CN1175272C - 具有自动设施检测的电子计费器 - Google Patents

Abstract

一种集成的电子计费器系统诊断程序包，包括：微处理器(44)，预选多个系统诊断测试和记录所有超出预定可编程阈值结果的存储用存储器(45和51)，和作为电量计一部分的显示器(33)，其用于显示误差和/或识别选定的诊断数据的诊断信息和/或在预定周期内进行仪器测试时发现的误差，所述电量计用于收集公用事业设备的测量数据，以作为进行记账的数据。当在用户房屋内的插座上安装上计费器时，该系统将自动地检测装有计费器的电气设施的类型。

Description

具有自动设施检测的电子计费器

                    交叉参考的相关申请

本申请是序号为08/509367、题为“包含自动设施检测(automatic servicesensing)的电子测量装置”专利申请的部分继续申请，前一申请的申请日是1995年7月31日，且于1997年5月20日获得美国专利授权，专利号为5631554。

1995年7月31申请的序号为08/509367的“包含自动设施检测的电子测量装置”是序号为08/037938、题为“电子测量装置的系统检查和故障查找程序包”专利申请的部分继续申请，前一申请的申请日是1993年3月26日且于1995年11月21日获得美国专利授权，专利号为5469049。

而且，序号为08/333660、题为“电子测量装置的系统检查和故障查找程序包”的专利申请是1993年3月26日申请的序号为08/037938号专利申请的分案申请，该分案申请的申请日是1994年11月3日，美国专利的授权号是5471137，授权日是1995年11月28日。

上述各专利均以参考的方式与本申请相结合。

                          技术领域

本发明涉及一种在固态电子电量计费器(electronic revenue meter)中进行系统安装诊断的综合方法和装置。

                          背景技术

在此使用的术语“计费器”指的是通常通过电气设备安装在用户处用于测量用户的用电量以便记账的电量计。正如本领域的普通技术人员公知的那样，计费器一般安装在用户处牢固固定的永久基座上，即，通常将这种计费器“密闭地”置于永久安装在用户处的插座上。因此，在此使用的术语“计费器”并不包括那些不是插装在牢固固定的永久性基座上的仪器。特别是，并不认为那些包含与被测电路相连的导线的仪器都是计费器。

感应型瓦时计费器通常采用脉冲启动器，该启动器产生与仪器盘转速成正比的脉冲。将所产生的这种脉冲输送到电子寄存器以便推导出电流、电压、功率和/或使用能耗的时间。

迄今为止已普遍使用了各种固态多相电子计费器。这些以千瓦时、功率因数、KVA、和/或电抗电压安培形式监视电能消耗和记录或报告这种消耗的多相电子计费器通常采用固态元件，而且可以利用模-数转换器来提供可从其中提取各种用量/消耗指示的数字数据而不是脉冲数据。

可以安装在各种单相或多相电量分配系统中任何一种系统内的固态电子计费器也是公知的。在授予Germer等人的美国专利5059896中公开了一个固态电子瓦时计费器的实例。

在授予Swanson的美国专利4697182中公开了一个与传统瓦时计结合使用的固态电量记录仪的实例。

在安装这些计费器时服务人员需利用各种辅助设备和诊断技术以确保和保证正确安装计费器。特别是，这种辅助设备包括不属于计费器的各种仪器，这些仪器通常包括或适合于包括把它们与被测电路相连接的缆线。用于此目的的辅助设备并不一定成为电路中的一个永久部件，而且其并不适合插入用于此目的的仪器插座中。此外，虽然可以用这种设备来测量两点或多点之间的电参数，但是这需要进行人工介入以确定在其间进行测量的各点。另一方面，将计费器直接插入到已与用户的永久性电气设施用导线连通的插座上。而且，当将计费器插入时，不需要人工介入便可确定将要测量的量，这是因为当将仪器插座与系统连通时这种确定便已经完成。所以，虽然可以用已有技术中的辅助设备来确定是否已正确连通插座，但是其需要人工介入。此外，这种辅助设备通常需要由其使用者进行测量结果的人工介入。因为很多安装检查例如极性和相位交叉检查都是由现场施工人员进行，因此使这些安装检查与现场施工人员的知识和能力有很大关系。

虽然在进行安装和周期性维护时现场施工人员可以使用各种诊断设备，但是仍然需要一种能在不干扰仪器工作的情况下自动和周期性地完成标准串联系统和安装诊断的综合装置。此外，还需要仪器能进行周期性自检以便确定和记录在仪器操作中出现的选择性预定义的致命和非致命误差。

此外，虽然适用于一种以上电气设施的计费器很有效，但是这些计费器的一个缺点是在安装之前用户常常必须把设施类型的程序编入仪器中。这种多设施计费器的预安装程序会限制它们适应多种设施的能力。

                         发明概要

因此本发明的一个目的是提供一种用于固态电子计费器的整体系统检查和故障查找程序包。

本发明的另一个目的是提供一种与固态计费器集成一体和在仪器上自动完成一系列预定系统安装和诊断测试的方法和装置。

本发明的再一个目的是提供一种系统检查和故障查找程序包，其支持电子计费器并与计费器形成一体，而且其包括当服务人员查询时用于显示选定的自检和系统诊断测试结果的装置。

本发明的另一个目的是提供一种自动的系统检查装置，该装置周期性地检查是否存在特定的预定义条件和根据误差的性质产生与检测到的任何误差相应的预定作用。

本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，其用于确定与预选的基本相量相应的每个电压和电流相量的相位角，以达到检验是否正在检测所有仪器和接收多相电气设施中每一相的正确电压和电流的目的。

本发明的又一个目的是提供一种方法和装置，所述装置与多个固态设施计费器构成一体且能在安装计费器之后和在其工作期间周期性地自动检测电气设施的具体类型。

按照本发明，其设置的整体电子计费器自检和系统诊断程序包包括微处理器、存储器，自动和周期性地进行一组预选仪器自检和记录其所有误差的逻辑单元，自动对多个预选系统进行诊断测试并记录超过预定可编程阈值的所有结果的逻辑单元，及显示误差和/或诊断信息的显示装置，所述信息可分别识别一个或多个自检误差或选定的诊断数据和/或在预定的周期内在仪器自检中发现的误差。

优选将本发明的装置与固态计费器结合在一起，所述计费器采用模数转换器和相关的数字采样技术以获得与和计费器相连的单相或多相系统中的一相或多相电流及电压相应的数字数据。

本发明自动地进行预选的仪器自检，优选的是每天一次，和/或当仪器在断电后重新供电时，和/或当整个仪器完成重构时，由此可确定选定的仪器部件的连续工作能力。例如，在优选实施例中，本发明的装置检查其自身的存储器、微处理器和仪器中选定的寄存器以确定记账数据是否因上一次检查而不可靠。由于记账数据的不纯被认为是计费器的致命误差，所以本发明的装置将产生和显示表示误差性质的误差代码，在该误差代码上锁定该显示，并且在仪器重构完成之前中断所有的仪器功能(除了通讯功能之外)。

此外，该装置还周期性地检查其它非致命误差，例如寄存器溢出、时钟、使用时间、反向能流和较低的电池误差。误差检查的频率可以随受检的部件和/或条件以及仪器连续工作时误差的潜在效应而改变。一但发现非致命误差，可以根据误差的性质和特定仪器的结构情况切断或不切断显示器。

本发明还周期性地进行一系列预选的系统诊断测试。这些测试应在安装仪器时进行且优选在仪器正常工作期间约每5秒钟进行一次。在优选实施例中，该装置利用在工厂确定的参数以及由用户确定的参数进行极性、相位交叉和能流诊断，相电压偏差诊断，无功相电流诊断，可能的功率因数诊断，和电流波形畸变检测诊断，所述由用户确定的参数可以由安装现场的人员指定。

在进行极性、相位交叉和能流诊断时，本发明的装置利用累加的电流和电压信息来确定每个电压和电流相量(例如V_B，V_C，I_A，I_B和I_C)相对于多相系统中的参考相量(例如V_A)的相位角。在这种安装方式下每个相量的合适位置是预定的而且可以将其作为与算出的相位角相对比以确定每个角度是否落入预定包络线内的实例来使用。如果算出的任何一个相位角落到其相应的预定包络线之外，则会显示出诊断误差信息。这种诊断在安装时是特别有用的，这是因为该误差可以指示电压或电流电路的相位交叉，电压或电流电路的错误极性，一相或多相反向能流(同时发生)，或仪器内部的测量失灵。

本发明的装置还优选包括“工具箱”显示器，当现场施工人员进行手动启动时，该显示器将使显示滚过预选值表，例如由现场施工人员观察到的每个相位的电压和电流，与每个电压和电流相量相关的角度，和出现每个诊断错误的数量。

在本发明的一个实施例中，当安装了计费器并接通电源之后，而且优选在仪器正常工作期间，本发明的装置将自动检测电气设施的类型(即单相，三线三角形连接，四线星形连接，或四线三角形连接)。

