CN102540136A - 快速校正电能表相位误差的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子式电能表的计量领域，公开了一种快速校正电能表相位误差的方法及其装置。本发明中，通过内部数字调整电压电流相角的方式来模拟电抗性负载，校正时仅需输入纯电阻负载下的电压和电流信号，降低校正要求并简化校正过程，实现单点校正电能表误差，且不受采样率和输入频率变化的影响。相角不要求是准确的60度，不受电网频率的影响，可支持50Hz或60Hz电网系统的宽工频范围。

Description

快速校正电能表相位误差的方法及其装置

技术领域

本发明涉及电子式电能表的计量领域，特别涉及快速校正电能表相位误差的技术。

背景技术

近年来随着国家对智能电网的大力支持，电子式电能表的市场需求量也不断扩大。电能计量这个基本单元必在其中，而在大批量、低成本的电能表生产行业里，成本是关键的因素，而校正成本又主要体现在校正时间上，如果能运用合理的技术改进方法，来减少校正总时间，势必优化校正成本，提高产品的市场竞争力。

电能表是由多个分立部件组装而成，必然存在一定的离散性，也就会产生误差，从而需要校表环节来保证个体的一致性。电能表的校正大多使用标准源提供参考输入(如电压220V/电流5A)，利用其输出的电能校正脉冲和标准表脉冲比较的误差校表。具体地，通常采用经典的双点校正法，第一点是在100％Ib负载点校正功率增益误差，此时电压电流同相位，即在1.0R负载条件下校正；第二点在100％Ib负载点校正功率相位误差，此时电压超前电流60度，即在0.5L负载条件下校正。在这里，Ib是指基准电流，不同的电表基准电流不同。1.0R指负载为纯电阻，此时功率因数为1.0，0.5L是电感负载且电压超前电流60度，此时功率因数是0.5。

由此可见，传统的两点校正，需要标准源两次驱动，测试步骤较多，校正时间也较长。

因此，在现有技术中，亟需能够减少测试步骤，并节省校正时间，进而降低电能表厂商的生产成本的校正技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速校正电能表相位误差的方法及其装置，降低校正要求并简化校正过程，实现单点校正电能表误差，且不受采样率和输入频率变化的影响。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种快速校正电能表相位误差的方法，包括以下步骤：

对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号；

根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率；

将第一有功功率与第二无功功率的乘积作为第一乘积；将第一无功功率与第二有功功率的乘积作为第二乘积；将第一有功功率与第二有功功率的乘积作为第三乘积；将第一无功功率与第二无功功率的乘积作为第四乘积；

将第一乘积与第二乘积的和除以第三乘积与第四乘积的差所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

本发明的实施方式还公开了一种快速校正电能表相位误差的装置，包括：

相移单元，用于对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号；

功率计算单元，用于根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率；

相位误差计算单元，用于计算相位误差的相角，其中，包括：

第一乘法器，用于将第一有功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第一乘积；

第二乘法器，用于将第一无功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第二乘积；

第三乘法器，用于将第一有功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第三乘积；

第四乘法器，用于将第一无功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第四乘积；

加法器，用于将第一乘积与第二乘积相加；

减法器，用于将第三乘积与第四乘积相减；

除法器，用于将加法器输出的结果除以减法器输出的结果，所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

通过内部数字调整电压电流相角的方式来模拟电抗性负载，校正时仅需输入纯电阻负载下的电压和电流信号，降低校正要求并简化校正过程，实现单点校正电能表误差(因为校正功率增益误差也是在纯电阻负载下进行的，所以原先对校正功率增益误差和校正功率相位误差的双点校正可以在单点完成)，且不受采样率和输入频率变化的影响。

进一步地，如果相角太大或太小，会导致其正弦或余弦的值太大或太小，无法保证计算精度。

进一步地，相角不要求是准确的60度，不受电网频率的影响，可支持50Hz或60Hz电网系统的宽工频范围。

进一步地，在时间上分两次操作，得到第一次结果作缓冲后，再改变输入获得第二次结果，从而间接得到两个功率计算单元的效果，这样可以节省一个功率计算单元，更经济。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中一种快速校正电能表相位误差的方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施方式中一种有功功率和无功功率计算方案的示意图；

图3是本发明第一实施方式中一种相移延迟构造法的相位误差计算方案的示意图；

图4是本发明第二实施方式中一种快速校正电能表相位误差的装置的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种快速校正电能表相位误差的方法。图1是该快速校正电能表相位误差的方法的流程示意图。

