CN103743933A - 一种单相电能表对自热影响的补偿算法及单相电能表 - Google Patents

一种单相电能表对自热影响的补偿算法及单相电能表 Download PDF

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CN103743933A CN201310754322.0A CN201310754322A CN103743933A CN 103743933 A CN103743933 A CN 103743933A CN 201310754322 A CN201310754322 A CN 201310754322A CN 103743933 A CN103743933 A CN 103743933A
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Abstract

本发明公开了一种单相电能表对自热影响的补偿算法和包括该算法的单相电能表,通过在调试工艺增加阶跃响应和零输入响应试验确定补偿算法中的系数。本发明的优点是:通过对电流值的持续采集,换算出当时的自热效应,通过对有功增益反向调节,对自热影响造成的误差温漂进行有效的抑制,本发明无需增加硬件成本,简单方便,可行性高。

Description

一种单相电能表对自热影响的补偿算法及单相电能表
技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备的开发设计及生产应用领域,尤其涉及电能计量方面自热效应引起误差温漂补偿方面的算法和生产工艺,具体是一种单相电能表对自热影响的补偿算法及单相电能表。
背景技术
[0002]目前国内的单相智能电能表,大多采用锰铜分流器进行电流采样,由于目前对电能表量程宽度要求越来越高,以及生产厂家对成本控制严格,锰铜分流器的阻值越做越大,用料越来越省。阻值大则输入同样的电流发热就大,用料省则锰铜分流器的散热面积小。如果电能表长时间工作在较大电流输入的状态下,分流器发热严重,即使锰铜有着良好的温度特性,仍不可避免的发生分流器阻值较大改变的现象。当分流器阻值发生改变时,会造成电流通道采样电压的改变,进而改变误差。实测某型电能表在极限大电流输入下误差漂移达0.8%之多。因此,自热影响造成的计量失准会给用户带来不可忽视的经济损失。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种能够减少测量误差的单相电能表对自热影响的补偿算法及单相电能表。
[0004] 技术方案:一种单相电能表对自热影响的补偿算法,它包括以下步骤:1)通过分流器持续采集电流值i (t),2)通过采集到的电流值i (t)计算当前误差温漂,误差温漂采用下式计算:
Figure CN103743933AD00041
[0006] 式中:k为方程通解中的一个常量;R表示分流器的电阻;i(t)为采样得到电流值;c为分流器的热容;a是误差和温度差之间的比例系数,即
Figure CN103743933AD00042
表示分流器温
度与环境温度之差彳是热传递瞬时速度和温度差之间的比例系数,即$ =/Af ^表
示热量传递的瞬时速度,表示分流器温度与环境温度之差;3)针对该误差温漂调整增
益,在初始增益Gtl附近,给予一个微调的增益G (t) =-(l+G0)E(t)对所述误差温漂进行补
[0007]为求得补偿系数
Figure CN103743933AD00043
在第一种方案中,对于任意表型,步骤2)中所述系
Figure CN103743933AD00044
通过在电能表生产过程的调试步骤中增加阶跃响应试验确定:在一定环境
温度下,对电能表加载恒定电流,描绘其误差阶跃响应曲线,将曲线中的若干点代入式(I)
计算系数
Figure CN103743933AD00045
[0008]为求得补偿系数
Figure CN103743933AD00051
在第二种方案中,对于任意以分流器为电流采样
元件的电能表,所述步骤2)中系数
Figure CN103743933AD00052
通过在电能表生产过程的调试步骤中增加
阶跃响应和零输入响应试验确定:首先,在一定环境温度下,对电能表加载恒定电流,观察误差阶跃响应曲线,误差在时间ti后稳定;在时间o-ti内,误差时间函数用拟合曲线
[0009]
Figure CN103743933AD00053
[0010] 表示,对式(3)求导得到
[0011]
Figure CN103743933AD00054
[0012] 式(3)和式(4)并结合误差阶跃响应曲线可得
Figure CN103743933AD00055
值;