除非因致命误差而特意暂停执行所述操作，否则本发明的装置可以在不影响仪器工作的情况下完成系统诊断，工具箱显示和自动的设施检测等功能。

按照本发明的一个方面，提供了一种可插到仪器插座中并且可用于收集测量数据的电子计费器，所说计费器包括：

(a)电气系统诊断程序包，包括：

(i)微处理器；

(ii)与微处理器相连接的存储用存储器；

(iii)逻辑单元，用于自动地周期性进行预选的计费器检查试测和记录由此检测到的任何误差；

(iv)逻辑单元，用于自动地周期性进行预选的多个系统诊断测试和记录任何超过预定阈值的结果；

(v)用于显示误差信息的显示装置，所述误差信息用于识别在预定周期内进行的计费器检查结果中发现的一个或多个误差；和

(vi)显示诊断信息的显示装置，所述诊断信息用于识别在预定周期内进行的系统诊断测试结果中发现的任何误差；和

(b)用于存储计费数据的装置，所述计费数据表示在安装有所述计费器的地方的用电量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种插到仪器插座中并且用于从用户方收集测量数据的电子计费器，所说电子计费器包括：

(a)电气系统诊断程序包，包括：

(i)微处理器；

(ii)与微处理器相连接的存储用存储器；

(iii)逻辑单元，用于自动地确定安装的所说计费器的电气系统类型；和

(b)用于存储计费数据的装置，所述计费数据表示在安装有所述计费器的地方的用电量。

通过以下结合附图对实现本发明的最佳实例进行的详细描述将更有助于理解本发明的上述目的和其它目的、特征、及优点。

                     附图的简要说明

图1是系统的方框图；

图2是与本发明所述系统成一体的计费器的透视图；

图3是图2所述计费器的方框图；

图4是本发明电气系统诊断检查的流程图；

图5是由本发明完成的极性、相位交叉和能流诊断的第一部分流程图；

图6是由本发明完成的极性、相位交叉和能流诊断的第二部分流程图；

图7是由本发明完成的相电压偏差诊断程序的第一部分流程图；

图8是由本发明完成的相电压偏差诊断的第二部分流程图；

图9是由本发明完成的无功相电流诊断的第一部分流程图；

图10是由本发明完成的无功相电流诊断的第二部分流程图；

图11是由本发明完成的每一相功率因数诊断的第一部分流程图；

图12是由本发明完成的每一相功率因数诊断的第二部分流程图；

图13是由本发明完成的每一相功率因数诊断的第三部分流程图；

图14是在工具箱显示器中显示的项目表；

图15是适用于典型三相计费器安装的相量图；

图16是表示代表由系统跟踪的两个相量的波形关系曲线图；

图17A是图3中所示前端模块42的第一部分方框图；

图17B是图3中所示前端模块42的第二部分方框图；

图18A是图3中所示寄存器模块48的第一部分方框图；

图18B是图3中所示寄存器模块48的第二部分方框图；

图19是由本发明完成的电流波形畸变检测诊断的第一流程图；

图20是由本发明完成的电流波形畸变检测诊断的第二流程图；

图21是表示计费器波形系数和由这些系数支持的相关类型电气设施的图表；

图22是由本发明完成的自动设施检测功能的第一部分流程图；和

图23是由本发明完成的自动设施检测功能的第二部分流程图。

                       最佳工作模式

参照图1，通常用标号20表示的本发明的系统是一个电量计费器，该计费器可以插到仪器插座上，而仪器插座是永久地安装在电气设施使用者的驻地。正如在已有技术中公知的那样，这种插座用导线连接到电气设备的供电线上，而且它们可根据用户的要求断开与供电线的连接，因此需要将计费器安装在这种插座上以达到恢复这种连接的目的。同时这种计费器测量用户使用的电量。

通常，在确立了插座的位置时或者当将电气设施装到现有结构上时将插座永久地固定在用户驻地。此后，安装计费器，而且通常是将其“密封”到插座上以使这种安装实际上为永久性安装，只有破坏该密封才能够拆除计费器并将端接的电气设施保持在此位置上直至将另一个计费器安装好为止。

当在与实际安装计费器不同的时刻连接插座时，熟悉本领域的技术人员应当认识到这种插座包括例如带插座孔的装置，所述装置能与例如计费器上的插头等互补装置相互配合。因此，通常在安装电计费器时，将计费器基座上的插头插到插座中，由此把电气设施连接到用户驻地。

如上所述，本发明涉及计费器，这种计费器意在通过把电路接通并将其设定到用户的预定量和通过在电量通过该计费器时测量该设施的电参数来提供和记录用户预定的用电量。

从上述观点出发，尽管插座安装在用户驻地的方式将决定由计费器检测的各种相位和其它参数，但是本发明的计费器只根据计费器上插头的结构而不是根据仪器安装者一方的任何决定而自动与现有的设施连通，下面将对此进行更详细的说明。

熟悉本领域的技术人员将会认识到，在插入现有电路和其它辅助测量设备中的计费器之间存在固有差异，所述电路和辅助测量设备可以用于确定电气设施的相位和其它参数，该电气设施通常通过用接线柱和仪器导线与辅助设备相连接。此外，熟悉本领域的技术人员将会认识到当使用辅助设备时一般需要人工介入和判断。因此，作为实例，如果使用由BMI制造的3030/3060功率分配器(Powerprofiler)，则必须将其用探头和缆线连接到检查的设施中。这意味着，技术人员必须知道如何将各探头与电气设施相连，而且技术人员必须知道如何将该探头与功率分配器相连。此后，技术人员必须知道如何判断在功率分配器上产生的各种电压和电流相量图以便确定是否已进行了正确连接。对熟悉本领域的技术人员来说很显然不正确的相量可能由与待检设施的不正确连接引起或是与功率分配器的不正确连接引起。类似地，如果使用功率分配器的技术人员并不非常熟悉它的使用方式，就有可能对功率分配器进行错误连接，由此会导致不正确读数，其随后将导致技术人员改变其它与仪器插座的正确连接。

为了取消上述对辅助测量设备例如功率分配器的所有需要，和为了不必严格地与这种辅助设备连接和解释由这种设备获得的读数，本发明所述计费仪的连接是仅通过将其插入与之相配的插座而实现的。此后，本发明的计费器将自动地检测和显示电连接的性质，其与进行这种连接操作的人员的知识和技术无关，因此不需要熟练的技术人员、探头或缆线。

因此，参照图1和图2，本发明的计费器包括中心处理单元22，存储器24，适用于存储与分别来自电压A/D转换器26和电流A/D转换器28的电压及电流数据周期性采样相对应的数字数据，逻辑单元30用于进行仪器自检和由系统支持的系统及安装诊断，而显示装置32用于显示误差和诊断信息。

参照图2，系统20优选与固态多相千瓦/千瓦时(“KW/kWh”)单功能计费器34相结合(如图3，17A-B和18A-B所示且在下面将详细描述)，所述计费器包括基本上呈环形的基座36，固定有面板38的传统模制塑料外壳(未示出)，和仪器盖40。计费器34还包括适合于与现有电气系统相连接的传统的电流检测元件。

参照图3，在优选实施例中，本发明所述系统20中的诊断逻辑单元30与计费器的前端模块42相结合，所述前端模块42包括微处理器44，用作电压A/D转换器26的8比特A/D转换器，部分地作为系统存储器24的一部分使用的随机存取存储器45，和只读存储器以及EEPROM，在此处设有系统诊断逻辑单元46。前端模块还优选支持其它仪器功能，这些功能包括仪器部件自检，A/D采样，能量计算，当前用量，瞬时值，任选的输出，和除了系统和安装诊断之外的仪器通讯和由本发明的系统20进行的工具箱显示。该实施例中的显示器是液晶显示器33，如图3所示，其优选包括97段数字，三个十进制点和由传统计费器显示的多个在显示电系统信息中非常有用的图象，以及由本发明的系统产生的诊断数据。

计费器34还包括带有微处理器50的寄存器模块48，其包括：只读存储器；部分地作为系统存储器使用的随机存取存储器51，96段LCD显示驱动器；和24条I/O线。在该实施例中，只读存储器和寄存器CPU50包括用于产生工具箱显示的显示逻辑和由本发明的系统20产生的诊断误差代码。寄存器模块48还支持其它仪器功能，例如保持记账值和与记账寄存器相关的功能以及与包括自读、使用时间、工作时间等时间相关的功能，和海量存储器。

应该注意到，在图3所示的计费器34的实施例中，本发明的系统20采用了8字节A/D转换器26来检测电压信号，而用外部12字节A/D转换器28来检测电流采样。正如熟悉该领域的技术人员所知道的那样，电流转换器28需要较高的分辩率，这是因为电流的变化范围比电压的变化范围更宽。熟悉该领域的技术人员还将认识到最好用独立的转换器来同时检测电流和电压以便通过调节电流采样和电压采样之间的滞后直接补偿由变流器引起的相位误差。因此，结果是变流器很理想而且不会引起相位滞后，随后可以用独立的转换器26和28同时对电压和电流进行采样。