具体地说，如图1所示，该快速校正电能表相位误差的方法主要包括以下步骤：

在步骤101中，对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号。

在这里，对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，相角的大小在20度至70度之间。

如果相角太大或太小，会导致其正弦或余弦的值太大或太小，无法保证计算精度。

在本发明中，相角并非一定要准确的60度，仅需要稳定的较大锐角即可。当然也可以比20度小或比70度大，只是效果会差一些。

相移的实现方法为：

将第一电压信号和第一电流信号分别通过数字缓冲延时N点，N取fs/fin/6的整数，其中fs为模数转换器的采样频率，fin为电网信号频率。

通过上述方法实现相移，相角不要求是准确的60度，不受电网频率的影响，可支持50Hz或60Hz电网系统的宽工频范围。

此外，可以理解，相移的实现方法可以是多种多样的，N点的延时线方法只是其中最简单的一种，此外还可以通过滤波延时以及各种等效延时的方法实现。

具体地说：

相移Delay环节的实现方法，最简单的莫过于N点的延迟线，相当于一个FIFO(First In Fist Out)。设模数转换器(Analog to Digital Converter，简称“ADC”)的采样速率为fs，电网信号频率fin，则单周期点数[fs/fin]，众所周知正弦波一周360度，若想实现60度相移，即延时点N取INT[fs/fin/6]即可，INT[.]为取整运算，实际相移角度为[N＊fin/fs＊360]。举个实例，如fs＝8kHz，fin＝50Hz，则N＝INT[8000/50/6]＝INT[26.6]＝26，此时的26点实际相移26＊50/8000＊360＝58.5度。典型0.5L负载相移60度，但本文的方法并不要求准确的60度，这个优点还体现在不受电网频率影响上，在50Hz即使有正负10％波动(即45～55Hz)的宽频率范围内，此例的延迟26点对应着相移最小为[26＊45/8000＊360]度，最大为[26＊55/8000＊360]度，即相移范围在52.65度至64.35度之间，如此大的范围仍保证相角在60度附近，由于对称抵消而并不受其影响，同时对于美国、日本等60Hz的电网，此方法依然奏效。

其实，相移Delay环节并不限于数字延时方法，可以多种多样的，比如用简单滤波器实现。对滤波器的幅度响应上并无特别要求，只要保证工频信号不产生过大的衰减即可，唯一的要求即在40～70Hz频段内的相位，大约在40～80的合理范围内。与延迟线方法相比，相当于用增加的计算去减少采样率较大时的缓冲空间。需要强调一下，相移Delay环节的实现，包括但不仅限于通过缓冲延时、滤波延时及各种等效延时的方式技术手段。

此后进入步骤102，计算第一有功功率、第一无功功率、第二有功功率和第二无功功率。

根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率。

其中，有功功率的计算步骤为：

将第一电压信号和第二电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第一有功功率；

将第二电压信号与第一电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第二有功功率；

无功功率的计算步骤为：

先将第一电压信号经过90度的相移，相移以后的电压信号与第二电流信号相乘，相乘所得信号通过滤波后再多点取平均得到第一无功功率；

先将第二电压信号经过90度的相移，相移以后的电压信号与第一电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多取平均得到第二无功功率。

具体地说，基本的有功功率P和无功功率Q的功率计算原理如图2所示。u(t)和i(t)代表电网实际的电压电流，在经模数转换器ADC采样量化而得的数字信号，本质上是以工频(中国为50Hz)为周期的正弦波。u(t)和i(t)信号相乘、低通滤波环节、多点取平均后即得到有功功率，在幅度上对应用户的电能消耗速率。特别地，电压u(t)经数字的90度相移环节后，其输出uh(t)在相位产生1/4周波延迟，将余弦波转换正弦波信号，方便实现无功功率及电能的计算。

u(t)＝ku*cos(ωt)，

uh(t)＝ku*cos[ωt-(pi/2)]＝ku*sin(ωt)

这里的ku、ki对应着信号传输路径上的增益，计算功率：

为简化起见，记k＝ku*ki/2，滤波并平均后得：

有功功率

同理可推出无功功率

在本实施方式中，先将第一电压信号和第二电流信号输入功率计算单元，计算第一有功功率和第一无功功率，然后将结果缓存。

再将第二电压信号和第一电流信号输入功率计算单元，计算第二有功功率和第二无功功率。

这样，在时间上分两次操作，得到第一次结果作缓冲后，再改变输入获得第二次结果，从而间接得到两个功率计算单元的效果，这样可以节省一个功率计算单元，更经济。

此外，可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，也可以先计算第二有功功率和第二无功功率，再计算第一有功功率和第一无功功率，或者以多个功率计算单元并行地计算。

