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基于全频移相网络的电功率精确测量方法

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基于全频移相网络的电功率精确测量方法α吴红莲,金向东,魏柠柠(浙江大学信息学院,杭州310027)

摘要:针对越来越多的非线性电气器件及装置对电力系统的影响和危害,提出一种基于全频移相网络的电气参数精确测量方法。该方法适合于测量含有高次谐波的非正弦电路中的电气参量。所设计的全频移相网络能对多种频率信号恒定相移90°,具有优越的相频特性和幅频特性。在高次谐波存在的环境下,对电压、电流信号采样后,直接通过移相网络和简单的数值计算即可实时并精确地测量出无功功率、有功功率等电气参量。最后,对用单片机实现的该测量方法进行仿真和分析,结果表明,该方法具有实时、高精度的优点,并且可以用普通单片机来实现。关键词:全频相移网络;无功功率;有功功率;视在功率;相对移相滤波器中图分类号:TP301.6 文献标识码:A 文章编号:100328930(2006)0120053205

PrecisePowerMeasurementBasedonAll-PassPhase-ShiftingNetwork

WUHong2lian,JINXiang2dong,WEINing2ning(CollegeofInformation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Amethodbasedonall2passphase2shiftingnetworkisproposedforpowermeasurement.Themethodissuitableforhighharmonicsnon2sinusoidalconditions.Thedesignednetworkcanbeusedtorealizethe290degreephaseshift,whichhasexcellentphaseresponseandamplituderesponse.Underthehighharmonicscondition,aftersamplingthevoltageandcurrentsignals,therealpower,reactivepowerandotherelectricalparameterscanbeaccuratelyandreal2timelymeasuredbydirectlyimplementingphase2shiftingnetworkandsomesimplecalculation.SimulationisperformedtoanalyzetheperformanceofthemeasurementrealizedusingaSCM.Theresultdemonstratesthatthemethodisrealtime,highaccurateandcanbesimplyrealizedbyaSCM.Keywords:all2passphase2shiftingnetwork;reactivepower;realpower;apparentpower;relativephaseshiftfilter(RPSF)

1　前言 近年来,随着电力技术的迅猛发展,越来越多的非线性电气器件接到电网,如电子整流灯、计算机监控器、空调等,使得电网电压、电流波形呈现不同程度的畸变即产生大量的谐波,给电力系统及其用户带来一定的影响和危害。由于这些非线性负载的应用,有功电量不能代表输送给终端的全部电量,而对无功电量的计量则是改善收费的一项对策。在高次谐波环境中,电气参量的定义与测量算法都与常规条件下的有所不同,实现高精度测量的难度也有所增加。由此引出了如何精确地计量无功电量和更加准确地测量电气参数的问题[1]。本文提出一种基于全频移相网络的实时、高精度测量无功功率、有功功率等电气参数的方法。

2　基本原理及常规无功功率算法设三相电路中某一相输入的电压和电流信号为

v(t)=6∞n=1Vn󰃖2󰃖sin(nw0t)(1)

第18卷第1期2006年2月 电力系统及其自动化学报ProceedingsoftheCSU2EPSA Vol.18No.1Feb.　2006

α收稿日期:2005203216;修回日期:20052052

18i(t)=6∞n=1In󰃖2󰃖sin(nw0t+Υn)(2)

式(1)、(2)中,Vn和In分别代表三相信号中第n次谐波的电压和电流有效值,Υn为第n次谐波的电压和电流之间的相位差。无功功率的定义为

Q=6∞n=1Vn󰃖In󰃖sin(Υn

)(3)

式中的Vn、In和Υn定义如上所述。采用的约定为:

如果电流超前电压(感性负载),无功电量为正值。有功功率、视在功率的计量相对容易,而无功功率的计量要复杂的多。从无功功率的定义式(3)可以看到,它需要专门的数字信号处理器处理Hibert转换(90°全频相移)来实现无功功率的精确测量。但在实际中Hibert转换很难实现,常规的无功功率方案有如下几种。方案1　三角法三角法方案为

P=S2-Q2(4)

式中,P、Q和S分别代表有功功率、无功功率和视在功率。从式(4)可以看出,无功功率可以依据有功和视在功率得出。在单纯的基波情况下,这种方法可以给出很好的结果。但在谐波环境下,误差是显而易见的。方案2　时延法时延法方案为

