CN105607022A - 具有功率测量功能的仪器的相频校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有功率测量功能的仪器的相频校准系统及方法，该方法包括：S1：依据电压、电流量程值输出相应的电压和电流信号；并确定校准频率点及各频率点下的校准相位点；S2：采集待校准仪器输出的测量值；S3：得到相位延迟平均值；S4：依据相位延迟平均值以及频率值，确定相位误差值；S5：重复步骤S3和S4，得到所有校准频率点的相位误差值；S6：对S4得到相位误差值进行差值或者拟合运算，得到该电压量程值和电流量程值组合下的校准参数；S7：取不同的电压量程值和电流量程值的组合，重复步骤S1至S6，得到所有电压量程值和电流量程值组合下的校准参数。S8：依据S7得到的校准参数，完成所有电压量程值以及电流量程值组合下相频校准。

Description

具有功率测量功能的仪器的相频校准方法及系统

技术领域

本发明涉及具有功率测量功能的仪器，尤其涉及一种具有功率测量功能的仪器的相频校准方法及系统。

背景技术

功率分析仪、电能质量分析仪等具备功率测量功能的仪器仪表在应用之前，都需要通过校准修正因电压、电流针对同一频率信号的不同延时而导致的功率、功率因数角等相位敏感参数的误差。

由于这类功率测量的仪表量程多，因此校准方法决定最终计量精度，校准时间决定生产效率。目前的相频校准方法大多采用人工手动校准的方法，该方式效率低下、精度不高、校准周期长；一些自动校准的方法则需要通过扫描大量量程，或者单纯的电压相位或者电流校准，且不能同时对多台装置同时进行校准。这些校准方法都不能满足功率测量的仪器相频校准的精度和效率要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现自动对多台装置进行相频校准，且能保证一定的精度和效率。

本发明提供了一种具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，包括如下步骤：

S1：标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

S2：采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

然后，针对步骤S1中确定的每个校准频率点：

S3：依据各校准相位点对应的所述步骤S2中自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及步骤S1中输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

S4：依据步骤S3确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

S5：重复步骤S3和S4，得到所有校准频率点的相位误差值；

S6：对步骤S5得到的校准频率点和相位误差值，进行差值法(利用函数f(x)在某区间中插入若干点的函数值，作出适当的特定函数)或者拟合运算(使得该函数与已知点集的差别最小)，得到校准参数；

S7：取不同的电压量程值和电流量程值的组合，重复步骤S1至S6，得到所有电压量程值以及电流量程值组合下的校准参数；

S8：依据步骤S7得到的校准参数，完成所有电压量程值和电流量程值下的相频校准。

可选的，在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.5-1倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.5-1倍，输出电压和电流信号始终保持同频。

可选的，在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.75倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.75倍，能够精确测量其幅频特性从而提高校准精度。

可选的，在所述步骤S3中，电流的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

${\mathrm{\ΔT}}_I\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\θI}}_i-{{\mathrm{\θI}}_i}^{\′})/N$

电压的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

${\mathrm{\ΔT}}_U\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\θU}}_i-{{\mathrm{\θU}}_i}^{\′})/N$

其中：

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

N为f校准频率点下标准相位点个数；

θU_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电压相位值；

θU_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电压相位值；

θI_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电流相位值；

θI_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电流相位值；

f为校准频率点的频率值。

可选的，在所述步骤S2中采集的测量值中，

当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中满足标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值；

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)最近测量值的平均值，作为所述步骤S3中采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压、电流相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积。

可选的，在所述步骤S4中，该校准频率点的相位误差值依据以下公式计算得到：

$ERROR\[f\]=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_U\left(f\right)-{\mathrm{\ΔT}}_I\left(f\right)}{1/f}$

其中:

ERROR[f]为f校准频率点的相位误差值；

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

f为校准频率点的频率值。

可选的，在所述步骤S6中，频率和相位误差值的关系被所述校准参数确定，在所述步骤S7中，依据所述校准参数确定的关系确定各频率的最终相位误差值。

可选的，在所述S8中，通过以下公式进行相频校准：

其中，f为待校准仪器的测量频率；

U为待校准仪器的测量电压有效值；

I为待校准仪器的测量电流有效值；

ERROR[f]为f校准频率点的根据校准参数得到相位误差值；

为相频校准前的测量电压电流相位差；

为相频校准后的电压电流相位差；

P′(f)为相频校准后的有功功率；

Q′(f)为相频校准后的无功功率。

可选的，在所述步骤S7中，在取不同的电压量程值和电流量程值时，针对M个电压量程值和N个电流量程值；

先取一特定的电压量程值，将该电压量程值分别与N个所述电流量程值组成N个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S6，完成该N个组合下的相频校准，得到N组校准参数；

再取一个特定的电流量程值，将该电流量程值分别与所述特定的电压量程值以外的M-1个电压量程值组成M-1个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S7，完成该M-1个组合下的相频校准，得到M-1组校准参数；

根据N+M-1个校准参数，完成对所有N*M组合的相频校准。

可选的，根据N+M-1个最终相位误差值，通过以下公式计算得到剩下所有组合的最终相位误差值，进而完成N*M个组合的相频校准：

ERROR[f]_m-n＝ERROR[f]_m-j-ERROR[f]_i-j-ERROR[f]_i-n

其中，ERROR[f]_m-n为电压量程值m对电流量程值n的相位误差值，ERROR[f]_m-j为电压量程m对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-j为电压量程i对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-n为电压量程i对电流量程n的相位误差值。

与方法对应的，本发明还提供了一种具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，包括标准功率源和校准控制平台，所述标准功率源一侧连接所述标准控制平台，另一侧分别连接各待校准仪器；所述校准控制平台分别连接各待校准仪器；

所述标准控制平台用以：

控制所述标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

针对每个校准频率点：

依据各校准相位点对应的自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

依据已确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

得到所有校准频率点的相位误差值；

对得到的校准频率点和相位误差值，进行差值或者拟合运算，得到校准参数；

取不同的电压量程值和电流量程值的组合，得到所有电压量程值以及电流量程值的组合下校准参数；

依据得到的校准参数，完成对所有电压量程值和电流量程值组合下的相频校准。

可选的，所述校准控制平台与标准功率源之间采用GPIB方式通信，所述标准控制平台与待校准仪器之间通过以太网通信。

可选的，所述校准控制平台进一步用以：

在采集的测量值中，当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值；

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)测量值的平均值作为采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压、电流相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积；

响应外部输入，确定所述稳定超时阈值和校准稳定相对阈值。

可见，本发明及其可选的各种方案中包含以下有益效果：

1)实现对待校准仪器的的功率、功率因数角等相位敏感参数的校准，获取更精确的有功功率测量值，尤其对于电流钳的校准有很大帮助；

2)对多台待校准仪器同时进行校准；

3)通过新型量程扫描的方法大大缩减相频校准时间，提高效率；

4)相位误差是频率的一元函数关系，在不同频率下校准系数不同，大大提高校准精度；

5)全自动校准流程，无需人工干预；

6)通过一整套系统实现对功率测量仪的相位差、有功功率、无功功率的校准。

附图说明

图1是本发明一实施例中具有功率测量功能的仪器的相频校准系统的示意图；

图2是本发明一实施例中具有功率测量功能的仪器的相频校准方法与系统的结合流程示意图；

图3是本发明一实施例中电流量程值于电压量程值的组合示意图；

图4是本发明一实施例中D(f)之间的示意图；

图5是本发明一实施例中具有功率测量功能的仪器的相频校准方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合图1至图5对本发明提供的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法及系统进行描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1，本发明还提供了一种具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，包括标准功率源和校准控制平台，所述标准功率源一侧连接所述标准控制平台，另一侧分别连接各待校准仪器；所述校准控制平台分别连接各待校准仪器；