此后进入步骤103，计算相位误差的相角。

将第一有功功率与第二无功功率的乘积作为第一乘积；将第一无功功率与第二有功功率的乘积作为第二乘积；将第一有功功率与第二有功功率的乘积作为第三乘积；将第一无功功率与第二无功功率的乘积作为第四乘积；

将第一乘积与第二乘积的和除以第三乘积与第四乘积的差所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

下面，详细描述本发明的相位误差计算原理。具体地说，如图3所示，ux(t)和ix(t)表示某相的电压电流输入，设模拟输入路径的电压电流相位误差Δ(通常不大于2度)。经过相移Delay环节，此环节提供相角

(典型值为60度)，得到延时输出uxd(t)和ixd(t)，交叉送入两个功率计算单元，分别算出第一有功功率p1、第一无功功率q1、第二有功功率p2和第二无功功率q2，再经简单运算即可得到相位误差Δ。公式推导过程如下：

这里的Δ，对应模拟信号传输路径(电压互感器，电流互感器，外围RC等)额外引入的角度误差，对于功率计算会贡献额外的相位计算误差，k1、k2为途径的之前计算单元总的增益。需要注意的是，此处借用了另外一个功率计算单元，在实现方面，当然可以复制该功率计算单元；但更经济的做法是在时间上分两次操作，得到第一次结果作缓冲后，再改变输入获得第二次结果，从而间接得到两个功率计算单元的效果。

根据上面的结果，由于小角度和其正切值可做近似替换，便可计算出角差，

$\mathrm{\Δ}=\left(2\mathrm{\Δ}\right)*\frac{1}{2}\≈\tan \left(2\mathrm{\Δ}\right)*\frac{1}{2}=\left(\frac{p1*q2+q1*p2}{p1*p2-q1*q2}\right)*\frac{1}{2}$

角差的单位为弧度(rad)，对应角度为Δ*(180/π)。此外可以注意到，该公式与k1、k2是否相等无关，这无形中减少了中间计算，也提高了此方法精度损失。更为关键的是，通过利用对称式结构放松了对ui相角的要求，

角并非一定准确是60度，仅需要稳定的较大锐角即可。

通过内部数字调整电压电流相角的方式来模拟电抗性负载，校正时仅需输入纯电阻负载下的电压和电流信号，降低校正要求并简化校正过程，实现单点校正电能表误差，且不受采样率和输入频率变化的影响。

客户方面(如电表表厂)的实际校表操作步骤：保持标准源提供Un和Ib(如220V/5A)的1.0R输入后，首先清零相位校正寄存器，然后启动相位校正命令，内部便开始应用此法进行自动操作，可通过主动查询或输出中断的方式来宣告相位校正结束，客户可去读取相位校正寄存器察看并备份。当然，客户可驱动0.5L的输入去验证相位误差已校正好，即功率或电能误差基本保持不变，不再随相位角的增大而增大了。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

本发明第二实施方式涉及一种快速校正电能表相位误差的装置。图4是该快速校正电能表相位误差的装置的结构示意图。

具体地说，如图4所示，该快速校正电能表相位误差的装置主要包括：

相移单元，用于对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号。

相移单元对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，相角的大小在20度至70度之间。

如果相角太大或太小，会导致其正弦或余弦的值太大或太小，无法保证计算精度。

此外，可以理解，相角并非一定要准确的60度，仅需要稳定的较大锐角即可。当然也可以比20度小或比70度大，只是效果会差一些。

所述相移单元中还包括数字缓冲延时子单元，用于将所述第一电压信号和第一电流信号分别进行数字缓冲延时N点，N取fs/fin/6的整数，其中fs为模数转换器的采样频率，fin为电网信号频率。

功率计算单元，用于根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功无功。

所述功率计算单元中包括以下子单元：

第五乘法器，用于将第一电压信号与第二电流信号相乘(用于计算有功功率时)，或者将第二电压信号与第一电流信号相乘(用于计算无功功率时)；

相移子单元，用于在进入第五乘法器之前，先将第一电压信号或第二电压信号进行90度的相移；

低通滤波器，用于将第五乘法器输出的信号进行低通滤波；

取平均子单元，用于将低通滤波器输出的信号多点取平均得到所述有功功率或无功功率。

在本实施方式中，功率计算单元的个数为1个。

功率计算单元在计算功率的时候，先将第一电压信号和第二电流信号输入功率计算单元，计算第一有功功率和第一无功功率，然后将结果缓存。再将第二电压信号和第一电流信号输入功率计算单元，计算第二有功功率和第二无功功率率。

当然，也可以先计算第二有功功率和第二无功功率，再计算第一有功功率和第一无功功率。

只有一个功率计算单元，计算功率时，在时间上分两次操作，得到第一次结果作缓冲后，再改变输入获得第二次结果，从而间接得到两个功率计算单元的效果，这样可以节省一个功率计算单元，更经济。

