电能表中无功功率的计量系统

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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；

所述电压信号输入通道包括：

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；

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；

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

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：

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；

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

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；

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；

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。

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。

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。

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。

可选地，所述关键频率的范围是[47.5，63](Hz)。

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。

可选地，设所述数字低通滤波器的传递函数为H_lpf(z)，所述幅度补偿滤波器 的传递函数为H_acf(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其中，f_s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；

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：

${\left|H_{\mathrm{acf}}\left(e^{j·2\mathrm{\pi f}/f_s}\right)\right|}^2·|H_{\mathrm{lpf}}\left(e^{j·2\mathrm{\pi f}/f_s}\right)\approx \mathrm{1,47.5}\le f\le 63\left(\mathrm{Hz}\right)$

上式左边越接近1，所述无功功率的计量误差越小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的计量系统采用了一种不依赖于工频信号频率估计的无功功率计量方 式。该方式通过在电流信号输入通道和电压信号输入通道各增加一个完全相同的幅 度补偿滤波器，来实现对无功功率计算中的补偿操作。通过两个幅度补偿滤波器的 联合作用，在工频信号频率附近的一个关键频率范围内就能抵消电压信号输入通道 中的数字低通滤波器对数字电压信号的衰减作用。

由于本发明中的幅度补偿滤波器实现简单，补偿精度高，这种新方式可以确 保实现高精度的无功功率计量。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例 的描述而变得更加明显，其中：

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；

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；

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；

图4为本发明一个实施例的电能表中无功功率的计量系统的模块结构示意图；

图5为本发明一个实施例的电能表中无功功率的计量系统中两个幅度补偿滤 波器与一个数字低通滤波器幅频响应在关键频率范围内的乘积曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中 阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描 述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际 应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范 围。

图4为本发明一个实施例的电能表中无功功率的计量系统的模块结构示意图。 如图4所示，该计量系统400主要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。本实施例中的该计量系统400与现有的低通滤波器法无功功率 计量系统相比，其取消了频率计算模块和补偿增益计算模块这两个模块。但与此同 时，在电压信号输入通道401和电流信号输入通道402中各增加一个幅度补偿滤波 器(ACF)，这两个幅度补偿滤波器的结构和参数均是相同的。

具体来说，电压信号输入通道401包括第一模数转换器411、第一数字高通滤 波器412、第一幅度补偿滤波器413和数字低通滤波器414。第一模数转换器411 接收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与第一模数转换器411相连接，去除数字电压信号中的直流分量。第 一幅度补偿滤波器413与第一数字高通滤波器412相连接，对数字电压信号的幅度 进行预补偿。数字低通滤波器414与第一幅度补偿滤波器413相连接，对数字电压 信号的各频率分量进行-90°的相移操作。该数字低通滤波器414为只有一个极点 的一阶IIR型低通滤波器。

而电流信号输入通道402包括第二模数转换器421、第二数字高通滤波器422 和第二幅度补偿滤波器423。第二模数转换器421接收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与第二模数转换器 421相连接，去除数字电流信号中的直流分量。第二幅度补偿滤波器423与第二数 字高通滤波器422相连接，对数字电流信号的幅度进行预补偿。

乘法器403与数字低通滤波器414和第二幅度补偿滤波器423相连接，将数 字电压信号与数字电流信号相乘，获得实时的无功功率。

其中，第一幅度补偿滤波器413和第二幅度补偿滤波器423的幅频特性是根 据数字低通滤波器414的幅频特性进行针对性设计的，通过两个通道各自的第一幅 度补偿滤波器413和第二幅度补偿滤波器423的联合作用，能够在工频信号频率附 近的一个关键频率范围[f_min f_max]内抵消数字低通滤波器414对数字电压信号的衰 减作用。这样，数字低通滤波器414输出的数字电压信号与电流信号输入通道402 中的第二幅度补偿滤波器423的输出信号相乘，即可得到近似准确的无功功率。

由此可见，第一幅度补偿滤波器413和第二幅度补偿滤波器423的作用相当 于对数字电压信号和数字电流信号的幅度进行预补偿，故被称为幅度补偿滤波器。 另一方面，由于两个通道的第一幅度补偿滤波器413和第二幅度补偿滤波器423 的相频特性相同，它们不会对电压和电压之间的相位差造成影响，从而可避免因相 位差被改变而造成的无功功率计量误差。考虑到工频信号频率一般为50Hz或者 60Hz，而其偏差一般在±5％的范围内，可取关键频率的下限f_min＝47.5Hz，而上限 f_max＝63Hz。

如上所述，第一幅度补偿滤波器413和第二幅度补偿滤波器423的设计需要 依据数字低通滤波器414的幅频特性来进行。设数字低通滤波器414的传递函数为 H_lpf(z)，幅度补偿滤波器的传递函数为H_acf(z)，则数字低通滤波器414的幅频特 性为幅度补偿滤波器的幅频特性为其中，f_s为模拟电 压信号和模拟电流信号的采样率，f为关键频率。显然，为保证在关键频率范围内 无功功率近似准确，数字低通滤波器414和幅度补偿滤波器满足如下关系：

${\left|H_{\mathrm{acf}}\left(e^{j·2\mathrm{\pi f}/f_s}\right)\right|}^2·|H_{\mathrm{lpf}}\left(e^{j·2\mathrm{\pi f}/f_s}\right)\approx \mathrm{1,47.5}\le f\le 63\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(1\right)$

上式(1)左边越接近1，则无功功率的计量误差越小。

下面举一实例说明幅度补偿滤波器的设计过程。首先设计数字低通滤波器。 设采样率f_s＝4kHz。设计所得上述截止频率为0.5Hz数字低通滤波器的传递函数 为：

$H_{\mathrm{lpf}}\left(z\right)=\frac{0.392556190490723\times {10}^{-3}+0.392556190490723\times {10}^{-3}{z}^{-1}}{1-0.999214887619019·z^{-1}}---\left(2\right)$

然后设计幅度补偿滤波器。为设计简便计，可选取幅度补偿滤波器为只有一 个极点的一阶IIR型滤波器。设幅度补偿滤波器的传递函数为：

$H_{\mathrm{acf}}\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}}{1+a_1{z}^{-1}}---\left(3\right)$

根据上述(1)式，通过参数空间搜索的方法可以得到如下较优解：

b₀＝16.495235443115234，b₁＝-17.335063934326172，a₁＝-0.860843420028687。

图5为上述设计实例所得两个相同的幅度补偿滤波器与一个数字低通滤波器 幅频响应在关键频率范围内的乘积曲线图。由图5可见，在关键频率范围[47.5， 63](Hz)内，两个幅度补偿滤波器与一个数字低通滤波器的幅频特性的乘积与1 相比，误差在±0.0003之内。这是能够满足高精度无功功率计量要求的。

综上所述，本发明的计量系统采用了一种不依赖于工频信号频率估计的无功 功率计量方式。该方式通过在电流信号输入通道和电压信号输入通道各增加一个完 全相同的幅度补偿滤波器，来实现对无功功率计算中的补偿操作。通过两个幅度补 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就能抵消电压信 号输入通道中的数字低通滤波器对数字电压信号的衰减作用。

由于本发明中的幅度补偿滤波器实现简单，补偿精度高，这种新方式可以确 保实现高精度的无功功率计量。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领 域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任 何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。