请参考图2和图5，本发明提供了一种具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，本方法在描述时并未引入以上的系统，其实，本发明优选的方案中，该方法是采用以上的系统来实现的，所以，在以下步骤的描述中，会具体将系统如何实现的进行详细展开，具体来说，该方法包括如下步骤：

S1：标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.5-1倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.5-1倍，输出电压和电流信号始终保持同频。在本发明进一步优选的方案中，在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.75倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.75倍，能够精确测量其幅频特性从而提高校准精度。

请参考图2，其实，在步骤S1之前，基于以上提到的系统，还会进行以下步骤：

步骤1：校准控制平台初始化标准功率源和待校准仪器；设置控制平台校准稳定相对阈值TH和稳定超时阈值TO；待校准仪器相位采集测量值的方差值小于[TH*输出值]时判定采集数据稳定，可以提升校准精度；待校准仪器采集测量值次数大于TO判定采集超时，可以提升校准效率；

步骤2：标准功率源输出信号为：U_s＝U_n*0.75,I_s＝I_n*0.75,θ_U-θ_I＝θ_n,freq＝U_f＝I_f，其中U_s和I_s分别为校准功率源输出的电压和电流有效值，U_n和I_n分别为待校准仪器的电压和电流校准量程值，θ_U和θ_I分别为标准功率源输出电压初始相位和电流初始相位,选择电压为参考相位，即θ_U＝0°，θ_n为待校准仪器扫描的校准相位点且范围在-180°～180°，freq为标准功率源输出电压和电流的频率，Uf和If分别为待校准仪器校准电压和电流频率点且保持同频、范围在45HZ～1KHZ。

步骤S1的部分内容还可进一步展开为步骤3：待校准仪器电压量程M个，电流量程N个，则相频校准需要扫描的量程组合为M+N-1个，关于此的具体技术手段和效果下文还会再做展开；每个校准量程组合下扫描的校准频率freq在兼顾效率和精度情况下，选择频率点为freq＝(45、100、300、600、1000)；每个校准频率点下扫描校准相位点为θ_n＝(-150°,-120°,-60°,-30°,30°,60°,120°,150°)，且此处不能选择180°和180°的边界点，因为此时测量结果是在-180°和0°之间变动，在求取平均值之后会大大偏离实际结果。

S2：采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

本发明可选的实施例中，

在所述步骤S2中采集的测量值中，

当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中满足标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值；

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)最近测量值的平均值，作为所述步骤S3中采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积。

其内容还可进一步展开描述为：步骤4：待校准仪器实时连续采集测量标准功率源输出信号，在电压和电流相位最近十次测量值的标准差均小于[TH*输出相位值]或者采样次数超过稳定超时阈值TO时，将待校准仪器最后十次采样的相位值的平均值作为本次相位扫描点的最终测量值，提高校准精度。

然后，针对步骤S1中确定的每个校准频率点：

S3：依据各校准相位点对应的所述步骤S2中自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及步骤S1中输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

本发明可选的实施例中，在所述步骤S3中，电流的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

${\mathrm{\ΔT}}_I\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\θI}}_i-{{\mathrm{\θI}}_i}^{\′})/N$

电压的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

${\mathrm{\ΔT}}_U\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\θU}}_i-{{\mathrm{\θU}}_i}^{\′})/N$

其中：

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

N为f校准频率点下标准相位点个数；

θU_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电压相位值；

θU_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电压相位值；

θI_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电流相位值；

θI_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电流相位值；

f为校准频率点的频率值。

其可展开描述为步骤5：校准控制平台在输出频率为f的校准频率点，根据抽取相位点的测量电压电流相位值与标准功率源输出电压电流相位值，求取此校准频率点相位延迟的平均值。

S4：依据步骤S3确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

本发明可选的实施例中，在所述步骤S4中，该校准频率点的相位误差值依据以下公式计算得到：

$ERROR\[f\]=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_U\left(f\right)-{\mathrm{\ΔT}}_I\left(f\right)}{1/f}$

