电能表中无功功率的计量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电能表中无功功率的计量系统，包括电压、电流信号输入通道及乘法器；电压、电流通道分别包括：ADC，采样一模拟电压或电流信号，转换为数字电压或电流信号；HPF，与ADC连接，去除数字电压或电流信号中的直流分量；ACF，与HPF连接，对数字电压或电流信号的幅度作预补偿；电压通道还包括LPF，与它的ACF连接，对数字电压信号的各频率分量作-90°相移操作；乘法器与LPF和电流通道的ACF连接，将数字电压、电流信号相乘，获得实时的无功功率；其中，两个ACF的幅频特性是根据LPF的幅频特性设计的，两者联合作用，在工频信号频率附近的关键频率范围内抵消LPF对数字电压信号的衰减作用。本发明能实现对无功功率计算中的补偿操作，方式简单且计量精度较高。
【专利说明】电能表中无功功率的计量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功率计量【技术领域】，具体来说，本发明涉及一种电能表中无功功率的 计量系统。
【背景技术】
[0002] 电能表中计量无功功率的方法主要有希尔伯特滤波器法和低通滤波器法两种。希 尔伯特滤波器法计算复杂，实现成本高。低通滤波器法计算简单，实现成本低，因而更为常 用。在现有的低通滤波器法中，由于低通滤波器对工频信号幅度有较大衰减，计量装置需要 根据工频信号频率进行相应的补偿操作，才能得到正确的无功功率。而实际上对工频信号 频率的实时估计难以达到很高精度，这使得无功功率的计量精度受到很大的制约。
[0003] 图1为现有技术中的一种采用低通滤波器法计量无功功率的系统模块结构示意 图。在图1中，模拟电压信号和模拟电流信号分别在电压信号输入通道和电流信号输入通 道中经过模数转换器（ADC)进行采样，转变为数字信号。数字电压信号和数字电流信号分 别输入各自通道中的数字高通滤波器（HPF)，以去除其中的直流分量。电压信号输入通道中 的数字低通滤波器（LPF)起到对数字电压信号各频率分量进行-90°相移操作的作用。LPF 输出的数字电压信号与电流信号输入通道中的数字高通滤波器输出的数字电流信号相乘， 所得乘积为初级功率信号。初级功率信号再与经过频率计算模块、补偿增益计算模块输出 的补偿增益相乘，即可得到实时的无功功率。
[0004] 在图1中，LPF为只有一个极点的一阶IIR型低通滤波器。举例来说，设数字电压 信号和数字电流信号的采样频率为4kHz，设计一个-3dB、截止频率为0. 5Hz的LPF，其相频 特性可以如图2所示。图2为现有技术中的一种采用低通滤波器法计量无功功率的系统中 电压信号输入通道的数字低通滤波器的相频特性曲线图。由图2可知，LPF对于50Hz及大 于50Hz的信号均有近似-90°的相移。图3示出了上述LPF的幅频特性。图3为现有技术 中的一种采用低通滤波器法计量无功功率的系统中电压信号输入通道的数字低通滤波器 的幅频特性曲线图。由图3可知，该LPF对于50Hz及大于50Hz的信号幅度均有较大的衰 减，衰减量随频率的变化率大约为_20dB/10倍频程。
[0005] 由于LPF对电压信号幅度的衰减作用，由电压和电流信号计算所得的初级功率信 号需要补偿，才能得到准确的无功功率。而实际的工频信号频率不是固定不变的，一般情 况下它可能在±5%的范围内变动。因此，在现有的低通滤波器法中，计量系统将首先通过 频率计算模块计算实时工频信号频率，然后在补偿增益计算模块内根据预先建立的线性模 型或查找表求得与工频信号频率相应的补偿增益，再将此补偿增益用于无功功率的补偿计 算。但由于实际上对工频信号频率的实时估计难以达到很高精度，使得无功功率的计量精 度受到限制。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种电能表中无功功率的计量系统，能够实现 对无功功率计算中的补偿操作，实现方式简单，计量的精度较高。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种电能表中无功功率的计量系统，包括电压 信号输入通道、电流信号输入通道和乘法器；
[0008] 所述电压信号输入通道包括：
[0009] 第一模数转换器，接收所述电能表中的一模拟电压信号，进行采样并转换为一数 字电压信号；
[0010] 第一数字高通滤波器，与所述第一模数转换器相连接，去除所述数字电压信号中 的直流分量；
[0011] 第一幅度补偿滤波器，与所述第一数字高通滤波器相连接，对所述数字电压信号 的幅度进行预补偿；以及
[0012] 数字低通滤波器，与所述第一幅度补偿滤波器相连接，对所述数字电压信号的各 频率分量进行-90°的相移操作；所述电流信号输入通道包括：
[0013] 第二模数转换器，接收所述电能表中的一模拟电流信号，进行采样并转换为一数 字电流信号；
[0014] 第二数字高通滤波器，与所述第二模数转换器相连接，去除所述数字电流信号中 的直流分量；以及
[0015] 第二幅度补偿滤波器，与所述第二数字高通滤波器相连接，对所述数字电流信号 的幅度进行预补偿；
