CN1751241A - 用于在电子能仪表中相位补偿的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

一种电子仪表包括：检测电路，其用于检测波形的电压和电流值；模/数转换器，其用于将检测到的电压和电流值转换成数字电压和电流值；数字滤波器，其用于延迟数字电压和电流值之中的一个或两者，以补偿在检测电路中相移误差；以及计算电路，其用于响应于经相位补偿的电压和电流值来计算一个或多个波形参数。该电子仪表可以通过下面方法来进行校准：将具有已知相移的测试波形应到该仪表，使用该电子仪表来测量相移，根据在已知相移和所测量相移之间的差值来确定相移误差，并确定数字滤波器系数，以产生对应于相移误差的数字滤波延迟。

Description

用于在电子能仪表中相位补偿的方法和仪器

技术领域

本发明涉及一种电子仪表，更特别的是，涉及一种用于在电子能仪表中相位补偿的方法和仪器。电子能仪表可以被配置成测量多相电力线。对于能量计中不同的电流互感器(current transformer)来说相位误差可能会有所不同，而且它可以是被测量电力线中的电流的函数。

背景技术

已经研制了很多种用于测量电力线上电能消耗的电子能仪表。一种结构使用了用于根据测量的电压值和电流值来计算各种电参数数字信号处理器，以及使用了用于控制由数字信号处理器计算出的电参数的存储、显示和通信的微控制器。

在这种结构中，使用分压器将相电压降低成较低的电压，线电流被供应到电流互感器的初级线圈。电流互感器的次级线圈提供与电流互感器次级线圈和初级线圈之间的匝比成比例的电流输出。具有非常低温度系数的、与电流互感器的次级线圈相连接的电阻提供与电流值和电流互感器次级线圈中电流成比例的电位。这些以电压和电流信号为条件的信号被供应到模/数转换器，并以一定的周期间隔进行数字化。经过数字化的信号被供应到数字信号处理器，以计算瞬时功率，并被汇集成有限数量的电力线周期，以计算能量。

作为检测元件，电流互感器展示出在初级和次级线圈之间的相位滞后。由于个别电流互感器之间的差异，相位滞后对不同电力线相位会有所差异，它可以是线电流的非线性函数。由于由电子能仪表进行的某些测量是电流和电压之间相位差的函数，因而会产生测量误差。因此由于相位滞后所造成的误差会非常不利的影响电子能仪表的精确度。

功率表制造商典型地对电力线三相中的每一相使用可变电阻和/或可变电容来实现常规的移相器。这种方案增加了材料和生产成本。现在已经研制出了使用两个模/数转换器，并将其中一个转换器的抽样时间相对于另一个进行移动的技术。这种方案要求额外的电路，并增加了硬件成本。这些技术都不能补偿作为由电流互感器展示的电流函数的非线性相移。现有技术中已经公开了很多相位补偿技术，例如在1991年5月21日为Germer等人颁布的美国专利No.5,017,860和在1993年7月27日为Voisine等人颁布的美国专利No.5,231,347。

因此，就需要能够用于电子能仪表中相位补偿的改进的方法和仪器。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供一种电子仪表。该电子仪表包括：用于检测波形的电压和电流值的检测电路，用于将检测到的电压和电流值转换成数字电压和电流值的模/数转换器，用于延迟数字电压和电流值之中的一个或两者来补偿检测电路中相移误差的数字滤波器，和响应于相位补偿的电压和电流值来计算至少一个波形参数的计算电路。

