專利名稱：一種四象限功率測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量功率的方法。
背景技術(shù)：
目前的功率測(cè)量方法大多只用來測(cè)量功率數(shù)值大小，一般不給出功率傳輸方向，只適用于用電端口或者只適用于供電端口的功率測(cè)量，不適用于功率傳輸方向變化的電能計(jì)量點(diǎn)的功率測(cè)量，如公開號(hào)是CN1067744A、名稱是《測(cè)量功率和電能的方法及裝置》的發(fā)明專利申請(qǐng)，因而不能反映電能計(jì)量點(diǎn)的真實(shí)功率狀態(tài)，而某些有時(shí)候用電有時(shí)候發(fā)電的設(shè)備，則需要測(cè)量其瞬時(shí)的真實(shí)功率狀態(tài)，現(xiàn)有的測(cè)量方法都完成不了這些功能；另一方面，目前的功率測(cè)量方法也存在著測(cè)量不準(zhǔn)確或抗干擾能力差、計(jì)算量大等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種四象限功率測(cè)量方法，以克服現(xiàn)有的功率測(cè)量方法只適用于用電端口或供電端口這樣的功率傳輸方向確定的電能計(jì)量點(diǎn)的功率測(cè)量的缺陷，以及功率測(cè)量不準(zhǔn)確或抗干擾能力差、計(jì)算量大等不足。本發(fā)明方法的步驟如下啟動(dòng)測(cè)量設(shè)備101；設(shè)置一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N和采樣頻率fs102；經(jīng)采樣得到一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)103；對(duì)電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)分別進(jìn)行離散傅里葉變換，得到變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>104；根據(jù)變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>計(jì)算有功功率P和無功功率Q 105；根據(jù)有功功率P和無功功率Q計(jì)算視在功率S和功率因數(shù)λ106；根據(jù)有功功率P、無功功率Q的正負(fù)號(hào)確定功率狀態(tài)107；然后返回步驟103的起始端完成下一周期的功率測(cè)量。本發(fā)明的四象限功率測(cè)量方法的特點(diǎn)在于，從矢量的角度對(duì)功率進(jìn)行測(cè)量，考慮有功功率、無功功率的數(shù)值大小和傳輸方向，唯一確定了電能交換的真實(shí)狀態(tài)和數(shù)值，既適用于功率傳輸方向確定的電能計(jì)量點(diǎn)的功率測(cè)量，也適用于功率傳輸方向變化的電能計(jì)量點(diǎn)的功率測(cè)量；由于本發(fā)明的方法采用了傅里葉變換，變換過程中可慮除高頻干擾信號(hào)，因此測(cè)量準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)，在計(jì)算過程中使用了專門的公式，計(jì)算量小，得到的數(shù)值準(zhǔn)確，除采樣電路外均采用純軟件計(jì)算方法，功率狀態(tài)直接由有功功率和無功功率的正負(fù)號(hào)確定，不需要測(cè)量阻抗角大小，減少了硬件成本，可廣泛用于數(shù)字式功率測(cè)量設(shè)備。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖，圖2是實(shí)施方式二中的四象限功率狀態(tài)分布圖，圖3是實(shí)施方式一中電壓采樣電路1、電流采樣電路2和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路3的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式由如下步驟組成啟動(dòng)測(cè)量設(shè)備101；設(shè)置一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N和采樣頻率fs，所設(shè)定的采樣頻率fs大于等于被測(cè)交流電最高頻率的二倍(滿足香農(nóng)采樣定理)，一個(gè)測(cè)量周期為被測(cè)交流電基波周期的整數(shù)倍102；經(jīng)采樣得到一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)103；對(duì)電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)分別進(jìn)行離散傅里葉變換，得到變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>104；根據(jù)變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>計(jì)算有功功率P和無功功率Q 105；根據(jù)有功功率P和無功功率Q計(jì)算視在功率S和功率因數(shù)λ106；根據(jù)有功功率P、無功功率Q和功率因數(shù)λ的正負(fù)號(hào)確定功率狀態(tài)107；然后返回步驟103的起始端完成下一周期的功率測(cè)量。