CN115616466A - 一种新的计量芯片校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新的计量芯片校准方法，包括：设置台体即电能表检验装置，使其在功率因数为1.0的条件下进行输出，并获取台体输出的数据，以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据P_{功率原始值}；计算得到电压比例系数R_电压，电流比例系数R_电流和功率比例系数R_1.0功率；设置台体，使其在预设的功率因数条件下进行输出，计算得到在当前条件下的功率误差Err_功率，计算得到角差β及其正弦和余弦值；判断是否进行二次补偿校准；根据功率比例系数R_1.0功率、角差β及其正弦和余弦值，计算得到当前功率因数条件下的功率比例系数R_功率，从而计算出准确的功率有效值P_{功率有效值}；完成所述计量芯片校准。

Description

一种新的计量芯片校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准方法，特别是一种新的计量芯片校准方法。

背景技术

目前行业内传统的校准方式都是通过主控芯片根据校准点台体的输出计算出校准值后写入计量芯片，让计量芯片完成校准后，再输出准确的计量数据。这样的方式每次初始化时，都需要把校准参数重新写到计量芯片中，使得初始化的流程变长。如果要求上电到出脉冲的间隔时间比较短，那么缩短计量芯片初始化的时间就尤为重要。

由于硬件带来的影响，计量芯片采集到的数据并不是完全准确的，需要通过一定的校准方式将数据校准。目前主流的校准方式有两种，一种是多点校准，另一种是单点校准。但两种方式都需要将校准参数在初始化阶段写进计量芯片的寄存器中。

计量芯片的校准参数主要为比差、角差和小信号补偿三种。

多点校准方式会在功率因数为1.0的时候先校准比差。然后切换台体的功率因数到0.5L后校准角差。最后再切换到功率因数1.0，并根据计量仪表的电流规格定义小信号补偿点，比如5％的额定电流点，看情况进行小信号的补偿。

单点校准方式是在功率因数为0.5L的时候先校准角差，这个前提要求是通过计量芯片在初始状态下输出的计量数据能够计算出准确的角差补偿参数。校准了角差后，在重新读出校准角差后的计量数据，对比差再进行校准。小信号补偿的方法和多点校准方式一样。

在分离式的设计中，即主控芯片和计量芯片不是封装在一颗芯片内，主控芯片和计量芯片需要通过硬件的通讯接口完成数据的交互。因为校准参数的存在，计量芯片就必须提供接收通道，用来接收主控芯片保存的校准参数。这不但增加了计量芯片初始化的时间，也增加了计量芯片设计的成本。

计量芯片由于硬件的局限性，角差的校准范围也有很大的限制，一般只有正负几度。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的计量芯片校准方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种新的计量芯片校准方法，包括以下步骤：

步骤1，设置台体即电能表检验装置，使其在功率因数为1.0的条件下进行输出，并获取台体输出的数据，以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据P_{功率原始值}；

步骤2，根据步骤1中获取的数据，计算得到电压比例系数R_电压，电流比例系数R_电流和功率比例系数R_1.0功率；

步骤3，设置台体，使其在预设的功率因数条件下进行输出，并根据台体输出的数据以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据，计算得到在当前条件下的功率误差Err_功率，并根据所述功率误差计算得到角差β及其正弦和余弦值；

步骤4，判断是否进行二次补偿校准；若进行二次补偿校准，则根据计量芯片的规格确定小信号点，并计算小信号点处的误差即小信号误差，根据小信号误差进行二次补偿；否则进入步骤5；

步骤5，根据步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率、角差β及其正弦和余弦值，计算得到当前功率因数条件下的功率比例系数R_功率，从而计算出准确的功率有效值P_功率有效_值；

步骤6，完成所述计量芯片校准。

本发明步骤1中所述的台体输出数据包括：台体输出的功率、台体输出的额定电压和台体输出的额定电流；

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：经过计量芯片计量得到的功率、经过计量芯片计量得到的电压和计量芯片计量得到的电流。

