CN100575964C - 用于计量电功率的仪表 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电功率表领域,其利用数字信号处理以便通过所述电功率的积分得到电能的消耗量。所述仪表(1)包括产生模拟电压信号的电压传感器(4);产生模拟电流信号的电流传感器(3);模数转换器(8),包含在第一采样时间产生第一电压采样的第一采样装置以及在第二采样时间产生第一电流采样的第二采样装置;相位补偿装置(9),通过相比第一采样时间调整第二采样时间以补偿模拟电压和电流信号间的相移,从而提供基本同相的第一电压采样和第一电流采样。所述仪表(1)的特征在于还包括存储装置(11),用于同时存储第一电压采样和紧跟采样第一电压采样的第二电压采样,或同时存储第一电流采样和紧跟采样第一电流采样的第二电流采样。

Description

用于计量电功率的仪表
技术领域
本发明涉及电功率表领域,其利用数字信号处理以便通过所述电功率的 积分得到电能的消耗量。
背景技术
众所周知提供用电表(electric utility meter)可以测量设备消耗的电能。 该仪表把与被计量的电源线中电流和电压成比例的模拟信号转换成用于数字 信号处理的数字信号。该转换步骤由模数转换器来实现。然后可将数字信号 容易地相乘并且相乘的乘积提供电功率。然后电功率被提供给在被计量的电 源线上的累加器,该累加器产生与电功率成比例的脉冲。
该公知的用电表遇到的一个问题是,该仪表的准确度要求在电压和电流
信号的每个提供给模数转换器前、电压和电流信号有正确的相位关系。即相 位关系应准确表示电源线中的相位关系。然而,电压和电流的滤波、放大和 隔离是通过包含可带来其间相差或误差的仪器变压器和其他电路元件完成 的。
为了获得要求的准确度并补偿仪器变压器的制造误差及电路元件随时间 和环境暴露的改变,该问题的公知的解决方案是提供用于电表的相位补偿装 置。这样一种解决方案在文献US5017860中披露,其公开了一种仪表,包括 补偿装置,用于调整一个信号(电流或电压)相对其它信号的采样时间以补 偿系统中的相移,并提供电源线上使用的功率的更精确指示。
然而,这个解决方案出现了如图1中所示的一些难题。图l说明表示为 时间的函数的第一和第二电压采样VS1和VS2及第 一电流采样IS 1 。因为相 位补偿,存在一个相比采样模拟电压信号时间的采样模拟电流信号时间的调 整tl。该调整时间tl可能相当长;例如tl可能约为880jis。采用1024采样/ 秒的采样速率,提供了仅为976(is的采样窗口。这样,只有很短的时间t2(这 里为96|is)用来执行功率计算VS1 x IS1,因为在需要下一个釆样电压值VS2 之前该计算必须完成。实验表明依赖于需要的计算这通常是不够的;例如,
4累计lkWh能量需要较长的时间。在此情形,存在计算中断的风险。 发明内容
本发明的 一 个目的是提供 一种用于计量在功率负载上的电功率的仪表, 其允许优良的测量准确度同时具有足够的时间来以低中断风险执行计算。
更准确地说,本发明提供一种用于计量电功率的仪表,包括:
_响应于提供给负载的电压而产生模拟电压信号的电压传感器, -响应于提供给所述负载的电流而产生模拟电流信号的电流传感器,
-模数转换器,包含: o基于所述模拟电压信号在第一采样时间产生第一电压采样的第一采
样装置,
o基于所述模拟电流信号在第二采样时间产生第一电流采样的第二采
样装置,
-相位补偿装置,通过相比所述第一采样时间调整所述第二采样时间以 补偿所述模拟电压和电流信号间的相移,从而提供基本同相的所述第一电压 采样和所述第 一 电流采样,
所述仪表的特征在于进一步包括用于存储的装置,用于同时存储所述第 一电压采样和紧跟采样所述第一电压采样的第二电压采样,或同时存储所述 第 一 电流采样和紧跟采样所述第 一 电流采样的第二电流采样。