在本發(fā)明中(一)以合適的采樣頻率對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，得到一個(gè)周期內(nèi)的電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)(n＝0，1，2，...，N-1，N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù))。
(二)對(duì)電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)按照公式(1)進(jìn)行離散傅里葉變換，得到如公式(2)所示的變換結(jié)果U·(k)=Σn=0N-1u(n)·e-j2NNk·nI·(k)=Σn=0N-1i(n)·e-j2NNk·n---(1)]]>U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk---(2)]]>式中，(k)、 為復(fù)數(shù)，分別表示電壓、電流采樣值序列u(n)、i(n)的離散傅里葉變換后的第k次電壓、電流分量；URk、UIk分別為第k次電壓分量的實(shí)部與虛部；IRk、IIk分別為第k次電流分量的實(shí)部與虛部；k＝0，1，2，...，N-1。
(三)根據(jù)公式(2)表示的電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)的傅里葉變換結(jié)果，按照公式(3)計(jì)算有功功率P和無功功率QP=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]---(3)]]>(四)由公式(3)計(jì)算出有功功率P和無功功率Q之后，按照公式(4)計(jì)算視在功率S和功率因數(shù)λ(這里-1≤λ≤1)S=P2+Q2λ=PS---(4)]]>(五)根據(jù)公式(3)計(jì)算的有功功率和無功功率是帶正負(fù)號(hào)的，正號(hào)表示吸收功率，負(fù)號(hào)表示輸出功率。
在步驟103中電壓和電流是通過電壓采樣電路1、電流采樣電路2和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路3來進(jìn)行采集的。電壓采樣電路1由電壓互感器PT1、一號(hào)集成運(yùn)算放大器A1、二號(hào)集成運(yùn)算放大器A2、一號(hào)電阻R81、二號(hào)電阻R82、三號(hào)電阻R83、四號(hào)電阻R84、五號(hào)電阻R85和六號(hào)電阻R86組成，電壓互感器PT1為電壓輸入、電壓輸出型電壓變換器，其原邊的兩端連接在被測(cè)量的電路端口的兩端上，電壓互感器PT1副邊的一端接地，另一端連接四號(hào)電阻R84的一端，四號(hào)電阻R84的另一端連接一號(hào)集成運(yùn)算放大器A1的同相輸入端和二號(hào)電阻R82的一端，一號(hào)集成運(yùn)算放大器A1的反相輸入端連接三號(hào)電阻R83的一端和一號(hào)電阻R81的一端，三號(hào)電阻R83的另一端接地，一號(hào)電阻R81的另一端連接一號(hào)集成運(yùn)算放大器A1的輸出端和五號(hào)電阻R85的一端，二號(hào)電阻R82的另一端連接二號(hào)集成運(yùn)算放大器A2的輸出端、六號(hào)電阻R86的一端和二號(hào)集成運(yùn)算放大器A2的反相輸入端；電流采樣電路2由電流互感器CT1、三號(hào)集成運(yùn)算放大器A3、四號(hào)集成運(yùn)算放大器A4、七號(hào)電阻R87、八號(hào)電阻R88、九號(hào)電阻R89、十號(hào)電阻R90、十一號(hào)電阻R91和十二號(hào)電阻R92組成，電流互感器CT1為電流輸入、電壓輸出型電流變換器，其原邊串聯(lián)在被測(cè)量的電路上，電流互感器CT1副邊的一端接地，另一端連接十號(hào)電阻R90的一端，十號(hào)電阻R90的另一端連接三號(hào)集成運(yùn)算放大器A3的同相輸入端和八號(hào)電阻R88的一端，三號(hào)集成運(yùn)算放大器A3的反相輸入端連接七號(hào)電阻R87的一端和九號(hào)電阻R89的一端，九號(hào)電阻R89的另一端接地，七號(hào)電阻R87的另一端連接三號(hào)集成運(yùn)算放大器A3的輸出端和十一號(hào)電阻R91的一端，八號(hào)電阻R88的另一端連接四號(hào)集成運(yùn)算放大器A4的輸出端、十二號(hào)電阻R92的一端和四號(hào)集成運(yùn)算放大器A4的反相輸入端；模