CN1627087A - 用于计量电功率的计量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电功率计量仪。该计量仪1包括电压传感器4，响应于提供到负载的电压而产生模拟电压信号；电流传感器3，响应于提供到负载的电流而产生模拟电流信号；模数转换器8，其中第一采样部件在第一采样时间基于模拟电压信号产生第一电压样本，第二采样部件在第二采样时间基于模拟电流信号产生第一电流样本。该计量仪还包括：相位补偿部件9，通过对照第一采样时间而调整第二采样时间，来补偿模拟电压和电流信号之间的相移，以便提供基本同相的第一电压样本和第一电流样本；使电压和电流模拟信号饱和以产生电压和电流大致方波的部件6，12和13；以及用于通过采用电流方波的过零时间和电压方波的过零时间之差而估计采样时间偏移的部件15。

Description

用于计量电功率的计量仪

技术领域

本发明涉及电功率计量仪的领域，该电功率计量仪利用数字信号处理，从而通过对所述电功率进行积分而提供电能消耗量。

背景技术

提供允许测量设备消耗的电能的需给电表(electrical utility meter)是公知的。这样的计量仪将被计量的电力线中与电流和电压成正比的模拟信号转换为数字信号，用于数字信号处理。由模数转换器提供这样的转换步骤。然后，可以将该数字信号容易地相乘，并且该乘积提供电功率。然后将电功率提供给累加器，该累加器产生与被计量的电力线上使用的功率成正比的脉冲。

这样的公知需给电表遇到的一个问题是该计量仪的精度需要在电压和电流信号各自提供到模数转换器之前，所述电压和电流信号具有正确的相位关系。也就是说，该相位关系应精确地代表电力线中的相位关系。然而，电压和电流滤波、放大和隔离是通过包括可能引入它们之间的相位差或误差的仪表变压器和其它电路元件的电路来实现的。

为了获得需要的精度，并补偿仪表变压器的制造误差和电路元件随时间推移和环境暴露而发生的改变，这一问题的一种已知解决方案是为该电表提供相位补偿部件。这样的方案已在文献US5017860中公开，其中公开了一种计量仪，其包括补偿部件，用于调整一个信号(电流或电压)相对于另一个信号的采样时间，以补偿系统中的相移，并提供对电力线上使用的功率的更精确的表示。

然而，这一方案带来一些难以解决的问题。相移可能实际上根据放大和滤波阶段中使用的组件的容差而改变。所以，在这样的相移改变的情况下，所述调整采样时间的部件可能不再有效。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于计量电力负载上的电功率的计量仪，其即使在相移变化的情况下，也通过考虑正确的相位关系而允许良好的测量精度。

更具体地，本发明提供了一种用于计量电功率的计量仪，包括：

电压传感器，用于响应于提供到所述负载的电压而产生模拟电压信号，

电流传感器，用于响应于提供到所述负载的电流而产生模拟电流信号，

模数转换器，包括：

第一采样部件，用于在第一采样时间基于所述模拟电压信号产生第一电压样本，

第二采样部件，用于在第二采样时间基于所述模拟电流信号产生第一电流样本，

相位补偿部件，用于通过对照所述第一采样时间而调整所述第二采样时间，来补偿所述模拟电压和电流信号之间的相移，以便提供基本同相的所述第一电压样本和所述第一电流样本，

所述计量仪的特征在于，其还包括：

用于使所述电压和电流模拟信号饱和以产生电压和电流大致方波的部件，

用于通过采用所述电流方波的过零时间和所述电压方波的过零时间之间的差而估计所述采样时间的偏移的部件。

由此，利用该计量仪，实时进行相移估计，以便对相位补偿部件进行必要的校正。这可通过使正弦曲线电压和电流模拟信号饱和以便产生方波，并将所述方波提供到微控制器以便估计采样时间的偏移而完成。所以，根据本发明，存在对相移校正延迟的自动校准。

有利地，所述用于使所述电压和电流模拟信号饱和的部件是过零检测电路。

有利地，所述用于使所述电流模拟信号饱和的部件是饱和放大器。

有利地，所述相位补偿部件是集成在所述模数转换器中的定时器。

有利地，所述计量仪包括微控制器，所述微控制器包括：

所述模数转换器，

中断输入端，用于接收所述电压和电流大致方波，并检测所述电压和电流大致方波的过零点。

附图说明

通过参考附图阅读作为示例给出的本发明的实施例的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的计量仪的方框图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的计量仪1。