本发明步骤2中所述的功率比例系数R_1.0功率的计算方法包括：

R_1.0功率＝经过计量芯片计量得到的功率/台体输出的功率。

本发明步骤3中所述的预设的功率因数，是除步骤1中所述的1.0以外的任一数值。

步骤3中所述的台体输出的数据包括：预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角α，以及预设的功率因数条件下的台体的输出功率，记为P_非1.0。

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：预设的功率因数条件下经过计量芯片计量得到的输出功率，记为P_计。

步骤3中所述的功率误差Err_功率的计算方法如下：

Err_功率＝(P_计-P_非1.0)/P_非1.0。

步骤3中所述的计算得到角差β的方法如下：

tanβ＝(Err_功率非1.0+1)/tanα

其中，α为步骤3中所述的预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角；当采用计算机程序进行计算时，采用如下方法：

sin2β＝Err_功率非1.0 ²/(Err_功率非1.0 ²+tan2α)

其中，电压电流的角差β的方向通过Err_非1.0得到，如果Err_非1.0为负数，则β为负角度，sinβ为负数；反之β为正。

步骤4中所述的计算得到预设的功率因数条件下的有功功率比例系数R_功率的方法如下：

R_功率＝(cos(α+β)/(cosα*cosβ))*R_1.0功率

其中，R_1.0功率为步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率。

步骤5中所述的进行二次补偿校准的方法包括：

P_功率offset＝P_S台体*cosα-P_S*cos(α+β)/R_功率

其中，P_功率offset是所述小信号点处的功率偏差，P_S是计量芯片内的视在功率原始值即经过计量芯片计量得到的功率，P_S台体是台体输出的视在功率有效值即台体输出的功率。

步骤6中所述的完成所述计量芯片校准的方法包括：

当前有效值＝原始值/比例系数R+二次补偿值，即：

P_{功率有效值}＝P_{功率原始值}/R_功率+P_功率offset。

有益效果：

1、本发明提出了一种可以脱离计量芯片的校准电路。只需要计量芯片的原始数据就能完成实时校准。

2、本发明实现完全脱离计量芯片的校准寄存器，实时调整比例系数以达到校准的目的。

3、本发明提出的计量芯片校准方法，使得角差校准范围不再受限制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明中校准流程示意图。

图2为各个功率有效值计算流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种新的计量芯片校准方法，包括以下步骤：

步骤1，设置台体即电能表检验装置，使其在功率因数为1.0的条件下进行输出，并获取台体输出的数据，以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据P_{功率原始值}；

所述的台体输出数据包括：台体输出的功率、台体输出的额定电压和台体输出的额定电流；

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：经过计量芯片计量得到的功率、经过计量芯片计量得到的电压和计量芯片计量得到的电流。

步骤2，根据步骤1中获取的数据，计算得到电压比例系数R_电压，电流比例系数R_电流和功率比例系数R_1.0功率；

所述的功率比例系数R_1.0功率的计算方法包括：

R_1.0功率＝经过计量芯片计量得到的功率/台体输出的功率。

步骤3，设置台体，使其在预设的功率因数条件下进行输出，并根据台体输出的数据以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据，计算得到在当前条件下的功率误差Err_功率，并根据所述功率误差计算得到角差β及其正弦和余弦值；

所述的预设的功率因数，是除步骤1中所述的1.0以外的任一数值。

所述的台体输出的数据包括：预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角α，以及预设的功率因数条件下的台体的输出功率，记为P_非1.0。

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：预设的功率因数条件下经过计量芯片计量得到的输出功率，记为P_计。

所述的功率误差Err_功率的计算方法如下：

Err_功率＝(P_计-P_非1.0)/P_非1.0。

所述的计算得到角差β的方法如下：

tanβ＝(Err_功率非1.0+1)/tanα

其中，α为步骤3中所述的预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角；当采用计算机程序进行计算时，采用如下方法：

sin²β＝Err_功率非1.0 ²/(Err_功率非1.0 ²+tan²α)

其中，电压电流的角差β的方向通过Err_非1.0得到，如果Err_非1.0为负数，则β为负角度，sinβ为负数；反之β为正。

步骤4，判断是否进行二次补偿校准；若进行二次补偿校准，则根据计量芯片的规格确定小信号点，并计算小信号点处的误差即小信号误差，根据小信号误差进行二次补偿；否则进入步骤5；