Q=1T∫T0v(t)󰃖i(t+T4)dt(5)式中T为基波周期。将一延时引入信号波形之中,

使其在基波频率下移动90°,然后再相乘。由于该方案只针对基波波形移相90°,因此只适合在单纯基波的环境下应用。方案3　基于FFT的无功功率算法[2～4]该方案如下所述。先对电压和电流作快速傅立叶变换,找出基波频率,再计算基波频谱和谐波频谱,求得谐波分析的有关参数,从而得到无功功率等参数[3]。这种方法计算量比较大,并且要用较多的寄存器来存储变量,因此,一般需要用处理能力比较强的处理器如DSP来实现,而且计算每满一帧后电压和电流值才能得出相关参数,不能实时计算(一个周期的延时)[4]。基于上述几种方案的不足,本文提出一种新的无功功率算法:通过一个移相网络来实现对每一频

率的90°恒定相移,并得到无功功率等参数的实时计量。

3　基于全频移相网络的电气参数计量算法3.1　全频移相网络3.1.1　90°全频移相的实现本文提出用两个结构如式(6)所示的滤波器来组成一个对任何频率移相90°的网络。两个滤波器分别为:-90°相对移相滤波器和-180°相对移相滤波器[5]。

y(n)=69k=1ak󰃖y(n-k)+68k=0bk󰃖x(n-k)(6)其中-90°相对移相滤波器的系数:

　a

k={1.0,0.4300297634,-2.252444951,

-0.8504191833,1.6827851130,0.5199770131,-0.4477762995,-0.0936282491,0.0242883703}

b

k={0.0242883703,-0.0936282491,

-0.4477762995,0.5199770131,1.682785113,-0.8504191833,-2.252444951,0.4300297634,1.0}-180°相对移相滤波器的系数:

a

k={1.0,-0.5699155032,

-2.182512470,1.117047656,1.566933515,-0.6752621294,-0.3946225742,0.1196470642,0.0193078905}

b

k={0.0193078905,0.1196470642,

-0.3946225742,-0.6752621294,1.566933515,1.117047656,-2.182512470,-0.5699155032,1.0}两个相对移相滤波器的相频特性如图1所示。从图1可以看到,这两个滤波器并不是简单的对输入数据进行-90°或-180°移相。随着频率的变化,两个滤波器的相位(相频响应)均为锯齿波且相互跟踪,都具有很好的幅频特性(见图2)。其中,-180°相对移相滤波器落后-90°于-90°相对移相滤波器,可以以-90°相对移相滤波器的输出作为参考相位,-180°相对移相滤波器的输出得到90°的恒定相移组成一个90°全频移相网络,其相频特性如图3所示。图4是输入一个1kHz的正弦信号,也就是第

・45・电力系统及其自动化学报 2006年2月20次谐波信号,分别通过-90°和-180°两个相对移相滤波器得到两条相位差为-90°的曲线。从图中可以看出,该网络的移相性能比较理想,并且对其它频率的信号也具有类似的效果。

图1　-90°和-180°相对移相滤波器的相频响应Fig.1　Phaseresponsesof-90°RPSFand-180°RPSF

图2　-90°和-180°相对移相滤波器的幅频特性Fig.2　Amplituderesponsesof-90°RPSFand-180°RPSF

图3　90°全频相移网络的相频特性Fig.3　Phaseresponseof90°phase-shiftingnetworkcomposedbya-90°RPSFanda-180°RPSF

图4　-90°和-180°相对移相滤波器的输出Fig.4　Outputof-90°RPSFand-180°RPSF

3.1.2　30°全频移相的实现在对称的三相电路中,如图5所示,线电压和相电压的关系为

VL=3󰃖VP

∠30°(7)

式(7)中VL和VP分别代表线电压和相电压。由于本算法中电参数的计算均是基于相电压的,因此必须将线电压转换为相电压。从式(7)可以看出,完成转换需要一个全通的30°移相网络。同样,可以用-30°和-60°的相对移相滤波器来构成一个30°全频移相网络:以-30°相对移相滤波器的输出作为参考相位,则-60°相对移相滤波器的输出具有恒定的-30°相移,相频响应如图6所示。

