CN101339210B - 校正电网测控设备中相位误差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电网测控设备中校正相位误差的方法和相应的装置，用于校正由于测控设备硬件电路所产生的电压和电流之间的相位误差。该方法包括对电压或电流进行采样；然后延迟一段时间后对电流或电压进行采样；计算无功功率并将其与一阈值相比较从而确定相位误差的校正时间。本发明的方法和装置可以一次性的校正由电网测控设备硬件电路所产生的电流和电压的相位误差，所以经过本发明的方法和装置校正后，在测控设备后续的使用中，输入的电流和电压之间已经不在具有由硬件环境所产生的相位误差，无需再加入相位误差的计算，避免了后续测控过程中对于电压和电流的相位误差的运算，减少系统运算负担，提高系统处理能力。

Description

校正电网测控设备中相位误差的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电网测控设备中校正相位误差的方法和装置，特别是涉及一种在电网测控设备中校正由硬件环境产生的电压和电流之间相位误差的方法和装置。

背景技术

在电网测控设备中，对于测控精度要求很高，一般误差要求控制在2‰以下。而作为电网测控设备测控对象的各个测控参量都要基于电流和电压这两个基本量的测量，这就要求测量电流和电压时，两者之间不能存在由于测控设备自身所引入的误差，以减小最终误差的产生，提高测控精度，因此电压与电流的测量就成为控制电网测控系统精度的关键。

在测控设备中，对电压和电流进行采样测量前，电能在该设备的硬件电路中传输，并且会经过一系列处理过程，所述处理例如为通过采样保持放大器放大。电流与电压在进行这种处理时是分别进行的，所以硬件环境的差异会造成测控时的电流与电压之间存在相位误差。即使前述硬件环境的差异性再小，由此产生的相位误差也会存在，并严重影响后续测控的精度。

为了校正所述的相位误差，目前的测控设备中采用了相位测量方法，所述相位测量方法例如为一阶线性插值、二次插值、相关分析法以及目前使用最为广泛的数字化相位测量方法快速傅立叶变换(FFT)等。利用上述方法，在采样测量电流和电压后计算电流与电压的相位误差，并将这一差值传递到后续测控过程中，在后续的运算、测控中加入该差值，以校正电流和电压之间的相位误差，提高测控精度。

但是采用上述方法的测控设备在每次进行电网实际的测控时，都要进行上述相位测量过程，实时计算相位误差，并在后续的测控过程中加入该差值。然而在高精度的要求下测量、计算所述的相位误差的计算量大、消耗的时间长，使得计算系统负担很重，并且增加了处理时间。

因此，在校正所述相位误差时，上述校正方法已经无法满足进一步提高处理速度，减轻计算系统负担的要求，逐渐成为电网测控设备技术发展中的一个瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电网测控设备中校正相位误差的方法和装置，其采用非计算的方法，一次性的彻底校正相位误差，使得后续测控过程中无须再加入所述相位误差的计算，并且在该次校正后再次使用时也无须再进行校正，该方法能够满足进一步提高处理速度，减轻计算系统负担的要求。

为实现上述目的，本发明提出一种电网测控设备中校正相位误差的方法和装置，用于一次性校正测控设备中存在的相位误差，所述相位误差特别为电流和电压之间的相位误差。该方法包括步骤：对电压或者电流进行采样；延迟一段时间；延时后如果前一次采样对象为电压则对电流进行采样，如果前一次采样对象为电流则对电压进行采样；利用采样得到的电流电压值计算无功功率，将无功功率与一阈值相比较；当无功功率小于所述阈值时，确定延迟时间为相位误差的校正时间。

本发明的方法和装置在实际测控前使用，以校正实际测控时进入测控设备的电流与电压之间由于测控设备自身硬件环境所造成的相位误差。在所述相位误差校正的过程中，校正使用的电流与电压在输入测控设备之前相位差为零。因为，在校正所述由测控设备自身硬件环境造成的相位误差时，比较无功功率的步骤中要求无功功率近似为零，即要求电压与电流之间基本不存在相位差，以判断所述的相位误差是否已经得到校正，如果校正时输入测控设备的电流与电压之间存在相角，即相位差不为零，那么该相位差将会被认为是由硬件电路所产生的相位误差的一部分，导致校正值产生偏差，影响测控设备的校正结果。

本发明的方法中，延迟时间的初始值可以为零，也可以在确定硬件电路存在相位误差的情况下设定为一个很小的时间值，以加快校正过程。

本发明的方法中，当比较无功功率的步骤中所述无功功率大于或等于所述阈值时，还包括调整延迟时间的步骤，并将调整后的延迟时间与采样周期比较，如果大于或等于采样周期则结束校正过程，如果小于采样周期则重新开始进行最初的采样步骤。

