一種基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法及裝置的制造方法
【專利摘要】一種基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法及裝置，給出并證明了信號(hào)采樣功率與信號(hào)實(shí)際功率的關(guān)系公式及其成立時(shí)必須滿足的條件：在滿足采樣定理的條件下，采樣信號(hào)的均方值與原信號(hào)的均方值相等。并把此公式經(jīng)過變換，得出應(yīng)用于電壓和電流不同相位情況下的電功率計(jì)算方法；求出交流電的最高頻率，使用數(shù)據(jù)采集的方法求電功率，采樣功率和交流功率相等的條件是采樣頻率是交流電信號(hào)最高頻率的兩倍以上，采樣時(shí)間為交流電周期的整數(shù)倍，把采集的電壓和電流的值相乘求均值得到有功功率。
【專利說明】
一種基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)交流電的電壓和電流進(jìn)行采 樣，并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，從而精確計(jì)算出交流電功率的方法及裝置。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 功率是信號(hào)的重要特征，功率不能像電壓一樣直接通過采樣獲得，一直是測(cè)量領(lǐng) 域的技術(shù)難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的功率的測(cè)量方法是通過熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為等效的直流量 來測(cè)量，原理簡(jiǎn)單但是會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
[0004] 提高電功率計(jì)算精度的一種方法是使采樣功率逼近實(shí)際功率；這種方法得到了一 定的研究，研究的方向集中于盡量逼近原信號(hào)功率或通過補(bǔ)償減少計(jì)算功率的誤差，但缺 少一種采樣信號(hào)的功率完全等于原信號(hào)的功率的測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有的交流電功率測(cè)量方法中，采樣信號(hào)的功率不等于原信 號(hào)的功率。
[0006] 本發(fā)明提供的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法包括，在采樣頻率是交流頻率 的兩倍以上，采樣時(shí)間是交流電周期整數(shù)倍的情況下，分別測(cè)量交流電的電壓信號(hào)和電流 信號(hào)，并根據(jù)所述測(cè)量的結(jié)果計(jì)算交流電功率。
[0007] 進(jìn)一步，包括： 步驟一、第一數(shù)據(jù)采集器采集交流電的電流信號(hào)，為第η次采樣得到的電流值； 步驟二、第二數(shù)據(jù)采集器采集交流電的電壓信號(hào)^為第η次采樣得到的電壓值； 步驟三、根據(jù)所測(cè)得的電流值和電壓值計(jì)算交流電的功率
，其 中Ν為采樣次數(shù)。
[0008] 進(jìn)一步，還包括：對(duì)非周期性電信號(hào)測(cè)量功率時(shí)，作周期延拓，并求出周期延拓后 交流電的頻率，采樣頻率是延拓后交流電的最高頻率的兩倍以上，采樣時(shí)間是延拓后交流 電的最小周期的整數(shù)倍。
[0009] 進(jìn)一步，采樣前，還包括對(duì)所述電流信號(hào)和電壓信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波。
[0010] 本發(fā)明還提供用于所述的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法的裝置，包括：第 一低通濾波器、第二低通濾波器、第一數(shù)據(jù)采集器、第二數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)處理器、顯示屏； 所述第一低通濾波器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波后輸出到第一數(shù)據(jù)采集器、所述第二低通濾波器 對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行濾波后輸出到第二數(shù)據(jù)采集器；所述第一數(shù)據(jù)采集器和第二數(shù)據(jù)采集器分 別將電壓信號(hào)和電流信號(hào)輸出到所述數(shù)據(jù)處理器；所述數(shù)據(jù)處理器對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào) 進(jìn)行求積運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出到顯示屏。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括： 本發(fā)明通過對(duì)采樣條件進(jìn)行限定，提供了一種采樣信號(hào)功率等于原信號(hào)功率的交流電 功率測(cè)量方法及裝置，所提供的測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，精度高。
