專利名稱：無功功率計算電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能計量技術(shù)，特別涉及一種無功功率計算電路和一種無功功率計算方法。
背景技術(shù)：
電能計量是計量有功功率發(fā)生的能量，有功功率P0的計算公式為P0=V×I2cosα]]>其中，V為電壓，I為電流，α為電壓電流的相位夾角。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電能計量電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有的電能計量電路通常包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102、乘法器103、能量累加單元104。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字信號。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號。
乘法器103計算電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的乘積，即有功功率。
能量累加單元104將乘法器103輸出的有功功率進行累加，即能量累加，在累加結(jié)果溢出時，通過數(shù)頻轉(zhuǎn)換輸出用于電能計量的校表脈沖。
上述電路中，通常還可以包括抽取濾波單元和低通濾波單元等其他輔助功能單元。
通過上述電能計量電路即可實現(xiàn)有功功率的計量，并可以此計量用戶的電費。但為了檢測電路中的負載質(zhì)量，還需要準確獲知無功功率。無功功率P1的計算公式為
其中，V為電壓，I為電流，α為電壓電流的相位夾角。
基于上述無功功率的計算公式，并在有功功率計算的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有計算無功功率的方法主要有以下兩種1、移采樣點法在如圖1所示的電能計量電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101與乘法器103之間、或模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102與乘法器103之間增加一個緩存單元，用于對電壓數(shù)字信號進行1/4個相位周期的緩存，即對電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號進行90度的移相，并計算緩存后的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號與未緩存的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號的乘積。但是，該方法僅適用于基波，而對諧波則無法實現(xiàn)90度的移相。
2、希爾伯特(Hilbert)濾波法利用Hilbert濾波器的移相特性，對電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號移相90度，并計算移相后的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號與未移相的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號的乘積。但是，Hilbert濾波器的濾波系數(shù)設(shè)計較復(fù)雜，數(shù)值不規(guī)整，因而實現(xiàn)起來也較復(fù)雜，且實現(xiàn)成本高。
可見，現(xiàn)有技術(shù)中，無法有效計算無功功率，或?qū)崿F(xiàn)成本高且難度大。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的一個主要目的在于，提供一種無功功率計算電路，能夠在較低成本的前提下計算無功功率，且降低了實現(xiàn)難度。
本發(fā)明的另一個主要目的在于，提供另一種無功功率計算方法，能夠在較低成本的前提下計算無功功率，且降低了實現(xiàn)難度。
根據(jù)上述的一個主要目的，本發(fā)明提供了一種無功功率計算電路，包括用于將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字信號的一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、用于將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號的一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、以及乘法器，所述兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的任意一路與所述乘法器之間進一步包括移相單元，對該路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行傅立葉變換，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度后進行傅立葉反變換并輸出；
所述乘法器將所述移相單元的輸出與另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行乘法運算，并將得到的乘積輸出。
所述另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與所述乘法器之間進一步包括相位補償單元，根據(jù)預(yù)設(shè)的相位補償量，對所述另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行相位補償，消除該路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出與所述移相單元輸出之間的相位偏移，并輸出給所述乘法器。
所述相位補償量是根據(jù)所述移相單元得到其輸出所耗費的時間長度設(shè)定。
該電路進一步包括能量累加單元，對所述乘法器輸出的所述乘積進行累加。
所述移相單元包括傅立葉變換子單元、相位變換子單元和傅立葉反變換子單元，其中，所述傅立葉變換子單元，對所述兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的任意一路的輸出進行傅立葉變換；所述相位變換子單元，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度；所述傅立葉反變換子單元，將偏轉(zhuǎn)90度后的頻域信號進行傅立葉反變換并輸出。
