专利名称：一种四象限功率测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量功率的方法。
背景技术：
目前的功率测量方法大多只用来测量功率数值大小，一般不给出功率传输方向，只适用于用电端口或者只适用于供电端口的功率测量，不适用于功率传输方向变化的电能计量点的功率测量，如公开号是CN1067744A、名称是《测量功率和电能的方法及装置》的发明专利申请，因而不能反映电能计量点的真实功率状态，而某些有时候用电有时候发电的设备，则需要测量其瞬时的真实功率状态，现有的测量方法都完成不了这些功能；另一方面，目前的功率测量方法也存在着测量不准确或抗干扰能力差、计算量大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种四象限功率测量方法，以克服现有的功率测量方法只适用于用电端口或供电端口这样的功率传输方向确定的电能计量点的功率测量的缺陷，以及功率测量不准确或抗干扰能力差、计算量大等不足。本发明方法的步骤如下启动测量设备101；设置一个测量周期内的采样点数N和采样频率fs102；经采样得到一个测量周期内的电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)103；对电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)分别进行离散傅里叶变换，得到变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>104；根据变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>计算有功功率P和无功功率Q 105；根据有功功率P和无功功率Q计算视在功率S和功率因数λ106；根据有功功率P、无功功率Q的正负号确定功率状态107；然后返回步骤103的起始端完成下一周期的功率测量。本发明的四象限功率测量方法的特点在于，从矢量的角度对功率进行测量，考虑有功功率、无功功率的数值大小和传输方向，唯一确定了电能交换的真实状态和数值，既适用于功率传输方向确定的电能计量点的功率测量，也适用于功率传输方向变化的电能计量点的功率测量；由于本发明的方法采用了傅里叶变换，变换过程中可虑除高频干扰信号，因此测量准确、抗干扰能力强，在计算过程中使用了专门的公式，计算量小，得到的数值准确，除采样电路外均采用纯软件计算方法，功率状态直接由有功功率和无功功率的正负号确定，不需要测量阻抗角大小，减少了硬件成本，可广泛用于数字式功率测量设备。
图1是本发明方法的流程示意图，图2是实施方式二中的四象限功率状态分布图，图3是实施方式一中电压采样电路1、电流采样电路2和模/数转换电路3的电路结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由如下步骤组成启动测量设备101；设置一个测量周期内的采样点数N和采样频率fs，所设定的采样频率fs大于等于被测交流电最高频率的二倍(满足香农采样定理)，一个测量周期为被测交流电基波周期的整数倍102；经采样得到一个测量周期内的电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)103；对电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)分别进行离散傅里叶变换，得到变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>104；根据变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>计算有功功率P和无功功率Q 105；根据有功功率P和无功功率Q计算视在功率S和功率因数λ106；根据有功功率P、无功功率Q和功率因数λ的正负号确定功率状态107；然后返回步骤103的起始端完成下一周期的功率测量。在本发明中(一)以合适的采样频率对电压和电流进行采样，得到一个周期内的电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)(n＝0，1，2，...，N-1，N为一个周期内的采样点数)。
(二)对电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)按照公式(1)进行离散傅里叶变换，得到如公式(2)所示的变换结果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)、 为复数，分别表示电压、电流采样值序列u(n)、i(n)的离散傅里叶变换后的第k次电压、电流分量；URk、UIk分别为第k次电压分量的实部与虚部；IRk、IIk分别为第k次电流分量的实部与虚部；k＝0，1，2，...，N-1。