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路3由型號(hào)是ADS8364Y的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15組成，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳63連接五號(hào)電阻R85的另一端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳64連接六號(hào)電阻R86的另一端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳2連接十一號(hào)電阻R91的另一端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳1連接十二號(hào)電阻R92的另一端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳61連接四號(hào)集成運(yùn)算放大器A4的同相輸入端和二號(hào)集成運(yùn)算放大器A2的同相輸入端。工作時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15的腳61分別給2號(hào)集成運(yùn)算放大器A2的同相輸入端和四號(hào)集成運(yùn)算放大器A4的同相輸入端提供一個(gè)2.5伏特的參考電壓，這樣可通過給一號(hào)到十二號(hào)電阻設(shè)定合適的阻值將電壓互感器PT1和電流互感器CT1的副邊的雙極性電壓范圍變換為模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U15正常工作所需的單極性電壓范圍0～+5V，以便模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路3進(jìn)行處理。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖2和表1具體說明本實(shí)施方式。實(shí)施方式一中的步驟107通過本實(shí)施方式的如下步驟確定被測(cè)設(shè)備的功率狀態(tài)如果有功功率P為正、無功功率Q為正，則象限分布為第I象限，被測(cè)設(shè)備為用電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，吸收有功功率的同時(shí)吸收無功功率，阻抗角的范圍是0°＜＜90°，功率因數(shù)λ的值為正；如果有功功率P為負(fù)、無功功率Q為正，則象限分布為第II象限，被測(cè)設(shè)備為供電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，輸出有功功率的同時(shí)吸收無功功率，阻抗角的范圍是90°＜＜180°，功率因數(shù)λ的值為負(fù)；如果有功功率P為負(fù)、無功功率Q為負(fù)，則象限分布為第III象限，被測(cè)設(shè)備為供電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，輸出有功功率的同時(shí)輸出無功功率，阻抗角的范圍是180°＜＜270°，功率因數(shù)λ的值為負(fù)；如果有功功率P為正、無功功率Q為負(fù)，則象限分布為第IV象限，被測(cè)設(shè)備為用電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，吸收有功功率的同時(shí)輸出無功功率，阻抗角的范圍是270°＜＜360°，功率因數(shù)λ的值為正。
本實(shí)施方式表1中的S-I、S-II、S-III、S-IV表示的是功率傳輸方向變化的電能計(jì)量點(diǎn)的四種不同的功率狀態(tài)，其含義如下S-I-吸收有功功率的同時(shí)吸收無功功率(感性，P為正、Q為正)；S-II-輸出有功功率的同時(shí)吸收無功功率(容性，P為負(fù)、Q為正)；S-III-輸出有功功率的同時(shí)輸出無功功率(感性，P為負(fù)、Q為負(fù))；S-IV-吸收有功功率的同時(shí)輸出無功功率(容性，P為正、Q為負(fù))。
其中，第I、IV象限均表示作為用電端口時(shí)的功率狀態(tài)，即吸收有功功率，區(qū)別在于第I象限功率狀態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，吸收無功功率，第IV象限功率狀態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，輸出無功功率；第II、III象限均表示作為供電端口時(shí)的功率狀態(tài)，即輸出有功功率，區(qū)別在于第II象限功率狀態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，吸收無功功率，第III象限功率狀態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，輸出無功功率。