数字滤波器和计算电路可以在数字信号处理器中实现。检测电路包括：用于检测多相电力线中每一相电压和电流值的电路。电子仪表可以包括：数字滤波器，其用于延迟每一相的数字电压值，以补偿与多相电力线中每一相相关联的相移误差。电子仪表还可以进一步包括：装置，其响应于波形的电流值来选择对应于电流值的数字滤波器系数组，并且将所选择的数字滤波器系数组施加到数字滤波器。该数字滤波器可以包括：分数延迟滤波器，其用于以作为模/数转换器抽样间隔的分数的递增来延迟数字电压值。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于校准电子仪表的方法。该方法包括步骤：(a)将具有在电压和电流之间已知相移的测试波形施加到电子仪表的输入，(b)使用电子仪表来测量在测试波形的电压和电流之间的相移，(c)根据在已知相移和所测量相移之间的差值来确定相移误差，(d)确定数字滤波器系数，以产生对应该相移误差的数字滤波器延迟，和(e)保存数字滤波器系数，以补偿在正常计量操作期间的相移误差。

在一个优选的实施例中，步骤(a)包括：将多相电力线的波形施加到电子仪表的输入，以及对于多相电力线中每一相重复步骤(b)，(c)，(d)和(e)。对于预定的电流范围重复步骤(a)，(b)，(c)，(d)和(e)，以提供用于每个预定电流范围的数字滤波器系数组。

数字滤波器系数可以在电子仪表外部的计算设备中确定，而且也可以从外部计算设备下载到电子仪表中。在一个优选的实施例中，电子仪表包括：数字信号处理器，且数字滤波器系数被下载到该数字信号处理器中。步骤(b)可以包括：使用电子仪表来测量测试波形的功率因数，将测定的功率因数发送到外部计算设备，并依据在外部计算设备中所测量的功率因数来在外部计算设备中确定所测量的相移。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于操作电子仪表的方法。该方法包括以下步骤：使用检测电路来检测波形的电压和电流值，将检测到的电压和电流值转换为数字电压和电流值，使用数字滤波器来延迟数字电压和电流值之中的一个或两者，以补偿由检测电路所引起的相移误差，并响应于经相位补偿的电压和电流值来计算至少一个波形参数。

附图说明

为了更好的理解本发明，参考了附图，这些附图合并在这里作为参考，在附图中：

图1是根据本发明实施例的电子能仪表的方框图；

图2是作为时间函数的电压和电流信号图，示出了同相的条件；

图3是作为时间函数的电压和电流信号图，示出了由经过电流互感器的相位滞后所引起的相对于电压信号的延迟电流信号；

图4是作为电流函数的经过电流互感器的相位滞后图；

图5是数字信号处理器配置的实例的方框图，其利用数字滤波器来在进行有效功率和RMS电压和电流值计算之前延迟电压和电流的抽样数据；

图6是延迟数字滤波器的实例的方框图；

图7是示出了通过在外部计算设备中对数字滤波器系数进行计算来校准电子能仪表的流程图；

图8是示出计算图7流程中的数字滤波器系数的流程图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明实施例的一种电子仪表的实例。三相电子瓦时仪表包括：检测电路10，数字信号处理器12，微控制器14和存储器16。该电子仪表还可以进一步包括连接到微控制器14的显示器20和存储器22。微控制器14可以通过光频隔离器24连接到外部终端26或其它的外部设备。其它的外部设备可以包括诸如打印机、存储设备和/或到远程监控设备的通信链路。

在图1的实施例中，检测电路10检测三相电力线的电流值和电压值，数字化所检测到的电流值和电压值，并将数字化的电流和电压值供应到数字信号处理器12。三相电力线的线电流30，32和34分别被供应到电流互感器40，42和44的初级线圈上。电流互感器40，42和44的次级线圈50，52和54分别连接到终端电阻60，62和64，以提供电压信号70，72和74，这些电压信号与各自的线电流成比例，且在下文中将它们称作线电流信号70，72和74。线电流信号70，72和74都提供给模/数转换器80。相电压90，92和94分别供应到分压器100，102和104，以提供低电平电压信号110，112和114，这些信号与各自的相电压成比例，且在下文中将它们称作相电压信号110，112和114。相电压信号110，112和114都输入到模/数转换器80。这样，在图1的实施例中检测电路10具有三个电流检测通路和三个电压检测通路。

