CN114415099A

CN114415099A - 基于模数转换延时的电能表相位校正电路及电能表

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Publication number: CN114415099A
Application number: CN202210045218.3A
Authority: CN
Inventors: 孟耕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-15
Filing date: 2022-01-15
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明涉及一种基于模数转换延时的电能表相位校正电路及电能表，该电能表相位校正电路含有信号取样电路﹑功率电能计算主控单元﹑第一﹑二模数转换器﹑组合逻辑脉冲发生器﹑第一﹑二可预置减法器﹑第一﹑二组合脉冲模块和数据寄存器；信号取样电路接收到信号后输送给第一﹑二模数转换器；功率电能计算主控单元通过延时数据寄存器给可预置减法器发送延时数据；组合逻辑脉冲发生器提供电路中需要的脉冲信号；第一﹑二可预置减法器分别通过第一﹑二组合脉冲模块控制第一﹑二模数转换器的工作；数据寄存器收到模数转换器的数据后发送给功率电能计算主控单元；本发明能有效实现电能表相位的高精度校正，其能用于单相或多相电能表的相位校正。

Description

基于模数转换延时的电能表相位校正电路及电能表

(一)、技术领域：

本发明涉及一种电能表相位校正电路及电能表，特别涉及一种基于模数转换延时的电能表相位校正电路及电能表。

(二)、背景技术：

在当前技术条件下，数字式交流电能表在相电压和相电流取样电路中都存在相位误差，原因如下所述：图1为现有技术中的一种典型单相标准电能表的内部电压﹑电流取样电路框图，电压传感器308和电压信号放大器309构成电压信号取样电路01，其中，电压传感器308由分压电阻或电压互感器等元器件构成；电流传感器310和电流信号放大器311构成电流信号取样电路02，电流传感器310由锰铜片、电流互感器、罗氏线圈、霍尔效应传感器等元器件构成；由于电压传感器308、电流传感器310使用的传感器方式和材料不同，造就了两种取样电路的非线性特性有所不同，当电压信号取样电路01和电流信号取样电路02分别输入相同相位的相电压信号v(t)﹑相电流信号i(t)时，取样到的电压信号和电流信号可能会发生不同的相位偏移，电压、电流之间因此存在了相位变差，存在相位变差的电压﹑电流信号分别经过放大器和模数转换器转换成数字信号后进行功率和电能计算，在电压、电流幅值准确的情况下，相位变差就会使电能表计算出的功率和电能与实际功率和电能有偏差，这就需要对电能表的电压﹑电流相位进行校正。另外，由于电能表的无功误差与有功误差相同，一般情况下，电能表的有功功率误差即等于无功功率误差，也代表电能表的误差。

对于单相标准电能表，设稳定的相电压v(t)的有效值为V，初始相位为

相电流i(t)的有效值为I，初始相位为

取初始相位差

有功功率

无功功率

设由电压信号取样电路和电流信号取样电路非线性特性不一样产生的相位变差为α，即经过取样电路取样的电压电流信号相位差为

那么有功功率变为

无功功率变为

显然，由于信号的相位变差α的出现，Pa’相较于Pa有一定的偏差，而Pr’相较于Pr也有一定的偏差。由于有功电能是有功功率对时间的积分，无功电能是无功功率对时间的积分，有功功率和无功功率的偏差将导致有功电能和无功电能计量的不准确。在这种情况下，标准电能表内通常要采用一种方法，用来对电压取样电路和电流取样电路引起的信号相位变差α进行校正，消除其对电能计量的影响。

生产企业生产标准电能表时，一般使用由高等级电能基准构成的电能表计量校验装置对标准电能表的电压和电流的幅值、相位及电能进行校准。在相电压、相电流的相位差

时，即

修正被检电能表V、I显示幅值，与计量标准相同。在相电压、相电流的相位差

时，即

需要根据校验装置测量的相对误差进行相位校准。在电压、电流信号稳态的情况下，电能有功功率相对误差为E，则

E＝[(Pa’-Pa)/Pa]100％。 (1)

依上所述，

当E≥0时，Pa’-Pa≥0，则α≤0，即电流信号超前了电压原始角度α⁰；当E≤0时，Pa’-Pa≤0，则α≥0，即电压信号超前电流原始角度α⁰。

在电压、电流输入信号稳态情况下，信号频率50Hz即每周期0.02s，每周期相角360⁰，当相角需要向后移动α⁰时，对应的延时时间设为ΔT(s)，则

ΔT＝0.02α/360。 (2)

或

α＝360ΔT/0.02 (3)