通常，所述计量仪1可操作地连接到未示出的耗电设备如住宅或工业企业的电力线负载2。

该计量仪1包括：

电流传感器3，

电压传感器4，

电压电平调整部件5，

电流电平调整部件6，

电压过零检测电路12，

电流过零检测电路13，

微控制器7。

所述微控制器7包括：

模数A/D转换器8，包括，

包含比较寄存器的相位调整定时器9，

输入选择器10，

具有中断输入端的模块14，

相移测量装置15，

校准控制装置18，

采样定时器19，

乘法器16，

积分器17。

该电压传感器4与电力线2相连，并可操作以产生代表电力线2上的电压波形的电压测量信号Vs。所述电压传感器4可例如为简单的电阻分压器。然后，由电压电平调整部件5调整该Vs信号，输出调整后的电压测量信号Vin。使用所述电压电平调整部件5是为了向A/D转换器8提供正确的信号电平。应注意所述电压电平调整部件5也可具有滤波功能。

该电流传感器3也与电力线2相连，并可操作以产生代表电力线2上的电流波形的电流测量信号Is。所述电流传感器可例如为用于导出电流的分流电阻。然后，由电流电平调整部件6调整该Is信号，输出两个调整后的电流测量信号Ilow和Ihi。Ihi和Ilow信号代表分别用两个不同增益A1和A2调整的同一Is信号。这允许跨整个电流范围(例如10mA到100A)的良好的A/D转换器输入范围。例如，A1用于产生4到100A的主电流的合适信号Ihi，而A2用于产生10mA到4A的主电流的合适信号Ilow。和电压调整部件5一样，应注意电流调整部件6也可具有滤波功能。

A/D转换器8基于电压调整部件5提供的电压测量信号Vin而产生包括多个电压测量样本Vin(1)、Vin(2)、Vin(3)、...Vin(n)的采样电压测量数据流。

同样地，所述A/D转换器8基于电流调整部件6提供的电流测量信号Ihi而产生包括多个电流测量样本Ihi(1)、Ihi(2)、Ihi(3)、...Ihi(n)的第一采样电流测量数据流，并基于电流调整部件6提供的电流测量信号Ilow而产生包括多个电流测量样本Ilow(1)、Ilow(2)、Ilow(3)、...Ilow(n)的第二采样电流测量数据流。

一个问题在于调整和滤波步骤在不同模拟信号中引入了相移；当对信号进行采样时，必须考虑这样的相移。对于用于调整信号Is的电流调整部件6，这样的情况尤其正确。电流调整部件6提供的调整引起Ihi和Ilow的一些相移，并且在为了降低噪声和改善信噪比而对信号附加低通滤波时，进一步发生相移；在Ilow发生严重相移的情况下，最后一点为关键。所以，在Vin和Ihi之间总是存在不太高的第一相移，并在Vin和Ilow之间存在第二较高相移。

为了得到基本同相的与电压和电流信号对应的电压和电流样本，微控制器7包括相位调整定时器9，用于补偿所述模拟电压Vin和所述电流信号Ihi之间以及所述模拟电压Vin和所述电流信号Ilow之间的相移。为了提供基本同相的电压样本和电流样本，通过对照Vin的采样时间来调整Ihi和Ilow的采样时间而获得这样的补偿。

然而，相移可能根据放大和滤波阶段使用的组件的容差而改变。所以，即使在这样的相移改变的情况下，相位调整定时器9也必须有效。

利用计量仪1，为了对所述相位调整定时器9进行必要的校正，实时进行对相移的估计。

为了获得该结果，将10A信号与电压信号同相地注入该电流输入信号。这一信号将在Ilow信号上施加虚拟(virtual)的基本上为方形的波Ilowzc，其被传递进入模块14的中断输入端。例如通过使电流电平调整部件6中包括的具有A2增益的运算放大器饱和，可获得这样的饱和。

Ihi和Vin信号实际上不需要该10A信号，因为它们分别具有过零点检测电路13和12。来自这些电路的大致方波输出Ihizc和Vinzc也被传递进入模块14的中断输入端。当输入任何跨越预定义的电压阈值的信号时，过零点检测电路13和12中的每一个将产生恒定振幅的方波输出。当输入高于阈值时，输出为高，而当输入低于阈值时，输出为低。以这种方式，可以使用该输出来给微控制器提供可用作中断输入的干净边沿(clean edge)。

根据微控制器的架构和中断输入端的独立设置，由各种过零点信号的上升沿或下降沿触发模块14的中断输入端。根据所选择的特定微控制器，一些是可配置的，一些是不可配置的。该中断输入端配置为暂停微控制器软件的正常执行，并立即运行服务例程。

