CN1115031A - 包含多路转接器的电能测量装置 - Google Patents

Abstract

一种测量电能的装置，具有电流和电压检测器1、2、多路转换电路8以及模数变换器11。一微处理机9控制多路转换电路，以便将电流和电压信号轮流提供到变换器11，微处理机9利用位于电流取样点附近的两个电压数值和利用三个电流取样值及时计算某一瞬时的电能。利用这些装置，电压和电流的取样点之间的时间延迟可被校正。

Description

包含多路转接器的电能测量装置

本发明涉及一种测量电能的装置，包含电流检测器和电压检测器，它们分别向一多种转换器电路提供电流和电压信号，各信号然后按照各信号的顺序循环周期被送到一模数变换器。

在电能测量的领域中，经常有这样的情况，单个模数变换器被用来对由几个检测器来的信号进行变换，以便降低在使用几个变换器时所形成的成本。为了实现这一点，使用一个多路转换器电路，其控制各信号由检测器送达变换器的顺序。遗憾的是，多路转换技术和对每个信号变换所需的时间都在电压信号和电流信号的数值变换之间产生一时间延迟。假如希望计算ac信号的瞬时电能，那么由于与被测电压的后续值相比较，被测量的电流值对应于信号的不同点所以这种时间延迟可能变得很明显。由于取样循环时间将变得较长，所以假如希望利用一个变换器测量多相网络中每相的能量消耗，与这一时间延迟相关的问题会变得更重要。

为了降低这一误差，通过使用具有快速变化时间的变换器可以容易地减小各次测量之间的时间延迟。已经提出各种系统，其在后续的计算阶段补偿各次测量之间的时间延迟。特别是DE4221057介绍了一种系统，其将第一个电压测量值和后续的电流测量乘积与这一电流测量值和下一个电压测量值的乘积相加，并且利用根据信号频率和各次取样之间的时间周期得出的一个系数，对该和进行校正。这种系统需要在电压和电流测量值之间有几个乘法步骤，并且不能计算瞬时的电能。在GB1575148中介绍了带有多路转换器电路的电量计的另一个实例，该多路转换器电路具有用于补偿电流和电压取样值之间的时间延迟的装置。本发明的特征在于，计算瞬时电能的电子控制装置，其在电流或电压的第一个信号的测量时间点，利用第一和第二步骤计算瞬时电能，该第一步骤计算一个数值，其代表该瞬时第一个取样值的数值中取出的第一信号，第二步骤计算一个数值，其代表从第二信号的两个取样值中取出的第二信号，两次取样，在所述瞬间之前和之后进行，计算第一或第二信号数值的第一或第二步骤还利用该信号的至少两个其它的采样值，以便计算该信号的数值。

通过被采样的数值的交错，在计算步骤中，时延的问题可以被补偿。每个取样值可以利用一个系数来校正，该系数的数值决定于取样的相对时间关系。在计算第一个信号的步骤使用三个取样值以及计算第二个信号的步骤使用两个取样值的情况下，第一个信号的各系数的数值对于在所述瞬间之前、在该瞬间以及在该瞬间之后所取的采样值而言将分别为1/2、1、1/2。此外，相对于第二个信号的系数的数值将为1、1。使用适合于具有相同的相关数值的两个信号的系数可提供具有相同的对幅度的第一个和第二个信号的数值。

当每个信号的轮流取样在时间上是等距离的时候，使用具有这些数值的系数。例如，若存在包含另外的要变换的数值的多路转换循环，一个信号的取样点距另一信号的两个相邻的取样点不是等距离的情况下，可能产生差值。在这种情况下，可以使用其它系数值以较正被取样的数值的时间差。

引入利用一个信号的至少三个取样值来计算与这个信号相对应的数值的计算步骤具有特殊的优点。特别是，其能确定具有三个或多个系数的梳状分样(decimation)滤波器。例如，在上述情况下，可以确定一个具有系数1/2、1、1/2的梳状分样滤波器，该滤波器具有一个大约与这个信号的取样频率的二分之一相对应的一个频率的平缓衰减区。比较起来，仅利用两个系数的分样滤波器限定了一个具有与最大衰减值相对应点的衰减曲线。

