CN101949974A - 交流电能表现场测试仪 - Google Patents

Abstract

一种交流电能表现场测试仪，包括输入单元、以及连接至输入单元的数模转换单元，对模拟电压信号和模拟电流信号分别进行采样，将模拟电压信号和模拟电流信号转换成数字电压信号和数字电流信号；数字滤波单元，连接至数模转换单元，根据预定的希尔伯特滤波器对数字电压信号和数字电流信号进行滤波，分别得到滤波电压信号和滤波电流信号；无功功率计算单元，连接至数字滤波单元，根据得到的两个滤波信号、以及无功功率计算公式计算得到非正弦电路的无功功率；输出单元，连接至无功功率计算单元，用于将无功功率输出。本发明通过数字滤波单元将数字电压信号和数字电流信号移相-90°，通过无功功率计算公式准确计算测量非正弦条件下的无功功率。

Description

交流电能表现场测试仪

技术领域

本发明涉及一种交流电能表现场测试仪。

背景技术

目前，无功电能的计量变得非常重要，它不仅是提高无功电能计量准确性的需要，也是维护供用电双方正当利益的需要，还是加强谐波管理、提高电力***地能质量管理和运行安全的需要。在相关技术中，在非正弦电路中无功功率的概念和计算公式定义存在着较大的分歧，且物理意义也不是很清晰，使用交流电能表现场测试仪(以下简称现场测试仪)对交流电进行测量时，无法对非正弦电路中的无功功率进行准确的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种交流电能表现场测试仪，用以解决相关技术中存在的上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种交流电能表现场测试仪。

根据本发明的交流电能表现场测试仪包括：输入单元，用于获得非正弦电路中的模拟电压信号u(t)和模拟电流信号i(t)；数模转换单元，连接至输入单元，用于对u(t)和i(t)分别进行采样，将u(t)和i(t)转换成数字电压信号u(n)和数字电流信号i(n)；数字滤波单元，连接至数模转换单元，用于根据预定的希尔伯特滤波器H_d(e^jω)对u(n)和i(n)进行滤波，分别得到滤波信号u′(n)和i′(n)，其中，

$H_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}+\mathrm{\&pi;}/2)},{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\\ e^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}-\mathrm{\&pi;}/2)},-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\\ 0,\left|\mathrm{\&omega;}\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}},\left|\mathrm{\&omega;}\right|>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\end{array}\right.,$

τ为采样延迟，τ＝(N-1)/2，ω_cl为下截至频度，ω_ch为上截至频度；无功功率计算单元，连接至数字滤波单元，用于根据滤波信号u′(n)和i′(n)、以及无功功率计算公式Q计算得到非正弦电路的无功功率Q，其中，输出单元，连接至无功功率计算单元，用于将无功功率Q输出。

借助于本发明提供的技术方案，通过数字滤波单元将数字电压信号u(n)和数字电流信号i(n)移相-90°，并通过无功功率计算公式

能够准确的测量非正弦条件下的无功功率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施例的交流电能表现场测试仪的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在电能表现场测试仪中，测量谐波条件下无功功率主要有四种方法：功率三角法(跨相法)，时延法(电流信号时域移相

)，低通滤波器法和Hilbert数字滤波器法。大多数同类产品中无功功率的计量方法都使用功率三角法或时延法，但功率三角法必须依赖于三相电压平衡(三相电压夹角严格，电压赋值严格相等)的理想条件，而实际现场的电网情况并非如此，因此会引入比较大的误差；时延法利用时域电压或者电流移相

，但这种方法实际上只按照基波相角进行移相，缺乏对谐波相角的考虑，而实际现场信号不可能是理想的单一频率的正弦波，所以也会造成无功功率测量的不准。理论上，Hilbert数字滤波器法能更精确地满足无功功率的实际测量。

本发明采用Hilbert滤波器对电压信号和电流信号进行滤波，保持各次电压谐波幅值不变，将电压所有谐波成分移相

，然后采用有功功率的测量方法来测量无功功率。

图1示出了根据本发明实施例的交流电能表现场测试仪包括：输入单元2，用于获得非正弦电路中的模拟电压信号u(t)和模拟电流信号i(t)；数模转换单元4，连接至输入单元2，用于对u(t)和i(t)分别进行采样，将u(t)和i(t)转换成数字电压信号u(n)和数字电流信号i(n)；数字滤波单元6，连接至数模转换单元4，用于根据预定的希尔伯特滤波器H_d(e^jω)对u(n)和i(n)进行滤波，分别得到滤波信号u′(n)和i′(n)，

$H_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}+\mathrm{\&pi;}/2)},{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\\ e^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}-\mathrm{\&pi;}/2)},-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\\ 0,\left|\mathrm{\&omega;}\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}},\left|\mathrm{\&omega;}\right|>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\end{array}\right.$

其中，

τ为采样延迟，τ＝(N-1)/2，ω_cl为下截至频度，ω_ch为上截至频度；无功功率计算单元8，连接至数字滤波单元6，用于根据滤波信号u′(n)和i′(n)、以及无功功率计算公式Q计算得到非正弦电路的无功功率Q，