所述的计算得到预设的功率因数条件下的有功功率比例系数R_功率的方法如下：

R_功率＝(cos(α+β)/(cosα*cosβ))*R_1.0功率

其中，R_1.0功率为步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率。

步骤5，根据步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率、角差β及其正弦和余弦值，计算得到当前功率因数条件下的功率比例系数R_功率，从而计算出准确的功率有效值P_功率有效_值；

所述的进行二次补偿校准的方法包括：

P_功率offset＝P_S台体*cosα-P_S*cos(α+β)/R_功率

其中，P_功率offset是所述小信号点处的功率偏差，P_S是计量芯片内的视在功率原始值即经过计量芯片计量得到的功率，P_S台体是台体输出的视在功率有效值即台体输出的功率。

步骤6，完成所述计量芯片校准。

中所述的完成所述计量芯片校准的方法包括：

当前有效值＝原始值/比例系数R+二次补偿值，即：

P_{功率有效值}＝P_{功率原始值}/R_功率+P_功率offset。

实施例：

如图2所示，从计量芯片读出来的计量数据一般都是原始值，与实际需要的值存在比例关系。例如当电压为220V电流5A时，从计量芯片读出来的电压电流原始值是一个ADC的转换值，比如电压原始值为110000，电流原始值为60000。此时转换成实际的电压220V电流5A就需要一个比例系数，假设电压精确到2位小数，电流精确到3位小数，那么电压比例系数R_U就是：

R_U＝22000/110000＝0.2

同理可以得到电流比例系数R_I是：

R_I＝5000/60000＝0.83

得到比例系数R的公式：

R＝当前有效值/原始值；--------公式1

由公式1可以得到有功功率的比例系数R_P为：

R_P＝P_S*cos(α+β)/P_S台体*cosα----------公式2

其中，P_S是计量芯片内的视在功率原始值，P_S台体是台体(三相/单相电能表检验装置)输出的视在功率有效值，α是当前台体输出的电压电流夹角，β是当前台体输出的电压电流的角差。

因此，根据公式2可以得到：

R_P1.0＝P_S*cosβ/P_S台体----------公式3

R_P非1.0＝P_S*cos(α+β)/P_S台体*cosα----------公式4

R_Q1.0＝P_S*sinβ/P_S台体----------公式5

R_Q非1.0＝P_S*sin(α+β)/P_S台体*sinα----------公式6

其中，R_P1.0表示功率因数1.0时的有功功率比例系数，R_P非1.0表示功率因数非1.0时的有功功率比例系数，R_Q1.0表示功率因数1.0时的无功功率比例系数，R_Q非1.0表示功率因数非1.0时的无功功率比例系数；

由公式3和公式4可以得到：

R_P非1.0＝(cos(α+β)/(cosα*cosβ))*R_P1.0-----------公式7

R_S非1.0＝cosβ*R_P1.0-----------公式8

其中，R_S非1.0表示功率因数非1.0时的视在功率比例系数；

由公式5和公式6可以得到：

R_Q非1.0＝(sin(α+β)/(sinα*cosβ))*R_Q1.0-----------公式9

由公式7和9可以发现，如果能计算出功率因数1.0下的功率比例系数、角差β就能得到当前任意功率因数下的比例系数，从而计算出准确的功率有效值。

以下是校准流程和原理说明，以有功功率为例：

1、台体在功率因数1.0、额定电压Un和额定电流Ib下输出有功功率，通过公式1，计算得到电压的比例系数R_U，电流比例系数R_I和R_P1.0；

2、台体在功率因数0.5L即0.5感性、额定电压Un和额定电流Ib的条件下输出有功功率,此时台体输出的电压电流的夹角α是60°。计算当前有功功率误差Err_P0.5L，方法如下：