在某些情况下，可能有叠加到电压或电流信号的其它信号，例如一高频脉动信号以改进变换器的分辨率。按照这一技术的已知的原理，一般需要在将信号变换之后除去这一高频脉动信号。实现这一点的一种方式是通过注入一其频率数值接近被测信号的取样频率的二分之一的高频脉动信号，在变换之后利用一个使该频率的信号衰减的分样滤波器来除去该信号，通常，高频脉动信号具有的频率并不严格等于取样频率的二分之一，以及采用具有两个系数和一个衰减点的分样滤波器导致剩余很小数量的高频脉动信号。比较起来，使用具有至少三个系数的分样滤波器能保证使高频脉动信号被更彻底地消除。

因此，本发明提供一种系统，其补偿电压和电流数值之间的时间延迟，特别适于结合高频脉动信号使用，以便在变换之后消除这一信号。在一个实施例中，该装置还包含一装置，用于将一高频脉动信号叠加到一具有的频率约为这一信号的取样频率的二分之一的第一信号上。

在本文中，一个特别优异的实施例采用具有由第一计算步骤确定的三个系数的分样滤波器和具有由第二步骤确定的两个系数的分样滤波器。

这个实施例对于在变换后完全抑制高频脉动信号是特别有利的，并且避免了与利用具有多于三个系数的滤波器相关的计算复杂性的问题。同样地，对于另一信号使用具有两个系数的滤波器消除信号间的时间延迟。

为了在单相上测量电能，可以采用本发明。本发明还适用于测量多相网络电能的装置，该装置对每相都有电流检测器和电压检测器，电子控制装置和多路转换器电路、控制装置，该电子控制装置和多路转换电路功能相结合，以便将来自每个检测器的信号按照一顺序循环周期提供到变换器，该控制装置对每相如上所述计算瞬时电能。

在电量计量领域中，可能有脉动控制信号送入该网络，其控制计量表的工作。在一个实施例中，多路转换电路包含一适于接收脉动控制信号的输入端，例如与其中一个电压检测器相关的脉动控制接收器，这一测量量与其它测量量一起按照顺序的循环周期提供到变换器。

为了维持多路转换循环的对称性，除了表示脉动控制信号的数值之外，还需要在该循环周期中添加另一个数值，以便该循环周期包含偶数个取样点。为了能够消除由于电路元件的″存储″作用。特别是在开关电路中的电容有关的电荷而引起的寄生电压，可以使这一通道取一等于零的电压值。

在一个实施例中，电子控制装置按照小于一个通道取样频率的一个频率，控制另一个表示一个或多个被监测的量的监测信号向多路转换电路的一个通道的连接，以便除了能立即接收通到变换器的监测信号外，使这一通道对大多数时间处于零电位，利用这些装置实现消除寄生电压，同时多路转换电路能够将在该装置上从另一信号源提供的信息通到变换器。例如，与计量箱的断开或计量表的供电状态有关的信息可以响应于来自控制装置的控制信号的到达而通到变换器。

考虑到在电压和电流信号之间可能出现的幅值差，在一个优选实施例中，将零信号和监测信号置于在多数转换循环周期中的电压取样点和电流取样点之间。

结合参阅附图，通过对以说明性的和非限定性的实例举例方式给出的本发明的一个实施例的如下介绍，将会对本发明充分地理解，其中：

图1表示作为本发明的一个实施例的，用于测量三相网络的电能的一个装置；

图2表示利用图1所示装置进行多路转换的循环周期和取样程序；

图3表示代表具有由图2所示取样程序限定的两个和三个系数的分样滤波器工况的两个曲线。

图1表示一用于测量三相网络电能的装置。对于每一相，有一包含互感式变换器1的电流检测器和一包含分压器2的电压检测器。该变换器的电流信号提供到一模拟式低通滤波器3(防假滤波器)，接着到相位校正器4，其校正在电流和电压通道之间存在的相位差。一高频脉动信号电路5将一高频脉动信号叠加到该电流信号上，以及积分器6对该信号积分，这是必需的，原因在于互感式变换器提供的信号代表被测电流的导数。还将电压信号提供到低通滤波器7，然后将电压和电流信号提供到多路转换器8的输入端I₃、V₃。每个通道的输入电路的各元件对每相来说是重复的，因而这里未予表示。提供到多种转换器8的输入端的各信号按照由多路转换器8和包含微处理机9和二进制计数器10的电子控制装置控制的顺序循环周期被送到模数变换器11。多路转换器还接收具有常规结构的脉动控制电路的脉动控制信号TCC和来自监测电路12的监测信号。监测电路12接收来自检测计量箱的断开、向该计量表供电的状态并提供它们的状态的信息的装置的信号。自多路转换器输出的信号然后利用变换器11变换为数字信号，并送到用于推算的微处理机9。