依据JJG 1085-2013《标准电能表检定规程》6.6.1.1中表19规定，0.02级以上标准电能表误差最小修约间距为0.002％，则标准电能表在

为1.0和0.5L时电能误差校准的最小校正台阶≤0.002％。

依上所述，误差E＝[(Pa’-Pa)/Pa]100％，即

由此得出：

时，即

如果E＝0.002％，即E＝0.00002，则α＝-0.00066⁰。

根据公式(2)计算，ΔT＝-36.7ns。即为了达到0.02级以上标准电能表的相位校准分辨力规定，相电压或者相电流延时精度不能大于36.7ns。

现有标准电能表相位校正采用的是电流/电压数字信号或模拟信号延时的方法。

电流/电压数字信号延时法如图2所示，相电压信号v(t)﹑相电流信号i(t)分别经过电压信号取样电路101﹑电流信号取样电路102后再分别经过电压模数转换器103﹑电流模数转换器104成为数字信号，然后进入相位校正模块105进行相位修调，即时间延时，经过电压或电流其中一个信号的延时修相，相电压与相电流之间的α已经消除，再向后进入功率电能计算主控单元106计算功率和电能，这样就没有相位引起的误差了。

电流/电压数字信号延时法中，根据相位校正模块105原理不同，可分为两种延时方法，即数据序列延时方法和数字滤波器延时方法：

数据序列延时方法中，根据α的正负性，确定对电压数字信号还是电流数字信号进行延时；选定延时信号后，根据ΔT值，四舍五入计算ΔT含有几个模数转换周期N_T，得到的周期数N_T就是延后取用的数据点数，后续N_T个数据都需要存入寄存器中，然后N_T个数据点后寄存的第一个数在与另一个不延时的信号数据一起送到功率电能计算主控单元进行计算，由此实现相位变差近似为零的相位校正；此方法比较简单，相位校正模块105功能也可以移进功率电能计算主控单元106内实现；但是若要实现对高精度电能表的相位校正，相电压或者相电流延时精度不能大于36.7ns，模数转换频率必须大于27.25MHz，如此高的频率和巨大的数据缓存是不现实的，因此，此方法只能在低等级电能表中使用。

数字滤波器延时方法中，相位校正模块105主要由全通数字滤波器芯片及控制寄存器构成，通过接收功率电能计算主控单元106计算的0.5L相位点有功电能误差的正负极性和误差数据，选择对电压信号还是电流信号延时，并对全通数字滤波器提供滤波函数常数实现延时；此方法在信号稳态情况下可以对相角校正得非常精细，缺点是数字滤波器需要对数据进行一定量的运算和平滑处理，对信号稳定性要求高、周期性要求好，不能满足新规程对信号实时变化的高精度测量，如浪涌闪变测量及任意波形测量等多功能测量的要求，另一个重大缺陷是，其设计原理只是针对单相电压信号或电流信号选择一个进行延时，仅仅适用于单相电能表相位校正，而对于三相电能表来说，当电压传感器和电流传感器都使用非线性器件时，3个相电压和3个相电流，这6个信号相互之间都有相角变差时，此设计方案就无法实现三相之间的相位校正，因此，此类全通数字滤波器延时方法不适用于三相电能表的相位校正。

电流/电压模拟信号延时方法如图3所示，这种方法在早期低精度标准电能表设计生产中使用较多，其原理是：相电压信号v(t)﹑相电流信号i(t)分别经过电压信号取样电路201﹑电流信号取样电路202后再分别经过电压相位校正203﹑电流相位校正204，消除相电压与相电流之间的相位变差α，然后再分别经过电压模数转换器205﹑电流模数转换器206成为数字信号，最后进入功率电能计算主控单元207计算功率和电能；相位校正采用模拟滤波器对取样的交流电压或交流电流模拟信号进行相位校正，模拟滤波器需要使用可变电容器来改变滤波器参数；该方法的优点是在模数转换前校正了交流电压电流的相角，从根本上消除了相位变差α，相位校正的精确度很高，缺点是对电容器稳定性要求极高，即要求所使用的电容器精密可调、容量可调范围大，温漂、时漂特性好、电磁兼容性强并且体积小，由于这些苛刻要求，此方法很难在高精度标准电能表相位校正中得到使用。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于模数转换延时的电能表相位校正电路及电能表，该电能表相位校正电路能有效实现电能表相位的高精度校正，其适用范围广，能用于单相或多相电能表的相位校正，而且其电路结构简单﹑可靠性强。

本发明的技术方案：

一种基于模数转换延时的电能表相位校正电路，含有电压信号取样电路﹑电流信号取样电路和功率电能计算主控单元，还含有第一模数转换器﹑第二模数转换器﹑高频晶振和延时信号模块，延时信号模块中含有组合逻辑脉冲发生器﹑第一可预置减法器﹑第一组合脉冲模块﹑第二可预置减法器﹑第二组合脉冲模块﹑延时数据寄存器﹑电压数据寄存器和电流数据寄存器；