在采样电流或电压的步骤中，每次只对一个测量参量进行采样，即每次采样时只采样电流或只采样电压，电流与电压的采样不存在先后顺序，即可以先对电压进行采样，也可以先对电流进行采样。

在计算无功功率的步骤中，计算无功功率的方法可以采用将电流与电压的瞬时值相乘得到无功功率值。

在比较得到的无功功率与一阈值的步骤中，该阈值可以为零，在确定硬件电路存在一定相位误差的情况下也可以根据所需要达到的精度确定，即无功功率最大值与一小于或等于所述精度的因数的乘积为该阈值。

在调整延迟时间的步骤中，延迟时间的调整方法可以采用每次增大一个固定的步长的方法，也可以采用每次增大一个变化的步长的方法。所述步长根据测控设备的采样周期确定。

在确定延迟时间的步骤中，将该次循环的延迟时间作为最终的延迟时间也就是相位误差的校正时间，并记录在测控设备中。在后续的测控过程中，不再需要所述的相位误差的校正时间，因为经过校正以后电流与电压之间已经不存在相位误差。并且在再次使用该测控设备时，也不需要再进行相位误差的校正，因为由测控设备自身硬件环境所造成的相位误差不会再改变，而该相位误差已经由记录在测控设备中的相位误差的校正时间进行校正，所以可以直接使用该测控设备。

本发明还提出一种相应的装置中，该装置包括采样单元、计算单元、比较单元以及记录单元。基于与前述方法相同的原因，在采用该装置校正相位误差时，输入测控装置的电流和电压之间的相位差应当为零。

在本发明的装置中，采样单元用于在一延迟时间的前、后分别对电压、电流或者电流、电压进行采样，并将采样得到的电压和电流值传送至一计算单元；计算单元，用于接收所述电压和电流值，以计算得到的无功功率值，并将计算结果传送至一比较单元；比较单元，用于接收所述无功功率值，将无功功率与一阈值比较；记录单元，用于所述无功功率值小于所述阈值时，记录所述延迟时间作为相位误差的校正时间，以供再次对所述测控设备进行校正时直接调用。

在本发明的装置中，延迟时间的初始值可以为零，也可以在确定硬件电路存在相位误差的情况下设定为一个很小的时间值，以加快校正过程。

本发明的装置还包括一延时单元，当比较单元中所述无功功率大于或者等于所述阈值时，比较单元将延迟时间传送至所述延时单元，该延时单元用于调整延迟时间，并将调整后的延迟时间传送至比较单元，比较单元将调整后的延迟时间与采样周期比较，如果大于或者等于采样周期则结束校正过程，如果小于采样周期则控制采样单元重新开始采样。所述的阈值为零，或者由测控设备需要达到的精度决定，即无功功率最大值与一小于或等于所述精度的因数的乘积为该阈值。

延时单元对于延迟时间T的调整为每次增大一个固定的步长或者一个变化的步长，所述步长根据测控设备的采样周期确定。

本发明的方法和装置可以在测控设备进行实际测控之前，采用非计算方法一次性校正由测控设备自身硬件环境造成的电流与电压之间的相位误差，有助于在保持测控精度的情况下，提高相位误差校正效率，减轻计算系统负担。

附图说明

图1是本发明校正电网测控设备中相位误差的方法的流程图；以及

图2是本发明校正电网测控设备中相位误差的装置的示意图。

具体实施方式

利用本发明的方法和装置进行由测控设备自身硬件环境造成的相位误差时，校正所使用的电流与电压输入之间的相位差应为零，即电流与电压是同相的。这样是为了避免在校正过程中将该相位差计入相位误差，影响校正的结果。

请参阅图1，本发明包括主要步骤：

1)对电压或者电流进行采样；

2)延迟一段时间；

3)延时后，如果步骤1)中对电压进行采样，则采样电流，如果步骤1)中对电流进行采样，则采样电压；

4)利用步骤1)与步骤3)采样得到的电压和电流值计算无功功率；

5)将步骤4)计算得到的无功功率与一阈值进行比较；以及

6)当所述无功功率小于所述阈值时，则记录步骤2)中的延迟时间。

在步骤1)中，电网测控设备首先对电路中的电压或者电流进行采样，得到该时刻的电压或者电流值。

在步骤2)中，延迟一段延迟时间T，所述的延迟时间T的初始值根据测控设备的硬件电路是否会存在相位误差以及采样周期设定，可以设定为零或者近似为零的与采样周期相比的极小值，例如为采样周期为312.5微秒，延迟时间T设定为1微秒。基于目前的制造技术，硬件电路不可能完全相同，必然会存在相位误差，所以为了提高校正的速度，可以将延迟时间的初始值设定为所述的极小值。