利用时钟13进行信号多路转换的控制，该时钟13用作时基并使二进制计数器10递增和驱动微处理机9。利用多种转换器8选择的通道按照八个位置的循环周期，根据二进制计数器10的输出端1、2、4的状态进行编址。被选择的通道然后利用变换器11立即进行变换。例如监测电路12没有从二进制计数器10接收指令。该电路的输出为零电位。微处理机9利用复零信号使二进制计数器周期性地同步，它的内部的计数器使其知道在指定的瞬间哪个通道被选择。通常，微处理机使计数器在八个测量点的每个循环周期的终点同步。然而，在预定的时间点，它停止发送复零信号并且二进制计数器的输出值N然后能够变到数值1，以便发出一动作监测电路12并在该监测通道上开始一个或多个测量周期的信号。当这些测量完成时，微处理机将重新开始发送复零信号。

如上所述，对于大多数时间微处理机在八个测量点的一个循环周期的终点使计数器复零，因此，将该监测通道留出以便按照与由时钟信号确定的取样频率比较相对较低的频率进行测量或提供控制信号。因此，该通道一般处在零伏电位下，以便在代表最后的电压取样V₃的位置7和代表电流I₁的第一取样位置1之间能进行较好的转移。在这两个位置之间，该通道被施加一零伏电压，以便消除由电容和开关电路的″存储″作用引起的寄生电压。因此监测电路投入工作并且按照根据N的，作为取样频率的几分之一的一个频率，利用二进制计数器的输出N进行同步，并且在由微处理机选择的瞬间，提供一个最活和易于参数化程序结构。

图2表示在多路转换的循环周期中的单个电压阶段和电流阶段的取样的数字处理。如图所示，利用电压计算步骤以及电计算步骤补偿在电压测量点U，和电流测量点I₁之间的时间延迟，该电压计算步骤将在电流值22附近取样的两个电压值20、21求和，该电流计算步骤将电流数值22和该数值附近的两个电流数值23、24求和。由于在两次测量之间的取样频率远大于被测ac信号的频率，这样在各次测量的轮换顺序之间存在一线性关系，在与电流22的取样相对应的瞬间的电压的对应量可以和用乘以相关系数1、1的两个电压测量值20、21来计算。一般使用的取样频率对于50HZ的ac信号在5KHz和8KHz之间。因此，通过交错操作技术，可以克服电压和电流的测量点之间的延迟问题。

即使利用所计算的电压值和在瞬间22取样的单个电流值能够计算瞬时的能量值，也最好利用乘以相关系数1/2、1、1/2的三个电流取样值来计算电流的数值。这种计算维持了电压和电流的数值之间的相对比例关系，并产生该由这一计算限定的数字滤波器相关的优点。

参阅图3，第一曲线31表示通过处理电压取样所确定的滤波器响应特性。更确切地说，具有以CoS(f)表示的增益的滤波器通过该运算式来确定：

               Yn＝X_n－1＋Xn这个滤波器在与二分之一取样频率的对应点的值为零，这个滤波器的特性表示在图3的上部。

与之比较，按照运算式Yn＝X_n－2/2＋X_n－1＋Xn/2通过处理电流取样值所确定的滤波器具有如图3下部的波形32，即以CoS²(f)表示的增益在二分之一取样频率的频率处有一平缓的区域30，其限定了信号的最大衰减区。为了提供平缓的衰减区，可以同样采用具有四或更多系数的其它滤波器。这种类型的滤波器的优点与采用高频率脉动信号有关，该高频脉动信号叠加到电流测量信号上，以改进变换器的分辨率。