电压信号取样电路接收到相电压信号后输送给第一模数转换器，第一模数转换器将模拟的电压信号转换为数字的电压数据；电流信号取样电路接收到相电流信号后输送给第二模数转换器，第二模数转换器将模拟的电流信号转换为数字的电流数据；

功率电能计算主控单元给延时数据寄存器发送电压转换延时数据和电流转换延时数据，延时数据寄存器再将接收到的电压转换延时数据和电流转换延时数据分别传送给第一可预置减法器和第二可预置减法器；

高频晶振的信号输送给组合逻辑脉冲发生器，组合逻辑脉冲发生器生成脉冲波信号并将该脉冲波信号同时发送给第一可预置减法器和第二可预置减法器，组合逻辑脉冲发生器还生成与高频晶振同频率的第一时钟信号并将该第一时钟信号同时发送给第一可预置减法器和第二可预置减法器，组合逻辑脉冲发生器生成频率为高频晶振频率的1/N的第二时钟信号并将该第二时钟信号同时发送给第一组合脉冲模块和第二组合脉冲模块，N为大于等于15且小于等于30的自然数；

第一可预置减法器接收到脉冲波信号中的任意一个脉冲A时，立即以电压转换延时数据为初始预置值﹑以第一时钟信号为计数时钟进行减法操作，减到零时停止减法操作，并向第一组合脉冲模块发出第一采样单脉冲，第一组合脉冲模块接收到第一采样单脉冲后再将第一采样单脉冲发送到第一模数转换器的采样控制端，同时，第一组合脉冲模块截取第二时钟信号中的一段发送到第一模数转换器的主时钟输入端；第一模数转换器接收到第一组合脉冲模块发送来的第一采样单脉冲后，立即启动模数转换，并将转换后得到的电压数据传送给电压数据寄存器；

第二可预置减法器接收到脉冲A时，立即以电流转换延时数据为初始预置值﹑以第一时钟信号为计数时钟进行减法操作，减到零时停止减法操作，并向第二组合脉冲模块发出第二采样单脉冲，第二组合脉冲模块接收到第二采样单脉冲后再将第二采样单脉冲发送到第二模数转换器的采样控制端，同时，第二组合脉冲模块截取第二时钟信号中的一段发送到第二模数转换器的主时钟输入端；第二模数转换器接收到第二组合脉冲模块发送来的第二采样单脉冲后，立即启动模数转换，并将转换后得到的电流数据传送给电流数据寄存器；

电压数据寄存器和电流数据寄存器都收到模数转换的数据后，组合逻辑脉冲发生器就同时生成一段电平信号和一段第三时钟信号，且该段电平信号和该段第三时钟信号持续的时间相同，组合逻辑脉冲发生器将该段电平信号和该段第三时钟信号同时发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器，电压数据寄存器和电流数据寄存器采用该段电平信号和该段第三时钟信号分别将存储的电压数据和电流数据输送给功率电能计算主控单元，从而使电压数据和电流数据同时到达功率电能计算主控单元；第三时钟信号的频率为高频晶振频率的1/M，M为大于等于3且小于等于10的自然数；

脉冲波信号中的脉冲A后的下一个脉冲在电压数据和电流数据都输送给功率电能计算主控单元后发出。

高频晶振的频率为30MHZ，第一时钟信号的频率为30MHZ，N为15，M为6，第二时钟信号的频率为2MHZ，第三时钟信号的频率为5MHZ。

发送到第一模数转换器的主时钟输入端的第二时钟信号中的一段中含有17个时钟，发送到第二模数转换器的主时钟输入端的第二时钟信号中的一段中也含有17个时钟；发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器的一段第三时钟信号中含有16个时钟，发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器的一段电平信号为低电平信号。

电压信号取样电路中含有电压传感器和电压信号放大器，相电压信号进入电压传感器的信号输入端，电压传感器的信号输出端与电压信号放大器的信号输入端连接，电压信号放大器的信号输出端与第一模数转换器的信号输入端连接；电流信号取样电路中含有电流传感器和电流信号放大器，相电流信号进入电流传感器的信号输入端，电流传感器的信号输出端与电流信号放大器的信号输入端连接，电流信号放大器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端连接。

电压传感器采用分压电阻或电压互感器，用来拾取外部输入的相电压信号，电压信号放大器对电压传感器拾取的信号进行放大处理；电流传感器采用锰铜片、电流互感器、罗氏线圈或者霍尔效应传感器，用来拾取外部输入的相电流信号，电流信号放大器对电流传感器拾取的信号进行放大处理。