在步骤3)中，电网测控设备再对电路中的电流或者电压进行采样，得到该时刻的电流或者电压值，这次的采样对象不同于上次采样。由于已经经过延迟时间T的步骤2)，所以采样电流或者电压的时刻比采样电压或者电流的时刻晚一个延迟时间T。

在步骤4)中，利用采样得到的电流和电压值计算无功功率，计算方法为例如将电压与电流分别表示为：

(公式1)以及

(公式2)

其中，u和i分别为电压和电流的最大值，ω为角频率，和

分别为电压和电流的初始相位。

视在功率为有功功率与无功功率之和，表示为：

S＝P+jQ，(公式3)

其中P为有功功率，Q为无功功率。

视在功率的计算方法为瞬时电压与电流的乘积，表示为：

S＝UI，(公式4)

所以有功功率、无功功率和相位误差的计算方法分别表示为：

(公式5)

(公式6)以及

(公式7)

在计算得到无功功率后，将其与一阈值进行比较，即进行步骤5)，如果无功功率小于该阈值，则进入步骤6)，否则进入延迟时间调整步骤。这其中阈值可以为零，也可以根据电网测控设备的精度要求判断，例如为先计算无功功率的最大值，即电流最大值与电压最大值的乘积U_max×I_max，再以该无功功率最大值与电网测控设备要求达到的精度或高于该精度的精度相乘，所得到的值作为该阈值，举例说明测控设备的精度要求为2‰时，可以设定无功功率最大值的2‰为该阈值。

在调整延迟时间的步骤中，根据采样周期增加延迟时间T。所述增加量为相对采样周期的一个极小的时间量，且该增加量固定不变，例如采样周期为312.5微秒时，设定增加量为10微秒。将增加量与原延迟时间T相加获得新的延迟时间T。在进入新的采样过程前，比较所述新的延迟时间和采样周期，当所述延迟时间大于采样周期时，则结束校正过程，即电流与电压之间的相位误差超过现有硬件可以校正的范围，需要增加额外的硬件电路；当所述延迟时间小于采样周期时，则将这个新的延迟时间T作为步骤2)中的延迟时间T，从步骤1)对电压或者电流的采样开始，进入新的循环。

本步骤中，为了加快校正的速度，确定增加量所采用的另一种方案为每次定步长的增大所述的增加量。其具体方案为，设定初始的增加量为相对采样周期的一个极小的时间量，例如采样周期为312.5微秒时，设定增加量初始值为10微秒。每次进入调整延迟时间的步骤后，使增加量比上一次进入该步骤时的增加量增大一个固定的步长，例如为1微秒。这也就是说调整延迟时间的增加量以一个固定步长增大，每次增加的延迟时间均与上次不同。所述调整延迟时间的方法可以更快的找到无功功率小于无功功率最大值2‰的点。也可以认为，为了进一步提高校正的速度，迅速找到无功功率小于无功功率最大值2‰的点，增加量改变的步长也可以取非固定值，或者以其他方式改变增加量。

在步骤6)中，延迟时间T被最终确定并作为相位误差的校正时间记录下来。在步骤5)中，如果无功功率达到小于无功功率最大值的2‰的要求，则该次循环中步骤2)采用的延迟时间T，在步骤6)中被确定为相位误差的校正时间。所述的相位误差的校正时间会被记录在测控装置中。

在记录所述相位误差的校正时间后，就已经完成该测控系统的电流和电压之间相位误差的校正。并且，由于步骤6)中记录了所述的延迟时间，所以在以后再次使用该测控系统时，无需再经过上述校正过程，可以直接调用所记录的延迟时间，获得没有相位误差的电流与电压。

进一步的说，该方法的优势还在于，确定了相位误差的校正时间T以后，该测控系统输出的电流与电压之间不再具有相位误差，所以在校正后进行的处理过程中，无需再加入所述相位误差的计算。

如图2所示，本发明还提出一种校正电网测控设备中相位误差的装置，所述装置包括：采样单元10、计算单元20、比较单元30以及记录单元50，该装置可能还包括延时单元40。

在对测控设备进行相位误差的校正时，首先由采样单元10对电流或者电压进行采样，该次采样只针对电流与电压中的一个测量参量，可以先采样电压，也可以先采样电流。并且在延迟了一段延迟时间T后，采样单元10再对电压或电流进行采样，这次采样的测量参量与上次采样不同。

采样单元10得到的电压值和电流值被传送至计算单元20，计算单元20接收到电压值和电流值后将电压值与电流值相乘，按照公式6以及公式7计算无功功率。计算出无功功率以后，计算单元20将计算得到的无功功率值传送至比较单元30。

