電能表中無功功率的計量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電能表中無功功率的計量系統(tǒng)，包括電壓、電流信號輸入通道及乘法器；電壓、電流通道分別包括：ADC，采樣一模擬電壓或電流信號，轉換為數(shù)字電壓或電流信號；HPF，與ADC連接，去除數(shù)字電壓或電流信號中的直流分量；ACF，與HPF連接，對數(shù)字電壓或電流信號的幅度作預補償；電壓通道還包括LPF，與它的ACF連接，對數(shù)字電壓信號的各頻率分量作-90°相移操作；乘法器與LPF和電流通道的ACF連接，將數(shù)字電壓、電流信號相乘，獲得實時的無功功率；其中，兩個ACF的幅頻特性是根據(jù)LPF的幅頻特性設計的，兩者聯(lián)合作用，在工頻信號頻率附近的關鍵頻率范圍內(nèi)抵消LPF對數(shù)字電壓信號的衰減作用。本發(fā)明能實現(xiàn)對無功功率計算中的補償操作，方式簡單且計量精度較高。
【專利說明】電能表中無功功率的計量系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率計量【技術領域】，具體來說，本發(fā)明涉及一種電能表中無功功率的 計量系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 電能表中計量無功功率的方法主要有希爾伯特濾波器法和低通濾波器法兩種。希 爾伯特濾波器法計算復雜，實現(xiàn)成本高。低通濾波器法計算簡單，實現(xiàn)成本低，因而更為常 用。在現(xiàn)有的低通濾波器法中，由于低通濾波器對工頻信號幅度有較大衰減，計量裝置需要 根據(jù)工頻信號頻率進行相應的補償操作，才能得到正確的無功功率。而實際上對工頻信號 頻率的實時估計難以達到很高精度，這使得無功功率的計量精度受到很大的制約。
[0003] 圖1為現(xiàn)有技術中的一種采用低通濾波器法計量無功功率的系統(tǒng)模塊結構示意 圖。在圖1中，模擬電壓信號和模擬電流信號分別在電壓信號輸入通道和電流信號輸入通 道中經(jīng)過模數(shù)轉換器（ADC)進行采樣，轉變?yōu)閿?shù)字信號。數(shù)字電壓信號和數(shù)字電流信號分 別輸入各自通道中的數(shù)字高通濾波器（HPF)，以去除其中的直流分量。電壓信號輸入通道中 的數(shù)字低通濾波器（LPF)起到對數(shù)字電壓信號各頻率分量進行-90°相移操作的作用。LPF 輸出的數(shù)字電壓信號與電流信號輸入通道中的數(shù)字高通濾波器輸出的數(shù)字電流信號相乘， 所得乘積為初級功率信號。初級功率信號再與經(jīng)過頻率計算模塊、補償增益計算模塊輸出 的補償增益相乘，即可得到實時的無功功率。
[0004] 在圖1中，LPF為只有一個極點的一階IIR型低通濾波器。舉例來說，設數(shù)字電壓 信號和數(shù)字電流信號的采樣頻率為4kHz，設計一個-3dB、截止頻率為0. 5Hz的LPF，其相頻 特性可以如圖2所示。圖2為現(xiàn)有技術中的一種采用低通濾波器法計量無功功率的系統(tǒng)中 電壓信號輸入通道的數(shù)字低通濾波器的相頻特性曲線圖。由圖2可知，LPF對于50Hz及大 于50Hz的信號均有近似-90°的相移。圖3示出了上述LPF的幅頻特性。圖3為現(xiàn)有技術 中的一種采用低通濾波器法計量無功功率的系統(tǒng)中電壓信號輸入通道的數(shù)字低通濾波器 的幅頻特性曲線圖。由圖3可知，該LPF對于50Hz及大于50Hz的信號幅度均有較大的衰 減，衰減量隨頻率的變化率大約為_20dB/10倍頻程。
[0005] 由于LPF對電壓信號幅度的衰減作用，由電壓和電流信號計算所得的初級功率信 號需要補償，才能得到準確的無功功率。而實際的工頻信號頻率不是固定不變的，一般情 況下它可能在±5%的范圍內(nèi)變動。因此，在現(xiàn)有的低通濾波器法中，計量系統(tǒng)將首先通過 頻率計算模塊計算實時工頻信號頻率，然后在補償增益計算模塊內(nèi)根據(jù)預先建立的線性模 型或查找表求得與工頻信號頻率相應的補償增益，再將此補償增益用于無功功率的補償計 算。但由于實際上對工頻信號頻率的實時估計難以達到很高精度，使得無功功率的計量精 度受到限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種電能表中無功功率的計量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn) 對無功功率計算中的補償操作，實現(xiàn)方式簡單，計量的精度較高。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種電能表中無功功率的計量系統(tǒng)，包括電壓 信號輸入通道、電流信號輸入通道和乘法器；
[0008] 所述電壓信號輸入通道包括：
[0009] 第一模數(shù)轉換器，接收所述電能表中的一模擬電壓信號，進行采樣并轉換為一數(shù) 字電壓信號；
[0010] 第一數(shù)字高通濾波器，與所述第一模數(shù)轉換器相連接，去除所述數(shù)字電壓信號中 的直流分量；
[0011] 第一幅度補償濾波器，與所述第一數(shù)字高通濾波器相連接，對所述數(shù)字電壓信號 的幅度進行預補償；以及
[0012] 數(shù)字低通濾波器，與所述第一幅度補償濾波器相連接，對所述數(shù)字電壓信號的各 頻率分量進行-90°的相移操作；所述電流信號輸入通道包括：
[0013] 第二模數(shù)轉換器，接收所述電能表中的一模擬電流信號，進行采樣并轉換為一數(shù) 字電流信號；
[0014] 第二數(shù)字高通濾波器，與所述第二模數(shù)轉換器相連接，去除所述數(shù)字電流信號中 的直流分量；以及