延时信号模块采用复杂可编程逻辑器件(CPLD芯片)或现场可编程门阵列(FPGA芯片)或分立逻辑芯片来实现。

复杂可编程逻辑器件的型号为：EMP7256，现场可编程门阵列的型号为：CYCLONEII LE33216，第一模数转换器和第二模数转换器的型号为：AD677，功率电能计算主控单元的型号为：TMS320C28341。

电压数据寄存器接收并寄存第一模数转换器输出的相电压数字信号，电流数据寄存器接收并寄存第二模数转换器输出的相电流数字信号；组合逻辑脉冲发生器为第一可预置减法器和第二可预置减法器提供启动脉冲和计数时钟，为第一组合脉冲模块和第二组合脉冲模块提供逻辑时钟，还输出信号来控制电压数据寄存器和电流数据寄存器的数据同时输出到功率电能计算主控单元；第一可预置减法器用于存储第一模数转换器的延时量数据，第二可预置减法器用于存储第二模数转换器的延时量数据；第一组合脉冲模块接收第一可预置减法器发送来的第一采样单脉冲，与组合逻辑脉冲发生器输出的第二时钟信号结合，产生第一模数转换器延时使用的所有脉冲信号(其中包含采样脉冲和转换时钟)并输出；第二组合脉冲模块接收第二可预置减法器发送来的第二采样单脉冲，与组合逻辑脉冲发生器输出的第二时钟信号结合，产生第二模数转换器延时使用的所有脉冲信号(其中包含采样脉冲和转换时钟)并输出；延时数据寄存器给第一可预置减法器和第二可预置减法器发送的数据为12位的二进制数据；功率电能计算主控单元分别接收经过相位校正的数字电压同步信号和数字电流同步信号，并计算有功电能和无功电能。

含有上述基于模数转换延时的电能表相位校正电路的电能表可为单相电能表或多单相电能表。

单相标准电能表中使用该电能表相位校正电路时，如果需要对电压信号进行延时，功率电能计算主控单元发送给延时数据寄存器的电流转换延时数据置为零，电压转换延时数据按需要延时的时间计算；如果需要对电流信号进行延时，电压转换延时数据置为零，电流转换延时数据按需要延时的时间计算；如果电压﹑电流信号都不需要延时，电压转换延时数据和电流转换延时数据都置零即可。

三相标准电能表中需采用三组该电能表相位校正电路才能进行相位校正，设置转换延时数据时，以相位在最后的信号为参考，分别延时相角相对超前的其它5个信号，实现6个信号(三相电压、三相电流)相角同时校正。

本发明的有益效果：

1﹑本发明的电能表相位校正电路针对现有电能表相位校正方法无法有效地对高精度电能表进行相位校正的缺陷，采用延时模数转换的方式将相位超前的被测信号的相位向后移动，从而消除相电压信号和相电流信号之间的相位变差，模数转换后得到的数据就是校正过相位误差的数据，既不需要在模数转换前的模拟信号通道附加电子元件，也不需要对模数转换后的数据进行数学算法处理，不会引入对被测信号的额外干扰，确保了对被测信号进行实时同步采样，因此，本发明的电能表相位校正电路能有效实现电能表相位的高精度校正，特别适用于对高精度电能表的相位校正，使用该电能表相位校正电路的标准电能表完全满足JJG 1085-2013《标准电能表检定规程》中最高等级0.01级功率因数准确度的要求。

2﹑本发明的电能表相位校正电路不仅能用于单相标准电能表的相位校正，而且还能用于多相标准电能表的相位校正，适用范围广。

3﹑本发明可根据市场对标准电能表精度的要求，通过修改功率电能计算主控单元中的电压转换延时数据和电流转换延时数据，以及延时信号模块中各器件的性能参数，随时更改校正精度及最大校正范围，适应性强，使用灵活方便。

4﹑本发明的延时信号模块采用复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列来实现，电路结构简单﹑可靠性强﹑成本低廉。

(四)、附图说明：

图1为现有技术中的单相标准电能表的内部电压﹑电流取样电路框图；

图2为现有技术中单相电能表在数字信号中加入延时处理的电路框图；

图3为现有技术中单相电能表在模拟信号中加入延时处理的电路框图；

图4为基于模数转换延时的电能表相位校正电路的原理框图；

图5为基于模数转换延时的电能表相位校正电路中信号的时序图。

(五)、具体实施例：

参见图4﹑图5，图中，基于模数转换延时的电能表相位校正电路含有电压信号取样电路301﹑电流信号取样电路302﹑功率电能计算主控单元307﹑第一模数转换器303﹑第二模数转换器304﹑高频晶振305和延时信号模块306，延时信号模块306中含有组合逻辑脉冲发生器319﹑第一可预置减法器315﹑第一组合脉冲模块317﹑第二可预置减法器316﹑第二组合脉冲模块318﹑延时数据寄存器320﹑电压数据寄存器313和电流数据寄存器314；