Err_P0.5L＝(P_S*cos(α+β)/R_P1.0-P_S台体*cosα)/P_S台体*cosα--公式10

其中，通过公式3可以得到：

P_S＝P_S台体*R_P1.0/cosβ-------公式11

将公式11代入公式10可以得到：

Err_P0.5L＝(cos(α+β)/cosβ-cosα)/cosα

Err_P0.5L＝cos(α+β)/(cosα*cosβ)-1

Err_P0.5L+1＝cos(α+β)/(cosα*cosβ)

Err_P0.5L+1＝tanα*tanβ

tanβ＝(Err_P0.5L+1)/tanα-------公式12

其中，Err_P0.5L已知，α已知，因此可以计算得到tanβ。由于C语言只有正弦和余弦，因此可以通过sin²γ+cos²γ＝1得到：

sin²β＝Err_P0.5L ²/(Err_P0.5L ²+tan²α)------公式13

对公式13开根号可以得到sinβ，角差的方向可以通过Err_P0.5L得到，如果Err_P0.5L为负数，说明α+β<α，那么β为负角度，sinβ为负数；反之β为正。

3、根据实际仪表的规格定小信号点(一般按照标准文档定义，例如国网标准，参考《Q/GDW 10364—2020单相智能电能表技术规范》)；

参考《Q/GDW 10364—2020单相智能电能表技术规范》对最小电流和转折电流的定义，最小电流定义为“规定的符合电能表准确度等级要求的电流最小值”，转折电流定义为“规定的电流值，在大于等于该值时，与电能表准确度等级对应的最大允许误差在最小极限内”。两者的关系满足，转折电流＝0.1*额定电流，最小电流＝0.5*转折电流，所以可定义小信号校准点在最小电流上，也就是0.05*额定电流。

以5％Ib点为例，台体在功率因数1.0、Un和5％Ib下输出有功功率。计算当前有功功率偏差P_offset，方法如下：

P_offset＝P_S台体*cosα-P_S*cos(α+β)/R_P非1.0--------公式14

同理可以得出无功功率的偏差Q_offset

Q_offset＝P_S台体*sinα-P_S*sin(α+β)/R_Q非1.0--------公式15

二次补偿值并不是必选的校准步骤，如果硬件的小信号误差能满足标准要求就可以省去这一步骤。二次补偿值是对公式1曲线的上下平移，因此不影响比例系数和角差的计算。

所以最终校准的公式为：

当前有效值＝原始值/比例系数R+二次补偿值--------公式16

至此，整个校准过程完成。校准完后得到校准参数电压比例系数R_U、电流比例系数R_I、R_P1.0、R_Q1.0、sinβ、cosβ、β、P_offset、Q_offset。只要根据当前有功功率和无功功率的原始值得到电压电流夹角α+β，就能通过角差β反推回当前正确的电压电流夹角α，从而得到比例系数R_P非1.0，即公式16中的比例系数R，根据公式16计算出准确的电压电流和功率的有效值。

校准后，一共得到以下几个参数，其中小信号二次补偿相关的参数不是必选的，如果小信号下的偏差在允许范围内可以不校准：

1)有功功率比例系数；

2)无功功率比例系数；

3)电压比例系数；

4)电流比例系数；

5)角差；

6)角差正弦；

7)角差余弦；

8)电压二次补偿值；

9)电流二次补偿值；

10)有功功率二次补偿值；

11)无功功率二次补偿值；

12)视在功率二次补偿值；

根据公式7可知，若要求出R_P非1.0就得计算出当前台体输出的电压电流夹角α。因为计量芯片转换时的电压电流夹角为α+β，并且

cos(α+β)＝有功功率原始值/视在功率原始值-----------公式14

所以可以通过C语言的math库或者cmsis的dsp库的反余弦函数求出电压电流夹角α+β。因为余弦在第一、四象限是正数，在第二、三象限是负数，所以需要通过判断有功功率原始值和无功功率的原始值的正负判断象限，从而得到α+β的符号。得到正确的α+β后，因为β已经通过校表得到，因此就可以求得α。然后就可以通过公式7实时的计算出R_P非1.0。同理，因为

sin(α+β)＝无功功率原始值/视在功率原始值-----------公式15

结合公式15和公式9可以求得R_Q非1.0。因为视在功率的比例系数和当前电压电流夹角无关，所以目前已经可以得到有功功率比例系数R_P非1.0、无功功率比例系数R_Q非1.0和视在功率的比例系数R_S非1.0。