[0013] 当获得稳态误差后,中断电流输入,电能表开始零输入响应,误差在瞬态分量
Figure CN103743933AD00056
作用下趋近于0 ;零输入响应进行一段时间t2后电能表重测误差为E (t2),可得
Figure CN103743933AD00057
[0015]由式(5)可得
Figure CN103743933AD00058
[0016] 更具体的,对于任意表型,所述加载的恒定电流为该电能表的最大电流。
[0017] 更具体的,对于任意以分流器为电流采样元件的电能表,所述一定环境温度为27°C,所述加载恒定电流为60A,为36分钟,t2为63分钟。
[0018] 一种对自热影响有效补偿的单相电能表,它包括电压电流采样回路、计量模块、MCU控制模块和电源电路,所述电压电流采样回路将采集信号输入计量模块,所述计量模块与MCU控制模块双向连接,所述计量模块和MCU控制模块均与电源电路相连,所述MCU控制模块包含本发明前述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法。
[0019] 有益效果:本发明的自热影响的补偿算法,有效的对电能表的自热影响进行补偿,减少了电能表的计量误差。在计算补偿系数过程中,第一种实施方式,通过不停的采集数据
来描绘曲线,可直接算出补偿系数
Figure CN103743933AD00059
第二种实施方式,针对任意以分流器为电
流采样元件的同一型号电能表,通过分析其一般性规律得到拟合曲线,适用于工业大批量生产。
[0020] 包含本算法的电能表通过对电流值的运算,产生自热补偿值,即时地干预计量芯片对电量的累计,达到消除或抑制自热影响的目的。本发明的电能表不增加任何硬件成本,简单方便,可行性高。
具体实施方式[0021] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方案及功效,结合较佳实施例,对依据本发明提出的像素驱动电路、显示面板及显示面板驱动方法的具体实施方式详细说明。所采取的较佳实施例仅为提供参考和说明,不应视为对本发明的限制。
[0022] 一种单相电能表对自热影响的补偿算法,它包括以下步骤:1)通过分流器持续采集电流值i (t),2)通过采集到的电流值i (t)计算当前误差温漂,误差温漂采用下式计算:
[0023]
Figure CN103743933AD00061
[0024] 式中:k为方程通解中的一个常量;R表示分流器的电阻;i(t)为采样得到电流值;c为分流器的热容;a是误差和温度差之间的比例系数,即E = aAT,A T表示分流器温
度与环境温度之差;\是热传递瞬时速度和温度差之间的比例系数,即
Figure CN103743933AD00062
示热量传递的瞬时速度,AT表示分流器温度与环境温度之差;3)针对该误差温漂调整增
益,在初始增益Gtl附近,给予一个微调的增益G(t) =_(1+¾)E(t)对所述误差温漂进行补m
\-ZX o
[0025] 原理说明:
[0026] 电流流经采样电阻R,在分流器上获得电流采样电压Vi,电流采样电压用Vi(t)=i(t)*R表示;电压经分压后获得电压采样电压Vu。电能可以表述为电压与电流的乘积在一段时间内的积分,它一定正比于电流米样电压Vi与电压米样电压Vu的乘积在该时间内的积分。也即:
[0027] Q = K / Vu(t) ^Vi (t) dt = K / Vu(t) *i (t) *Rdt = KR* f Vu(t)*i(t)dt (6)
[0028] 其中K即实际电量与采样值之间的比例系数,通过设置电压通道增益、电流通道增益、有功增益、有功脉冲分频系数等线性参数来确定合适的K值,使得电能表最终反映真实的电量,也即误差接近O。
[0029] 然而实际观察到的现象是:电能表在恒定的电压、电流下,误差并不能保证始终在0附近。而是在从0开始向一个方向漂,经过一段时间后,误差趋近稳定。以下对此现象作简单分析:
[0030] 电压电流是恒定的,所以采样电压通道采样值Vu(t)不变,电流值i(t)不变,电压通道增益、电流通道增益、有功增益、有功脉冲分频系数一经设定,K值也固定。因此/ Vu(t)*i(t)dt不变。能改变单位时间内累积电量的只能是采样电阻R的变化.假定初始误差为0,经过一段时间后误差为E。
[0031]
Figure CN103743933AD00063
[0032] 式中Rci是电阻变化前的阻值Wtl是阻值变化前单位时间累积电量况表示电阻变化后的阻值^表示阻值变化前单位时间累积电量。
[0033] 式(7)指出了误差与分流器阻值间的关系。而分流器阻值变化是由于温度发生了改变。分流器的材质为锰铜,其阻值和温度大体上呈如下关系:[0034]