参阅图1，在电流检测器1之后表示一个具有的截止频率对应于二分之一取样频率的防假频滤波器3。然后，将一高频脉动信号叠加到具有大约为截止频率的频率的电流电号上。典型的高频脉动信号的波形为三角波，其幅度对应于几个量化级。在本实施例中，高频脉动信号电路在积分器6的上游侧，并叠加一个在积分后变为三角波信号的方波信号。

在电流信号变换之后，应当消除该高频脉动信号。在一个实施例中，利用一个用于电压信号的类型的分样滤波器即具有两个系数的滤波器可以实现这一点。如图3中所示，和用这种滤波器将使高频脉动信号衰减。然而，要指出，这种滤波器仅在一点上具有零增益，以及高频脉动信号一般不是严格地为二分之一取样频率，因而在滤波之后仍残留一部分高频脉动信号。

与之比较，具有三个或更多个系数的分样滤波器即上述用于电流通道类型的滤波器限定了如在图3下方所示类型的曲线，并且在二分之一取样频率附近有一平缓变化区。因此，利用这种滤波器可以完全抑制高频脉动信号。

利用这些装置，本发明补偿了电压和电流取样点之间的时间延迟，并且还能抑制在电流通道的高频脉动信号。

Claims (9)

1.一种用于测量电能的装置，包含一电流检测器和电压检测器，它们分别向多路转换电路提供电流和电压信号，然后该信号按照信号的顺序循环周期送到模数变换器，其特征在于，电子控制装置在电流或电压的第一个信号的测量时间点，利用第一计算步骤和第二计算步骤计算该瞬时的电能，该第一步骤计算一个数值，其代表从该瞬时第一取样值的数值中取出的第一信号，该第二步骤计算一个数值，其代表从第二信号的两个取样值中取出的第二信号，该两次取样在所述瞬间之前和之后进行，计算第一或第二信号数值的第一或第二步骤，还利用该信号的至少两个其它的取样点，以便计算该信号的数值。

2.如权利要求1所述的电能测量装置，其中计算第一信号的步骤使用第一信号的另外两个取样值。

3.如权利要求2所述的测量电能的装置，其中对于在所述瞬时之前，在该瞬时和在该瞬时后所取的取样值，第一个信号的各取样数值分别乘以具有各相关值1/2、1、1/2的系数。

4.如权利要求1到3中任何一个所述的电能测量装置，其中第二信号的取样值乘以具有相关值1、1的系数。

5.如权利要求1至到4中任何一个所述的电能测量装置，还包含一装置，其用于将一高频脉冲信号叠加到一具有的频率约为该信号取样频率的二分之一的第一个信号上。

6.如权利要求1至5任何一个所述的电能测量装置，其适于测量多相网络中第一相中的电能，并且每相具有一电流检测器和一电压检测器，控制装置和多路转换电路一起工作，以便将来自每个检测器的信号按照顺序的循环周期提供到变换器。

7.如权利要求1至6中任何一个所述的电能测量装置，该多路转换电路包含一个适于接收脉动控制信号的输入端，这一测量值和其它测量值按照顺序循环周期被提供到变换器上。

8.如权利要求1到7中任何一个所述的电能测量装置，电子控制装置对代表一个或多个被监测的量的另一信号向多路转换电路中的一个通道进行连接，在另外的情况下，该通道处于零电压，监测信号连接到这一通道的频率小于这一通道取样的频率，从而使得这一通道除了立即接收监测信号以外，大多数时间处于零电压下。

9.一种测量电能的方法，其采用电流检测器和电压检测器，它们向多路转换电路分别提供电流和电压信号，然后将各信号按照信号的顺序循环周期送到模数变换器，其特征在于，在代表电流或电压信号的第一个信号的取样瞬时的瞬时电能的计算是利用第一计算步骤和第二计算步骤实现的，该第一步骤计算一个数值，其代表从该瞬时第一取样值的数值中取出的第一信号，该第二步骤计算一个数值，其代表从第二信号的两个取样值中取出的第二信号，这两次取样在所述瞬时之前和之后进行，计算第一个和第二个信号的数值的第一或第二步骤还利用该信号的至少两个其它的采样值，以便计算该信号的数值。

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