CN101063695A - 无功功率计算电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无功功率计算电路和一种无功功率计算方法。本发明先将电流数字信号或电压数字信号进行傅立叶变换，并对傅立叶变换得到的频域信号移相90度，再对移相后的频域信号进行傅立叶反变换，从而能够根据移相后的电流数字信号或电压数字信号与未移相的电压数字信号或电流数字信号计算得到无功功率。而且，对基波和谐波的电流或电压信号，均可实现对其傅立叶变换后的频域信号进行移相处理，从而本发明相比于现有的移采样点方法，提高了无功功率计算的应用范围；傅立叶变换与反变换为成熟的数字处理技术，因而易于实现，且成本低，从而本发明相比于现有的Hilbert滤波法，降低了实现成本和实现难度。

Description

无功功率计算电路和方法

技术领域

本发明涉及电能计量技术，特别涉及一种无功功率计算电路和一种无功功率计算方法。

背景技术

电能计量是计量有功功率发生的能量，有功功率P₀的计算公式为：

$P_0=\frac{V\×I}{2}\cos \mathrm{\α}$

其中，V为电压，I为电流，α为电压电流的相位夹角。

图1为现有技术中电能计量电路的结构示意图。如图1所示，现有的电能计量电路通常包括：模数转换单元101和模数转换单元102、乘法器103、能量累加单元104。

模数转换单元101将电流模拟信号转换为电流数字信号。

模数转换单元102将电压模拟信号转换为电压数字信号。

乘法器103计算电流数字信号和电压数字信号的乘积，即有功功率。

能量累加单元104将乘法器103输出的有功功率进行累加，即能量累加，在累加结果溢出时，通过数频转换输出用于电能计量的校表脉冲。

上述电路中，通常还可以包括抽取滤波单元和低通滤波单元等其他辅助功能单元。

通过上述电能计量电路即可实现有功功率的计量，并可以此计量用户的电费。但为了检测电路中的负载质量，还需要准确获知无功功率。无功功率P₁的计算公式为：

其中，V为电压，I为电流，α为电压电流的相位夹角。

基于上述无功功率的计算公式，并在有功功率计算的基础上，现有计算无功功率的方法主要有以下两种：

1、移采样点法：在如图1所示的电能计量电路中的模数转换单元101与乘法器103之间、或模数转换单元102与乘法器103之间增加一个缓存单元，用于对电压数字信号进行1/4个相位周期的缓存，即对电流数字信号或电压数字信号进行90度的移相，并计算缓存后的电流数字信号或电压数字信号与未缓存的电压数字信号或电流数字信号的乘积。但是，该方法仅适用于基波，而对谐波则无法实现90度的移相。

2、希尔伯特(Hilbert)滤波法：利用Hilbert滤波器的移相特性，对电压数字信号或电流数字信号移相90度，并计算移相后的电压数字信号或电流数字信号与未移相的电流数字信号或电压数字信号的乘积。但是，Hilbert滤波器的滤波系数设计较复杂，数值不规整，因而实现起来也较复杂，且实现成本高。

可见，现有技术中，无法有效计算无功功率，或实现成本高且难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个主要目的在于，提供一种无功功率计算电路，能够在较低成本的前提下计算无功功率，且降低了实现难度。

本发明的另一个主要目的在于，提供另一种无功功率计算方法，能够在较低成本的前提下计算无功功率，且降低了实现难度。

根据上述的一个主要目的，本发明提供了一种无功功率计算电路，包括：用于将电流模拟信号转换为电流数字信号的一路模数转换单元、用于将电压模拟信号转换为电压数字信号的一路模数转换单元、以及乘法器，

所述两路模数转换单元中的任意一路与所述乘法器之间进一步包括：移相单元，对该路模数转换单元的输出进行傅立叶变换，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度后进行傅立叶反变换并输出；

所述乘法器将所述移相单元的输出与另一路模数转换单元的输出进行乘法运算，并将得到的乘积输出。

所述另一路模数转换单元与所述乘法器之间进一步包括：相位补偿单元，根据预设的相位补偿量，对所述另一路模数转换单元的输出进行相位补偿，消除该路模数转换单元的输出与所述移相单元输出之间的相位偏移，并输出给所述乘法器。