[0015] 第二幅度補償濾波器，與所述第二數(shù)字高通濾波器相連接，對所述數(shù)字電流信號 的幅度進行預補償；
[0016] 所述乘法器與所述數(shù)字低通濾波器和所述第二幅度補償濾波器相連接，將所述數(shù) 字電壓信號與所述數(shù)字電流信號相乘，獲得實時的所述無功功率；
[0017] 其中，所述第一幅度補償濾波器和所述第二幅度補償濾波器的幅頻特性是根據(jù)所 述數(shù)字低通濾波器的幅頻特性進行針對性設計的，通過所述第一幅度補償濾波器和所述第 二幅度補償濾波器的聯(lián)合作用，在工頻信號頻率附近的一個關鍵頻率范圍內(nèi)抵消所述數(shù)字 低通濾波器對所述數(shù)字電壓信號的衰減作用。
[0018] 可選地，所述第一幅度補償濾波器和所述第二幅度補償濾波器是兩個結構和參數(shù) 均相同的幅度補償濾波器。
[0019] 可選地，所述第一幅度補償濾波器和所述第二幅度補償濾波器的相頻特性也相 同。
[0020] 可選地，所述工頻信號頻率為50Hz或者60Hz，其偏差在±5%的范圍內(nèi)。
[0021] 可選地，所述關鍵頻率的范圍是[47. 5,63] (Hz)。
[0022] 可選地，所述數(shù)字低通濾波器為只有一個極點的一階IIR型低通濾波器。
[0023]可選地，設所述數(shù)字低通濾波器的傳遞函數(shù)為Hlpf (z)，所述幅度補償濾波器的傳 遞函數(shù)為Harf(Z)，則所述數(shù)字低通濾波器的幅頻特性為),所述幅度補償濾波器 的幅頻特性為A,f/(e/W//:);其中，4為模擬電壓信號和模擬電流信號的采樣率，f為所述關 鍵頻率；
[0024] 所述數(shù)字低通濾波器和所述幅度補償濾波器滿足如下關系：
[0025]

【權利要求】
1. 一種電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，包括電壓信號輸入通道（401)、電流信號 輸入通道（402)和乘法器（403); 所述電壓信號輸入通道（401)包括： 第一模數(shù)轉換器（411)，接收所述電能表中的一模擬電壓信號，進行采樣并轉換為一數(shù) 字電壓信號； 第一數(shù)字高通濾波器（412)，與所述第一模數(shù)轉換器（411)相連接，去除所述數(shù)字電壓 信號中的直流分量； 第一幅度補償濾波器（413)，與所述第一數(shù)字高通濾波器（412)相連接，對所述數(shù)字電 壓信號的幅度進行預補償；以及 數(shù)字低通濾波器（414)，與所述第一幅度補償濾波器（413)相連接，對所述數(shù)字電壓信 號的各頻率分量進行-90°的相移操作； 所述電流信號輸入通道（402)包括： 第二模數(shù)轉換器（421)，接收所述電能表中的一模擬電流信號，進行采樣并轉換為一數(shù) 字電流信號； 第二數(shù)字高通濾波器（422)，與所述第二模數(shù)轉換器（421)相連接，去除所述數(shù)字電流 信號中的直流分量；以及 第二幅度補償濾波器（423)，與所述第二數(shù)字高通濾波器（422)相連接，對所述數(shù)字電 流信號的幅度進行預補償； 所述乘法器（403)與所述數(shù)字低通濾波器（414)和所述第二幅度補償濾波器（423)相 連接，將所述數(shù)字電壓信號與所述數(shù)字電流信號相乘，獲得實時的所述無功功率； 其中，所述第一幅度補償濾波器（413)和所述第二幅度補償濾波器（423)的幅頻特性 是根據(jù)所述數(shù)字低通濾波器（414)的幅頻特性進行針對性設計的，通過所述第一幅度補償 濾波器（413)和所述第二幅度補償濾波器（423)的聯(lián)合作用，在工頻信號頻率附近的一個 關鍵頻率范圍內(nèi)抵消所述數(shù)字低通濾波器（414)對所述數(shù)字電壓信號的衰減作用。
2. 根據(jù)權利要求1所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，所述第一 幅度補償濾波器（413)和所述第二幅度補償濾波器（423)是兩個結構和參數(shù)均相同的幅度 補償濾波器。
3. 根據(jù)權利要求2所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，所述第一 幅度補償濾波器（413)和所述第二幅度補償濾波器（423)的相頻特性也相同。
4. 根據(jù)權利要求3所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，所述工頻 信號頻率為50Hz或者60Hz，其偏差在±5%的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，所述關鍵 頻率的范圍是[47. 5,63] (Hz)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，所述數(shù)字 低通濾波器（414)為只有一個極點的一階IIR型低通濾波器。
7. 根據(jù)權利要求6所述的電能表中無功功率的計量系統(tǒng)（400)，其特征在于，設所述數(shù) 字低通濾波器（414)的傳遞函數(shù)為Hlpf(z)，所述幅度補償濾波器的傳遞函數(shù)為Harf(z)，則 所述數(shù)字低通濾波器（414)的幅頻特性為〃(V^M),所述幅度補償濾波器的幅頻特性
所述數(shù)字低通濾波器（414)和所述幅度補償濾波器滿足如下關系：
上式左邊越接近1，所述無功功率的計量誤差越小。
【文檔編號】G01R11/52GK104483524SQ201410852551
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權日:2014年12月26日
【發(fā)明者】張江安 申請人:中穎電子股份有限公司