用于产生工具箱显示和系统20的诊断误差信息的显示逻辑单元是显示逻辑单元52的一部分，其在图3所示的特定实施例中由寄存器CPU50实现。然而，熟悉本领域的技术人员将会认识到本发明所述系统的逻辑单元和CPU的能力可以在一个简单的单一处理器结构(例如如图1所示)中，以及图3中所示的结构中实现，或是由其它未脱离本发明构思的硬件实现。

本发明的系统20通过“工具箱”显示提供了全方位的系统诊能力和诊断显示功能。系统和安装诊断在一定程度上是由使用者通过程序软件定义的。工具箱是一组固定诊断信息的显示器，所述信息包含在特定操作模式中，信息可由使用者通常为现场施工人员通过启动计费器上的磁性开关进行存取。下面将详细讨论每种诊断能力。

在一个实施例中，系统20还具有自动设施检测能力。如在下面将要详细说明的那样，该能力包括在接通电源的情况下和在计费器周期性工作期间，根据由下述系统自动周期性确定的计费器的预编程格式数和电压矢量Va和Vc的角位移而自动确定在安装时由计费器支持的电气设施。

系统和安装诊断

本发明的系统20进行多种系统和安装诊断并通过诊断来指示电气设施的潜在问题，如计费器的不正确安装，或内部仪器的不正常工作。虽然这些诊断可以随由计费器支持的电气设备类型而改变，但是下述诊断一般由该系统完成。

参照图4，系统和安装诊断优选由政府机构执行。在优选实施例中，该诊断包括四种可以由使用者选择且由计费器完成的诊断：(1)极性、交叉相和能流检查；(2)相电压偏差检查；(3)变流器检查；(4)每相功率因数检查；和(5)电流波形畸变检查。计费器至少在每5个采样间隔中进行一次所有选定的诊断。

当按照由使用者根据诊断出的故障确定的参数得出出现误差的结论时，计费器将显示指示误差状况的信息，并且选择性地触发一个输出触点闭合器，例如水银湿式继电器或以“误差状态报警”形式编程的固态触点。当将一个选择性输出编为误差状态报警输出时，则不管使用者选定的诊断误差是否被触发，该输出触点将总是关闭。

再来参照图4，本发明的系统20优选通过54-62示出的一系列计算和诊断检查而迭代。在优选实施例中，将处理时间分成相当于60个输电线时钟周期的采样间隔。例如，在50Hz的安装条件下，该间隔是1.2秒。在60Hz的安装条件下，采样间隔将是1秒。

利用一个简单的计数器，系统20完成必要的采样和计算以确定I_A角度(优选的是相对于基本相量VA)，以及在54所示的在第一间隔期间完成#1诊断检查。

在56所示的第二间隔中，系统20对必要的采样进行累加以计算I_B的角度并且进行#2诊断检查。

在58所示的第三间隔中，系统对必要的采样进行累加以计算I_C的相位角和完成#3诊断检查。

在60所示的第四间隔中，系统对必要的采样进行累加以计算V_B的相位角和完成#4诊断检查。

在62所示的第五间隔中，系统对必要的采样进行累加以计算V_C的相位角和完成#5诊断检查，并使计数器置零。

在这些间隔中的每一个结束时计数器将进级(64)，该程序将连续地重复进行。因此，在60Hz系统中，计算每个电流和电压相量的相位角，并且每5秒钟进行一次四个诊断检查的每一个。正如熟悉本领域的技术人员将会认识到的那样，可以使用不同的时间间隔和/或改变子程序54-62以便对根据需要选定的一个或多个诊断进行更频繁和或不频繁的检查。

               #1诊断-极性、交叉相和能流检查

参照图5和图6，将极性、交叉相和能流检查设计成检查任何相电压或相电流的相反极性，和检查与不同相位的电流错误连接的某一相位的电压。这种情况还会导致出现共振(cogeneration)。这一检查是通过周期性测量每个电压和电流相量相对于参考相量(优选为V_A)的角度而完成的。将每个角度与其理想角度相比较，所述理想角度定义为能产生平衡、纯电阻负载的角度。如果任何电压角比其理想角度滞后或超前的量多于预定量(优选为10度)，或如果任何电流角比其理想角度滞后或超前的量多于第二预定量(优选为90度)，则计费器将指示出#1诊断误差。

如图5中所示，系统20的极性、交叉相和能流检查诊断程序66首先检查每个电流和电压相量的每个角度(可应用于连接有计费器的特定电系统上)(68-76)以确定是否每个角度都落入按ABC顺序旋转的预定理想角度公差范围内。如果有任何角度未落入理想角度的公差范围内，则系统将认定abc标记是错的(78)并转而(如图6所示)检查假设按CBA顺序旋转的每个角度。

如果在68-76中断定所有角度都处于其预定的理想公差内，则系统20将在80中认定abc标记是对的并转而检查假设按CBA顺序旋转的角度。

现在参照图6，一旦完成ABC旋转检查，系统将转入82-90进行每个电流和电压相量的角度检查以确定相对于CBA旋转而言相位角是否落入预定的理想角度公差范围内。如果有任何一个相位角处于预定的理想相量角度的公差范围之外，系统将在92中认定cba标记是错的。如果断定所有相位角都处于预定的理想角度公差范围内，系统将在94中认定cba标记是对的。然后系统20将判断abc或cba标记是否是对的。如果两者中有任一个是对的，该诊断检查便通过。如果abc标记或cba标记都是错的，则诊断检查对ABC和CBA旋转来说均未通过，此时表明出现诊断误差。

确定了出现诊断误差后，系统将如下面所述记录出现的误差并显示该误差。然而，在优选实施例中，在连续三次检查中均出现该误差状态之前不对该诊断误差进行初始显示。

正如熟悉本领域的技术人员将会认识到的那样，该诊断表示多种问题中的一种问题，这些问题包括潜在的或电流电路的交叉定相，潜在的或电流电路的错误极性，一相或多相反向能流，或仪器内部测量失灵。

                 #2诊断-相电压偏差检查

现在参照图7和图8，将相电压偏差检查设计成在98中检查任何处于由使用者确定的包络线之外的相电压。这实际上是检查分布的变压隙。该检查是通过周期性地测量每个相位的电压和根据由程序软件确立的预定电压包络线对其进行检查而实现的。

该检查使用的公式是：

如果任何相电压高于V_上限或低于V_下限，计费器将显示相电压包络线诊断误差。

应该注意到，在优选实施例中，系统20在100中检查以判断由与系统20相结合的计费器支持的电气设施是否是三元件四线Δ接法的设施。如果是这样的话，如在102处所示，系统将计算特定情况下相位C的电压上限和下限。

而且，如果相位B或相位C中任一个电压超过预定界限，系统将显示表示诊断误差的诊断检查的失误(在104或106)，而且如下面所述记录所述误差和显示合适的误差信息。否则，便可通过诊断检查(在108)和完成该检查。

然而，应该注意到，在优选实施例中，在三次连续检查均出现误差的情况之前将不进行该诊断误差的初始显示。

该诊断可以指出损失的相电压，错误的变压系数，短路的变压线圈，错误的相电压，和仪器内部测量失灵，以及其它潜在问题。

                 #3诊断-无功相电流检查

现在参照图9和10，在进行无功相电流诊断时，系统20周期性地将每相的瞬时RMS电流与预定的最小电流水平相比较，所述最小电流优选以1ma的增加量在5ma-200A的范围内进行选择。如果所有三相电流均高于可接受的水平，或所有三相电流均低于可接受的水平，该诊断便可通过。任何其它组合都将导致3#诊断不能通过，并将显示3#诊断的误差。

然而，在三次连续检查均出现误差状态之前，最好不记录和显示该诊断误差。

出现3#诊断误差标志着一个或多个仪器相电流存在幅值误差。如下面所述，为了确定问题所在，使用者必须从工具箱模式中获得相电流信息。

熟悉本领域的技术人员将会认识到，可以用这种诊断检查来指示任何一种潜在的问题，例如变流器电路的开路或短路。

                 4#诊断-每相的功率因数检查

参照图11-13，将每相功率因数诊断检查设计成检验就每个测量相位而言，电流相量和理想的电压相量之间的角度是否落入由使用者指定的包络线内(+/-1-90°)。由于该公差比1#诊断的公差更加限制，所以在1#诊断通过之前系统20并不进行该诊断检查。该诊断可以指示多种潜在问题中的任何一种问题，这些问题包括较差的负载功率因数状态，较差的系统状态，或系统设备的失灵。

在114和116中系统20首先检查abc和cba旋转标记。如果这两个标记都是错的，这就表明1#诊断已经不能通过。由于该诊断的公差比1#诊断更加限制，所以该诊断失灵。