(三)根据公式(2)表示的电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)的傅里叶变换结果，按照公式(3)计算有功功率P和无功功率QP=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]---(3)]]>(四)由公式(3)计算出有功功率P和无功功率Q之后，按照公式(4)计算视在功率S和功率因数λ(这里-1≤λ≤1)S=P2+Q2λ=PS---(4)]]>(五)根据公式(3)计算的有功功率和无功功率是带正负号的，正号表示吸收功率，负号表示输出功率。
在步骤103中电压和电流是通过电压采样电路1、电流采样电路2和模/数转换电路3来进行采集的。电压采样电路1由电压互感器PT1、一号集成运算放大器A1、二号集成运算放大器A2、一号电阻R81、二号电阻R82、三号电阻R83、四号电阻R84、五号电阻R85和六号电阻R86组成，电压互感器PT1为电压输入、电压输出型电压变换器，其原边的两端连接在被测量的电路端口的两端上，电压互感器PT1副边的一端接地，另一端连接四号电阻R84的一端，四号电阻R84的另一端连接一号集成运算放大器A1的同相输入端和二号电阻R82的一端，一号集成运算放大器A1的反相输入端连接三号电阻R83的一端和一号电阻R81的一端，三号电阻R83的另一端接地，一号电阻R81的另一端连接一号集成运算放大器A1的输出端和五号电阻R85的一端，二号电阻R82的另一端连接二号集成运算放大器A2的输出端、六号电阻R86的一端和二号集成运算放大器A2的反相输入端；电流采样电路2由电流互感器CT1、三号集成运算放大器A3、四号集成运算放大器A4、七号电阻R87、八号电阻R88、九号电阻R89、十号电阻R90、十一号电阻R91和十二号电阻R92组成，电流互感器CT1为电流输入、电压输出型电流变换器，其原边串联在被测量的电路上，电流互感器CT1副边的一端接地，另一端连接十号电阻R90的一端，十号电阻R90的另一端连接三号集成运算放大器A3的同相输入端和八号电阻R88的一端，三号集成运算放大器A3的反相输入端连接七号电阻R87的一端和九号电阻R89的一端，九号电阻R89的另一端接地，七号电阻R87的另一端连接三号集成运算放大器A3的输出端和十一号电阻R91的一端，八号电阻R88的另一端连接四号集成运算放大器A4的输出端、十二号电阻R92的一端和四号集成运算放大器A4的反相输入端；模/数转换电路3由型号是ADS8364Y的模/数转换芯片U15组成，模/数转换芯片U15的脚63连接五号电阻R85的另一端，模/数转换芯片U15的脚64连接六号电阻R86的另一端，模/数转换芯片U15的脚2连接十一号电阻R91的另一端，模/数转换芯片U15的脚1连接十二号电阻R92的另一端，模/数转换芯片U15的脚61连接四号集成运算放大器A4的同相输入端和二号集成运算放大器A2的同相输入端。工作时，模/数转换芯片U15的脚61分别给2号集成运算放大器A2的同相输入端和四号集成运算放大器A4的同相输入端提供一个2.5伏特的参考电压，这样可通过给一号到十二号电阻设定合适的阻值将电压互感器PT1和电流互感器CT1的副边的双极性电压范围变换为模/数转换芯片U15正常工作所需的单极性电压范围0～+5V，以便模/数转换电路3进行处理。
具体实施方式
二下面结合图2和表1具体说明本实施方式。实施方式一中的步骤107通过本实施方式的如下步骤确定被测设备的功率状态如果有功功率P为正、无功功率Q为正，则象限分布为第I象限，被测设备为用电状态，对应的复阻抗为感性，吸收有功功率的同时吸收无功功率，阻抗角的范围是0°＜＜90°，功率因数λ的值为正；如果有功功率P为负、无功功率Q为正，则象限分布为第II象限，被测设备为供电状态，对应的复阻抗为容性，输出有功功率的同时吸收无功功率，阻抗角的范围是90°＜＜180°，功率因数λ的值为负；如果有功功率P为负、无功功率Q为负，则象限分布为第III象限，被测设备为供电状态，对应的复阻抗为感性，输出有功功率的同时输出无功功率，阻抗角的范围是180°＜＜270°，功率因数λ的值为负；如果有功功率P为正、无功功率Q为负，则象限分布为第IV象限，被测设备为用电状态，对应的复阻抗为容性，吸收有功功率的同时输出无功功率，阻抗角的范围是270°＜＜360°，功率因数λ的值为正。