其中:

ERROR[f]为f校准频率点的相位误差值；

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

f为校准频率点的频率值。

从中可以看出，校准控制平台在输出频率为f的校准频率点，相位误差是频率f的一元函数，具体参见上文函数表达式，此可以理解为承接上文步骤5的步骤6；

S5：重复步骤S3和S4，得到所有校准频率点的相位误差值；

S6：对步骤S5得到的校准频率点和相位误差值，进行差值或者拟合运算，得到校准参数；

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S6中，频率和相位误差值的关系被所述校准参数确定，在下文的步骤S7中，依据所述校准参数确定的关系确定各频率的最终相位误差值。

其个展开描述为步骤7：校准控制平台在某一量程扫描组合下，根据频率扫描点的输出频率f与对应的相位误差值ERROR[f]，进行插值或者拟合算法运算得到校准参数，并将运算结果校准参数保存至当前量程组合的扫描通道中。

S7：取不同的电压量程值和电流量程值的组合，重复步骤S1至S6，得到所有电压量程值以及电流量程值组合下的校准参数；

S8：依据步骤S7得到的校准参数，完成所有电压量程值和电流量程值下的相频校准；

在本发明可选的实施例中，在所述S8中，通过以下公式进行相频校准：

其中，f为待校准仪器的测量频率；

U为待校准仪器的测量电压有效值；

I为待校准仪器的测量电流有效值；

ERROR[f]为f校准频率点的根据校准参数得到的相位误差值；

为相频校准前的测量电压电流相位差；

为相频校准后的电压电流相位差；

P′(f)为相频校准后的有功功率；

Q′(f)为相频校准后的无功功率。

承接前文的步骤7，上文描述可以理解为步骤8：待校准仪器根据校准控制平台提供步骤7的运算结果，采用以上的公式进行相频校准。

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S7中，请参考图3，在取不同的电压量程值和电流量程值时，针对M个电压量程值和N个电流量程值；

先取一特定的电压量程值，将该电压量程值分别与N个所述电流量程值组成N个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S7，完成该N个组合下的相频校准，得到N组校准参数；

再取一个特定的电流量程值，将该电流量程值分别与所述特定的电压量程值以外的M-1个电压量程值组成M-1个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S7，完成该M-1个组合下的相频校准，得到M-1组校准参数；

根据N+M-1个校准参数值，完成所有组合的相频校准。

可选的，根据N+M-1个最终相位误差值，通过以下公式计算得到剩下所有组合的最终相位误差值：

ERROR[f]_m-n＝ERROR[f]_m-j-ERROR[f]_i-j-ERROR[f]_i-n

其中，ERROR[f]_m-n为电压量程值m对电流量程值n的相位误差值，ERROR[f]_m-j为电压量程m对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-j为电压量程i对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-n为电压量程i对电流量程n的相位误差值。

基于以上描述，再展开本发明提供的与方法对应的，具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，包括标准功率源和校准控制平台，所述标准功率源一侧连接所述标准控制平台，另一侧分别连接各待校准仪器；所述校准控制平台分别连接各待校准仪器；

所述标准控制平台用以：

控制所述标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

针对每个校准频率点：

依据各校准相位点对应的自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

依据已确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

得到所有校准频率点的相位误差值；

对得到的校准频率点和相位误差值，进行差值或者拟合运算，得到校准参数；

取不同的电压量程值和电流量程值的组合，完成所有电压量程值以及电流量程值的组合下标准参数；

依据得到的校准参数，完成对所有电压量程值和电流量程值组合下的相频校准。

可选的，所述校准控制平台与标准功率源之间采用GPIB方式通信，所述标准控制平台与待校准仪器之间通过以太网通信。

在本发明可选的实施例中，所述校准控制平台进一步用以：

在采集的测量值中，当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值；

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)最近测量值的平均值作为采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压、电流相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积；