根據(jù)上述的另一個主要目的，本發(fā)明提供了一種無功功率計算方法，包括將輸入的電流模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電流數(shù)字信號；將輸入的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電壓數(shù)字信號；還包括以下步驟對兩路輸出中的任意一路輸出進行傅立葉變換，得到頻域信號，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度后進行傅立葉反變換；將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算。
所述將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算之前，該方法進一步包括
對所述另一路的輸出相位補償，消除該路輸出與傅立葉反變換后的輸出之間的相位偏移。
所述相位補償量是根據(jù)得到所述傅立葉反變換后輸出所耗費的時間長度設(shè)定。
所述對所述另一路的輸出相位補償為根據(jù)移相處理過程所占用的同步周期對應(yīng)的同步信號個數(shù)，選擇相等數(shù)量的預(yù)設(shè)單位相位偏差量作為相位補償量。
所述將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算之后，該方法進一步包括對所述乘積進行累加。
由上述技術(shù)方案可見，本發(fā)明先將電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換，并對傅立葉變換得到的頻域信號移相90度，再對移相后的頻域信號進行傅立葉反變換，從而能夠根據(jù)移相后的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號與未移相的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號計算得到無功功率。而且，對基波和諧波的電流或電壓信號，均可實現(xiàn)對其傅立葉變換后的頻域信號進行移相處理，從而本發(fā)明相比于現(xiàn)有的移采樣點方法，提高了無功功率計算的應(yīng)用范圍；傅立葉變換與反變換為成熟的數(shù)字處理技術(shù)，因而易于實現(xiàn)，且成本低，從而本發(fā)明相比于現(xiàn)有的Hilbert濾波法，降低了實現(xiàn)成本和實現(xiàn)難度。
本發(fā)明基于現(xiàn)有的電能計量電路實現(xiàn)無功功率的計算，從而提高硬件的復(fù)用率，進而使得本發(fā)明的技術(shù)方案易于推廣。
本發(fā)明還可以對未移相的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號進行相位補償，以消除未移相的電壓數(shù)字或電流數(shù)字信號與移相處理后的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號的相位偏移，從而提高了計算得到的無功功率的準確度。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電能計量電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例中無功功率計算電路的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明實施例中無功功率計算方法的流程圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明實施例中，先將電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換，并對傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度，再對移相后的頻域信號進行傅立葉反變換，從而能夠根據(jù)移相后的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號與未移相的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號計算得到無功功率。
對于基波和諧波信號，均可通過傅立葉變換得到頻域信號。如果是基波，則得到的頻域信號包括基波的幅度和相位；如果是一次諧波、或二次諧波等諧波，則得到的頻域信號包括各次頻率上信號的幅度和相位。具體來說，得到的頻域信號為一個長度表示幅度且角度表示相位的矢量。
然后再對該矢量做90度旋轉(zhuǎn)，得到另一個長度不變、角度偏轉(zhuǎn)90度的矢量。最后再對長度不變、角度偏轉(zhuǎn)90度的矢量做反傅立葉變換，回到時域，即實現(xiàn)了對電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號的90度的移相處理。
其中，對于諧波信號來說，各次頻率的矢量的偏轉(zhuǎn)是相互獨立的。
圖2為本發(fā)明實施例中無功功率計算電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例中的無功功率計算電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102乘法器103和移相單元210。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101，將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字信號。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號。
移相單元210，對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102轉(zhuǎn)換得到的電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度后進行傅立葉反變換，得到移相90度的電壓數(shù)字信號；乘法器103，計算模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101轉(zhuǎn)換得到的電流數(shù)字信號和移相單元200輸出的移相90度的電壓數(shù)字信號的乘積，得到無功功率。
基于上述電路，對基波和諧波的電流或電壓信號均可實現(xiàn)對傅立葉變換后的頻域信號進行移相處理，從而相比于現(xiàn)有的移采樣點方法提高了無功功率計算的應(yīng)用范圍；傅立葉變換與反變換為成熟的數(shù)字處理技術(shù)，因而易于實現(xiàn)，且成本低，從而相比于現(xiàn)有的Hilbert濾波法，降低了實現(xiàn)成本和實現(xiàn)難度。
而且，上述無功功率計算電路可以基于現(xiàn)有的電能計量電路來實現(xiàn)，從而提高了硬件的復(fù)用率，進而使得本實施例中的技術(shù)方案易于推廣。