[0016] 所述乘法器与所述数字低通滤波器和所述第二幅度补偿滤波器相连接，将所述数 字电压信号与所述数字电流信号相乘，获得实时的所述无功功率；
[0017] 其中，所述第一幅度补偿滤波器和所述第二幅度补偿滤波器的幅频特性是根据所 述数字低通滤波器的幅频特性进行针对性设计的，通过所述第一幅度补偿滤波器和所述第 二幅度补偿滤波器的联合作用，在工频信号频率附近的一个关键频率范围内抵消所述数字 低通滤波器对所述数字电压信号的衰减作用。
[0018] 可选地，所述第一幅度补偿滤波器和所述第二幅度补偿滤波器是两个结构和参数 均相同的幅度补偿滤波器。
[0019] 可选地，所述第一幅度补偿滤波器和所述第二幅度补偿滤波器的相频特性也相 同。
[0020] 可选地，所述工频信号频率为50Hz或者60Hz，其偏差在±5%的范围内。
[0021] 可选地，所述关键频率的范围是[47. 5,63] (Hz)。
[0022] 可选地，所述数字低通滤波器为只有一个极点的一阶IIR型低通滤波器。
[0023]可选地，设所述数字低通滤波器的传递函数为Hlpf (z)，所述幅度补偿滤波器的传 递函数为Harf(Z)，则所述数字低通滤波器的幅频特性为),所述幅度补偿滤波器 的幅频特性为A,f/(e/W//:);其中，4为模拟电压信号和模拟电流信号的采样率，f为所述关 键频率；
[0024] 所述数字低通滤波器和所述幅度补偿滤波器满足如下关系：
[0025]
【权利要求】
1. 一种电能表中无功功率的计量系统（400)，包括电压信号输入通道（401)、电流信号 输入通道（402)和乘法器（403); 所述电压信号输入通道（401)包括： 第一模数转换器（411)，接收所述电能表中的一模拟电压信号，进行采样并转换为一数 字电压信号； 第一数字高通滤波器（412)，与所述第一模数转换器（411)相连接，去除所述数字电压 信号中的直流分量； 第一幅度补偿滤波器（413)，与所述第一数字高通滤波器（412)相连接，对所述数字电 压信号的幅度进行预补偿；以及 数字低通滤波器（414)，与所述第一幅度补偿滤波器（413)相连接，对所述数字电压信 号的各频率分量进行-90°的相移操作； 所述电流信号输入通道（402)包括： 第二模数转换器（421)，接收所述电能表中的一模拟电流信号，进行采样并转换为一数 字电流信号； 第二数字高通滤波器（422)，与所述第二模数转换器（421)相连接，去除所述数字电流 信号中的直流分量；以及 第二幅度补偿滤波器（423)，与所述第二数字高通滤波器（422)相连接，对所述数字电 流信号的幅度进行预补偿； 所述乘法器（403)与所述数字低通滤波器（414)和所述第二幅度补偿滤波器（423)相 连接，将所述数字电压信号与所述数字电流信号相乘，获得实时的所述无功功率； 其中，所述第一幅度补偿滤波器（413)和所述第二幅度补偿滤波器（423)的幅频特性 是根据所述数字低通滤波器（414)的幅频特性进行针对性设计的，通过所述第一幅度补偿 滤波器（413)和所述第二幅度补偿滤波器（423)的联合作用，在工频信号频率附近的一个 关键频率范围内抵消所述数字低通滤波器（414)对所述数字电压信号的衰减作用。
2. 根据权利要求1所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，所述第一 幅度补偿滤波器（413)和所述第二幅度补偿滤波器（423)是两个结构和参数均相同的幅度 补偿滤波器。
3. 根据权利要求2所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，所述第一 幅度补偿滤波器（413)和所述第二幅度补偿滤波器（423)的相频特性也相同。
4. 根据权利要求3所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，所述工频 信号频率为50Hz或者60Hz，其偏差在±5%的范围内。
5. 根据权利要求4所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，所述关键 频率的范围是[47. 5,63] (Hz)。
6. 根据权利要求5所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，所述数字 低通滤波器（414)为只有一个极点的一阶IIR型低通滤波器。
7. 根据权利要求6所述的电能表中无功功率的计量系统（400)，其特征在于，设所述数 字低通滤波器（414)的传递函数为Hlpf(z)，所述幅度补偿滤波器的传递函数为Harf(z)，则 所述数字低通滤波器（414)的幅频特性为〃(V^M),所述幅度补偿滤波器的幅频特性
所述数字低通滤波器（414)和所述幅度补偿滤波器满足如下关系：
上式左边越接近1，所述无功功率的计量误差越小。
【文档编号】G01R11/52GK104483524SQ201410852551
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】张江安 申请人:中颖电子股份有限公司