比较单元30接收到所述的无功功率值后，将该无功功率值与一阈值进行比较，该阈值可以为零，也可以在确定测控设备存在相位误差的情况下根据测控设备所需要达到的精度确定，确定方法为先计算无功功率的最大值，即电流最大值与电压最大值的乘积U_max×I_max，再以该无功功率最大值与电网测试设备要求达到的精度或高于该精度的精度相乘，所得到的值作为该阈值，例如测控设备的精度要求为2‰时，可以设定无功功率最大值的2‰为该阈值。

在比较单元30中，当无功功率小于所述阈值时，结束校正过程，将延迟时间传送至记录单元50进行记录，即记录单元50中所记录的延迟时间T为相位误差的校正时间T，如果无功功率不小于所述阈值，则比较单元30控制延时单元40调整延迟时间，并且在得到新的延迟时间后，延时单元40再将所述调整后的延迟时间T传送至比较单元30，比较单元30将该延迟时间与采样周期进行比较，如果该延迟时间大于或等于采样周期，则结束校正过程，如果该延迟时间小于采样周期，则比较单元30控制采样单元10重新开始工作，并以调整后的延迟时间为新的延迟时间。

在延时单元40增加延迟时间时，可以采用每次增加固定的步长的方法，也可以采用每次增加变化的步长的方法。所述步长由测控设备的采样周期决定，其中变化的步长可以是固定增加量变化，也可以是不固定增加量变化。

使用本发明的装置可以一次性校正由测控设备自身硬件环境造成的相位误差，大幅度减少校正中的运算量，提高较正效率，减轻系统负担。并且采用该装置校正相位误差，还可以在后续的测控过程中直接得到没有相位误差的电流与电压，避免了后续测控过程中对于相位误差的运算。

Claims (15)

1.一种校正电网测控设备中相位误差的方法，用于校正由测控设备自身产生的电流与电压之间的相位误差，其特征在于，该方法包括步骤：

1)对电压或者电流进行采样；

2)延迟一段时间；

3)延时后，如果步骤1)中对电压进行采样，则采样电流，如果步骤1)中对电流进行采样，则采样电压；

4)利用步骤1)与步骤3)采样得到的电压和电流值计算无功功率；

5)将步骤4)计算得到的无功功率与一阈值进行比较；以及

6)当所述无功功率小于或者等于所述阈值时，确定步骤2)中所述的延迟时间为相位误差的校正时间。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，记录所述相位误差的校正时间，当再次对所述测控设备进行校正时直接调用所述相位误差的校正时间来进行所述校正。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤2)中所述的延迟时间的初始值为零。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，当步骤5)中所述无功功率大于所述阈值时，增大所述延迟时间并将其与所述测控设备的采样周期比较，当小于所述采样周期时，重新执行步骤1)，当大于或等于所述采样周期时，结束校正过程。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，每次以固定步长增大所述延迟时间。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，每次以变化步长增大所述延迟时间。

7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，所述步长根据所述述测控设备的采样周期确定。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述阈值为零。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述阈值由测控设备需要达到的精度决定，即无功功率最大值与一小于或等于所述精度的因数的乘积决定。

10.根据权利要求1-6、8-9中任意一项的方法，其特征在于，采用所述的方法进行相位误差的校正时，输入所述测控设备的所述电压与电流之间没有相位差。

11.一种校正电网测控设备中相位误差的装置，用于校正由测控设备自身产生的电流与电压之间的相位误差，其特征在于，所述装置包括：

采样单元(10)，用于在一延迟时间的前、后分别对电压、电流或者电流、电压进行采样，并将采样得到的电压和电流值传送至一计算单元(20)；

所述计算单元(20)用于接收所述电压和电流值以计算无功功率值，并将计算结果传送至一比较单元(30)；

所述比较单元(30)用于接收所述无功功率值，将所述无功功率值与一阈值比较；以及

一记录单元(50)用于当所述无功功率值小于或者等于所述阈值时记录所述延迟时间作为相位误差的校正时间，以供再次对所述测控设备进行校正时直接调用；

一延时单元(40)，用于当所述无功功率值大于所述阈值时增大所述的延迟时间，并将增大后的延迟时间传送至所述比较单元(30)，所述比较单元(30)将所述增大后的延迟时间与所述测控设备的一采样周期比较，当小于所述采样周期时，令采样单元(10)重新开始采样，当大于或者等于所述采样周期时，结束校正过程。

12.根据权利要求11的装置，其特征在于，延迟时间的初始值为零。

13.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述阈值为零。

14.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述阈值由测控设备需要达到的精度决定，即无功功率最大值与一小于或等于所述精度的因数的乘积决定。

15.根据权利要求11的装置，其特征在于，采用所述装置进行相位误差的校正时，输入测控设备的电压与电流之间没有相位差。

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