这样,使用该仪表,两个连续采样的电压值被存储在象FIFO(先入先出) 緩冲存储器的存储装置中。在此情形,所述FIFO缓沖存储器必须同时保存两 个电压釆样。因此,可能在第二釆样电压值已经被采样并被所述緩冲存储器 接收后,把第一采样电流和电压值相乘。依据本发明,因此存在较大的时间 窗口来以低中断风险执行计算。
有益地,所述用于存储的装置是带有两个存储位置的先入先出緩冲器, 从而能同时存储两个电压采样。
有益地,所述用于存储的装置是软件装置。
有益地,所述仪表包括微控制器,所述用于存储的装置集成于所述微控 制器中。
有益地,所述相位补偿装置是集成于所述模数转换器中的定时器。附图说明
通过阅读以下通过举例和参考附图给出的本发明实施例的描述,将会显
现本发明的其他特征和优点,其中:
-图1示意表示使用依据现有技术的仪表实现的一些电流和电压釆样数 据流与时间关系;
-图2示意表示依据本发明的仪表的框图;
-图3示意表示使用依据本发明的仪表实现的一些电流和电压采样数据 流与时间关系。
具体实施方式
图1参考现有技术已经被描述。 图2示意表示依据本发明的仪表1。
通常,所述仪表1可操作地连接到功率消耗设备的电源线负载2上,例 如住宅或工业i殳备(未示出)。 仪表1包括:
-电流传感器3,
-电压传感器4,
-电压电平调整装置5,
-电流电平调整装置6,
-微控制器7。 所述微控制器7包含:
-包含定时器9的模数A/D转换器8,
-输入选择器10,
-FIFO緩冲器11,
-乘法器16,
-积分器17。
电压传感器4连接到电源线2并可操作于产生表示电源线2上电压波形 的电压测量信号Vs。所述电压传感器4可以是例如简单的电阻分压器。然后 Vs信号经电压电平调整装置5调整,输出一个调整的电压测量信号Vin。所 述电压电平调整装置5用于提供校正信号电平给A/D转换器8。必须注意的 是,所述电压电平调整装置5也可以具有滤波功能。电流传感器3也连接到电源线2并可操作于产生表示电源线2上电流波 形的电流测量信号Is。所述电流传感器可以是例如用于分流的分流(shunt) 电阻。然后Is信号由电流电平调整装置6调整,输出两个调整的电流测量信 号Ilow和Ih。 Ih和Ilow信号表示分别经两个不同增益Al和A2调整的同一 信号Is。这允许A/D转换器输入范围覆盖整个电流范围(例如10mA到100A )。 例如Al用于产生用于4到100A主电流的合适信号Ih,而A2用于产生用于 10mA到4A主电流的合适信号Ilow。对于电压电平调整装置5,必须注意电 流电平调整装置6也可以具有滤波功能。
A/D转换器8产生包含基于电压调整装置5提供的电压测量信号Vin的 多个电压测量采样Vinl、 Vin2、 Vin3、…的采样电压测量数据流。
同样,所述A/D转换器8产生包含基于电流调整装置6提供的电流测量 信号Ih的多个电流测量采样Ihl、 Ih2、 Ih3、…的第一采样电流测量数据流, 以及产生包含基于电流调整装置6提供的电流测量信号Ilow的多个电流测量 采样Ilowl、 Uow2、 Uow3、…的第二采样电流测量数据流。
一个问题是调整和滤波步骤引入不同模拟信号的相移;在采样信号时该 相移不得不考虑。这种情况在电流调整装置6用于调整信号Is时特别明显。 电流调整装置6所作的调整引起Ih和Ilow的相位偏移,进一步相位偏移发生 在低通滤波为減少噪声和提高信噪比而加到信号时;假设Ilow被极度相移, 此最后一点是关键的。因此,总是存在Vin和Ih之间不是很高的第一相移以 及Vin和Ilow之间第二较高相移。
为了得到与基本上同相的电压和电流信号相应的电压和电流采样,A/D 转换器包括用于补偿所述模拟电压Vin和所述电流信号Ih之间和所述模拟电 压Vin和所述电流信号Ilow之间的相移的定时器9。通过相比于Vin的采样 时间调整Ih和Ilow的采样时间来得到这样的补偿,从而提供基本上同相的电 压采样Vinl和电流采样Ilowl及Ihl。