本實施例中，移相單元210也可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101轉(zhuǎn)換得到的電流數(shù)字信號進行傅立葉變換，將傅立葉變換得到的頻域信號移相90度后進行傅立葉反變換，得到移相90度的電流數(shù)字信號。
此時，乘法器103則計算模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102轉(zhuǎn)換得到的電壓數(shù)字信號和移相單元210輸出的移相90度的電流數(shù)字信號的乘積，同樣能夠得到無功功率。
具體來說，本實施例中的移相單元210可以包括傅立葉變換子單元211、相位變換子單元212和傅立葉反變換子單元213，其中，傅立葉變換子單元211，對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101轉(zhuǎn)換得到的電流數(shù)字信號、或模數(shù)轉(zhuǎn)換單元102轉(zhuǎn)換得到的電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換；相位變換子單元212，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度，即對表示為矢量的頻域信號的角度偏轉(zhuǎn)90度；傅立葉反變換子單元213，將移相90度后的頻域信號進行傅立葉反變換，得到的移相90度的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號。
實際應(yīng)用中，不論移相單元210是對電流數(shù)字信號進行移相處理還是對電壓數(shù)字信號進行移相處理，均可能存在移相后的一路數(shù)字信號與未移相的另一路數(shù)字信號之間產(chǎn)生相位偏移的可能。
因此，為了避免在產(chǎn)生相位偏移的情況下，保證無功功率的準確度，本實施例中的無功功率計算電路中，還可以包括相位補償單元220。
如圖2所示，相位補償單元220根據(jù)預(yù)設(shè)的相位補償量，對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元101輸出的電流數(shù)字信號進行相位補償，消除電流數(shù)字信號與移相90度的電壓數(shù)字信號之間的相位偏移，并輸出給所述乘法器103。
同理，如果移相單元210對電流數(shù)字信號進行移相處理，則相位補償單元220即對未移相的電壓數(shù)字信號進行相位補償，從而實現(xiàn)了對未移相的另一路數(shù)字信號的相位補償，進一步保證了無功功率的準確度。
其中，相位補償量是根據(jù)移相單元210得到移相90度的一路數(shù)字信號所耗費的時間長度設(shè)定的。
具體來說，上述無功功率計算電路中，每個功能單元都由同一個同步信號來控制。因此，對于移相單元210的移相處理過程，通常要額外占用一定的同步周期，而對于未移相的另一路數(shù)字信號來說，對其進行的相位補償量即是對移相處理過程額外占用的時間長度所對應(yīng)的相位偏移的補償。
例如，移相處理過程每占用一個同步周期，則兩路數(shù)字信號之間即會產(chǎn)生一個單位相位偏差量，因此，相位補償單元220即可根據(jù)移相處理過程所占用的同步周期對應(yīng)的同步信號個數(shù)，選擇相等數(shù)量的單位相位偏差量作為相位補償量。
移相處理過程所占用的同步周期數(shù)量越多，移相處理過程占用的時間越長；而同步信號的頻率越高，移相處理過程占用的時間越短。
其中，影響移相處理過程所占用的同步周期數(shù)量的具體因素通常包括傅立葉變換和反變換的點數(shù)、實現(xiàn)傅立葉變換和反變換的硬件性能等因素。例如，傅立葉變換和反變換的點數(shù)越高，移相處理所需的同步周期數(shù)量越多。
如果需要對無功功率進行計量以獲得無功能量的累加結(jié)果，本實施例中的上述電路中還可以包括一個能量累加單元，用于對乘法器103輸出的無功功率進行累加。
實際應(yīng)用中，移相單元210可以用現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)或數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)，此時，傅立葉變換子單元211、相位變換子單元212和傅立葉反變換子單元213可以作為FPGA或DSP內(nèi)部的邏輯單元，也可以分別通過一個FPGA或DSP來實現(xiàn)；相位補償單元220可用FPGA或緩存等來實現(xiàn)；上述電路中還可以包括一個低通濾波器，對乘法器103輸出的無功功率進行低通濾波，再由低通濾波器將濾波后的無功功率輸出給能量累加單元。
以上是對本實施例中無功功率計算電路的詳細說明。下面，再對本實施例中的無功功率計算方法進行詳細說明。
圖3為本發(fā)明實施例中無功功率計算方法的流程圖。如圖3所示，本實施例中的無功功率計算方法包括以下步驟步驟301，將輸入的電流模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電流數(shù)字信號，將輸入的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電壓數(shù)字信號。
步驟302，對兩路輸出中的任意一路輸出，即電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換。
本步驟中，傅立葉變換得到的頻域信號可以表示為包括表示幅度的長度和一個表示相位的角度的矢量。
步驟303，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度。
本步驟中，對步驟302得到的矢量做90度旋轉(zhuǎn)，得到另一個長度不變、角度偏轉(zhuǎn)90度的矢量。
步驟304，將移相90度后的頻域信號進行傅立葉反變換。
本步驟中，傅立葉反變換后即可得到移相90度的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號。
步驟305，將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算，即計算未移相的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號，與移相90度的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號的乘積。
本步驟之前，還可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的相位補償量，對未移相的另一路的輸出進行相位補償，從而消除該路輸出與傅立葉反變換后的輸出之間的相位偏移，即如果步驟302～步驟304是對電流數(shù)字信號依次進行傅立葉變換、移相、傅立葉反變換，則在步驟305之前對電壓數(shù)字信號進行相位補償。
