CN114167135B - 一种用于功率计的电压电流相角判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于功率计的电压电流相角判别方法，涉及电参数测量技术领域。电压和电流信号经过软件运算得到有功功率P、电压有效值U、电流有效值I，根据cosα＝P/(U*I)计算出功率因数cosα，将电流信号移相一个采样周期，计算出新功率因数λ_新，计算一个采样周期相对于当前被测正弦波信号频率折算出的角差β，并进一步算出sinβ和cosβ，利用三角函数和差角公式算出sinα，确认α所处具体象限，确认唯一α。与现有技术相比，本发明通过移相一个采样周期，并结合三角函数和差角公式，进行电压电流相角判别，摒弃用正弦波转方波电路识别相位的方式，省去不必要电路，降低物料成本，同时又提高了识别的精度。

Description

一种用于功率计的电压电流相角判别方法

技术领域

本发明涉及电参数测量技术领域，特别涉及一种用于功率计的电压电流相角判别方法。

背景技术

功率计作为一款电参数测量的基础仪器，应用非常广泛，功率计可同时测量很多的电气参数，比如电压有效值、电流有效值、功率值及功率因数等等，其中还有一个电气参数测量功能也是中高端功率计会标配的，就是电压和电流的相角，简称电压电流相角。

电压电流相角和功率因数是直接相关的，将该参数做余弦运算得到的便是功率因数，但是如果把功率因数进行反余弦运算却无法直接得到该相角，因为反余弦运算可以得到不止一个角度，比如电压和电流的相角是60度，功率因数是0.5，但是电压和电流的相角是-60度，功率因数同样是0.5。也就是说电压超前或者滞后电流60度的情况下得到的功率因数都是0.5，所以仅仅依靠功率因数这个参数只能得到电压电流相角的绝对值，却无法确定具体是超前还是滞后。常见的方式是将电压和电流的波形放大后再转化为方波，通过数字方式检测方波超前或者滞后作为判断电压和电流相位的依据。不过该方法一方面要增加额外的电路，另一方面在正弦波频率比较高的时候表现不尽如人意，因为正弦波在转方波的过程会因为运放等器件频率响应属性而引入新的相位误差。

发明内容

本发明目的是提供一种用于功率计的电压电流相角判别方法，减少了硬件电路设计，同时提高了相位识别精度。

具体技术方案是一种用于功率计的电压电流相角判别方法，电压电流相角为α，功率因数λ＝cosα＝P/(U*I)，包括以下步骤：

S100、检测条件下，电压和电流信号经过软件运算得到有功功率P、电压有效值U、电流有效值I，根据cosα＝P/(U*I)计算出功率因数cosα，

S200、通过软件将电流信号移相一个采样周期，通过电压和移相后电流经过软件运算得到有功功率P'、电压有效值依然是U、移相后电流有效值依然是I，再计算出新功率因数λ_新，

S300、计算一个采样周期相对于当前被测正弦波信号频率折算出的角差β，并进一步算出sinβ和cosβ，

S400、利用三角函数和差角公式算出sinα，根据sinα、cosα正负号，确认α所处具体象限，确认唯一α。

优选地，在步骤S100和S200中都是由ADC采集电压和电流信号再进行软件运算。

优选地，在步骤S200中，一个采样周期为10微秒。

优选地，在S300中，角差β＝360*t/T，t表示采样周期，T表示正弦波周期。

优选地，步骤S200中，通过软件将电流信号向后移相一个采样周期，新功率因数λ_新＝P'/(U*I)，也即cos(α+β)；步骤S400中，利用三角函数和角公式cos(α+β)＝cosα*cosβ-sinα*sinβ，算出sinα。

与现有技术相比，本发明通过移相一个采样周期，并结合三角函数和差角公式，进行电压电流相角判别，摒弃用正弦波转方波电路识别相位的方式，省去不必要电路，降低物料成本，同时又提高了识别的精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中步骤S100中电压电流相角示意图；

图2是实施例1中步骤S200中向后移相一个采样周期后电压电流相角示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

电压电流相角α和功率因数λ是直接相关的，将该参数做余弦运算得到的便是功率因数λ，公式为λ＝cosα，其中λ＝P/(U*I)，在本申请中出现的cosα、cos(α+β)主要是为了体现相角与功率因数的数学关系。根据λ＝cosα在功率计设计中，要计算电压电流的相位差，采用α＝arccosλ即可计算。但是因为反余弦运算可以得到不止一个角度，比如电压和电流的相角是60度，功率因数是0.5，但是电压和电流的相角是-60度，功率因数同样是0.5。也就是说电压超前或者滞后电流60度的情况下得到的功率因数都是0.5，所以仅仅依靠功率因数这个参数只能得到电压电流相角的绝对值，却无法确定具体是超前还是滞后。

一种用于功率计的电压电流相角判别方法，电压电流相角为α，功率因数λ＝cosα＝P/(U*I)，包括以下步骤：

S100、检测条件下，电压和电流信号经过软件运算得到有功功率P、电压有效值U、电流有效值I，根据cosα＝P/(U*I)计算出功率因数cosα，采用α＝arccosλ计算相位差，电压超前或者滞后电流此时无法确定，