电压信号取样电路301接收到相电压信号v(t)后输送给第一模数转换器303，第一模数转换器303将模拟的电压信号转换为数字的电压数据；电流信号取样电路302接收到相电流信号i(t)后输送给第二模数转换器304，第二模数转换器304将模拟的电流信号转换为数字的电流数据；

功率电能计算主控单元307给延时数据寄存器320发送电压转换延时数据和电流转换延时数据，延时数据寄存器320再将接收到的电压转换延时数据和电流转换延时数据分别传送给第一可预置减法器315和第二可预置减法器316；

高频晶振305的信号输送给组合逻辑脉冲发生器319，组合逻辑脉冲发生器319生成脉冲波信号SAM并将该脉冲波信号SAM同时发送给第一可预置减法器315和第二可预置减法器316，组合逻辑脉冲发生器319还生成与高频晶振305同频率的第一时钟信号HF并将该第一时钟信号HF同时发送给第一可预置减法器315和第二可预置减法器316，组合逻辑脉冲发生器319生成频率为高频晶振305频率的1/15的第二时钟信号ADCK并将该第二时钟信号ADCK同时发送给第一组合脉冲模块317和第二组合脉冲模块318；

第一可预置减法器315接收到脉冲波信号SAM中的任意一个脉冲A时，立即以电压转换延时数据为初始预置值﹑以第一时钟信号HF为计数时钟进行减法操作，减到零时停止减法操作，并向第一组合脉冲模块317发出第一采样单脉冲SAM_U，第一组合脉冲模块317接收到第一采样单脉冲SAM_U后再将第一采样单脉冲SAM_U发送到第一模数转换器303的采样控制端，同时，第一组合脉冲模块317截取第二时钟信号ADCK中的一段ADCK_U发送到第一模数转换器303的主时钟输入端；第一模数转换器303接收到第一组合脉冲模块317发送来的第一采样单脉冲SAM_U后，立即启动模数转换，并将转换后得到的电压数据传送给电压数据寄存器313，第一模数转换器303与电压数据寄存器313之间采用串行通信信号(AD_U、CLK_U)；

第二可预置减法器316接收到脉冲A时，立即以电流转换延时数据为初始预置值﹑以第一时钟信号HF为计数时钟进行减法操作，减到零时停止减法操作，并向第二组合脉冲模块318发出第二采样单脉冲SAM_I，第二组合脉冲模块318接收到第二采样单脉冲SAM_I后再将第二采样单脉冲SAM_I发送到第二模数转换器304的采样控制端，同时，第二组合脉冲模块318截取第二时钟信号ADCK中的一段ADCK_I发送到第二模数转换器304的主时钟输入端；第二模数转换器304接收到第二组合脉冲模块318发送来的第二采样单脉冲SAM_I后，立即启动模数转换，并将转换后得到的电流数据传送给电流数据寄存器314，第二模数转换器304与电流数据寄存器314之间采用串行通信信号(AD_I、CLK_I)；

电压数据寄存器313和电流数据寄存器314都收到模数转换的数据后，组合逻辑脉冲发生器319就同时生成一段电平信号SPISTE和一段第三时钟信号SPICLK，且该段电平信号SPISTE和该段第三时钟信号SPICLK持续的时间相同，组合逻辑脉冲发生器319将该段电平信号SPISTE和该段第三时钟信号SPICLK同时发送给电压数据寄存器313和电流数据寄存器314，电压数据寄存器313和电流数据寄存器314采用该段电平信号SPISTE和该段第三时钟信号SPICLK分别将存储的电压数据和电流数据输送给功率电能计算主控单元307，从而使电压数据和电流数据同时到达功率电能计算主控单元307，电压数据寄存器313和功率电能计算主控单元307之间采用SPI通信信号(SPISIMO_U、SPISTE、SPICLK)，电流数据寄存器314和功率电能计算主控单元307之间也采用SPI通信信号(SPISIMO_I、SPISTE、SPICLK)；第三时钟信号SPICLK的频率为高频晶振频率的1/6；

脉冲波信号SAM中的脉冲A后的下一个脉冲在电压数据和电流数据都输送给功率电能计算主控单元307后发出。

高频晶振305选用频率为30MHZ的有源宽温晶振，第一时钟信号HF的频率为30MHZ，第二时钟信号ADCK的频率为2MHZ，第三时钟信号SPICLK的频率为5MHZ，脉冲波信号SAM的周期为160μs。