相位補償?shù)倪^程可以為根據(jù)移相處理過程所占用的同步周期對應(yīng)的同步信號個數(shù)，選擇相等數(shù)量的預(yù)設(shè)單位相位偏差量作為相位補償量。
至此，本流程結(jié)束。
上述流程中，電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號可以是基于基波的數(shù)字信號，也可以是基于諧波的數(shù)字信號。
可見，本實施例中的無功功率計算方法相比于現(xiàn)有的移采樣點方法提高了無功功率計算的應(yīng)用范圍；傅立葉變換與反變換為成熟的數(shù)字處理技術(shù)，因而易于實現(xiàn)，且成本低，從而本實施例中的無功功率計相比于現(xiàn)有的Hilbert濾波法，降低了實現(xiàn)成本和實現(xiàn)難度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換以及改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無功功率計算電路，包括用于將電流模擬信號轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字信號的一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、用于將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字信號的一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、以及乘法器，其特征在于，所述兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的任意一路與所述乘法器之間進一步包括移相單元，對該路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行傅立葉變換，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度后進行傅立葉反變換并輸出；所述乘法器將所述移相單元的輸出與另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行乘法運算，并將得到的乘積輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與所述乘法器之間進一步包括相位補償單元，根據(jù)預(yù)設(shè)的相位補償量，對所述另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出進行相位補償，消除該路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸出與所述移相單元輸出之間的相位偏移，并輸出給所述乘法器。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，所述相位補償量是根據(jù)所述移相單元得到其輸出所耗費的時間長度設(shè)定。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的電路，其特征在于，該電路進一步包括能量累加單元，對所述乘法器輸出的所述乘積進行累加。
5.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的電路，其特征在于，所述移相單元包括傅立葉變換子單元、相位變換子單元和傅立葉反變換子單元，其中，所述傅立葉變換子單元，對所述兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中的任意一路的輸出進行傅立葉變換；所述相位變換子單元，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度；所述傅立葉反變換子單元，將偏轉(zhuǎn)90度后的頻域信號進行傅立葉反變換并輸出。
6.一種無功功率計算方法，包括將輸入的電流模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電流數(shù)字信號；將輸入的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換輸出為一路電壓數(shù)字信號；其特征在于，還包括以下步驟對兩路輸出中的任意一路輸出進行傅立葉變換，得到頻域信號，將傅立葉變換得到的頻域信號偏轉(zhuǎn)90度后進行傅立葉反變換；將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算之前，該方法進一步包括對所述另一路的輸出相位補償，消除該路輸出與傅立葉反變換后的輸出之間的相位偏移。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位補償量是根據(jù)得到所述傅立葉反變換后輸出所耗費的時間長度設(shè)定。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述對所述另一路的輸出相位補償為根據(jù)移相處理過程所占用的同步周期對應(yīng)的同步信號個數(shù)，選擇相等數(shù)量的預(yù)設(shè)單位相位偏差量作為相位補償量。
10.如權(quán)利要求6至9中任意一項所述的方法，其特征在于，所述將傅立葉反變換后的輸出與另一路輸出進行乘法運算之后，該方法進一步包括對所述乘積進行累加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無功功率計算電路和一種無功功率計算方法。本發(fā)明先將電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號進行傅立葉變換，并對傅立葉變換得到的頻域信號移相90度，再對移相后的頻域信號進行傅立葉反變換，從而能夠根據(jù)移相后的電流數(shù)字信號或電壓數(shù)字信號與未移相的電壓數(shù)字信號或電流數(shù)字信號計算得到無功功率。而且，對基波和諧波的電流或電壓信號，均可實現(xiàn)對其傅立葉變換后的頻域信號進行移相處理，從而本發(fā)明相比于現(xiàn)有的移采樣點方法，提高了無功功率計算的應(yīng)用范圍；傅立葉變換與反變換為成熟的數(shù)字處理技術(shù)，因而易于實現(xiàn)，且成本低，從而本發(fā)明相比于現(xiàn)有的Hilbert濾波法，降低了實現(xiàn)成本和實現(xiàn)難度。
文檔編號G01R21/06GK101063695SQ200710118839
公開日2007年10月31日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者范志軍 申請人:北京中星微電子有限公司