S200、通过软件将电流信号移相一个采样周期，在一个实施例中，采样速度为100ksps，则一个采样周期为10微秒，通过电压和移相后电流经过软件运算得到有功功率P'、电压有效值依然是U、移相后电流有效值依然是I，再计算出新功率因数λ_新，

S300、计算一个采样周期相对于当前被测正弦波信号频率折算出的角差β，并进一步算出sinβ和cosβ，

S400、利用三角函数和差角公式算出sinα，根据sinα、cosα正负号，确认α所处具体象限，确认唯一α，并确定电压超前或者滞后电流。

在一个实施例中，在步骤S100和S200中都是由ADC采集电压和电流信号再进行软件运算。本方法一直使用ADC采样到的信号做运算，且运算过程中不存在正弦波转方波电路那样的信号延迟，整个过程没有产生新的相位误差，所以保证了相位识别的精度。

在一个实施例中，在S300中，角差β＝360*t/T，t表示采样周期，T表示正弦波周期。当频率为50Hz时，正弦波周期T为20毫秒，当采样周期t为10微秒时，代入计算得到角差β为0.18度。

实施例1：一种用于功率计的电压电流相角判别方法，电压电流相角为α，cosα＝P/(U*I)，包括以下步骤：

S100、检测条件下，电压和电流信号经过软件运算得到有功功率P、电压有效值U、电流有效值I，根据cosα＝P/(U*I)计算出cosα，如图1所示，电压有效值U与电流有效值I之间相位差是α，

S200、通过软件将电流信号向后移相一个采样周期，通过电压和移相后电流经过软件运算得到有功功率P'、电压有效值依然是U、移相后电流有效值依然是I，再根据公式cos(α+β)＝P'/(U*I)计算出cos(α+β)，如图2所示，在S100基础上将电流信号向后移相一个采样周期，电压有效值U与电流有效值I之间相位差变成了(α+β)，

S300、计算一个采样周期相对于当前被测正弦波信号频率折算出的角差β，并进一步算出sinβ和cosβ，

S400、利用三角函数和角公式cos(α+β)＝cosα*cosβ-sinα*sinβ，算出sinα，根据sinα、cosα正负号，确认α所处具体象限，确认唯一α，并确定电压超前或者滞后电流。

实施例2：与实施例1不同，步骤S200中，通过软件将电流信号向前移相一个采样周期，新功率因数λ_新＝P'/(U*I)，也即cos(α-β)；步骤S400中，利用三角函数差角公式cos(α-β)＝cosα*cosβ+sinα*sinβ，算出sinα。

其中，对于公式cosα＝P/(U*I)相关说明：

电压电流相角α和功率因数λ是直接相关的，将该参数做余弦运算得到的便是功率因数λ，公式为λ＝cosα，又λ＝P/(U*I)。

提示：

(1)u(n)表示电压瞬时值；

(2)i(n)表示电流瞬时值；

(3)n表示第n次测量区间；

(4)AVG[]表示在数据测量周期内对[]里采样数据进行简单平均。

采样及运算过程大致如下：

S1、利用FPGA作为CPU和ADC(模数转换器)的接口单元，以100ksps的速度分别且同步读取电压信号和电流信号的ADC采样数字量，然后产生外部中断通知CPU读取；

S2、CPU获取数字量后进行相应运算，如电压信号做方均根运算后得到电压有效值U，电流信号做方均根运算后得到电流有效值I，电压和电流信号同步采样到的瞬时值逐点相乘并累加得到有功功率P，有功功率P除以电压有效值U和电流有效值I的乘积即可得到功率因数λ；

S3、每一个采样到的电流瞬时值总是与上一次采样到的电压瞬时值相乘并累加得到新有功功率，新有功功率除以电压有效值和电流有效值的乘积即可得到新功率因数；

S4、利用以上部分介绍的公式可以计算出相角的余弦值，再根据本申请中的判别方法进一步判断出电压是超前还是滞后电流。

以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于功率计的电压电流相角判别方法，电压电流相角为α，功率因数l=cosα=P/(U*I)，其特征在于，包括以下步骤：

S100、检测条件下，电压和电流信号经过软件运算得到有功功率P、电压有效值U、电流有效值I，根据cosα=P/(U*I)计算出功率因数cosα，

S200、通过软件将电流信号移相一个采样周期，通过电压和移相后电流经过软件运算得到有功功率P'、电压有效值依然是U、移相后电流有效值依然是I，再计算出新功率因数l_新，通过软件将电流信号向后移相一个采样周期，新功率因数l_新=P'/(U*I)，也即cos（α+β），

S300、计算一个采样周期相对于当前被测正弦波信号频率折算出的角差β，并进一步算出sinβ和cosβ，

S400、利用三角函数和角公式cos（α+β）= cosα*cosβ- sinα*sinβ，算出sinα，根据sinα、cosα正负号，确认α所处具体象限，确认唯一α。

2.根据权利要求1所述的用于功率计的电压电流相角判别方法，其特征在于，在步骤S100和S200中都是由ADC采集电压和电流信号再进行软件运算。

3.根据权利要求1所述的用于功率计的电压电流相角判别方法，其特征在于，在步骤S200中，一个采样周期为10微秒。

4.根据权利要求1所述的用于功率计的电压电流相角判别方法，其特征在于，在S300中，角差β=360*t/T，t表示采样周期，T表示正弦波周期。