所述相位补偿量是根据所述移相单元得到其输出所耗费的时间长度设定。

该电路进一步包括能量累加单元，对所述乘法器输出的所述乘积进行累加。

所述移相单元包括：傅立叶变换子单元、相位变换子单元和傅立叶反变换子单元，其中，

所述傅立叶变换子单元，对所述两路模数转换单元中的任意一路的输出进行傅立叶变换；

所述相位变换子单元，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度；

所述傅立叶反变换子单元，将偏转90度后的频域信号进行傅立叶反变换并输出。

根据上述的另一个主要目的，本发明提供了一种无功功率计算方法，包括：

将输入的电流模拟信号转换输出为一路电流数字信号；将输入的电压模拟信号转换输出为一路电压数字信号；

还包括以下步骤：

对两路输出中的任意一路输出进行傅立叶变换，得到频域信号，

将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度后进行傅立叶反变换；

将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算。

所述将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算之前，该方法进一步包括：

对所述另一路的输出相位补偿，消除该路输出与傅立叶反变换后的输出之间的相位偏移。

所述相位补偿量是根据得到所述傅立叶反变换后输出所耗费的时间长度设定。

所述对所述另一路的输出相位补偿为：根据移相处理过程所占用的同步周期对应的同步信号个数，选择相等数量的预设单位相位偏差量作为相位补偿量。

所述将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算之后，该方法进一步包括：对所述乘积进行累加。

由上述技术方案可见，本发明先将电流数字信号或电压数字信号进行傅立叶变换，并对傅立叶变换得到的频域信号移相90度，再对移相后的频域信号进行傅立叶反变换，从而能够根据移相后的电流数字信号或电压数字信号与未移相的电压数字信号或电流数字信号计算得到无功功率。而且，对基波和谐波的电流或电压信号，均可实现对其傅立叶变换后的频域信号进行移相处理，从而本发明相比于现有的移采样点方法，提高了无功功率计算的应用范围；傅立叶变换与反变换为成熟的数字处理技术，因而易于实现，且成本低，从而本发明相比于现有的Hilbert滤波法，降低了实现成本和实现难度。

本发明基于现有的电能计量电路实现无功功率的计算，从而提高硬件的复用率，进而使得本发明的技术方案易于推广。

本发明还可以对未移相的电压数字信号或电流数字信号进行相位补偿，以消除未移相的电压数字或电流数字信号与移相处理后的电流数字信号或电压数字信号的相位偏移，从而提高了计算得到的无功功率的准确度。

附图说明

图1为现有技术中电能计量电路的结构示意图。

图2为本发明实施例中无功功率计算电路的结构图。

图3为本发明实施例中无功功率计算方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例中，先将电流数字信号或电压数字信号进行傅立叶变换，并对傅立叶变换得到的频域信号偏转90度，再对移相后的频域信号进行傅立叶反变换，从而能够根据移相后的电流数字信号或电压数字信号与未移相的电压数字信号或电流数字信号计算得到无功功率。

对于基波和谐波信号，均可通过傅立叶变换得到频域信号。如果是基波，则得到的频域信号包括基波的幅度和相位；如果是一次谐波、或二次谐波等谐波，则得到的频域信号包括各次频率上信号的幅度和相位。具体来说，得到的频域信号为一个长度表示幅度且角度表示相位的矢量。

然后再对该矢量做90度旋转，得到另一个长度不变、角度偏转90度的矢量。最后再对长度不变、角度偏转90度的矢量做反傅立叶变换，回到时域，即实现了对电流数字信号或电压数字信号的90度的移相处理。

其中，对于谐波信号来说，各次频率的矢量的偏转是相互独立的。

图2为本发明实施例中无功功率计算电路的结构示意图。如图2所示，本实施例中的无功功率计算电路包括：模数转换单元101、模数转换单元102乘法器103和移相单元210。

模数转换单元101，将电流模拟信号转换为电流数字信号。

模数转换单元102，将电压模拟信号转换为电压数字信号。

移相单元210，对模数转换单元102转换得到的电压数字信号进行傅立叶变换，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度后进行傅立叶反变换，得到移相90度的电压数字信号；