[0012]
【附圖說明】
[0013] 圖1本發(fā)明所提供的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]
【具體實(shí)施方式】
[0015] 由【背景技術(shù)】可知，現(xiàn)有技術(shù)中交流電功率測(cè)量精度不夠高；發(fā)明人針對(duì)所述問題 進(jìn)行研究，認(rèn)為在合適的測(cè)量條件下，采樣信號(hào)功率可能等于原信號(hào)功率；發(fā)明人經(jīng)過進(jìn)一 步研究，在本發(fā)明中提供一種基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法及裝置。
[0016] 發(fā)明人首先研究滿足采樣功率等于原信號(hào)功率的條件，即滿足
(1) 其中，滅為第n次采樣的值，N為采樣次數(shù)，:??為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，丨為時(shí)間，7?信號(hào)周 期 設(shè)為，連續(xù)信號(hào)的Parseval定理如式（2)所示。
[0017]
(2) 對(duì)進(jìn)行采樣，采樣間隔為_，這里的濟(jì):必須滿足采樣定理，頻譜才不會(huì)混疊。
[0018] 采樣得到的信號(hào)為
(3) 對(duì)采樣得到的信號(hào)傅里葉變換可得式（4)，再把式（4)寫為式（5)。
-<j:_ (4) (5) 因?yàn)椴蓸宇l率為
為周期。
[0020] 數(shù)字角頻率為
[0021] 代入（5)式可得， (6) 可見，mFT就是把角頻率用數(shù)字角頻率代替，把周期為的變?yōu)橹芷跒?〃的 Ζ? 忑鱸％且幅度變?yōu)樵瓉淼膇。由此可以得到
(7)
(8) 等式（7)只有在滿足采樣定理，即沒有混疊的情況下才成立，所以先決條件就是滿足 采樣定理，即采樣頻率是連續(xù)時(shí)間信號(hào)頻率的兩倍以上。
[0022] 離散傅里葉變換（DFT)下的Parseval定理
(9) (10) 再把式⑶代入式（10)可得到式（11)，再把式（11)變換為式（12)的形式，
(11) (12) 離散時(shí)間傅立葉變化（DTFT)的Parseval定理：
(13) 把式（13)代入式（12)式可以得到
(14) 這里$ =丨_，:為整個(gè)時(shí)域信號(hào)的時(shí)間范圍，_為所有的采樣點(diǎn)數(shù)。 所以，由（14)式可得， (15) (16)


其中，J 積分的時(shí)間長(zhǎng)度，雙是 累加的個(gè)數(shù)。這樣，式（16) ；r 就可寫成 (17) jq '
:.? :: 2 對(duì)于周期信號(hào)，由于周期性，
可以月
：替，
?以月
i替。:表示一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，，表 示周期長(zhǎng)度，即可得到了（1)式， 綜上可得：在滿足采樣定理的條件下，連續(xù)時(shí)間信號(hào)的均方值和采樣點(diǎn)的均方值是相 等的，即平均功率是相等的。
[0023] 電功率測(cè)量時(shí)，如果電壓和電流相位相同，則把公式（1)轉(zhuǎn)變?yōu)椋?br>(18) 其Μ
表示平均功率，只要計(jì)算電壓采樣值的均方值就可以得到平均功 率。 如果電壓和電流的相位不同，一個(gè)周期內(nèi)的平均有功功率為 根據(jù)公式（1)和式（19)可以得到 (19) (20) 可以通過式（20)計(jì)算電功率 可以看出，（18)是（20)在電壓電流相位相同時(shí)的特殊形式，由此可以精確計(jì)算出交流 電功率。
[0024]
[0025]
[0026] 發(fā)明人在上述研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步研究，在本發(fā)明中提供一種基于數(shù)據(jù)采 集的交流電功率測(cè)量方法及裝置。
[0027]
[0028] 如圖1所示為基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量裝置。參考圖1，對(duì)本發(fā)明所提供的 基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。由于電壓和電流信號(hào)的相位不一定相 同，故分別采集電壓和電流信號(hào)，包括： 步驟一、第一數(shù)據(jù)采集器6采集交流電的電流信號(hào)，衣崎為第η次采樣得到的電流值， 采樣頻率是交流頻率的兩倍以上，采樣時(shí)間是交流電周期整數(shù)倍； 步驟二、第二數(shù)據(jù)采集器2采集交流電的電壓信號(hào)，?/勿為第η次采樣得到的電壓值， 采樣頻率是交流頻率的兩倍以上，采樣時(shí)間是交流電周期整數(shù)倍； 步驟三、數(shù)據(jù)處理器3根據(jù)所測(cè)得的電流值和電壓值計(jì)算交流電的功率:?，并顯示于 顯示屏4
_中~為采樣次數(shù)。
[0029] 為了濾除采集到的信號(hào)中的噪聲，所述步驟一還包括采用第一低通濾波器5濾除 電流信號(hào)中的噪聲；所述步驟二還包括采用第二低通濾波器1濾除電壓信號(hào)中的噪聲。