Figure CN103743933AD00071
[0035] 其中R表示分流器温度为T时的阻值;R27表示27度时分流器的阻值;T表示分流器的温度;a使电阻温度曲线具有斜率;b使电阻温度曲线发生弯曲。与a相比,b是一个非常小的值。只有当T远远大于27度时,b(T-27)2分式才能体现其弯曲效果,而电能表正常工作温度范围内b(T-27)2分量可以视为O。另外式中T定义为分流器的温度,如果T的定义改为分流器的温度与27度的差值,则可以进一步简化表达式:
[0036]
Figure CN103743933AD00072
[0037] 假设电能表在室温27度时开始做自热影响试验,初始时分流器温度等于环境温度27度,电能表误差为O。当电流流经分流器一段时间,在分流器上产生热效应,改变了分流器的温度,继而改变其阻值,最终改变了电能表的误差。结合式(7)和式(8)得到:
[0038]
Figure CN103743933AD00073
[0039] 式(9)中Rtl和R1定义为温度改变前后的阻值;R27和R定义为环境温度27度时自热影响试验前后的阻值,两者定义完全一致。式4表明误差正比于温差。由于温差的测量比较困难,利用式4可以用容易测量的误差代替温差做进一步分析。
[0040] 对分流器建立能量平衡方程:
[0041] 电流流经分流器所积聚的热量+分流器与外界交换的热量=分流器温度改变而储存或释放的热量。
[0042] 假设从h时刻到&时刻期间,对分流器R施以变化的电流i (t),这段时间内积聚的能量为
Figure CN103743933AD00074
[0043] 根据牛顿冷却定律:对流换热时,单位时间内物体单位表面积与流体交换的热量,同物体表面温度与流体温度之差成正比。也就是:
[0044]
Figure CN103743933AD00075
:表不热量传递的瞬时速度;T表不分流器温度与环境温度之
差;入是热传递速度和温度差之间的比例系数。该比例系数依介质不同而不同。那么从h时刻到h时刻,采样电阻与环境之间有温差T(t),那么采样电阻与环境交换的热量为
[0045] 当分流器温度改变时,因其具有热容,所以分流器本身可以储存或释放热量。从t0时刻到h时刻,该部分热量值为
Figure CN103743933AD00076
。c表示分流器的热容。
[0046] 能量平衡方程可以表示为:
[0047]
Figure CN103743933AD00077
[0048] 该式的微分表不为:
[0049]
Figure CN103743933AD00078
[0050] 式(10)表明在任意时刻,电流热效应积聚热量的速度与分流器热量耗散速度之差,正比于分流器温度的变化率,系数即分流器的热容。
[0051] 将式(9)误差与温度方程E(t)=aT(t)代入到式(10)能量平衡方程
Figure CN103743933AD00081
中得到:
[0052]
Figure CN103743933AD00082
[0053] 这是一个一阶线性微分方程.它有通解:
[0054]
Figure CN103743933AD00083
[0055] 该式表明,MCU只要连续的从计量单元中采集电流值,经过式(I)的计算,就可以确知当前因为自热影响造成的误差漂移,进而通过修正增益来补偿误差的温漂。
[0056]目前使用中的计量芯片,有功输入信号、增益、有功输出之间都有关系:
[0057] S*(1+G)=0。其中S表示输入;G表示增益;0表示输出。
[0058] 恒定的输入信号下修改增益G可改变输出,进而调整误差。例如:
[0059] S* (I+G0) =O0,G0 初始增益
[0060] S* (I+Gn) =On, Gn 调整后增益
[0061] 如果在初始增益下有误差Etl,调整后有误差En。则有:
[0062] S*(l+Gn)=0n=P(l+En)
[0063] S*(l+G0) =O0=P (I+E0)
[0064] 其中P表示真实的功率。两式相比后得到:
[0065]
Figure CN103743933AD00084
[0066]令 Dg=Gn-Gtl, De=En-E0 代入上式得到:
Figure CN103743933AD00085
[0067] 本式的意义是:有功增益在Gtl的基础上修正Dg,会导致电能表在初始误差Etl的基础上改变D6。自热补偿的目的是对初始误差为0的电能表,逆向补偿其自热误差。因此:
[0068] 初始误差E0=O
[0069] 有功增益补偿值G (t) =-Dg
[0070]自热效应误差
Figure CN103743933AD00086
[0071] 从而有
Figure CN103743933AD00087
该式表明在初始增侃Gq附近,给予
