且对微分单元的低通滤波器的设计条件也不苛刻，因此，实现无功功率测量方法简便；

2.方法简单。本实用新型由于只需在原来求有功功率的电路基础上进行一些改变并加上简单的电路就可以实现测量无功功率的功能，因此可广泛适用于现有的电度表中进行精确测量无功功率；

3.适用面宽。本实用新型由于技术解决方案是以90°移相原理作为理论基础，由移位寄存器、减法器构成数字微分网络，实现无功功率的计算测量，这种方案既可用在三相电路中，也可用在单相电路中，因此适用面宽；

4.抗噪性强且精确度高。本实用新型由于采用数字微分方法实现90°移相，与信号频率无关，即使电网频率有所偏移，移相依然能够很好地保持在90°，保证无功功率的精确测量。

附图说明

通过以下对本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术基于积分方法实现90度移相方法的框图；

图2是实现九十度移相的无功功率测量电路的一实施例无功功率测量框图；

图3依据本实用新型提出的实现九十度移相的无功功率测量电路的原理示意图；

图4是图3本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路中数字微分相移网络的原理示意图；

图5是本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路中数字微分相移网络的具体电路图。

具体实施方式

本实用新型所依据的基本原理是：

对一个用电网络，其电流电压可表示为：

i＝Im sin wt                           u＝Um sin(wt+)

Im，Um分别为电流电压的峰值，w为电信号的角频率，为电流电压间的相位差。

这样平均有功功率和平均无功功率定义为：

P＝Um Im cos                         Q＝Um Im sin

若对电流求导：            i′＝(Im sin wt)′＝w×Im×cos wt

这时计算平均有功功率为：

(T为电信号周期)

由此可见，对电流电压中一路信号进行微分操作，此时得到的有功功率即为原本要求得的无功功率的整数倍，通过增益调整，就可得到所需要的无功功率。

请参见图2所示，这是本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路的一实施例无功功率测量框图。本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路，用于全电子式电度表中进行无功功率测量。从图1中可见，本实用新型包括：接收电流通道的模拟/数字转换电路1、与模拟/数字转换电路1连接的用以去除高频量化噪声的降采样电路2、与降采样电路2连接的用以滤除高频成分的低通滤波电路3；接收电压通道的模拟/数字转换电路4，与模拟/数字转换电路4连接的用以使电流电电压两通道得到匹配的相位补偿电路5；分别接收经过低通滤波电路和相位补偿电路来的信号并进行电流电压信号相乘的数字乘法器6，与乘法器6连接的用以滤除瞬态功率中的交流量的低通滤波电路7，与低通滤波电路7连接的用以将输出的平均功率转化为频率信号的数字/频率转换电路8，以及设置在降采样电路2和低通滤波电路3之间可进行90°相移的微分单元电路9。

请参见图1和图2所示，从图1中可见，现有技术基于积分方法实现90度移相方法的电路中，在降采样电路后必须设置一高通滤波器，用以滤掉输入信号中可能存在的直流偏置，而在积分单元之后，还需要一个高通滤波器来滤掉积分必然引入的直流量；而在本实用新型中(参见图2)，在降采样电路2后可以省去现有技术所述的高通滤波器，并且在微分单元电路9后所设置的低通滤波器的设计条件也不苛刻。由此可见，微分方法比积分方法在实际实现90度移相中要简单一些，并且通过实验仿真测试，通过微分方法得到的无功功率比积分方法得到的无功功率精确度要高。

请结合图2参见图3所示，图3是依据本实用新型提出的实现九十度移相的无功功率测量电路的原理示意图。从图3中可见，本实用新型无功功率测量实现的方法很简单，只要在电流电压中的一路上加入90°移相网络就可如计算有功功率一样地计算无功功率，图3是以电流通路为例而表示的实现九十度移相的无功功率测量电路的原理示意图。从图中可见，本实用新型是在没有增加很多系统设计和电路设计负担的情况下，可以得到与有功功率精度一致的无功功率。而且，在计算无功功率的过程中可省去有功功率计算中的高通滤波器，此高通滤波器的作用为滤除输入信号中的直流偏置(若不去掉其中一路上直流偏置，电流电压两路中的直流偏置相乘起来将大大影响平均有功功率的精度)，这是由于微分网络本身具有高通作用，通过前后时刻信号的相减可以很干净地去掉直流偏置。

请结合图2和图3参见图4所示，图4是本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路中数字微分相移网络的原理示意图。它具体描述相移网络的实现原理。在模拟域中，微分是通过下面公式得到：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=\frac{y\left(t\right)-y(t-\mathrm{\Δt})}{\mathrm{\Δt}}$

在数字域中，由于以时钟周期为时间单位，微分即是前后时刻信号的相减：

                 y(n)＝x(n)-x(n-1)