如果abc和cba标记都是对的(表示1#诊断已经通过)，则系统20在114和116中分别进行相应的ABC或CBA旋转检查。就ABC旋转而言，在118-122中系统检查相应的电流相量和理想电压相量之间的角度以确定该角度是否落入使用者指定的包络线内。如果该角度处于预定的包络线之间，该诊断将在124中通过。如果不是，则诊断不能通过(在126)，表示4#诊断误差。在CBA旋转的情况下，系统20在128-132中对合适的电流相量进行类似的包络线检查。

                 5#诊断-电流波形畸变检查

参照图19，将电流波形畸变检查设计成检测在任何相上出现的DC电流。该诊断对设计成只通过交流电流的计费器特别有用，而且由于直流电流对变流器形成偏压使其在非线性区域工作，所以在足够大的直流电流下变流器的特性将变坏。

在计费器上形成直流电流的基本途径是与正常负载并联地放置的半波整流负载。半波整流信号的出现具有加大正半周或负半周波形同时使另一个不受影响的效果。就那些设计成不通直流电流的计费器而言，当在变流器的输入中出现该信号时，该信号产生电平移位从而使输出信号的平均值为零。然而正和负半周波形的波峰不再具有相同的幅值。直流电流检测诊断通过在计费器的采样间隔内取正和负峰值的差值而利用了这一现象。如果不出现直流电流的话，在间隔内的电流采样的累加结果将是接近零的值。如果出现直流电流，则累加值将明显增高。该方法(下面将称之为Comb滤波器法)可产生与伴随交流电流波形出现的相位和幅值无关的精确值。

由于采用本发明的计费器通常是多相仪器，即存在由计费器测量的两相或三相电流，某些人在负载上跨接一个半波整流电路而将直流电流引入装置中来窜改计费器是可能的。这种电路可能加在单相上。为此，DC检测诊断可以检测每相偏压上的直流电流。

在图19的流程图中示出了计算每相直流电流检测值的Comb滤波器法。该方法在每个采样间隔内包括以下步骤：

(1)记录每个间隔内第一电压采样符号；

(2)使用第一电压采样符号，检测第一过零电压；

(3)在过零电压进入电流峰值累加器后累加第二采样电流(近似90°)；

(4)在最初的电流采样进入电流峰值累加器中之后，对每四个电流采样进行累加(约相隔180°)

(5)重复步骤4；和

(6)在采样间隔结束时，用在间隔中使用的相应电流除以累加的电流峰值。这具有对相应于电流而存在的三个不同增益范围的结果进行归一化的效果。而且，使累加器相对于下一个采样间隔回零。

在步骤6中相除的结果是一个直接与该相上出现的直流量成比例的无单位值。该值将被称为DC检测值。用DC检测值与预选的检测阈值进行比较来确定是否出现直流电流。在优选实施例中，将检测阈值设定为3000，这是因为已经发现对于200amp和20amp的仪器来说合适的阈值是3000。

该诊断利用A/D采样来检查在每个采样间隔(通常为1秒)中采样481次时来自每相的电压和电流。每相的电流具有与之相关的增益。如果电流幅值变化的足够快，则该增益能改变每个采样间隔。这一事实在检测直流电流时是非常重要的，这是因为检测技术需要对在某一长度时间内采样的电流值进行累加。如果选择的时间周期大于采样间隔，则存在这样的可能性，即电流值的和包括在不同增益范围内的采样，而且这样累加的采样将失去其意义。因此，重要的是通过在上述步骤(6)中指定的每个间隔内使用的合适电流增益对得到的累加电流峰值进行标准化处理。

应该注意到，就一相而言，DC检测值的计算仅发生在任何单一采样间隔内。因此，最好由计费器至少在每5个采样间隔(一般为每5秒钟)进行一次不同于其它的诊断，对每相15秒的全部采样时间而言，要在5秒钟的间隔内对可能的三相中的每一相进行三次连续检查。因此，完成电流波形畸变检查所需的整个时间长度是45秒(相A、相B和相C中每一相为15秒)。

对于一个特定相而言，如果发现在所有三个连续间隔中DC的检测值均大于选定的检测阈值，那么将记录出现在该相上的直流电流。在检查完所有三相之后，如果在任何相上记录有直流电流，则诊断开动。如果经过45秒的间隔后没有发现在任何相上有故障，则诊断程序将关闭。

可以看出，应将检测阈值设定在与使计费器上的变流器开始退化的直流电流电平相应的电平上，由此可以检测出5#诊断未通过并在达到该直流电电流电平之前将其记录下来。

参照图20，针对三相中的每一相，该诊断将调用相位检查程序三次。然后相位检查程序将针对该相中三个采样间隔中的每一间隔对电流采样进行累加，将累加的采样标准化和存储作为DC检测值DVn的值。

再一次参照图19，通过对间隔计数、和相位A，相位B和相位C中每相的误差计数(PHA ERRCT，PHB ERRCT，和PHC ERRCT)进行清零后在步骤200中开始5#检查诊断程序。间隔计数器可以是一个模9计数器，该计数器可以从值0增加到8，然后回到0。就首先出现的三个5秒间隔(即间隔计数＝0，1或2)中的每一个间隔而言，程序在202中完成针对相位A的相位检查。对下三个5秒间隔(即，间隔计数＝3，4或5)而言，程序在204完成针对相位B的相位检查。而且对45秒诊断循环中最后三个5秒间隔(即间隔计数＝6，7或8)而言，程序在206完成针对相位C的相位检查。

当每个相位检查程序完成了对相位A的检查后，系统将在208中判断DC检测值是否大于检测阈值，并且如果DC检测值大于阈值，则增加相位A误差计数器(相位A ERRCT)计数。然后相位检查程序将调用三次相位B。同样，在每个相位检查程序完成检查后，系统在210中判断DC检测值是否大于检测阈值并同样设定相位B误差计数器(相位B ERRCT)。然后相位检查程序调用相位C。同样，系统在212中将得到的相位C的DC检测值与检测阈值进行比较并增加相位C误差计数器(相位C EERCT)的计数。

然后，系统在214中判断相位A、相位B或相位C误差计数器中是否有等于3的。如果是，则表明在该相的三个连续采样间隔中检测到DC电流，该系统将在216中注明5#诊断错误，和针对每个ERRCT＝3的相位而言，相位A，相位B或相位C的错误计数(分别为PHA CHK FAILURE，PHBCHK FAILURE，或PHC CHK FAILURE)。在所有情况下，在218中将PHA，PHB，和PHC CHK FAILURE计数中的每一个加到5#诊断计数器中(表示所有5#诊断的累加数误差)并结束诊断。

因此，在45秒采样间隔时，在对每一相检查三次之后，如果三相误差计数中的任一相在所有三次检查中已经记录有失效则需对5#诊断错误进行记录。在工具箱模式中报告的5#诊断计数器(DIA#5 ERRORCOUNTER)将是三个单相DC检测计数器的总合。

                         自动设施检测

在本发明的一个实施例中，所述系统包括根据计费器的预编程形式系数和电压相量Va和Vc的角位移自动确定由计费器支持的电气设施的逻辑单元。这种能力消除了用户对在安装之前把电气设备类型编程到计费器中的要求，因此，使用户能利用计费器灵活和多功能能力的所有优点并降低了用户对计费器的总体要求。此外，自动电气设施检测能力确保了计费器和任何能实现的系统和安装诊断在用最小预编程序安装时能够正确工作。最后，自动设施检测能力允许在不需要对改变由计费器支持的电气设施类型进行预编程的情况下，把计费器从一个电气设施重新安装到另一个上。

参照图21，在另一个实施例中，所述系统包括这些计费器的自动电气设施检测能力，所述计费器已被预编程成5S，6S，9S，12S，16S，26S，5A，6A，8A和10A的形式。图19所示的一组形式内的每个不同设施都具有唯一的平衡电阻负载相量图，该图示出了每个单独的相电流和相电压相对于A相电压的角位置。在一个真正的世界申请中，通过负载变化可以将电流相量从这些平衡的电阻负载位置上除去。然而，电压相量并不随负载而改变，并且位于其平衡电阻负载位置的一度或两度范围内。由于B相电压相量既不出现在两元件计费器上，也不在6S(6A)仪器上，所以可考虑该电压。然而，相位C的电压相量以所有不同的形式和功能出现并可相对于相位A的电压进行测量。因此，对于图21中示出的仪器形式，通过检查相位C的电压相量相于对A电压相量的角位置将能提供确定计费器处于哪种设施中所需的信息。

这一规则的唯一例外是不能在5S，5A，26S形式组的基础上通过简单地检验相位C和相位A电压相量位置来区分网络和四线WYE设施。在此所述的系统实施例中，系统将根据这些条件简单地假设一种四线WYE设施。

因此，如图21所示，如果已知计费器的波形系数，则常常可以通过测量电压系数的角位移来确定电气设施的类型。特别是，每种仪器形式8A，10A，9S和16S支持四线WYE和四线Δ接法电气设施。由于在四线WYE和四线Δ接法系统中电压相量Va和Vc的位移不同(就ABC旋转而言分别为120°和90°)，所以在启动后且能确保对系统计算的相量进行有效角度测量的合适时间延迟后，系统将确定Va和Vc电压相量之间的位移并根据该位移确定计费器是否安装在四线WYE或四线Δ接法系统中。