其中，

输出单元10，连接至无功功率计算单元8，用于将无功功率Q输出。

以下对根据本发明实施例的交流电能表现场测试仪的工作原理进行描述。

理想的Hilbert变换的定义为：

$H_d\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}-j& 0<\mathrm{\&omega;}<\mathrm{\&pi;}\\ j& -\mathrm{\&pi;}<\mathrm{\&omega;}<0\end{array}\right.$

其幅值和相角的分别为：

$H_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}+\mathrm{\&pi;}/2)},{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\\ e^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}-\mathrm{\&pi;}/2)},-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\\ 0,\left|\mathrm{\&omega;}\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}},\left|\mathrm{\&omega;}\right|>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

由(1)式，Hilbert数字滤波器的幅值特性为1，信号通过Hilbert数字滤波器后，其负频成分进行相移

、正频成分进行移相

可见，Hilbert数字滤波器能用于实现如上所述的无功功率的计算或测量。

本设计运用窗函数法来设计Hilbert数字滤波器。

Hilbert数字滤波器的理想频率响应函数为：

$H_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}+\mathrm{\&pi;}/2)},{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\\ e^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}-\mathrm{\&pi;}/2)},-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\\ 0,\left|\mathrm{\&omega;}\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}},\left|\mathrm{\&omega;}\right|>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\end{array}\right.$

式中τ＝(N-1)/2为采样延迟，ω_cl为下截至频度，ω_ch为上截至频度。其单位冲击响应h_d(n)为：

$h_d\left(n\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&pi;}}^{\mathrm{\&pi;}}{H}_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)e^{\mathrm{j\&omega;n}}\mathrm{d\&omega;}$

$=\left\{\begin{array}{c}{\&Integral;}_{-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}}^{-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}}{e}^{-j(\mathrm{\&omega;\&tau;}+2/\mathrm{\&pi;})}{e}^{\mathrm{j\&omega;n}}\mathrm{d\&omega;}\\ +{\&Integral;}_{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}}^{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}}{e}^{-j(\mathrm{\&omega;\&tau;}-2/\mathrm{\&pi;})}{e}^{\mathrm{j\&omega;n}}\mathrm{d\&omega;}\end{array}\right\}$

$=\frac{\cos [{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}(n-\mathrm{\&tau;})-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}(n-\mathrm{\&tau;})]}{\mathrm{\&pi;}(n-\mathrm{\&tau;})}$

于是有：

h₁(n)＝h_d(n)ω(n)

式中ω(n)为一有限长度的窗口函数序列。

对于50Hz的工频基波信号，若考虑到最高谐波次数为21次，则可以将该Hilbert数字滤波器所关心的频率范围设计在40～1300Hz。根据乃奎斯特采样定理，采样频率Fs不小于2倍的最高次谐波频率，本设计每个基波周期取256个点，理论上可以测的100次谐波的值，但考虑到实际情况，我们只关心1～21次谐波的情况。

考虑到窗函数设计滤波器存在截断效应，本设计采用Hamming窗进行截取，并用MATLAB进行仿真，实验证明Hamming窗函数设计的Hilbert滤波器其通带纹波特性改善明显。

本发明实施例在具体实现时，交流电能表现场测试仪中的作用相关联的部分包括信号采样，信号处理，计算，它们都需要强大的硬件做支持，一方面要求精度高，一方面要求速度快。在信号采样方面本设计使用AD公司的高速16bit的并行A/D采样芯片，500KSPS的采样速度，保证了每0.02秒采样256点的实时性要求，而无误码的16bit并行传输，确保信号进行模数转换时没有丢失信息。在信号处理方面，本设计选用了TI公司5000系列的DSP芯片，100M条指令/秒的速度，确保测试仪的实时计量，DSP强大的数字信号处理方面的优势得以充分的施展。

使用Hilbert数字滤波器计量无功功率的方法可以有效的测量在非正弦条件下的无功功率。它将电压所有谐波成分都移相-90°并保持各次谐波幅值不变，采用有功功率测量方法来测量无功功率，获得了很高的测量精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种交流电能表现场测试仪，其特征在于，包括：

输入单元，用于获得非正弦电路中的模拟电压信号u(t)和模拟电流信号i(t)；

数模转换单元，连接至所述输入单元，用于对所述u(t)和所述i(t)分别进行采样，将所述u(t)和所述i(t)转换成数字电压信号u(n)和数字电流信号i(n)；

数字滤波单元，连接至所述数模转换单元，用于根据预定的希尔伯特滤波器H_d(e^jω)对所述u(n)和所述i(n)进行滤波，分别得到滤波信号u′(n)和i′(n)，其中， $H_d\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\left\{\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}+\mathrm{\&pi;}/2)},{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\\ e^{-j(\mathrm{\&tau;\&omega;}-\mathrm{\&pi;}/2)},-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\\ 0,\left|\mathrm{\&omega;}\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}},\left|\mathrm{\&omega;}\right|>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cl}}\end{array}\right.,$ τ为采样延迟，τ＝(N-1)/2，ω_cl为下截至频度，ω_ch为上截至频度；

无功功率计算单元，连接至所述数字滤波单元，用于根据所述滤波信号u′(n)和i′(n)、以及无功功率计算公式Q计算得到所述非正弦电路的无功功率Q，其中，

输出单元，连接至所述无功功率计算单元，用于将所述无功功率Q输出。

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