发送到第一模数转换器303的主时钟输入端的第二时钟信号ADCK中的一段ADCK_U中含有17个时钟，发送到第二模数转换器304的主时钟输入端的第二时钟信号ADCK中的一段ADCK_I中也含有17个时钟；发送给电压数据寄存器313和电流数据寄存器314的一段第三时钟信号SPICLK中含有16个时钟，发送给电压数据寄存器313和电流数据寄存器314的一段电平信号SPISTE为低电平信号。

电压信号取样电路301中含有电压传感器和电压信号放大器，相电压信号v(t)进入电压传感器的信号输入端，电压传感器的信号输出端与电压信号放大器的信号输入端连接，电压信号放大器的信号输出端与第一模数转换器303的信号输入端连接；电流信号取样电路302中含有电流传感器和电流信号放大器，相电流信号i(t)进入电流传感器的信号输入端，电流传感器的信号输出端与电流信号放大器的信号输入端连接，电流信号放大器的信号输出端与第二模数转换器304的信号输入端连接。

电压传感器采用分压电阻，用来拾取外部输入的相电压信号v(t)，电压信号放大器对电压传感器拾取的信号进行放大处理；电流传感器采用微晶零磁通双磁芯互感器，用来拾取外部输入的相电流信号i(t)，电流信号放大器对电流传感器拾取的信号进行放大处理。

延时信号模块306采用复杂可编程逻辑器件(CPLD芯片)。

复杂可编程逻辑器件的型号为：EMP7256，第一模数转换器303和第二模数转换器304的型号为：AD677，功率电能计算主控单元307的型号为：TMS320C28341。

电压数据寄存器313接收并寄存第一模数转换器303输出的相电压数字信号，电流数据寄存器314接收并寄存第二模数转换器304输出的相电流数字信号；组合逻辑脉冲发生器319为第一可预置减法器315和第二可预置减法器316提供启动脉冲和计数时钟，为第一组合脉冲模块317和第二组合脉冲模块318提供逻辑时钟，还输出信号来控制电压数据寄存器313和电流数据寄存器314的数据同时输出到功率电能计算主控单元307；第一可预置减法器315用于存储第一模数转换器303的延时量数据，第二可预置减法器316用于存储第二模数转换器304的延时量数据；第一组合脉冲模块317接收第一可预置减法器315发送来的第一采样单脉冲SAM_U，与组合逻辑脉冲发生器319输出的第二时钟信号ADCK结合，产生第一模数转换器303延时使用的所有脉冲信号(其中包含采样脉冲SAM_U和转换时钟ADCK_U)并输出；第二组合脉冲模块318接收第二可预置减法器316发送来的第二采样单脉冲SAM_I，与组合逻辑脉冲发生器319输出的第二时钟信号ADCK结合，产生第二模数转换器304延时使用的所有脉冲信号(其中包含采样脉冲SAM_I和转换时钟ADCK_I)并输出；功率电能计算主控单元307给延时数据寄存器320发送的数据为24位的二进制数据，延时数据寄存器320给第一可预置减法器315和第二可预置减法器316发送的数据为12位的二进制数据；功率电能计算主控单元307分别接收经过相位校正的数字电压同步信号和数字电流同步信号，并计算有功电能和无功电能。

单相标准电能表中使用该电能表相位校正电路时，如果需要对电压信号进行延时，功率电能计算主控单元307发送给延时数据寄存器320的电流转换延时数据置为零，电压转换延时数据按需要延时的时间计算；如果需要对电流信号进行延时，电压转换延时数据置为零，电流转换延时数据按需要延时的时间计算；如果电压﹑电流信号都不需要延时，电压转换延时数据和电流转换延时数据都置零即可。

相电压v(t)的有效值为V，初始相位为

相电流i(t)的有效值为I，初始相位为

取初始相位差

有功功率

由于电压信号取样电路301和电流信号取样电路302的非线性特性不一样产生的相位变差为α，因此，经过取样电路取样的电压和电流信号的相位差为

单相标准电能表的输入有功功率为Pa，经过电压信号取样电路301和电流信号取样电路302后有功功率为Pa’，

所产生的有功功率误差为E，E＝[(Pa’-Pa)/Pa]100％，由于电能是功率对时间的积分，所以功率误差也是电能误差；将E进一步计算，

则

依上所述，当E≥0，则Pa’≥Pa，即

则α≤0，即电流信号超前电压原始角度α⁰；当E≤0时，则Pa’≤Pa，即

则α≥0，即电压信号超前电流角度原始角度α⁰。

计算时间与相角的关系：在交流相电压和相电流信号频率为50HZ的情况下，交流信号一个周期为0.02s，角度360⁰，为了校正相位，需要延迟的相位角度为α，相对应的延时时间为ΔT(s)，则ΔT＝0.02α/360。