同样，对6S或6A形式的仪器而言，系统将确定Va和Vc相量的位移是否处于120°，优选±10°的可接受范围内以便确保计费器安装在它支持的合适的四线WYE电气设施中。对12S仪器而言，系统将确定Va和Vc相量的角度是否处于60°、120°、或180°的可接受范围内，如果是，则可断定计费器已经分别安装在三线Δ接法网络或单相电气设施中。最后，相对于5S，5A和26S形式，系统将检查Va和Vc相量以确定它们的角度是否落在每个三线Δ接法(60°)、四线Δ接法(90°)或四线WYE(120°)设施的可接受阈值内，如果是，则记录相应的电气设施类型。

应该注意到，在5S、5A和26S的形式下，系统不能区分四线WYE和网络设施，这是因为这些设施的Va和Vc相量之间的角度在ABC旋转中是120°。然而，由于目前在网络设施中使用5S不是很有效，所以，在一个实施例中，系统仅假设120°的Va/Vc角位移是四线WYE电系统。应该认识到，如果将计费器实际应用于网络设施中，则尽管依靠自动设施检测能力确定出计费器装在四线WYE网络中，但计费器仍能正常运行。然而，由于在四线WYE中的电流(I)和电压(V)之间的相移为30°和由于网络设施中的电流和电压相量彼此不相对偏移，所以如果在网络设施中使用了包括具有上述自动电气设施检测能力的5S，SA或26S形式的仪器的话，某些诊断计算，例如本文中所述的诊断1和4可能会错误地指示误差。

应该认识到，利用该系统通过检查电压相量和/或其它用自动系统诊断得到的信息同样可以自动检测安装有其它形式仪器的电气设施。

应该注意到，图21中示出的角位移是针对ABC顺序的。在进行电气设施确定时系统还优选检查相对ABC旋转的Va和Vc角位移值。应该认识到，在CBA旋转中，相位C的电压相量Vc为360°减去图21中所示的Vc位置。

图22和23表示在本发明一个实施例中使用的自动设施检查功能的流程图。每当将计费器接通，或重构系统诊断时，计费器将行使系统检查设施的职能。该过程可以通过将设施类型初始化到无效值而启动。该系统，例如在断电后起动或重构时，将识别无效值和自动开始进行有效设施类型判断。

对在60Hz下工作的计费器来说，需设定预定周期，优选为约8秒的诊断滞后以便于计费器进行调整和对需计算的五个可能的相量进行有效角度测量。在此，由于Va和Vc相量值可能不可靠，所以在滞后生效时自动设施检测功能并不执行。在诊断滞后周期过去后，在每个采样间隔结束时启动自动设施检测功能(对60Hz而言为1秒)直到找到有效设施为止。如果没有找到有效设施并在系统中启动了任何诊断，则将没有确定有效设施记录为1#诊断未通过。如果未启动诊断，则将不记录无效设施误差。在采用自动设施检测功能系统的一个实施例中，不在显示器上报告无效设施的1#诊断误差，除非1#诊断能够如本文中所述那样滚动或锁定。

只要没有发现有效设施，就不进行诊断检查。一旦确定了有效设施，并将设施类型记录在系统中，自动设施检测将停止，而且如下面所述，计费器开始在每个采样间隔对那些已启动的系统诊断进行诊断检查。

应该注意到，在本发明的一个实施例中，设施检测错误出现时的1#诊断操作未通过与通常的1#诊断未通过略有不同。如果在第一次检查时没有马上发现设施，那么只要在系统中实现了至少一种系统诊断能力，便可显示1#诊断未通过。一旦发现有效设施，将马上清除1#诊断误差。如果能够使1#诊断滚动或锁定，则该错误将仅显示在计费器上。只要能够实现一个系统诊断，就总能将错误记录在1#诊断误差计数器上。如果不能实现系统诊断，则将不记录该未通过。这样可以允许用户选择关闭所有警报。

应该注意到，在图22和23所示的过程中，系统允许电压相量的位置有优选为±10°的公差以便使诊断能够通过。鉴于电压相量的变化有限，一般在现场操作中相量平衡电阻负载位置的变化在一或两度内，所以可以看到，该公差是足够的。

                       用户定义的诊断

该系统优选使用户在安装计费器时能够或不能够进行任何一种或多种系统诊断。如果进行诊断，则系统还提供用户定义的参数，优选如下面所述。

为了启动或中断任何上述诊断检查，用户必须响应下面在由系统支持的每种诊断检查程序软件中给出的提示类型。

                    “N#诊断 不能进行”

就每个“N诊断”(其中N表示诊断次数1-4之一)而言，用户在压下反回键时得到优选包括下列选择的菜单：

不可能

忽略

锁定

滚动

不可能选择意味着不可能实现所述诊断。

如果执行了忽略选择，则意味着所述诊断将影响误差状态警报(如下所述)，但是不进行显示。

如果执行了锁定选择，则在确定了诊断误差的情况下，锁定选择将使计费器的显示锁定在诊断误差信息上。

如果执行了滚动选择，则在发现诊断误差信息时，将在每个正常模式的仪器显示项目之间的“关机时间”内显示诊断误差信息。

除了上述提示之外，还将提示用户对由特定仪器安装支持的电气设施类型(例如四线WYE)进行编程。

对2#诊断而言，还将提醒用户根据下列提示通过插入数字(优选对应于百分比公差)对所有电压的公差进行编程：

                    2#诊断百分比公差：＿＿＿＿

对3#诊断而言，还优选提醒用户根据下列提示对可接受的最小电流密度进行编程：

                    3#诊断最小电流：＿＿＿＿

对4#诊断而言，还优选提醒用户根据下列提示通过插入数字(1-90°)对允许的角度差进行编程：

                    4#诊断公差角度：＿＿＿＿

如果选择了锁定或滚动选择，则一旦检测到诊断误差，计费器将显示下列信息：

误差诊断N(其中N＝诊断#)

而且只要检测到误差，则将该误差计数器产生的数字加1。然而，如上所述，在优选实施例中，直到三次连续检查已经出现误差状态之前将不进行系统认定和诊断误差的最初显示。同样，直到两次连续检查已经没有出现误差时才从显示器上清除所述误差。

而且，根据系统在安装时的编程方式，显示器将锁定在误差信息上，或者在每个正常模式的仪器显示项目之间的“关机时间”内通过显示误差信息而使其滚动。按照本发明的教导还可以采用各种其它误差显示方法。

                           仪器自检

还优选适当地对本发明的系统20进行编程以便周期性地进行一系列仪器自检，而且如果检测到任何误差的话，系统将记录出现的误差状态，显示与检测到的误差类型相应的误差代码，并根据误差的类型采取其它合适的行动。

系统优选执行一系列周期性检查致命误差或非致命误差的程序。在检测到的错误可能产生错误记账数据的情况下或是在检测到的错误使计费器将来不能可靠工作的情况下，将所述误差划为致命误差。系统20优选对仪器寄存器模块的内RAM、寄存器模块的ROM、寄存器模块的EEPROM、寄存器模块的伪RESET、和前端模块的内RAM、ROM和EEPROM进行仪器自检。当在断电后向计费器重新恢复供电时或换句话说当计费器重构时，优选对这些仪器部件进行检查。如果检测到RAM、ROM、EEPROM、前端模块处理器误差或其它致命误差，系统20将显示与检测到的误差相对应的预定误差代码，并把显示锁定在误差代码上直至计费器重新启动，和中止除通信以外的所有仪器功能。

在不首先通过预定断电程序的情况下系统20通过判断寄存器模块处理器是否已与硬件RESET相互作用来检查断电误差。如果电源线上的瞬变刹那间集中于RESET线便会出现这种情况。检查寄生RESET的一种方法是象在处理断电时的上一步骤那样把特定字节与寄存器EEPROM连通。如果在电源接通时没有出现该特定字节，则会产生伪RESET。然后，系统20将显示断电误差代码并中止除通信以外的所有仪器功能。

如上所述，系统同样要检查前端模块中的RAM、ROM、EEPROM和处理器故障。在与图3所示计费器有关的实施例中，如果发现前端模块的任何致命误差，前端模块将停止与寄存器模块连通。如果前端模块不与寄存器模块连通的时间超过5秒钟，且假定已检测到这些误差中的一种，则将显示前端处理器的误差代码，并在前端模块重新工作之前确认68HC11RESET线。

由系统执行的仪器自检还优选包括一系列非致命误差，例如寄存器完全溢流，系统时钟，所用时间(TOU)，海量存储器，反向能流，和低电池误差状态。

例如，如果峰值Kw寄存器超过预编程寄存器全额值，将报告寄存器全额溢流误差。如果检测到这种情况，系统将显示寄存器全额溢流误差，而且当将计费器置零时或当通过预定的编程装置清除误差时这些误差将得以清除。