一个微调的增益G (t),即可补偿电流自热效应带来误差温漂。
[0072]为求得该补偿算法中的系数
Figure CN103743933AD00088
,本发明采取下述两种方案。
[0073] 实施例1
[0074] 27°C的环境温度下,在电能表生产过程的调试步骤中进行阶跃相应试验,对电能表加载恒定最大电流,描绘其误差阶跃相应曲线,将曲线中的若干点代入式
Figure CN103743933AD00091
列方程组求解系数
Figure CN103743933AD00092
C J C C
[0075] 实施例2
[0076] 针对任意以分流器为电流采样元件的电能表,以国网单相智能表为例,在27°C的环境温度下,在电能表生产过程的调试步骤中进行阶跃响应试验,对该表型的不同原型表加载恒定最大电流60A,观察其误差阶跃响应曲线。该表型的不同原型表的时间-误差曲线均在通60A电流36分钟达到稳态误差,该表型的不同原型表的时间-误差数据符合拟合
函数
Figure CN103743933AD00093
,对该式求导后得
Figure CN103743933AD00094
,取时间为9分钟和
36分钟代入上述二式得到:
[0077]
Figure CN103743933AD00095
[0078] 同时将9分钟和36分钟代入
Figure CN103743933AD00096
最终得到:
Figure CN103743933AD00097
[0079] 当获得稳态误差后,中断电流输入,电能表开始零输入响应,误差在瞬态分量
Figure CN103743933AD00098
作用下趋近于0 ;零输入响应进行一段时间63分钟后重测误差,可得:
Figure CN103743933AD00099
,进而得到
Figure CN103743933AD000910
[0080] 计算原理说明(以国网单相智能表为例):
[0081]
Figure CN103743933AD000911
发现误差由稳态分量
Figure CN103743933AD000912
和瞬态分量
Figure CN103743933AD000913
组成。生产工艺中加入阶跃响应和零输入响应试验来确定其参数。
[0082] 阶跃响应:
[0083] 环境温度为27度(分流器初始温度也是27度),取若干电能表加载稳定的60A电流,其误差初始接近0,观察其阶跃响应。随着时间推移,误差逐渐改变,并最终趋于稳定。
[0084] 限于工艺原因,即使同一型电能表,其分流器大小/形状/阻值还是有一定程度的差别,因此阶跃响应的曲线各不相同。但仍遵循一些共有的规律,我们对一定数量的同类型同规格原型表进行试验,分析其一般性规律,进行拟合曲线,该规格所有表都有:
[0085] 1、在通60A电流后36分钟,达到稳态误差,误差变化率为0 ;
[0086] 2、误差时间函数可用印)
Figure CN103743933AD000914
表示;t的单位是分钟。E(36)表示稳
态误差,也即36分钟及以后的误差。[0087] 上式说明:阶跃响应时,各表虽然有各不相同的稳态误差E(36),但有统一的规律趋近各自的稳态误差。
[0088]
Figure CN103743933AD00101
[0089] 取时间9分钟和36分钟代入上面两式得到:
[0090]
Figure CN103743933AD00102
[0093] 同时将9分钟和36分钟代入式(11)
Figure CN103743933AD00103
因为是阶跃输入,
Figure CN103743933AD00104
最后得到:
[0094]
Figure CN103743933AD00105
[0095] 零输入响应:
[0096] 当获得稳态误差后,中断电流输入,电能表开始零输入响应。此时i (t)=i=0A,稳态分量
Figure CN103743933AD00106
:分流器与外界环境交换热量而不停降温,表现为误差在瞬态分量
kL -作用下按指数规律趋近于0.[0097] 为方便起见,本型电能表在63分钟后重测误差,选取63分钟是在选取曲线中间斜率合理的地方,接近于半衰期的点。测得各电能表误差为:
[0098]
Figure CN103743933AD00107
[0099] 这里E (63)是指零输入后63分钟的误差。解上式得到
[0100]
Figure CN103743933AD00108
[0101] 这样,自热影响补偿算法
Figure CN103743933AD00109
里边所有参数都已
经确定了:
[0102]
Figure CN103743933AD001010
其中E(36)由阶跃响应试验获得,每个表各不相同。
[0103]
Figure CN103743933AD001011