本实施方式表1中的S-I、S-II、S-III、S-IV表示的是功率传输方向变化的电能计量点的四种不同的功率状态，其含义如下S-I-吸收有功功率的同时吸收无功功率(感性，P为正、Q为正)；S-II-输出有功功率的同时吸收无功功率(容性，P为负、Q为正)；S-III-输出有功功率的同时输出无功功率(感性，P为负、Q为负)；S-IV-吸收有功功率的同时输出无功功率(容性，P为正、Q为负)。
其中，第I、IV象限均表示作为用电端口时的功率状态，即吸收有功功率，区别在于第I象限功率状态对应的复阻抗为感性，吸收无功功率，第IV象限功率状态对应的复阻抗为容性，输出无功功率；第II、III象限均表示作为供电端口时的功率状态，即输出有功功率，区别在于第II象限功率状态对应的复阻抗为容性，吸收无功功率，第III象限功率状态对应的复阻抗为感性，输出无功功率。特别地，阻抗角＝0°时，功率状态为只吸收有功功率；阻抗角＝90°时，功率状态为只吸收无功功率；阻抗角＝180°时，功率状态为只输出有功功率；阻抗角＝270°时，功率状态为只输出无功功率。本发明中，首先由实施方式一计算得到有功功率P和无功功率Q，然后根据有功功率P、无功功率Q的正负号并参照实施方式二中的表1确定功率状态。功率状态主要包括供用电方向、象限分布、阻抗角范围、复阻抗性质、有功功率方向、无功功率方向、功率因数方向。这里，对一些参数作如下定义供用电方向定义用电为正向(“+”)，供电为反向(“-”)；功率方向定义吸收功率为正向(“+”)，输出功率为反向(“-”)；阻抗角范围定义阻抗角的范围为0°≤＜360°；功率因数λ方向定义功率因数λ的范围为-1≤λ≤1，其中，吸收有功功率时为正向(“+”)，输出有功功率时为反向(“-”)。
表1功率状态四象限分布表
权利要求
1.一种四象限功率测量方法，其特征在于它通过以下步骤完成启动测量设备(101)；设置一个测量周期内的采样点数N和采样频率fs(102)；经采样得到一个测量周期内的电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)(103)；对电压采样值序列u(n)和电流采样值序列i(n)分别进行离散傅里叶变换，得到变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 U·(k)=URk+jUIkI·(k)=IRk+jIIk]]>(104)；根据变换后电压序列值(k)和变换后电流序列值 利用公式P=UR0IR0+2N2Σk=1N-1[URk·IRk+UIk·IIk]Q=2N2Σk=1N-1[UIk·IRk-URk·IIk]]]>计算有功功率P和无功功率Q(105)；根据有功功率P和无功功率Q计算视在功率S和功率因数λ(106)；根据有功功率P、无功功率Q的正负号确定功率状态(107)；然后返回步骤(103)的起始端完成下一周期的功率测量。
2.根据权利要求1所述的一种四象限功率测量方法，其特征在于在步骤(107)中通过如下步骤确定被测设备的功率状态如果有功功率P为正、无功功率Q为正，则象限分布为第I象限，被测设备为用电状态，对应的复阻抗为感性，吸收有功功率的同时吸收无功功率，阻抗角的范围是0°＜＜90°，功率因数λ的值为正；如果有功功率P为负、无功功率Q为正，则象限分布为第II象限，被测设备为供电状态，对应的复阻抗为容性，输出有功功率的同时吸收无功功率，阻抗角的范围是90°＜＜180°，功率因数λ的值为负；如果有功功率P为负、无功功率Q为负，则象限分布为第III象限，被测设备为供电状态，对应的复阻抗为感性，输出有功功率的同时输出无功功率，阻抗角的范围是180°＜＜270°，功率因数λ的值为负；如果有功功率P为正、无功功率Q为负，则象限分布为第IV象限，被测设备为用电状态，对应的复阻抗为容性，吸收有功功率的同时输出无功功率，阻抗角的范围是270°＜＜360°，功率因数λ的值为正。
全文摘要
本发明公开一种测量功率的方法，即一种四象限功率测量方法，它克服了现有方法只适用于用电端口或供电端口这样的功率传输方向确定的电能计量点的功率测量的缺陷，以及功率测量不准确或抗干扰能力差、计算量大等不足。其步骤为设备启动后设置一个周期内的采样点数N和采样频率f
文档编号G01R21/133GK1712974SQ200510010140
公开日2005年12月28日 申请日期2005年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者佟为明, 李凤阁, 林景波, 张文义, 赵志衡, 宋雪雷, 成功 申请人:哈尔滨今日电子有限公司, 哈尔滨工业大学