图5　三相对称电路矢量图Fig.5　Vectordiagramofasymmetricalthree-phasecircuit

其中-30°相对移相滤波器的系数:

　a

k={1.0,0.0966140981,-2.33792265,

-0.1926460537,1.82517788,0.1190747427,-0.5137540291,-0.021782729,0.0306170271}

b

k={0.030617027,-0.021782729,

-0.5137540291,0.1190747427,1.82517788,-0.1926460537,-2.33792265,0.0966140982,1.0}-60°相对移相滤波器的系数:

a

k={1.0,-0.2366957881,

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基于多周期同步采样宽带移相法的新型电网无功测量方法

基于多周期同步采样宽带移相法的新型电网无功测量方法

基于多周期同步采样宽带移相法的新型电网无功测量方法李群;熊杰锋;杨志超;解兵
【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2014(034)006
【摘要】基于多周期同步采样宽带移相法,提出了一种电网无功数字测量新方法.多周期同步采样用100 MHz高频脉冲对电网频率进行测量跟踪,保证10个周期采样同步误差小于0.03％;设计的宽带移相滤波器组在带宽45～4 955 Hz内实现90°相移,相移误差0.01°,其暂态过渡时间最大为67 ms.给出了实现该方法的具体硬件配置.仿真结果表明,相对传统方法,所提方法精度更高,可在每10个周期内实现电网无功的高精度测量.
【总页数】5页(P96-100)
【作者】李群;熊杰锋;杨志超;解兵
【作者单位】江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京210000;江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京210000;南京工程学院电力工程学院,江苏南京211167;南京工程学院电力工程学院,江苏南京211167;江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京210000
【正文语种】中文
【中图分类】TM71
【相关文献】
1.一种基于准同步采样的电网谐波高精度测量方法 [J], 刘于祥
2.基于Hermite插值同步化算法的电网谐波与无功测量方法 [J], 章梦哲;王军;赵书娟;许珉
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4.基于多周期离散迭代模型的移相全桥倍流同步整流变换器及其稳定性分析 [J], 霍陆昱;陈怡霖;杜海忠;章治国
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基于对数检测法的射频功率测量电路设计