图3表示一些连续的电压采样Vinl至Vin3、 一些连续的电流采样Ihl 至lh3以及一些连续的电流采样IlowO至Ilow2。例如,Vinl、 Ilowl、 Ihl表 示相应于基本上同相的模拟信号的三个采样。如上面参考附图1已经所述的, 调整时间可能相当长。这对于表示Vinl和Ilowl间差别的调整时间特别明显, 即在可表示约88(His的Ilow的采样时间和Vin的采样时间之间。
输入选择器10的作用是选择两个电流釆样例如Ihl和Ilowl之间的 一个,
7其将用于功率计算。这样的选择基于Ihl和Ilowl的电平。假定选择Ilowl。 两个连续电压采样例如Vml和Vin2被同时存储在FIFO緩沖器11中。
这样的FIFO緩冲器是一种集成在微控制器1中基于软件的緩冲器。
采样Vinl和Ilowl提供输入给乘法器16,该乘法器把Vinl和Ilowl相
乘以将数字输入信号Pl提供给积分器17,该积分器将提供累计的能量E。 依据本发明,因为Vinl被存储在緩冲器ll中,同时下一个采样Vin2已
经被緩冲器11接收,所以在要求下一个采样Vin2之前乘法器16不必进行
Vinl x Howl的计算。
如图3所示,使用FIFO緩冲器同时保存Vinl和下一个电压采样Vin2, 这样可以在周期t3期间完成Vinl x Howl的计算,该周期t3从提供电流采样 Ihl后的下一个电流采样Ih2持续到电流采样Ilowl后的下一个电流采样
iiow2。
周期t3相应于大的时间窗口以实现Vinl xllowl的计算。
自然,本发明不限于所描述和示出的实例和实施例,对于本领域技术人
员而言,本发明可以经过许多可用的变化。
例如,虽然同时存储所述第一电压采样和紧跟采样所述第一电压采样的
第二电压采样的所述装置已经描述为集成在微控制器中的软件装置,但也可
以基于硬件来解决。
另外,虽然根据本发明的仪表已经描述为具有两种电流信号Ih和Ilow, 但也可以仅有 一种电流。

Claims (9)

1.用于计量电功率的仪表(1),包括: -响应于提供给负载的电压而产生模拟电压信号的电压传感器(4), -响应于提供给所述负载的电流而产生模拟电流信号的电流传感器(3), -模数转换器(8),包含: 基于所述模拟电压信号在第一采样时间产生连续电压采样的第一采样装置, 基于所述模拟电流信号在第二采样时间产生连续电流采样的第二采样装置, -相位补偿装置(9),通过相比所述第一采样时间调整所述第二采样时间以补偿所述模拟电压和电流信号间的相移,从而提供基本同相的对应电压采样和电流采样, -乘法器(16),用于计算基本同相的每个对应电压采样和电流采样的积; 所述仪表的特征在于进一步包括用于存储的装置(11),用于同时存储两个连续电压采样或者两个连续电流采样,而且在于,所述乘法器(16)在第二电压采样或者第二电流采样被存储之后将第一电流采样与对应的第一电压采样相乘。
2. 根据权利要求1的仪表(1 ),其特征在于,所述用于存储的装置(11) 是带有两个存储位置的先入先出緩冲器,从而能同时存储两个电压采样。
3. 根据权利要求1或2的仪表(1 ),其特征在于,所述用于存储的装置是软件装置。
4. 根据权利要求1至2的任一的仪表(1 ),其中所述仪表包括微控制器 (7),所述用于存储的装置集成于所述微控制器中。
5. 根据权利要求3的仪表(1 ),其中所述仪表包括微控制器(7),所述 用于存储的装置集成于所述微控制器中。
6. 根据权利要求1至2的任一的仪表(1 ),其中所述相位补偿装置(9 ) 是集成于所述模数转换器(8)中的定时器。
7. 根据权利要求3的仪表(1),其中所述相位补偿装置(9)是集成于 所迷模数转換器(8)中的定时器。
8. 根据权利要求4的仪表(1 ),其中所述相位补偿装置(9)是集成于所述模数转换器(8)中的定时器。
9.根据权利要求5的仪表(1),其中所述相位补偿装置(9)是集成于 所述模数转换器(8)中的定时器。
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