至此，已经能求得所有功率因数下的有功功率、无功功率和视在功率的比例系数，只要根据公式1，就可以计算出各个功率的有效值。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种新的计量芯片校准方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种新的计量芯片校准方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设置台体即电能表检验装置，使其在功率因数为1.0的条件下进行输出，并获取台体输出的数据，以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据P_{功率原始值}；

步骤2，根据步骤1中获取的数据，计算得到电压比例系数R_电压，电流比例系数R_电流和功率比例系数R_1.0功率；

步骤3，设置台体，使其在预设的功率因数条件下进行输出，并根据台体输出的数据以及台体的输出经过计量芯片计量后的数据，计算得到在当前条件下的功率误差Err_功率，并根据所述功率误差计算得到角差β及其正弦和余弦值；

步骤4，判断是否进行二次补偿校准；若进行二次补偿校准，则根据计量芯片的规格确定小信号点，并计算小信号点处的误差即小信号误差，根据小信号误差进行二次补偿；否则进入步骤5；

步骤5，根据步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率、角差β及其正弦和余弦值，计算得到当前功率因数条件下的功率比例系数R_功率，从而计算出准确的功率有效值P_{功率有效值}；

步骤6，完成所述计量芯片校准。

2.根据权利要求1中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤1中所述的台体输出数据包括：台体输出的功率、台体输出的额定电压和台体输出的额定电流；

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：经过计量芯片计量得到的功率、经过计量芯片计量得到的电压和计量芯片计量得到的电流。

3.根据权利要求2中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤2中所述的功率比例系数R_1.0功率的计算方法包括：

R_1.0功率＝经过计量芯片计量得到的功率/台体输出的功率。

4.根据权利要求3中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤3中所述的预设的功率因数，是除步骤1中所述的1.0以外的任一数值。

5.根据权利要求4中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤3中所述的台体输出的数据包括：预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角α，以及预设的功率因数条件下的台体的输出功率，记为P_非1.0。

所述的台体的输出经过计量芯片计量后的数据包括：预设的功率因数条件下经过计量芯片计量得到的输出功率，记为P_计。

6.根据权利要求5中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤3中所述的功率误差Err_功率的计算方法如下：

Err_功率＝(P_计-P_非1.0)/P_非1.0。

7.根据权利要求6中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤3中所述的计算得到角差β的方法如下：

tanβ＝(Err_功率非1.0+1)/tanα

其中，α为步骤3中所述的预设的功率因数条件下台体输出的电压电流夹角；当采用计算机程序进行计算时，采用如下方法：

sin²β＝Err_功率非1.0 ²/(Err_功率非1.0 ²+tan2α)

其中，电压电流的角差β的方向通过Err_非1.0得到，如果Err_非1.0为负数，则β为负角度，sinβ为负数；反之β为正。

8.根据权利要求7中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤4中所述的计算得到预设的功率因数条件下的有功功率比例系数R_功率的方法如下：

R_功率＝(cos(α+β)/(cosα*cosβ))*R_1.0功率

其中，R_1.0功率为步骤1中所述的功率比例系数R_1.0功率。

9.根据权利要求8中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤5中所述的进行二次补偿校准的方法包括：

P_功率offset＝P_S台体*cosα-P_S*cos(α+β)/R_功率

其中，P_功率offset是所述小信号点处的功率偏差，P_S是计量芯片内的视在功率原始值即经过计量芯片计量得到的功率，P_S台体是台体输出的视在功率有效值即台体输出的功率。

10.根据权利要求9中所述的一种新的计量芯片校准方法，其特征在于，步骤6中所述的完成所述计量芯片校准的方法包括：

当前有效值＝原始值/比例系数R+二次补偿值，即：

P_{功率有效值}＝P_{功率原始值}/R_功率+P_功率offset。

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