如果分、时、日或月数据超过预定范围，则将报告时钟误差。如果产生时钟误差，将不可能实现TOU和海量存储器选择并在计费器重构之前将停止记录间隔数据。

如果内部TOU参数存在错误和包含其预定可接受范围之外的值，则将报告TOU误差。如果出现TOU误差，将显示合适的误差代码且将不可能进行TOU选择。

如果内部海量存储器参数存在错误或是超出其预定的可接受范围，则将报告海量存储器误差。如果出现海量存储器误差，将显示合适的误差代码并且将不可能进行海量存储器选择。

如果前端模块检测到反方向上的一个完整和连续的盘旋转等效量，则将报告反向能流误差。不管是否停止或不停止所述能量都将报告该误差。

当检测到电源集成电路的电平时，如果确认了电源集成电路上的LOBAT信号，则将报告低电池误差。如果检测到低电池误差，将显示合适的误差代码，而且如同时钟误差一样，将不可能进行所有的TOU和海量存储器选择。如果在所有电源断开之前替换电池，则将在电池电压上升到预定阈值之上时清除低电池误差。然而，如果在发生断电时电池电压低于阈值，则必须重构计费器以清除该误差。

在每个定量间隔结束时系统还优选检查寄存器全额过流，并优选检查在电源接通后2300小时且任何类型仪器重构时的时钟、TOU和海量存储器误差。优选由系统在每秒钟进行反向能流误差检查，和在电源接通的情况下在每个间隔进行一次低电池误差检查。

在系统20的一个优选实施例中，系统允许使用者选择将要执行的仪器自检。在优选实施例中，如果检测到任何一个选定的非致命误差，在正常显示项目之间关机期间，系统将显示一个与检测到的误差相应的预定误差代码。此外，系统可以允许使用者对系统进行编程以便一旦检测到任何此类误差都将该显示锁定在任何非致命误差的误差代码上。在这种情况下，由使用者启动开关可使计费器滚动过一次正常显示的表格而且然后反过来锁定在非致命误差显示上。

应该认识到，在优选实施例中，不是不可能检查致命误差。如果没有选择任何非致命误差，则将不对其进行显示或作标记。

熟悉本领域的技术人员将会认识到，可以采用各种显示方式。例如，可以对系统进行编程以将显示锁定在与任何检测到的非致命误差相应的误差代码上直到启动磁性开关。启动磁性开关时，系统将滚动它的正常显示，然后反过来锁定在非致命误差代码的显示上。此外，可以对系统进行编码以便连续滚动过预定的显示表格，周期性地显示任何和所有非致命误差代码。

当想要提醒使用者可能出现数据错误或计费器工作不可靠时，利用传统装置和可进行显示的给定误差代码同样可以周期性地检查其它仪器部件。

工具箱模式

诊断工具箱是一组固定的优选为图14中所示格式的选定显示项目。在优选实施例中，通过位于仪器板上12点位置处的磁性舌簧开关存取工具箱显示，而且通过将靠近舌簧开关的磁铁保持至少5秒钟来启动工具箱显示器。这可以由使用者把磁铁放到仪器顶部来实现。

当存取时，工具箱显示项目是每个在图14中分别显示和以图14中所示顺序显示的每一项。一旦仪器是工具箱显示模式，则它将滚动过所有工具箱显示项目至少一次。当除去磁铁时，仪器将完成滚动以结束工具箱显示形式然后返回到正常模式的操作。在仪器处于工具箱模式的整个时间内，TESR信号器将每秒钟闪烁两次。

优选通过外部装置清除所有各#诊断误差计数器，例如通过手提式个人计算机，或通过正常通信手段。在优选实施例中，每个计数器的最大值是255。

当仪器处于工具箱模式时，它将连续完成仪器的正常工作。这样便确保了即使在磁铁离开计费器顶部较长时间周期计费器工作也不受影响。在计费器处于工具箱模式的整个时间内系统根据工具箱数量的变化值而不断更新显示的工具箱数量。

在工具箱模式下，瓦特盘仿真器(Watt Disk Emulator)以每1.33秒一圈的速率沿相位的能流方向滚动，由此实时地显示该点信息。例如，当显示A相电压、电流、电压角和电流角时，瓦特盘仿真器(watt disc emulator)沿相位A的能流方向上每秒滚动一次。一旦显示相位B的值(如果存在的话)，如果B相的能流与A相相反则瓦特盘仿真器将反向。在显示四个诊断误差计数时，瓦特盘仿真器关闭。

由于用户需要连续的电位指示，所以在显示器上有三个电位指示器，优选为示踪的VA，VB，和VC。只要相应的电压高于预定阈值，这些指示器便为“ON”。优选将该阈值确定为能使计费器工作的最低电压的75％。如果任何电压降低于阈值，则它的指示器将闪烁，优选的闪烁速率为每秒两次。

当同时存在多于一个误差时，将根据预定的优先显示仅与一个误差相关的信息。在系统的优选实施例中建立了以下次序：

1.仪器自检误差优先于系统和安装诊断误差。

2.由于一次只能显示一个系统和安装诊断误差，所以最优先的误差将是用预定优先格显示的一个误差。

如果存在两个或多个系统和安装诊断误差，则最优先的误差将是被显示的一个误差和使输出触点闭合的一个误差。如果该误差随后被纠正，则将显示仍然存在的下一个最优先误差并且将再一次触发输出触点闭合。只要已经触发了一个或多个诊断误差则可确认存在输出触点闭合(误差状态报警)。

如上所述和如图14所示，工具箱显示器还优选显示每个相位的电流和电压瞬时值，和它们的相位与相位A上的电压之间的关系。借助于这一信息，使用者可以绘制相量图，该相量图有助于确定计费器的正确安装和工作。由于上次已对系统进行清除，所以该显示器还显示每次诊断累计的诊断误差数量。

图14和15中分别示出了三相计费器安装的相量图和工具箱显示之间所需的关系实例。借助于在工具箱显示中给出的相电流、电压和角度信息，使用者能够绘制出图15中所示的相量图。这将使用户得到供电系统状态的抽点打印，并识别所有特性或误差。如上所述，工具箱显示器还将给出四个诊断计数器的状态，这将为用户提供更详细的系统状态信息。

相位角的计算

在优选实施例中，根据累加的每一相电流和电压值以及累加的Q和Y(在下文中定义)乘积来确定在1#和4#系统诊断中使用的和在工具箱显示器中进行显示时所需要的相电流和电压角度信息。优选使用相位A的电压作为其它角度的基准(或基本相量)。相位A的电压角在显示中将表现为0.0°。将根据相位A上的电压报告(IA，IB，IC，VB，VC)五个其它角度值，而且总能给出与滞后基准相对应的五个其它角度值。

1.V _A 和I _A 之间的相位角

如果已知功率和视在功率，则可推导出功率因数。其关系如下：

视在功率＝I_RMSV_RMS

然后可以按下列公式计算电压和电流之间的相位角(Θ)：

                   Θ＝sarccos(功率因数)

本发明的装置还可以通过检验无功功率的符号来判断电流是超前于还是滞后于电压。如果无功功率是正值，则电流滞后于电压，而如果无功功率是负值，则电流超前于电压。

在优选实施例中，对仪器上的每一相而言，需在每隔60行的周期(linecycles)内进行一次功率、RMS电压和RMS电流计算。这是通过在60行的周期内对电压和电流进行481次采样实现的。进行必要的相乘和累加，然后将这些值平均后得到在给定的60行循环周期内的功率、RMS电压、和RMS电流。随后在每个60行循环周期结束时使用这些量来计算每相的功率因数。

除非必须在电流和电压测量之间引入90°相移，否则完全可以用与功率同样的方式来计算无功功率。所述相移可以通过对当前的电流采样和用相应于90°相移的滞后电压采样(存储在存储器中)与之相乘而得到。

2. 总相位角偏差的计算方法

如下面所述，计算相位角V_A-I_A的方法可以概括成计算任何基本相量(例如V_A)和任何其它相量(例如V_B，I_B，V_C或I_C)之间的角度。

现在参照图16，其中考虑了相同频率、不同幅值和彼此间具有以下相移的两个正弦波：

                   a(t)＝Acos(ωt)

                  b(t)＝Bcos(ωt-Θ).