响应外部输入，确定所述稳定超时阈值和校准稳定相对阈值。

进一步展开来说，本发明可选方案中提供的系统还可包括以下特征：

1、校准控制平台在PC上运行，其控制标准功率源和待校准仪器；控制标准功率源输出指定的信号；设置待校准仪器的量程参数，并持续读取待校准仪器的测量值。

2、标准功率源接收校准控制平台的配置参数，包括设置标准功率源的电压电流量程，输出的Us、Is等参数，并根据指令输出指定参数的电压电流给待校准仪器。

3、待校准仪器接收校准控制平台的初始化、校准量程等参数进行配置，测量标准功率源输出电压和电流的有效值、频率、相位等参数。

4、校准控制平台根据输出给标准功率源的信号值和待校准仪器的测量值进行插值拟合运算，得到对应的校准参数。

5、待校准仪器收到校准控制平台发送的校准参数进行校准，根据校准前的测量数据和校准参数进行计算，即可提升自己的测量精度等级。

6、校准控制平台与标准功率源之间通信采用GPIB方式，校准控制平台与被校功率表之间通信采用以太网。

7、标准功率源输出电压到各被校功率表采用并联输出的方式，标准功率源输出电流到各被校功率表采用串联输出的方式。

以下再将具体实施例的具体数值引入来展开阐述：

被校准功率测量仪电压量程:

Un＝[0.75,1.5,3,5,7.5,15,30,50,75,150,300,500]；

被校准功率测量仪电流量程为:

In＝[0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1,2,5]

频率扫描校准点为

f＝45HZ～1KHZ＝[45，100，300，600，1000]；

相位扫描点为：

θn＝[-150°,-120°,-60°,-30°,30°,60°,120°,150°]；

校准稳定相对阈值TH：0.001；

校准稳定超时阈值TO：40；

则校准所需要扫描点如下：

实施举例1：

指定500V为电压典型量程，指定5A为电流典型量程，则以该量程组合为例进行分析，各频率校准点下相位扫描点的相位差测量结果如下表：

然后根据可以得到各频率校准点的相位误差值，如下表：

f	45	100	300	600	1000
						ERROR[f]	-9.7066	-3.3916	4.6758	11.1065	7.2069

根据频率f和ERROR[f]做进行插值或者拟合运算处理，下表为三次样条插值(通过一系列形值点的一条光滑曲线，数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程)运算结果：

P0、P1、P2、P3为校准参数，验证功率分析仪在80HZ下测的相位差校准，其ERROR[f]为：

ERROR[f](f＝80HZ)

＝(P0+P1*(f–45)+P2*(f-45)²+P3*(f-45)³)/f

＝(-9.7066+0.9374934824*(f-45)+0*(f-45)²-0.0007214413*(f-45)³)/f

＝(-9.7066+0.9374934824*(80-45)+0*(80-45)²-0.0007214413*(80-45)³)/80

＝-7.8261/80

＝-0.0978

按照对80HZ各相位点进行校准，结果如下表：

根据校准公式有功功率P和无功功率Q校准结果如下：

实施举例2：

指定500V为电压典型量程，指定5A为电流典型量程，如果校准电压150V，电流1A的相位差，按照发明所述的校准方法根据150V&5A、500V&5A、1A&500V的校准参数进行校准，45～100HZ频率三次样条插值的校准参数如下所示：

量程	频率	P0	P1	P2	P3
						500V&5A	45～100	-9.7066	0.9374934824	0	-0.0007214413
150V&5A	45～100	3.7066	-0.8923231635	0	0.000439913
						1A&500V	45～100	4.7066	-0.646535005	0	0.0064453208