乘法器103，计算模数转换单元101转换得到的电流数字信号和移相单元200输出的移相90度的电压数字信号的乘积，得到无功功率。

基于上述电路，对基波和谐波的电流或电压信号均可实现对傅立叶变换后的频域信号进行移相处理，从而相比于现有的移采样点方法提高了无功功率计算的应用范围；傅立叶变换与反变换为成熟的数字处理技术，因而易于实现，且成本低，从而相比于现有的Hilbert滤波法，降低了实现成本和实现难度。

而且，上述无功功率计算电路可以基于现有的电能计量电路来实现，从而提高了硬件的复用率，进而使得本实施例中的技术方案易于推广。

本实施例中，移相单元210也可以对模数转换单元101转换得到的电流数字信号进行傅立叶变换，将傅立叶变换得到的频域信号移相90度后进行傅立叶反变换，得到移相90度的电流数字信号。

此时，乘法器103则计算模数转换单元102转换得到的电压数字信号和移相单元210输出的移相90度的电流数字信号的乘积，同样能够得到无功功率。

具体来说，本实施例中的移相单元210可以包括：傅立叶变换子单元211、相位变换子单元212和傅立叶反变换子单元213，其中，

傅立叶变换子单元211，对模数转换单元101转换得到的电流数字信号、或模数转换单元102转换得到的电压数字信号进行傅立叶变换；

相位变换子单元212，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度，即对表示为矢量的频域信号的角度偏转90度；

傅立叶反变换子单元213，将移相90度后的频域信号进行傅立叶反变换，得到的移相90度的电流数字信号或电压数字信号。

实际应用中，不论移相单元210是对电流数字信号进行移相处理还是对电压数字信号进行移相处理，均可能存在移相后的一路数字信号与未移相的另一路数字信号之间产生相位偏移的可能。

因此，为了避免在产生相位偏移的情况下，保证无功功率的准确度，本实施例中的无功功率计算电路中，还可以包括相位补偿单元220。

如图2所示，相位补偿单元220根据预设的相位补偿量，对模数转换单元101输出的电流数字信号进行相位补偿，消除电流数字信号与移相90度的电压数字信号之间的相位偏移，并输出给所述乘法器103。

同理，如果移相单元210对电流数字信号进行移相处理，则相位补偿单元220即对未移相的电压数字信号进行相位补偿，从而实现了对未移相的另一路数字信号的相位补偿，进一步保证了无功功率的准确度。

其中，相位补偿量是根据移相单元210得到移相90度的一路数字信号所耗费的时间长度设定的。

具体来说，上述无功功率计算电路中，每个功能单元都由同一个同步信号来控制。因此，对于移相单元210的移相处理过程，通常要额外占用一定的同步周期，而对于未移相的另一路数字信号来说，对其进行的相位补偿量即是对移相处理过程额外占用的时间长度所对应的相位偏移的补偿。

例如，移相处理过程每占用一个同步周期，则两路数字信号之间即会产生一个单位相位偏差量，因此，相位补偿单元220即可根据移相处理过程所占用的同步周期对应的同步信号个数，选择相等数量的单位相位偏差量作为相位补偿量。

移相处理过程所占用的同步周期数量越多，移相处理过程占用的时间越长；而同步信号的频率越高，移相处理过程占用的时间越短。

其中，影响移相处理过程所占用的同步周期数量的具体因素通常包括：傅立叶变换和反变换的点数、实现傅立叶变换和反变换的硬件性能等因素。例如，傅立叶变换和反变换的点数越高，移相处理所需的同步周期数量越多。

如果需要对无功功率进行计量以获得无功能量的累加结果，本实施例中的上述电路中还可以包括一个能量累加单元，用于对乘法器103输出的无功功率进行累加。

实际应用中，移相单元210可以用现场可编程逻辑阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)来实现，此时，傅立叶变换子单元211、相位变换子单元212和傅立叶反变换子单元213可以作为FPGA或DSP内部的逻辑单元，也可以分别通过一个FPGA或DSP来实现；相位补偿单元220可用FPGA或缓存等来实现；上述电路中还可以包括一个低通滤波器，对乘法器103输出的无功功率进行低通滤波，再由低通滤波器将滤波后的无功功率输出给能量累加单元。