如果用(ωt-Θ)表示余弦变量，则暗含的假设是Θ代表从基准a(t)到b(t)滞后的相移。各位置表示的是随着时间的推移b(t)是在a(t)之前还是之后达到其最大值。如果b(t)在a(t)之后达到最大值，则认为它滞后于a(t)。如果b(t)在a(t)之前达到最大值，则认为它超前于a(t)。

为了将0相位角分离，将计算两个正弦波乘积的平均值。该平均值将用Q表示。平均值公式如下：

$Q=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}A\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)B\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\Θ})\mathrm{dt}.$

其中A和B分别表示正弦波a(t)和b(t)的幅值。正弦波的X_MAX幅值与RMS值X_RMS有关，其关系如下：

$X_{\mathrm{MAX}}=\sqrt{2}{X}_{\mathrm{RMS}}$

因此，

$A=\sqrt{2}{A}_{\mathrm{RMS}};$

$B=\sqrt{2}{B}_{\mathrm{RMS}}.$

将这些关系代入Q公式，则该公式变为：

            Q＝A_RMSB_RMScosΘ

或，

$\cos \mathrm{\Θ}=\frac{Q}{A_{\mathrm{RMS}}{B}_{\mathrm{RMS}}}$

而且最终，

$\mathrm{\Θ}=\arccos \left(\frac{Q}{A_{\mathrm{RMS}}{B}_{\mathrm{RMS}}}\right)$

因此，如果已知两个正弦波乘积的平均值和两个单波的RMS值，则可计算两个波之间的角度。单独用该信息将使我们无法确定b(t)是滞后于还是超前于a(t)。然而，如果已知正弦角Θ，则可确定该角度是超前角还是滞后角。

为了确定正弦角，可以考虑两个正弦波乘积的平均值，其中a(t)偏转90°或∏2弧度。描述a(t)偏移类型的公式如下：

            (t)＝Acos(ωt-Θ).

a(t)和b(t)的乘积平均值用参数Y表示。其公式如下：

$Y=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}A\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})B\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\mathrm{dt}$

通过解积分得到以下关系：

$Y=\frac{\mathrm{AB}}{2}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

因此，如果已知两个正弦波(Q)乘积的平均值，已知相对于基准波滞后偏转90°(Y)的正弦波乘积的平均值，和已知RMS值f或每个波，则可算出相位角并可确定非基准波是滞后还是超前于基准波。用于确定相位角大小的两个公式如下：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{Q}{A_{\mathrm{RMS}}{B}_{\mathrm{RMS}}}\right)$

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{Y}{A_{\mathrm{RMS}}{B}_{\mathrm{RMS}}}\right)$

通过检验反余弦和反正弦变量的符号可以估算角度是超前还是滞后。由于正角对应于滞后角，所以以下是用于确定角度超前还是滞后的正确方式：

反余弦自变量(+)，反正弦自变量(+)一0和90°之间的滞后：

反余弦自变量(-)，反正弦自变量(+)-90和180°之间的滞后；

反余弦自变量(-)，反正弦自变量(-)-90和180°之间的超前；和

反余弦自变量(+)，反正弦自变量(-)一0和90°之间的超前。

因此，如果Q，Y，和a(t)及b(t)的RMS值是有效的，则可以确定这些正弦波之间的相位角。

上述用于寻求相位角的技术将适用于任何一对电压或电流。例如，为了确定V_B和V_A之间的角度，两个必须计算的量是两个波乘积的平均值(Q_VAB)，和相对于V_A偏转90°的两个波乘积的平均值(Y_VAB)。

如上所述，与系统20的优选实施例结合使用的计费器在每60行的周期内对V_A和V_B采样481次。如果针对481次采样的每一次计算V_A和V_B的乘积并对采样间隔进行累计，则在采样间隔结束时，可以算出两波Q_VAB的乘积平均值。计算Q_VAB的公式如下：

$Q_{\mathrm{VAB}}=C\frac{\underset{n=1}{\overset{481}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{A\left(n\right)}x{V}_{B\left(n\right)}}{481}$

其中C是用于将相电压降补偿到可测量程度的校准尺度系数。

从类似的公式中可以得到Y_VAB：

$Y_{\mathrm{VAB}}=C\frac{\underset{n=1}{\overset{481}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{A(n-2)}x{V}_{B\left(n\right)}}{481}$

其中Y_VAB中C值的计算与Q_VAB中C值的计算方式相同而V_A(n-2)是在对V_A(n)采样之前对电压V_A进行的两次采样。

将采样设计成使对信号的两次连续采样相隔44.91°。因此，如果从两次采样之前对电压进行抽样，则将导致89.82°的相移，该相移接近90°。

应该注意到，替代使用V_A的偏移采样，可以使其它量偏移90°以便计算相位角。这将导致与Y值量级相同的结果。然而，由于相位角移动了180°，所以这将改变符号信息。就这一过程而言，在反正弦和反余弦自变量之间存在以下关系：

反余弦(+)，反正弦(-)

-滞后角在0-90°之间；

反余弦(-)，反正弦(-)

-滞后角在90-180°之间；

反余弦(-)，反正弦(+)

超前角在90-180°之间；和

反余弦(+)，反正弦(-)

-超前角在0-90°之间。

如果在工具箱显示所需的每个相位角采样间隔内计算新值，则必须在每个采样间隔内计算以上所示的十个乘积和累加项。由于过度占用了累加每个采样间隔内所有十项所需的处理时间和RAM，所以相对每个采样间隔来说仅优选考虑这些项中的一对。这样可以限制占用的处理时间和RAM，而且它使得新相位角值对每五个采样间隔的工具箱显示有效。

在优选实施例中，按以下顺序计算和累加乘积项：

1.针对相位角I_A，第一采样间隔-V_A*I_A和V_A(-90°)*I_A

2.针对相位角I_B，第二采样间隔-V_A*I_B和V_A(-90°)*I_B

3.针对相位角I_C，第三采样间隔-V_A*I_C和V_A(-90°)*I_C；

4.针对相位角V_B，第四采样间隔-V_A*V_B和V_A(-90°)*V_B；和

5.针对相位角V_C，第五采样间隔-V_A*V_C和V_A(-90°)*V_C；

在第五个采样间隔之后，接着开始再一次累加相位角I_A的必要值Q和Y。在每一个采样间隔内存储对V_A的采样。这要求在每个间隔中储存V_A的两个附加值，即两个在先的V_A。

在优选实施例中，这些功能以68HC11汇编代码的形式执行。这些乘积项的相乘和累加发生在前端采样中断程序中。电压值是8比特值而电流值是12比特值。由于V_A总是包含在所有乘积中，所以这意味着某些乘积将是8×8比特而某些则将是8×12比特。由于可以考虑使用相同的算法得到所有乘积，所以可以把8比特值延伸到12比特值，从而可以在优选实施例中仅使用8×12比特乘积算法。

将V_B和V_C的8比特电压值作为延伸到12比特值的标记，所以寻找相位角的所有乘积项的乘积和累加都是用两种算法进行处理的，一种是对Y值的乘积项进行累加，另一种是对Q值的乘积项进行累加。在每个采样周期内完成电压值V_B和V_C的标记延伸。这样便使得不必用特殊的检查来识别需要这些量的采样间隔，这是因为它们在每个采样间隔内都有效。

因为存储器分成字节界，所以优选将电流和电压的所有12比特值存储在存储器的16比特寄存器中。

前端采样程序必须具有识别在每个采样间隔内计算哪个乘积项的路径。计数识别器优选采用索引形式以便存取在Q值和Y值累加中所需的正确乘积值。

为了对两个乘积项进行累加，将两个累加器设在存储器分配图的旁边。每个累加器的尺寸是相同的，因此都进行8×12比特乘法运算。可以累加的最大值如下：

最大的8比特值＝128

最大的12比特值＝2048

最大的累加结果＝481*128*2048

07840000(hex)

因此，为了调节最坏的情况下的结果每个累加器的长度是四个字节。所以将两个四字节累加器设在旁边以便对每个采样间隔的每一对乘积项进行累加。

在每个采样间隔结束时，将两个四字节累加器中的结果存储在两个四字节保持区域中以便等待后台程序的处理，该后台程序对在下一个间隔中进行角度计算是必需的。

只要在采样间隔结束时已将累加对转移到保持寄存器，就需要在后台确定下一个采样间隔中产生的相位角的继续计算，同时在前台进行下一对累加。这些后台程序还必须具有确定它们工作在哪一对累加乘积项上的路径。独立的计数识别器适用于这些后台程序，这种识别器以与前端采样中断计数识别器相似的方式工作。然而，可以使用同样的计数器，这是因为该识别器将总是一个在前端模块采样中断程序计数识别器之后进行计数的识别器。

在图2，3，17A-B和18A-B中示出的优选与本发明的系统20相结合成一体的计费器34是一个固态单功能Kw/Kwh计费器，其利用数字采样技术除了提供由本发明的系统20产生的诊断信息之外还提供传统的Kw/Kwh用量、使用时间、和其它传统的实时记账信息。优选用在IBM兼容的个人计算机上运行且采用MS-DOS操作系统的软件对计费器34进行编程。该软件包括提醒用户给出仪器结构参数的逻辑且优选包括供用户确定由本发明所述系统20支持的诊断参数时所需的安装提示，从而可以将手提式个人计算机插入计费器的通信端口上以便在安装时对计费器进行编程。

图17A-B表示优选与本发明的系统20相结合的计费器34的前端模块44。前端模块44优选包括以单片模式运行的莫托罗拉MC68HC11KA4微处理器140，在本发明的系统20中起电压转换器26作用的集成8比特A/D转换器142，和用144表示的24K字节只读存储器(ROM)，640字节可擦可编程只读存储器(EEPROM)，以及768字节随机存取存储器(RAM)。ROM和EEPROM包括诊断逻辑，而且RAM作为本发明中的存储用存储器使用。用146表示的外部12比特A/D转换器作为本发明系统20中的电流A/D转换器28使用。