特別地，阻抗角＝0°時(shí)，功率狀態(tài)為只吸收有功功率；阻抗角＝90°時(shí)，功率狀態(tài)為只吸收無功功率；阻抗角＝180°時(shí)，功率狀態(tài)為只輸出有功功率；阻抗角＝270°時(shí)，功率狀態(tài)為只輸出無功功率。本發(fā)明中，首先由實(shí)施方式一計(jì)算得到有功功率P和無功功率Q，然后根據(jù)有功功率P、無功功率Q的正負(fù)號(hào)并參照實(shí)施方式二中的表1確定功率狀態(tài)。功率狀態(tài)主要包括供用電方向、象限分布、阻抗角范圍、復(fù)阻抗性質(zhì)、有功功率方向、無功功率方向、功率因數(shù)方向。這里，對(duì)一些參數(shù)作如下定義供用電方向定義用電為正向(“+”)，供電為反向(“-”)；功率方向定義吸收功率為正向(“+”)，輸出功率為反向(“-”)；阻抗角范圍定義阻抗角的范圍為0°≤＜360°；功率因數(shù)λ方向定義功率因數(shù)λ的范圍為-1≤λ≤1，其中，吸收有功功率時(shí)為正向(“+”)，輸出有功功率時(shí)為反向(“-”)。
表1功率狀態(tài)四象限分布表

權(quán)利要求
1.一種四象限功率測(cè)量方法，其特征在于它通過以下步驟完成啟動(dòng)測(cè)量設(shè)備(101)；設(shè)置一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N和采樣頻率fs(102)；經(jīng)采樣得到一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)(103)；對(duì)電壓采樣值序列u(n)和電流采樣值序列i(n)分別進(jìn)行離散傅里葉變換，得到變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>(104)；根據(jù)變換后電壓序列值(k)和變換后電流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>計(jì)算有功功率P和無功功率Q(105)；根據(jù)有功功率P和無功功率Q計(jì)算視在功率S和功率因數(shù)λ(106)；根據(jù)有功功率P、無功功率Q的正負(fù)號(hào)確定功率狀態(tài)(107)；然后返回步驟(103)的起始端完成下一周期的功率測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四象限功率測(cè)量方法，其特征在于在步驟(107)中通過如下步驟確定被測(cè)設(shè)備的功率狀態(tài)如果有功功率P為正、無功功率Q為正，則象限分布為第I象限，被測(cè)設(shè)備為用電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，吸收有功功率的同時(shí)吸收無功功率，阻抗角的范圍是0°＜＜90°，功率因數(shù)λ的值為正；如果有功功率P為負(fù)、無功功率Q為正，則象限分布為第II象限，被測(cè)設(shè)備為供電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，輸出有功功率的同時(shí)吸收無功功率，阻抗角的范圍是90°＜＜180°，功率因數(shù)λ的值為負(fù)；如果有功功率P為負(fù)、無功功率Q為負(fù)，則象限分布為第III象限，被測(cè)設(shè)備為供電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為感性，輸出有功功率的同時(shí)輸出無功功率，阻抗角的范圍是180°＜＜270°，功率因數(shù)λ的值為負(fù)；如果有功功率P為正、無功功率Q為負(fù)，則象限分布為第IV象限，被測(cè)設(shè)備為用電狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗為容性，吸收有功功率的同時(shí)輸出無功功率，阻抗角的范圍是270°＜＜360°，功率因數(shù)λ的值為正。
全文摘要
本發(fā)明公開一種測(cè)量功率的方法，即一種四象限功率測(cè)量方法，它克服了現(xiàn)有方法只適用于用電端口或供電端口這樣的功率傳輸方向確定的電能計(jì)量點(diǎn)的功率測(cè)量的缺陷，以及功率測(cè)量不準(zhǔn)確或抗干擾能力差、計(jì)算量大等不足。其步驟為設(shè)備啟動(dòng)后設(shè)置一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N和采樣頻率f
文檔編號(hào)G01R21/133GK1712974SQ200510010140
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者佟為明, 李鳳閣, 林景波, 張文義, 趙志衡, 宋雪雷, 成功 申請(qǐng)人:哈爾濱今日電子有限公司, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)