基于对数检测法的射频功率测量电路设计

基于对数检测法的射频功率测量电路设计引言在无线通信系统中，射频功率的测量是非常重要的一项技术。

准确地测量射频功率可以帮助我们评估系统性能、优化功率控制算法以及确保通信质量。

基于对数检测法的射频功率测量电路是一种常用且有效的测量方法。

本文将深入探讨基于对数检测法的射频功率测量电路的设计原理、电路结构以及性能优化方法。

对数检测法的原理对数检测法是一种基于二极管的功率测量方法。

其原理是将输入信号经过放大和整流后，再经过对数放大器进行信号转换，最后通过低通滤波器得到与输入功率成对数关系的输出电压。

对数检测法的优点是具有宽动态范围和较高的测量精度，适用于高频率和宽带信号的功率测量。

电路结构设计基于对数检测法的射频功率测量电路的设计包括放大器、整流器、对数放大器和低通滤波器等模块。

放大器设计放大器的设计目标是将输入信号放大到适合整流器工作的幅度。

常用的放大器包括共基极放大器和共射极放大器。

放大器的增益和带宽需要根据具体应用来确定。

整流器设计整流器的作用是将输入信号转换为直流信号，常用的整流器有单向整流器和双向整流器。

整流器的选择需要考虑转换效率和非线性失真等因素。

对数放大器设计对数放大器是整个电路的核心部分，其作用是将输入功率与输出电压成对数关系。

对数放大器可以采用对数极限放大器、对数晶体管放大器或对数运算放大器等。

低通滤波器设计低通滤波器的作用是滤除对数放大器的输出中的高频噪声，得到平滑的输出电压。

常见的低通滤波器包括RC低通滤波器和活性滤波器等。

性能优化方法为了提高基于对数检测法的射频功率测量电路的性能，可以采取以下优化方法：增加动态范围动态范围是指测量电路能够测量的最大和最小功率之间的范围。

为了增加动态范围，可以采用自适应增益控制技术或者多级放大器结构。

提高测量精度测量精度是指测量结果与真实值之间的偏差。

为了提高测量精度，可以采用校准技术、增加对数放大器的线性范围以及优化整流器的非线性特性。

降低功耗功耗是指测量电路在工作过程中消耗的能量。

三相功率测量方法

三相功率测量方法

三相功率测量方法三相功率测量是指针对三相电路中的功率进行准确测量和计算的方法。

在实际应用中，三相电源广泛应用于工业领域，因此正确测量三相功率对于工业生产的正常运行十分重要。

本文将介绍常见的三相功率测量方法，包括直接测量法、间接测量法和基于功率因数的测量方法。

一、直接测量法直接测量法是指通过使用功率表或功率计仪器直接对三相电路的功率进行测量。

功率表通常由电流表和电压表组成，通过测量三相电路的电流和电压，然后使用电流表和电压表的数据进行功率计算。

具体的测量步骤如下：1.将功率表或功率计仪器正确连接到三相电路上。

2.分别测量三相电流和电压的数值，并记录下来。

3.根据测得的电流和电压数值，通过计算得到三相功率的数值。

该方法的优点是测量方法简单直接，准确度高，适用于各种功率水平和负载条件。

然而，该方法需要使用专业的功率表或功率计仪器，成本较高。

二、间接测量法间接测量法是指通过间接测量电路中的其他参数，如电流、电压、功率因数等，然后基于这些参数计算出三相功率的方法。

常用的间接测量方法包括电流积分法、平均功率度积分法和计数器法等。

1.电流积分法：该方法通过直接测量三相电流并对其进行积分运算，然后乘以电压得到功率的平均值。

这种方法适用于负载时变的情况，如电动机的起动过程。

2.平均功率度积分法：该方法通过测量三相电流和电压的数值，并对其进行功率积分计算。

该方法适用于负载变化较小且持续时间较长的情况。

3.计数器法：该方法通过对一定时间内正负半周的电能进行计数，并根据电能的计数值和时间得到功率数值。

间接测量法的优点是可以准确测量三相功率，且不需要使用专业的功率仪器，成本较低。

缺点是需要进行一定的计算和推导，并且对测量环境和负载状态的要求较高。

三、基于功率因数的测量方法基于功率因数的测量方法是通过测量三相电路中的功率因数，并根据功率因数与功率的关系进行功率的计算。

功率因数是指实际功率与视在功率之比。

当功率因数为1时，三相功率为视在功率；当功率因数小于1时，三相功率小于视在功率。

无功功率的测量方法

无功功率的测量方法

四种相位的测量方法（无功功率）一、无功功率概念的历史发展最早的无功功率概念是建立在单相正弦交流信号的基础上。

设某线路的电压，电流，则 有功功率为，无功功率为。

U 、I,分别为电压与电流的有效值。

随着半导体行业和电力工业的发展，各种整流器件、换流设备以及其他非线性负载大量安装与电力系统中，使原有的无功功率定义在工程运用中非常不方便。

现在人们对正弦信号无功功率有了新的理解。

假设某单相线路的电压为，电流为，则将按照与平行和垂直两个方向分解为与，那么与的积即为无功功率。

二、无功功率的测量方法1、替代法主要使用于无功功率变送器中，用于测量三相平衡电路的无功功率。

当三相电路严格平衡对称时，此方法不存在原理性误差。

在不对称与存在多谐波的情况下，此方法不适用。

2、电子移相测量法（简称模拟移相法）多用于比较高级的综合仪器中（多用数字表）根据三角公式变换ϕϕsin 90-cos =︒）（，从而把无功功率测量转化为有功功率测量，即转化为求两个向量的内积）（︒••=••=90-cos U I sin U I Q ϕϕ。

这已经可以比较方便的测量了。

理想情况下电子移相并不存在原理性误差。

但在工程上电容与电阻是实际元件，其值及相应的效应与理想值差距巨大，所以效果并不理想。

3、数字移相测量法在一个周期内对三相电压、三相电流均匀采样24点至64点（因生产厂家所生产的设备不同而异），然后用电压采样值乘以滞后90度点的电流采样值，做积分运算从而得到一个周期内的平均无功功率N N N N /)j 4/(i u )j 4/(i u )j 4/(i u Q N1j C Cj B Bj A Aj ∑=+•++•++•=）（式中 j ——代表第j 个采样点N ——代表一个周期的采样点数，N/4代表1/4个周期从原理上讲，不存在理论误差。

该方法的问题主要在于数字移相的适用性。

当被测量是单纯的三相正弦信号，可以通过控制采样点数及其均匀的程度来实现精密的数字移相。