|通过阶跃响应试验获得,同一型电能表该值相同。
[0104]
Figure CN103743933AD001012
通过零输入试验获得。[0105] 说明书中以国网单相智能表表型为例对电能表的系数
Figure CN103743933AD00111
k的计算原理及
计算方法进行说明,本领域技术人员阅读本文,可以得出任意以分流器为电流采样元件的电能表的系数
Figure CN103743933AD00112
的计算原理及计算方法。
[0106] 本发明还包括一个对自热影响有效补偿的单相电能表,它包括电压电流采样回路、计量模块、MCU控制模块和电源电路,所述电压电流采样回路将采集信号输入计量模块,所述计量模块与MCU控制模块双向连接,所述计量模块和MCU控制模块均与电源电路相连,所述MCU控制模块包含本发明中所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法。
[0107] 本发明的单相电能表实时的监测输入电流,并根据补偿算法,动态的修正有功增益,使得自热影响造成的误差温漂被抑制在一个可以接受的范围内。
[0108] 尽管本发明已经参照优选实例进行了说明,但是,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化,和等同物有所附的权利要求书的内容涵盖。
[0109] 本发明未涉及技术均与现有技术相同,或可采用现有技术实现。

Claims (6)

1.一种单相电能表对自热影响的补偿算法,其特征在于它包括以下步骤:1)通过分流器持续采集电流值i (t),2)通过采集到的电流值i (t)计算当前误差温漂,误差温漂采用下式计算:
Figure CN103743933AC00021
式中:k为方程通解中的一个常量;R表示分流器的电阻;i(t)为釆样得到电流值;c为分流器的热容;a是误差和温度差之间的比例系数,即E = a AT,AT表示分流器温度与环境温度之差八是热传递瞬时速度和温度差之间的比例系数,即
Figure CN103743933AC00022
表示热量 传递的瞬时速度,AT表示分流器温度与环境温度之差;3)针对该误差温漂调整增益,在初始增益Gtl附近,给予一个微调的增益G(t) =-(l+G0)E(t)对所述误差温漂进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法,其特征在于对于任意表型的电能表,步骤2)中所述系数1、丨通过在电能表生产过程的调试步骤中增 加阶跃响应试验确定: 在一定环境温度下,对电能表加载恒定电流,描绘其误差阶跃响应曲线,将曲线中的若干点代入式(I)计算系数
Figure CN103743933AC00023
3.根据权利要求1所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法,其特征在于对于任意以分流器为电流采样元件的电能表,所述步骤2)中系数
Figure CN103743933AC00024
通过在电能表生产过 程的调试步骤中增加阶跃响应和零输入响应试验确定: 首先,在一定环境温度下,对电能表加载恒定电流,观察误差阶跃响应曲线,误差在时间ti后稳定;在时间o-ti内,误差时间函数用拟合曲线
Figure CN103743933AC00025
表示,对式(3)求导得到
Figure CN103743933AC00026
式(3)和式(4)并结合式,<img/ >可得iM值; 当获得稳态误差后,中断电流输入,电能表开始零输入响应,误差在瞬态分量合作用下趋近于0 ;零输入响应进行一段时间t2后电能表重测误差为E(t2),可得 E(t2) - ke (5)由式(5 )可得= e ).
4.根据权利要求2或3所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法,其特征在于所述加载的恒定电流为该电能表的最大电流。
5.根据权利要求3所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法,其特征在于所述一定环境温度为27°C,所述加载恒定电流为60A,为36分钟,t2为63分钟。
6.一种对自热影响有效补偿的单相电能表,它包括电压电流采样回路、计量模块、MCU控制模块和电源电路,所述电压电流采样回路将采集信号输入计量模块,所述计量模块与MCU控制模块双向连接,所述计量模块和MCU控制模块均与电源电路相连,其特征在于所述MCU控制模块包含权 利要求1中所述的一种单相电能表对自热影响的补偿算法。
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