可以在前端模块44上以选择的形式实现附加的误差状态报警功能。该功能利用了拉向例如外部通信装置的线，所述外部装置能在判断出现误差状态时被启动。本发明的系统20可以利用这一选择功能来启动和传送由本发明的系统20完成的任何一个诊断中存在的误差状态。

可以将选择板146与前端模块44相结合以便向外部提供各种信号。例如，可以将误差状态报警赋予低电流固态或水银湿式继电器以便在已确定了一个或多个诊断误差时给出指示。其它公知的辅助功能，例如自动测量读数或实时记账等均可以在选择板146上实现，或是在前端模块44所采用的类似结构的选择板上实现。

现在参照图18A-B，优选与本发明的系统20相结合的计费器34的寄存器模块48包括NECuPD75316GF单芯片微处理器148，该处理器包括用150表示的16K字节ROM，用152表示的512×4比特RAM，和96段LCD显示驱动器154，该驱动器适合于驱动LCD显示器156，这种显示器包括例如图3中示出的和在计费器34的优选实施例中采用的特定类型的显示器33。

通过分别在图17A-B中的158和图18A-B中的160处示出的四线同步串行数据链在前端模块44和寄存器模块48之间传输串行数据。前端模块将监视和更新由本发明的系统20完成的所述所有诊断状态，并周期性地(优选为每秒钟一次)通过上述串行显示通信链将这些状态传送到寄存器模块48，并且在断电的情况下存储易失数据。此外，将根据需要通过前端模块把在本发明的工具箱显示器中显示时所需的所有瞬态变量传送到寄存器模块。前端模块44还将各种其它传统的测量信息送到寄存器模块48，这些信息包括例如在过去的60行循环周期中寄存的能量(以Kwh的形式)，以及能量的方向(输送的或接收的)，当前的需要量和间隔结束信息。

可以从寄存器模块48传送到前端模块44的信息通常包括周期性测量寄存器状态的信息。

再一次参照图17A-B，前端模块44能够测量每个相位的电压，电流和一个采样间隔的瓦特数(60行循环周期)。如上所述，前端模块优选在每60行循环周期中进行481次采样，在行频为60Hz时，其对应于481Hz，而当行频为50Hz时，其接近401Hz。根据测得的行频率，每隔60个循环周期重新计算一次采样频率。如上所述，当系统与图3所示类型的计费器相结合时，优选由前端模块44执行包含瞬时确定每个相电流、电压、瓦特数和相位角的本发明的诊断功能。

再一次参照图3和图18A-B，寄存器模块48优选执行驱动计费器34中LCD显示器33的功能。如上所述，本发明的工具箱显示可以通过按预定周期启动备用显示开关(未示出)而实现。当开关启动时，工具箱显示模式被启动而且显示器将如前面所述的那样滚动工具箱显示表。在工具箱显示期间，“TEST”图象最好是连续闪烁，而且在显示器33底部用五个矩形图象表示的瓦特盘仿真器将以约每1.33秒一圈的速率滚动。瓦特盘仿真器的方向将与显示出的相位能流的方向相同(接收时为从左向右，传输时为从右向左)。当显示结束和不再启动备用显示开关时，计费器将保留工具箱显示模式。应该注意到，如上所述，在按顺序启动工具箱显示器的同时，计费器将连续进行所有正常模式的测量操作。

当不启动备用显示开关时，仪器显示器33按计费器34的正常显示模式进行工作。

通过把前端模块44连接到光学端口162也能够实现与计费器的连接或从计费器输出信号。

因此，本发明的集成电子计费器系统诊断程序包提供了计费器中内部元件连续自检的能力，而且在不中断计费器工作的情况下向现场工作人员发出发现误差的警告。该系统还提供了进行常规系统诊断检查，显示这些诊断结果以便在计费器安装期间或之后向系统工作人员提供相关诊断数据的能力。

该系统能使使用者灵活地对系统进行编程以选择和确定适合于由仪器安装支持的特定服务的功能和参数。

最后，本发明的工具箱显示能力允许在不中断正常服务和仪器工作的情况下，周期性地显示与计费器内部功能以及由仪器支持的服务特性有关的有价值信息。

尽管以上详细地描述了实现本发明的最佳模式，但是与本发明相关领域的人员将会认识到，可以用各种不同设计和实施例来实现由权利要求限定的发明。

Claims (16)

1.一种可插到仪器插座中并且可用于收集测量数据的电子计费器，所说计费器包括：

(a)电气系统诊断程序包，包括：

(i)微处理器；

(ii)与微处理器相连接的存储用存储器；

(iii)逻辑单元，用于自动地周期性进行预选的计费器检查试测和记录由此检测到的任何误差；

(iv)逻辑单元，用于自动地周期性进行预选的多个系统诊断测试和记录任何超过预定阈值的结果；

(v)用于显示误差信息的显示装置，所述误差信息用于识别在预定周期内进行的计费器检查结果中发现的一个或多个误差；和

(vi)显示诊断信息的显示装置，所述诊断信息用于识别在预定周期内进行的系统诊断测试结果中发现的任何误差；和

(b)用于存储计费数据的装置，所述计费数据表示在安装有所述计费器的地方的用电量。

2.根据权利要求1所述的计费器，进一步包括用于将所说计费器与已安装在需收集计费数据的位置上的插座相连的装置。

3.根据权利要求2所述的计费器，其中所说用于将计费器与插座相连的装置包括一个基座，基座上装有插头型连接器，而且其中所说的插座上具有用于接受和保持所说连接器的装置。

4.根据权利要求3所述的计费器，进一步包括用于自动确定与已安装有所说计费器的插座相连接的电气设施类型的逻辑单元。

5.根据权利要求4所述的计费器，其中所说的用于自动确定已安装有所说计费器的电气设施类型的逻辑单元在将所说计费器安装到所说插座上时在计费器初始化期间完成所述确定。

6.根据权利要求5所述的计费器，其中所说的用于自动确定安装有所说计费器的电气设施的逻辑单元在将所说计费器安装到所说插座上时在计费器重构时完成所述确定。

7.根据权利要求4所述的计费器，其中所说的用于确定安装有所说计费器的电气设施的逻辑单元在所说计费器收集计费数据时在计费器正常工作期间自动地和周期性地完成所述确定。

8.一种插到仪器插座中并且用于从用户方收集测量数据的电子计费器，所说电子计费器包括：

(a)电气系统诊断程序包，包括：

(i)微处理器；

(ii)与微处理器相连接的存储用存储器；

(iii)逻辑单元，用于自动地确定安装的所说计费器的电气系统类型；和

(b)用于存储计费数据的装置，所述计费数据表示在安装有所述计费器的地方的用电量。

9.根据权利要求8所述的计费器，进一步包括用于将所说计费器与插座相连的装置，所述插座已安装在设有电气设施的地方而且通过插座根据收集到并存储在所说计费器中的数据得到计费数。

10.根据权利要求9所述的计费器，其中所说将计费器与插座相连的装置包括一个基座，基座上装有插头型连接器，而且其中所说的插座上具有用于接受和保持所说连接器的装置。

11.根据权利要求10所述的计费器，进一步包括用于根据电气系统测得的计数确定电压信息的逻辑单元。

12.根据权利要求10所述的计费器，其中用于确定来自电气系统电压信息的逻辑单元包括用于相对于选定的基准电压相量确定至少一个电压相量的相位角的逻辑单元，和其中用于自动确定电气系统类型的逻辑单元包括用于将与选定的基本相量相应的至少一个相量的电压相位角与一组可能不同类型的电气设施的预选电压相量角进行比较和在存在电气设施的情况下确定作为电压相量角函数的电气设施类型的逻辑单元。

13.根据权利要求12所述的计费器，其中用于自动确定电气系统类型的逻辑单元根据C相电压相量和A相电压相量之间的角度以及预定的计费器形式系数进行所述确定。

14.根据权利要求13所述的计费器，其中相对于选定的基本相量确定至少一个相量之相位角的逻辑单元包括存储与相对于基本相量X_B测得的瞬时电压相应的累加数字值，存储与相对于另一选定的相量X_N测得的瞬时值相应的累加数字值，分别确定预定周期中用X_B(RMS)和X_N(RMS)表示的X_B和X_N的RMS值，确定X_B(RMS)和X_N(RMS)的乘积P，确定与X_B和X_N相应的两个正弦波的乘积平均值Q，和确定与用X_B(-90)表示的X_B移相类型相应的两个正弦波的乘积平均值Y的逻辑单元。

15.根据权利要求14所述的计费器，其中逻辑单元进一步包括相对于选定的基本相量0等于反余弦(Q/P)的情况确定一个相量的相位角大小的逻辑单元。

16.根据权利要求15所述的计费器，其中基本相量X_B是A相电压相量，而其中另一选定的相量X_N是C相电压相量。

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