当然，在本发明的其它某些实施方式中，功率计算单元的个数也可以不是1个，而是2个或以上。

相位误差计算单元，用于计算相位误差的相角，其中，包括：

第一乘法器，用于将第一有功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第一乘积；

第二乘法器，用于将第一无功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第二乘积；

第三乘法器，用于将第一有功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第三乘积；

第四乘法器，用于将第一无功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第四乘积；

加法器，用于将第一乘积与第二乘积相加；

减法器，用于将第三乘积与第四乘积相减；

除法器，用于将加法器输出的结果除以减法器输出的结果，所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种快速校正电能表相位误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号；

根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率；

将第一有功功率与第二无功功率的乘积作为第一乘积；将第一无功功率与第二有功功率的乘积作为第二乘积；将第一有功功率与第二有功功率的乘积作为第三乘积；将第一无功功率与第二无功功率的乘积作为第四乘积；

将第一乘积与第二乘积的和除以第三乘积与第四乘积的差所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

2.根据权利要求1所述的快速校正电能表相位误差的方法，其特征在于，在所述对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号的步骤中，所述相角的大小在20度至70度之间。

3.根据权利要求2所述的快速校正电能表相位误差的方法，其特征在于，在所述对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号的步骤中，相移的实现方法为：

将所述第一电压信号和第一电流信号分别通过数字缓冲延时N点，N取fs/fin/6的整数，其中fs为模数转换器的采样频率，fin为电网信号频率。

4.根据权利要求3所述的快速校正电能表相位误差的方法，其特征在于，在所述根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率的步骤中，

所述有功功率的计算步骤为：

将第一电压信号和第二电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第一有功功率；

将第二电压信号与第一电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第二有功功率；

所述无功功率的计算步骤为：

先将第一电压信号经过90度的相移，相移以后的电压信号与第二电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第一无功功率；

先将第二电压信号经过90度的相移，相移以后的电压信号与第一电流信号相乘，相乘所得信号通过低通滤波，滤波后再多点取平均得到第二无功功率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的快速校正电能表相位误差的方法，其特征在于，在所述根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率的步骤中，包括以下子步骤：

先将所述第一电压信号和第二电流信号输入功率计算单元，计算第一有功功率和第一无功功率，然后将结果缓存；

再将所述第二电压信号和第一电流信号输入功率计算单元，计算第二有功功率和第二无功功率。

6.一种快速校正电能表相位误差的装置，其特征在于，包括：

相移单元，用于对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，得到第二电压信号和第二电流信号，其中第一电压信号和第一电流信号是纯电阻负载下的电压和电流信号；

功率计算单元，用于根据第一电压信号和第二电流信号计算第一有功功率和第一无功功率，根据第二电压信号和第一电流信号计算第二有功功率和第二无功功率；

相位误差计算单元，用于计算相位误差的相角，其中，包括：

第一乘法器，用于将第一有功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第一乘积；

第二乘法器，用于将第一无功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第二乘积；

第三乘法器，用于将第一有功功率与第二有功功率相乘，乘积作为第三乘积；

第四乘法器，用于将第一无功功率与第二无功功率相乘，乘积作为第四乘积；

加法器，用于将第一乘积与第二乘积相加；

减法器，用于将第三乘积与第四乘积相减；

除法器，用于将加法器输出的结果除以减法器输出的结果，所得的商再除以2，得到相位误差的相角。

7.根据权利要求6所述的快速校正电能表相位误差的装置，其特征在于，所述相移单元对第一电压信号和第一电流信号分别进行相同相角的相移，相角的大小在20度至70度之间。

8.根据权利要求7所述的快速校正电能表相位误差的装置，其特征在于，所述相移单元中还包括数字缓冲延时子单元，用于将所述第一电压信号和第一电流信号分别进行数字缓冲延时N点，N取fs/fin/6的整数，其中fs为模数转换器的采样频率，fin为电网信号频率。

9.根据权利要求8所述的快速校正电能表相位误差的装置，其特征在于，所述功率计算单元中包括以下子单元：

第五乘法器，用于将第一电压信号与第二电流信号相乘；或者将第二电压信号与第一电流信号相乘；

相移子单元，用于在进入第五乘法器之前，先将第一电压信号或第二电压信号进行90度的相移；

低通滤波器，用于将第五乘法器输出的信号进行低通滤波；

取平均子单元，用于将低通滤波器输出的信号多点取平均得到所述有功功率或无功功率。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的快速校正电能表相位误差的装置，其特征在于，所述功率计算单元的个数为1个。

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