由校准装备(图1中未示出)执行校准，该校准设备可以通过计量仪注入负载，并通过提供适合必要动作的一组命令的通信接口来控制该计量仪。

由该校准装备告诉校准控制模块18启动相移校准。

该相移测量装置15从Vinzc、Ihizc和Ilowzc的中断输入端接收3个边沿。

当捕获到Vinzc边沿时，使相位调整定时器9复位。

相位调整定时器9是16位定时器，并以大约2Mhz运行。这为50Hz信号提供直到40,000的范围，或为60Hz信号提供直到33,333的范围。这允许非常精确的大约1/100度的分辨率。

当捕获Ihizc或Ilowzc边沿中的任一个时，相位调整定时器值9被读取并加到所述定时器9中包括的两个累加器之一(对于每个I信号有一个)。

重复该步骤，直到已累加了每个信号的50个样本为止。

然后，每个累加器除以50，以求相移的平均值，创建两个常量Ihi_sample_delay和Ilow_sample_delay。然后将它们永久存储在计量仪中，作为校准处理的一部分。

该10A信号被去除，并且该校准控制被告知禁止相移校准。

采样定时器19是8位定时器，以大约1kHz(我们的实现中为1024Hz)运行，并触发Vin(n)的初始样本。

采样定时器19还使相位调整定时器9复位，并将该Ihi_sample_delay常量载入所述相位调整定时器9中包括的比较寄存器中。

当相位调整定时器9达到比较寄存器值时，其触发Ihi(n)的样本。该相位调整定时器9再次复位，并将(Ilow_sample_delay-Ihi_sample_delay)的值载入其比较寄存器中。

当相位调整定时器9再次达到比较寄存器值时，其触发Ilow(n)的样本。该相位调整定时器9停止。

输入选择器10的作用是从例如Ihi(n)和Ilow(n)的两个电流样本中选择一个，其将用于功率计算。这样的选择基于Ihi(n)和Ilow(n)的电平。在此假设选择Ilow(n)。

样本Vin(n)和Ilow(n)提供对乘法器16的输入，其将Vin(n)乘以Ilow(n)，以向积分器17提供数字输入信号P1，积分器17将提供累加的能量E。

当然，本发明不限于所描述和示出的例子和实施例，并且可以对本发明进行本领域技术人员可得到的各种变更。

例如，因为信号相移可以变化，所以它们可以任何顺序到达。对于公开的实施例，我们已假设因为电路的级联特性，所以Ilowzc总是滞后Ihizc。当然，根据本发明的计量仪可允许以任何顺序接收它们。

此外，已将根据本发明的计量仪描述为具有两种类型的电流信号Ih和Ilow，但也可仅具有一种类型的电流。

Claims (6)

1.一种用于计量电功率的计量仪(1)，包括：

电压传感器(4)，用于响应于提供到所述负载的电压而产生模拟电压信号，

电流传感器(3)，用于响应于提供到所述负载的电流而产生模拟电流信号，

模数转换器(8)，包括：

第一采样部件，用于在第一采样时间基于所述模拟电压信号产生第一电压样本，

第二采样部件，用于在第二采样时间基于所述模拟电流信号产生第一电流样本，

相位补偿部件(9)，用于通过对照所述第一采样时间而调整所述第二采样时间，来补偿所述模拟电压和电流信号之间的相移，以便提供基本同相的所述第一电压样本和所述第一电流样本，

所述计量仪(1)的特征在于，其还包括：

用于使所述电压和电流模拟信号饱和以产生电压和电流大致方波的部件(6，12，13)，

用于通过采用所述电流方波的过零时间和所述电压方波的过零时间之间的差而估计所述采样时间的偏移的部件(15)。

2.根据权利要求1的计量仪(1)，其中所述用于使所述电压和/或电流模拟信号饱和的部件是过零检测电路(12，13)。

3.根据权利要求1或2的计量仪(1)，其中所述用于使所述电流模拟信号饱和的部件是饱和放大器。

4.根据前述权利要求中的任一个的计量仪(1)，其中所述相位补偿部件是集成在所述模数转换器中的定时器(9)。

5.根据前述权利要求中的任一个的计量仪(1)，包括微控制器(7)，所述微控制器(7)包括：

所述模数转换器(8)，

中断输入端(14)，用于接收所述电压和电流方波，并检测所述电压和电流大致方波的过零点。

6.一种基本如这里参考附图所描述或如附图中所图示的计量仪。

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