电压150V，电流1A的量程下60HZ信号的相位差的ERROR[f]为：

ERROR[f]_500V&5A

＝(P0+P1*(f–45)+P2*(f-45)²+P3*(f-45)³)/f

＝(-9.7066+0.9374934824*(60-45)+0*(60-45)²-0.0007214413*(60-45)³)/60

＝0.0320

ERROR[f]_150V&5A

＝(P0+P1*(f–45)+P2*(f-45)²+P3*(f-45)³)/f

＝(3.7066-0.8923231635*(60-45)+0*(60-45)2+0.000439913*(60-45)3)/60

＝-0.1366

ERROR[f]_1A&500V

＝(P0+P1*(f–45)+P2*(f-45)²+P3*(f-45)³)/f

＝(4.7066-0.646535005*(60-45)+0*(60-45)²+0.0064453208*(60-45)³)/60

＝0.2794

ERROR[f]之间的关系如图4所示；

那么ERROR(f)_150V&1A＝ERROR(f)_150V&500V-ERROR(f)_1A&500V

＝(ERROR(f)_150V&5A-ERROR(f)_500V&5A)-ERROR(f)_1A&500V

＝-0.4480

按照ERROR(f)_150V&1A对60HZ各相位点进行校准，结果如下表：

根据校准公式有功功率P和无功功率Q校准结果如下：

根据上述实施举例可以论证：

1、传统遍历所有的量程组合方式需要扫描点数为12*9*5*8＝4320，而本发明扫描点数只需800个，本发明校准方法效率提升5倍；

2、根据本发明进行相频校准相位从0.1°量级的误差提升到0.001°量级的误差，精度提高两个量级，功率从0.01量级的误差提升到0.0001量级的误差。

3、本发明实施简单，同时进行多个板卡校准，进一步提高了校准效率。

综上所述，本发明及其可选的各种方案中包含以下有益效果：

1)实现对待校准仪器的的功率、功率因数角等相位敏感参数的校准，获取更精确的有功功率测量值，尤其对于电流钳的校准有很大帮助；

2)对多台待校准仪器同时进行校准；

3)通过新型量程扫描的方法大大缩减相频校准时间，提高效率；

4)相位误差是频率的一元函数关系，在不同频率下校准系数不同，大大提高校准精度；

5)全自动校准流程，无需人工干预；

6)通过一整套系统实现对功率测量仪的相位差、有功功率、无功功率的校准。

Claims (13)

1.一种具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

S2：采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

然后，针对步骤S1中确定的每个校准频率点：

S3：依据各校准相位点对应的所述步骤S2中自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及步骤S1中输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

S4：依据步骤S3确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

S5：重复步骤S3和S4，得到所有校准频率点的相位误差值；

S6：对步骤S5得到的校准频率点和相位误差值，进行差值或者拟合运算，得到校准参数；

S7：取不同的电压量程值和电流量程值的组合，重复步骤S1至S6，得到所有电压量程值以及电流量程值组合下的校准参数；

S8：依据步骤S7得到的校准参数，完成所有电压量程值和电流量程值下的相频校准。

2.如权利要求1所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.5-1倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.5-1倍，输出电压和电流信号始终保持同频。

3.如权利要求2所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S1中，输出电压的有效值为相应电压量程值的0.75倍，输出电流的有效值为相应电流量程值的0.75倍。

4.如权利要求1所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S3中，电流的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

电压的相位延迟平均值依据以下公式计算得到：

其中：

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

N为f校准频率点下标准相位点个数；

θU_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电压相位值；

θU_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电压相位值；

θI_i为第i个标准相位点对应的输入至所述待校准仪器的电流相位值；

θI_i'为第i个标准相位点对应的自所述待校准仪器输出的电流相位值；

f为校准频率点的频率值。

5.如权利要求1或4所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S2中采集的测量值中，

当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中满足标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值；

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)最近测量值的平均值，作为所述步骤S3中采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压、电流相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积。

6.如权利要求1或3所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S4中，该校准频率点的相位误差值依据以下公式计算得到：

其中:

ERROR[f]为f校准频率点的相位误差值；

△T_U(f)为f校准频率点下电压的相位延迟平均值；

△T_I(f)为f校准频率点下电流的相位延迟平均值；

f为校准频率点的频率值。

7.如权利要求1所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S6中，频率和相位误差值的关系被所述校准参数确定，在所述步骤S7中，依据所述校准参数确定的关系确定各频率的最终相位误差值。

8.如权利要求1所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述S8中，通过以下公式进行相频校准：

其中，f为待校准仪器的测量频率；

U为待校准仪器的测量电压有效值；

I为待校准仪器的测量电流有效值；

ERROR[f]为f校准频率点的根据校准参数得到的相位误差值；

为相频校准前的测量电压电流相位差；

为相频校准后的电压电流相位差；

P′(f)为相频校准后的有功功率；

Q′(f)为相频校准后的无功功率。

9.如权利要求1所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：在所述步骤S7中，在取不同的电压量程值和电流量程值时，针对M个电压量程值和N个电流量程值；

先取一特定的电压量程值，将该电压量程值分别与N个所述电流量程值组成N个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S6，完成该N个组合下的相频校准，得到N组校准参数；

再取一个特定的电流量程值，将该电流量程值分别与所述特定的电压量程值以外的M-1个电压量程值组成M-1个组合，针对各组合分别重复步骤S1至S7，完成该M-1个组合下的相频校准，得到M-1组校准参数；

根据N+M-1组校准参数，完成对所有N*M个组合的相频校准。

10.如权利要求9所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准方法，其特征在于：根据N+M-1个最终相位误差值，通过以下公式计算得到所有N*M个组合的最终相位误差值：

ERROR[f]_m-n＝ERROR[f]_m-j-ERROR[f]_i-j-ERROR[f]_i-n

其中，ERROR[f]_m-n为电压量程值m对电流量程值n的相位误差值，ERROR[f]_m-j为电压量程m对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-j为电压量程i对电流量程j的相位误差值，ERROR[f]_i-n为电压量程i对电流量程n的相位误差值。

11.一种具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，其特征在于：包括标准功率源和校准控制平台，所述标准功率源一侧连接所述标准控制平台，另一侧分别连接各待校准仪器；所述校准控制平台分别连接各待校准仪器；

所述标准控制平台用以：

控制所述标准功率源依据一个电压量程值以及电流量程值输出相应的电压和电流信号至各待校准仪器；并确定若干校准频率点及各频率点下的校准相位点；

采集待校准仪器输出的测量值，直至完成所需相位点的测量；该测量值包括电流、电压相位值；

针对每个校准频率点：

依据各校准相位点对应的自待校准仪器输出的电流、电压相位值以及输出至待校准仪器的电流、电压相位值，得到该校准频率点下的电流和电压的相位延迟平均值；

依据已确定的电流和电压的相位延迟平均值以及该校准频率点的频率值，确定该校准频率点的相位误差值；

得到所有校准频率点的相位误差值；

对得到的校准频率点和相位误差值，进行差值或者拟合运算，得到校准参数；

取不同的电压量程值和电流量程值的组合，得到所有电压量程值以及电流量程值的组合下校准参数；

依据得到的校准参数，完成对所有电压量程值和电流量程值组合下的相频校准。

12.如权利要求11所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，其特征在于：所述校准控制平台与标准功率源之间采用GPIB方式通信，所述标准控制平台与待校准仪器之间通过以太网通信。

13.如权利要求11所述的具有功率测量功能的仪器的相频校准系统，其特征在于：所述校准控制平台进一步用以：

在采集的测量值中，当采集次数小于预设的稳定超时阈值时，选择最近测量值中标准差小于特定值的若干(不小于10次)测量值的平均值或者

在采集次数大于预设的稳定超时阈值时，选择若干(不小于10次)最近测量值的平均值作为采用的自所述待校准仪器输出的电压、电流相位值；

所述特定值为对应的输入至所述待校准仪器的电压、电流相位值与一预设的校准稳定相对阈值的乘积；

响应外部输入，确定所述稳定超时阈值和校准稳定相对阈值。