图3中，微分单元电路9由时钟电路91、延迟器92和减法器93组成。时钟电路91发出时钟脉冲，它的作用是决定了延迟器92的延迟时间；延迟器92的输入端与输入信号端和时钟电路91的输出端连接，接收输入信号和时钟电路91来的脉冲信号，延迟器92的作用是完成将信号延迟一个时钟周期的任务；减法器93两输入端分别与信号输入信号端和延迟器92输出端连接，同时接收输入信号和延迟器92输出信号，减法器93的作用是将原信号和延时后的信号相减完成微分功能。

请结合图2和图4参见图5所示，图5是本实用新型实现九十度移相的无功功率测量电路中数字微分相移网络的具体电路图。微分单元电路9由时钟电路91、延迟器92和减法器93组成；在本实施例中，延迟器92由多个D触发器电路组成，用以完成延时功能，延时时间由时钟脉冲决定，而D触发器电路所用的个数则由模/数转换器的位数决定，减法器93由多个与D触发器电路输出端连接的反相器电路和与反相器电路输出端连接的多个加法器电路组成，由反相器与加法器一起完成减法功能，这是因为在二进制数减法中一般通过求补(求反加一)相加的方法实现减法功能；在本实施例中，在多个与反相器电路输出端连接的加法器电路中，前一级加法器电路的输出端与后一级加法器电路的输入端连接，从而形成一位全加器。

本实用新型是这样工作的：

当对全电子式电度表中进行无功功率测量时，

在电流通道一侧，模拟/数字转换电路1采用SIGMA-DELTA的方法将模拟正弦量转化为0和1组成的数字信号；降采样电路2去除高频量化噪声后将型号送至微分单元9，经微分单元9完成90°的移相且取得无功功率的计量值，由于，经降采样电路2出来进入微分移相网络的信号很难是平滑而理想的正弦信号，经过微分，可能会出现一些高频噪声，所以需要低通滤波器3来滤除这些高频噪声，这样就能更好地保证微分算法的有效性和精确性；

在电压通道一侧，模拟/数字转换电路4采用SIGMA-DELTA的方法将模拟正弦量转化为0和1组成的数字信号；相位补偿电路5补偿电流电压两路信号的相位差；

数字乘法电路6接收已经微分单元9移相且经过低通滤波器3滤除高频噪声后的的电流信号，与经相位补偿电路5进行相位补偿后的电压信号，并将上述的电流信号和电压信号相乘便得到了瞬态无功功率值；接着经过低通滤波器3滤去瞬态无功功率中的交流量，得到平均无功功率，最后经数字/频率转换电路8将数字信号转换为频率信号，来驱动步进计数器(未图示)。

上述并非对本实用新型的限制，相关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴。

综上所述，本实用新型是在基于数字采样测量的有功功率计量电路上做了一些改变，加入简单的数字微分电路，即移位寄存器和减法器来完成90°的移相功能，实现无功功率的计量；与传统的方法相比，其优点在于：方法简单，相移的精度高，对电网中心频率的偏移不敏感，能够很好地保证无功功率的计算精度，因此极为实用。

Claims (4)

1.一种用于全电子式电度表中的实现九十度移相的无功功率测量电路，包括：接收电流通道信号的模拟/数字转换电路(1)、与模拟/数字转换电路(1)连接的降采样电路(2)、与降采样电路(2)连接的低通滤波电路(3)；接收电压通道信号的模拟/数字转换电路(4)，与模拟/数字转换电路(4)连接的相位补偿电路(5)；分别接收经过低通滤波电路和相位补偿电路信号的数字乘法器(6)，与乘法器(6)连接的低通滤波电路(7)，与低通滤波电路(7)连接的数字/频率转换电路(8)；

其特征在于：在所述的降采样电路(2)和低通滤波电路(3)之间设置一可进行90°相移的微分单元电路(9)；该微分单元电路(9)包括：

一时钟电路(91)；

一延迟器(92)，该延迟器(92)的输入端与输入信号端和时钟电路(91)的输出端连接，接收输入信号和时钟电路(91)来的脉冲信号；

一减法器(93)，该减法器(93)的两输入端分别与信号输入信号端和延迟器(92)输出端连接，同时接收输入信号和延迟器(92)输出信号。

2.如权利要求1所述的实现九十度移相的无功功率测量电路，其特征在于：在所述的微分单元电路(9)中，所述的延迟器(92)由多个D触发器电路组成；所述的减法器(93)由多与D触发器电路输出端连接的反相器电路和与反相器电路输出端连接的多个加法器电路组成。

3.如权利要求2所述的实现九十度移相的无功功率测量电路，其特征在于：所述的延迟器(92)中的D触发器电路的数量由模/数转换的位数决定。

4.如权利要求2所述的实现九十度移相的无功功率测量电路，其特征在于：在所述的多个与反相器电路输出端连接的加法器电路中，前一级加法器电路的输出端与后一级加法器电路的输入端连接，形成全加器。

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