在相电压信号v(t)和相电流信号i(t)的频率fi＝50HZ、第一模数转换器303和第二模数转换器304的采样频率fs＝6250HZ、电压信号取样电路301和电流信号取样电路302产生的相位变差|α|≤1.2⁰(经实际测量)的情况下，考虑到冗余，以相电压信号v(t)和相电流信号i(t)的相位变差最大值2.4⁰为校正极限，即最长延时时间ΔT _max＝133.33μs，选用高频晶振305产生的30MHz第一时钟信号HF，时钟周期为33.33ns，则延时数据量＝133.33μs/33.33ns，取整为4000个高频时钟周期；延时数据寄存器320给第一可预置减法器315和第二可预置减法器316发送的数据为12位的二进制数据，最大数据量4096，满足了预置数4000的要求。

依上所述，结果如下：最小延时ΔT _min＝33.33ns，即最小校正角度α_min＝0.0006⁰，0.5L最小电能校正误差精度ΔE_min＝±0.0018％；最大延时ΔT _max＝133.33μs，即最大校正角度α_max＝2.4⁰，0.5L最大电能校正误差精度ΔE _max＝±7.34％。

最小校正角度α_min即为相位校正精度，最小延时ΔT _min即为延时精度，0.5L最小电能校正误差精度ΔE_min即为0.5L角度点误差校正精度；使用本发明的标准电能表完全符合JJG 1085-2013《标准电能表检定规程》中对最高等级0.01级标准电能表的要求。

对三相标准电能表的三相电压和三相电流相位进行校正时需要用到电能表校验装置，电能表校验装置工作在P3模式，含两个校验方式，分别为β_ab和β_cb，相对应的校验装置内部交流功率电源输出信号相位为v_a(t)∠0⁰+i_b(t)∠120⁰和v_c(t)∠240⁰+i_b(t)∠120⁰。

对三相标准电能表相位校正的步骤如下：

第一步，用单相标准电能表的相位校正方法对三相标准电能表的A﹑B﹑C三个通道分别独立进行各相相位校正，消除三相标准表每相电压电流之间的相位变差。

第二步，用P3跨相不平衡方式去校验三相之间相位存在的偏差，即三相标准电能表工作在P3模式下，同时电能表校验装置工作在三相相位校验方式β_ab，这时，标准电能表和电能表校验装置输入信号电压为：v_ab(t)＝v_a(t)；电流i_b(t)；电压v_b(t)＝0；电压v_c(t)＝0；电流i_a(t)＝0；电流i_c(t)＝0。

在β_ab校验方式，输入信号功率为P3_ab，P3_ab＝V_aI_bcosω，式中V_a为标准电能表A相输入电压信号幅值，I_b为B相输入电流信号幅值，ω为输入信号AB两相之间角度，初始角度120⁰。电压信号v_a(t)、电流信号i_b(t)经过取样电路后，功率P3’_ab＝V_aI_bcos(ω+β_ab),式中β_ab为三相标准电能表经过单相相位校正后A相与B相依然存在的相位变差。

β_ab方式校验装置测量的误差为E_ab，则

E_ab＝[(P3’_ab-P3_ab)/P3_ab]100％ (5)

即E_ab＝cos(ω+β_ab)/cosω-1,由此得出：

β_ab＝arcos[(E_ab+1)cosω]–ω (6)

其中一相延时时间为ΔT_ab，则

ΔT_ab＝0.02β_ab/360 (7)

延时数据量＝(0.02β_ab/360)/ΔT_min

已知ΔT_min＝33.33ns，则

延时数据量＝(0.02β_ab/360)/0.00000003333 (8)

在式(6)中，ω＝120⁰，或ω＝-60⁰，存在三种结果，如下：

当E_ab≥0时，得到β_ab≥0，则A相电压电流必须共同再延时，延时时间按照式(7)计算，共同增加延时数据量按式(8)计算；

当E_ab≤0时，得到β_ab≤0，则B相电压电流必须共同再延时，延时时间按照式(7)计算，共同增加延时数据量按式(8)计算；

当E_ab＝0时，A﹑B两相电压电流相位不用再延时校正。以上完成了第二步，已经校正了标准电能表A﹑B两相所有电压电流电路的相位变差。

第三步，三相标准电能表工作在P3模式下，同时电能表校验装置工作在三相相位校验方式β_cb，这时，标准电能表和电能表校验装置输入信号电压为：v_cb(t)＝v_c(t)；电流i_b(t)；电压v_a(t)＝0；电压v_b(t)＝0；电流i_a(t)＝0；电流i_c(t)＝0。