[0030] 對(duì)交流信號(hào)的電壓和電流同時(shí)采用同一頻率采樣，計(jì)算交流信號(hào)頻率時(shí)把需要計(jì) 算功率的周期內(nèi)的信號(hào)作延拓，并求出周期延拓后信號(hào)的最高頻率，采樣頻率是延拓后交 流電的最高頻率的兩倍以上，采樣時(shí)間是延拓后交流電的最小周期的整數(shù)倍。
[0031] 在本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，某系統(tǒng)中電壓波形和電流波形的頻率都是50Hz，相 位相差30°，波形如式（21)和式（22)所示。
(21) (22) 首先計(jì)算原信號(hào)的最高頻率，考慮到交流信號(hào)會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化，把需要計(jì)算功 率的那一個(gè)周期內(nèi)的波形做周期延拓，然后做傅里葉變換，得到最高頻率為50Hz。采 樣頻率必須是相乘之后的信號(hào)= 頻率的兩倍以上。采用200Hz的采樣 頻率，一個(gè)周期內(nèi)采集到的電壓電流為：
可以計(jì)算得到
[0033] 對(duì)原信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算得到理論上的有功功_
兩 種情況下的結(jié)果完全相等。說明此方法可以應(yīng)用于周期信號(hào)功率的測(cè)量中。
[0034]
[0035] 對(duì)于產(chǎn)生畸變的非正弦波形，只要波形還是周期的，采樣頻率能達(dá)到信號(hào)最高頻 率的2倍以上，就可以采用此方法?，F(xiàn)代高速高精度AD的發(fā)展也為此方法提供了硬件基礎(chǔ)。
[0036] 綜上，本發(fā)明所提供的方法通過采樣與計(jì)算就能準(zhǔn)確獲得功率數(shù)值，有嚴(yán)格的理 論基礎(chǔ)，與其他測(cè)量功率的方法相比，有明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0037] 本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā) 明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明 的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法，其特征在于：在采樣頻率是交流頻率的 兩倍W上，采樣時(shí)間是交流電周期整數(shù)倍的情況下，分別測(cè)量交流電的電壓信號(hào)和電流信 號(hào)，并根據(jù)所述測(cè)量的結(jié)果計(jì)算交流電功率。2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法，其特征在于，包括： 步驟一、第一數(shù)據(jù)采集器采集交流電的電流信號(hào)，/腳)為第n次采樣得到的電流值； 步驟二、第二數(shù)據(jù)采集器采集交流電的電壓信號(hào)，U的為第n次采樣得到的電壓值； 步驟=、根據(jù)所測(cè)得的電流值和電壓值計(jì)算交流電的功率:心， 其中N為采樣次數(shù)。3. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法，其特征在于，還包括： 對(duì)非周期電信號(hào)作周期延拓，并求出周期延拓后交流電的頻率，采樣頻率是延拓后交流電 的最高頻率的兩倍W上，采樣時(shí)間是延拓后交流電的最小周期的整數(shù)倍。4. 用于權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所提供的基于數(shù)據(jù)采集的交流電功率測(cè)量方法的裝 置，其特征在于，包括：第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一數(shù)據(jù)采集器、第二數(shù)據(jù)采集 器，數(shù)據(jù)處理器、顯示屏；所述第一低通濾波器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波后輸出到第一數(shù)據(jù)采集 器、所述第二低通濾波器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行濾波后輸出到第二數(shù)據(jù)采集器；所述第一數(shù)據(jù)采 集器和第二數(shù)據(jù)采集器分別將電壓信號(hào)和電流信號(hào)輸出到所述數(shù)據(jù)處理器；所述數(shù)據(jù)處理 器對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行求積運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出到顯示屏。
【文檔編號(hào)】G01R21/06GK106033098SQ201510120356
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月19日
【發(fā)明人】邵俊宇, 吳振峰, 雷明兵, 張宏軍, 吳偉, 李瓊, 張瑩
【申請(qǐng)人】上海機(jī)電工程研究所