以上是对本实施例中无功功率计算电路的详细说明。下面，再对本实施例中的无功功率计算方法进行详细说明。

图3为本发明实施例中无功功率计算方法的流程图。如图3所示，本实施例中的无功功率计算方法包括以下步骤：

步骤301，将输入的电流模拟信号转换输出为一路电流数字信号，将输入的电压模拟信号转换输出为一路电压数字信号。

步骤302，对两路输出中的任意一路输出，即电流数字信号或电压数字信号进行傅立叶变换。

本步骤中，傅立叶变换得到的频域信号可以表示为：包括表示幅度的长度和一个表示相位的角度的矢量。

步骤303，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度。

本步骤中，对步骤302得到的矢量做90度旋转，得到另一个长度不变、角度偏转90度的矢量。

步骤304，将移相90度后的频域信号进行傅立叶反变换。

本步骤中，傅立叶反变换后即可得到移相90度的电流数字信号或电压数字信号。

步骤305，将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算，即计算未移相的电压数字信号或电流数字信号，与移相90度的电流数字信号或电压数字信号的乘积。

本步骤之前，还可以根据预先设置的相位补偿量，对未移相的另一路的输出进行相位补偿，从而消除该路输出与傅立叶反变换后的输出之间的相位偏移，即如果步骤302～步骤304是对电流数字信号依次进行傅立叶变换、移相、傅立叶反变换，则在步骤305之前对电压数字信号进行相位补偿。

相位补偿的过程可以为：根据移相处理过程所占用的同步周期对应的同步信号个数，选择相等数量的预设单位相位偏差量作为相位补偿量。

至此，本流程结束。

上述流程中，电流数字信号和电压数字信号可以是基于基波的数字信号，也可以是基于谐波的数字信号。

可见，本实施例中的无功功率计算方法相比于现有的移采样点方法提高了无功功率计算的应用范围；傅立叶变换与反变换为成熟的数字处理技术，因而易于实现，且成本低，从而本实施例中的无功功率计相比于现有的Hilbert滤波法，降低了实现成本和实现难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种无功功率计算电路，包括：用于将电流模拟信号转换为电流数字信号的一路模数转换单元、用于将电压模拟信号转换为电压数字信号的一路模数转换单元、以及乘法器，其特征在于，

所述两路模数转换单元中的任意一路与所述乘法器之间进一步包括：移相单元，对该路模数转换单元的输出进行傅立叶变换，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度后进行傅立叶反变换并输出；

所述乘法器将所述移相单元的输出与另一路模数转换单元的输出进行乘法运算，并将得到的乘积输出。

2、如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述另一路模数转换单元与所述乘法器之间进一步包括：相位补偿单元，根据预设的相位补偿量，对所述另一路模数转换单元的输出进行相位补偿，消除该路模数转换单元的输出与所述移相单元输出之间的相位偏移，并输出给所述乘法器。

3、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述相位补偿量是根据所述移相单元得到其输出所耗费的时间长度设定。

4、如权利要求1至3中任意一项所述的电路，其特征在于，该电路进一步包括能量累加单元，对所述乘法器输出的所述乘积进行累加。

5、如权利要求1至3中任意一项所述的电路，其特征在于，所述移相单元包括：傅立叶变换子单元、相位变换子单元和傅立叶反变换子单元，其中，

所述傅立叶变换子单元，对所述两路模数转换单元中的任意一路的输出进行傅立叶变换；

所述相位变换子单元，将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度；

所述傅立叶反变换子单元，将偏转90度后的频域信号进行傅立叶反变换并输出。

6、一种无功功率计算方法，包括：将输入的电流模拟信号转换输出为一路电流数字信号；将输入的电压模拟信号转换输出为一路电压数字信号；其特征在于，还包括以下步骤：

对两路输出中的任意一路输出进行傅立叶变换，得到频域信号，

将傅立叶变换得到的频域信号偏转90度后进行傅立叶反变换；

将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算之前，该方法进一步包括：

对所述另一路的输出相位补偿，消除该路输出与傅立叶反变换后的输出之间的相位偏移。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位补偿量是根据得到所述傅立叶反变换后输出所耗费的时间长度设定。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述另一路的输出相位补偿为：根据移相处理过程所占用的同步周期对应的同步信号个数，选择相等数量的预设单位相位偏差量作为相位补偿量。

10、如权利要求6至9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述将傅立叶反变换后的输出与另一路输出进行乘法运算之后，该方法进一步包括：对所述乘积进行累加。

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