以上所述，在β_cb校验方式，功率P3_cb＝V_cI_bcosω，式中V_c为标准电能表C相输入电压信号幅值，I_b为B相输入电流信号幅值，ω为输入信号CB两相之间角度，初始角度-120⁰。电压信号v_c(t)、电流信号i_b(t)经过取样电路后，功率P3’_cb＝V_cI_bcos(ω+β_cb),式中β_cb为三相标准电能表C相与B相存在的相位变差。

β_cb方式校验装置测量的误差为E_cb，则

E_cb＝[(P3’_cb-P3_cb)/P3_cb]100％ (9)

即E_cb＝cos(ω+β_cb)/cosω-1,由此得出：

β_cb＝arcos[(E_cb+1)cosω]–ω (10)

其中一相延时时间为ΔT_cb

ΔT_cb＝0.02β_cb/360 (11)

延时数据量＝(0.02β_cb/360)/ΔT_min

已知ΔT_min＝33.33ns，则

延时数据量＝(0.02β_cb/360)/0.00000003333 (12)

在式(10)中，ω＝-120⁰，或ω＝60⁰，存在三种结果，如下：

当E_cb≥0时，得到β_ab≤0，则B相电压电流和A相电压电流必须共同再延时，延时时间按照式(11)计算，共同增加延时数据量按式(12)计算；

当E_cb≤0时，得到β_cb≥0，则C相电压电流必须共同再延时，延时时间按照式(11)计算，共同增加延时数据量按式(12)计算；

当E_cb＝0时，BC两相电压电流相位不用再延时校正。

Claims

1.一种基于模数转换延时的电能表相位校正电路，含有电压信号取样电路﹑电流信号取样电路和功率电能计算主控单元，其特征是：还含有第一模数转换器﹑第二模数转换器﹑高频晶振和延时信号模块，延时信号模块中含有组合逻辑脉冲发生器﹑第一可预置减法器﹑第一组合脉冲模块﹑第二可预置减法器﹑第二组合脉冲模块﹑延时数据寄存器﹑电压数据寄存器和电流数据寄存器；

电压数据寄存器和电流数据寄存器都收到模数转换的数据后，组合逻辑脉冲发生器就同时生成一段电平信号和一段第三时钟信号，且该段电平信号和该段第三时钟信号持续的时间相同，组合逻辑脉冲发生器将该段电平信号和该段第三时钟信号同时发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器，电压数据寄存器和电流数据寄存器采用该段电平信号和该段第三时钟信号分别将存储的电压数据和电流数据输送给功率电能计算主控单元；第三时钟信号的频率为高频晶振频率的1/M，M为大于等于3且小于等于10的自然数；

2.根据权利要求1所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特征是：所述高频晶振的频率为30MHZ，N为15，M为6。

3.根据权利要求1所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特征是：发送到所述第一模数转换器的主时钟输入端的第二时钟信号中的一段中含有17个时钟，发送到第二模数转换器的主时钟输入端的第二时钟信号中的一段中也含有17个时钟；发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器的一段第三时钟信号中含有16个时钟，发送给电压数据寄存器和电流数据寄存器的一段电平信号为低电平信号。

4.根据权利要求1所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特征是：所述电压信号取样电路中含有电压传感器和电压信号放大器，相电压信号进入电压传感器的信号输入端，电压传感器的信号输出端与电压信号放大器的信号输入端连接，电压信号放大器的信号输出端与第一模数转换器的信号输入端连接；电流信号取样电路中含有电流传感器和电流信号放大器，相电流信号进入电流传感器的信号输入端，电流传感器的信号输出端与电流信号放大器的信号输入端连接，电流信号放大器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端连接。

5.根据权利要求4所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特

征是：所述电压传感器采用分压电阻或电压互感器；电流传感器采用锰铜片、电流互感器、罗氏线圈或者霍尔效应传感器。

6.根据权利要求1所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特征是：所述延时信号模块采用复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列或分立逻辑芯片来实现。

7.根据权利要求6所述的基于模数转换延时的电能表相位校正电路，其特征是：所述复杂可编程逻辑器件的型号为：EMP7256，现场可编程门阵列的型号为：CYCLONE II LE33216，第一模数转换器和第二模数转换器的型号为：AD677，功率电能计算主控单元的型号为：TMS320C28341。

8.一种含有权利要求1～7中任一项所述的基于模数转换延时的电能表相

位校正电路的电能表，所述电能表为单相电能表或多单相电能表。