模/数转换器80(其可以是多通路的同时或顺序抽样转换器)数字化线电流和相电压信号，并将数字化信号发送给数字信号处理器12的串行端口。在优选的实施例中，模/数转换器80按照每通路15千赫的抽样速率对信号进行抽样。每个数字信号包括代表相电压值或线电流值的一系列数据抽样。

数字信号处理器12接收来自模/数转换器80的串行数据，并将该数据存储在它的内部数据存储器中。由数字信号处理器12来使用这个代表线电流和相电压的原始数据，以执行在整数线周期上的各种计算。这些计算可以包括每个相电压的均方根、每个线电流的均方根和有效功率的瞬时值，这将在下文中叙述。电流和电压的均方根的乘积提供了视在功率(apparent power)。这些功率的积分提供了各自的能量。视在功率对有效功率的比率提供了功率因数。作为在下文中进一步的叙述，数字信号处理器12对由检测电路10所引入的相移误差执行相位补偿。

数字信号处理器12和微控制器14通过数据总线130和地址总线132连接到存储器16。在一个实施例中，存储器16是具有512K比特的静态随机访问存储器(SRAM)，且数据总线130为8比特的总线。存储器16可以用作数字信号处理器12和微控制器14之间的高速暂存区(scratch pad)，以便于读取和写入数据而不会不利地影响任何一个处理器的操作。在一个实施例中，数字信号处理器12执行对从检测电路10供应的数字化电流和电压信号的计算，以确定三相电力线的参数值，并将所计算的参数值写入存储器16中。微处理器14从存储器16中读出这些参数值，并将该参数值供应到用于存储的存储器22中，以及供应给显示器20和/或外部终端26。

如上所述，三相电力线的线电流30，32和34被分别供应给电流互感器40，42和44。电流互感器40，42和44展示出在输入和输出电流之间的相位滞后。在由数字信号处理器12进行测量之前，电流互感器40，42和44的相位滞后引入了在线电流信号70，72和74与各自的相电压信号110，112和114之间的相移。由数字信号处理器12进行的某些测量是在各自的线电流和相电压信号之间相位差的函数。由于检测电路10改变了在线电流信号和各自相电压信号之间的相位差，因此，这些信号就不能精确代表在电子仪表输入处的线电流和各自相电压之间的相位差，这就需要相位补偿来避免不精确的测量。

图2中显示了相电压200和线电流202的实例。在图2的实例中，相电压200和线电流202是同相的。相电压200和线电流202可以分别对应诸如图1中的相电压90和线电流30。图3中显示了相电压210和线电流212的实例。相电压信号210和线电流信号212可以分别对应图1中的相电压信号110和线电流信号70。由于电流互感器40的相位滞后，使得线电流信号212相对于相电压信号210被延迟。因此，供应给模/数转换器80和数字信号处理器12的相电压信号210和线电流信号212并不能精确代表相电压200和线电流202。

电流互感器40，42和44引入了相位滞后，该相位滞后是条件数的函数。即使电流互感器40，42和44可能具有标称相同的结构，它们也会由于组件公差(component tolerances)而具有相位滞后的变化。此外，由电流互感器40，42和44引入的相位滞后是线电流30，32和34的电流电平的函数。参照图4，曲线220将电流互感器的相位滞后表示为线电流的函数。如图所示，相位滞后随着线电流的减少而增大。因此，由检测电路10引入的相位滞后针对不同的电流互感器而会有所变化，并随着在三相电力线每一相中的线电流的函数而变化。

根据本发明的一个方面，通过一个或多个实现在数字信号处理器12中的数字滤波器来执行相位补偿。数字滤波器被编程，以延迟与数字化电流值相关的数字化电压值，从而补偿由检测电路所引入的相位滞后。因此，延迟后的电压和电流值就代表了在电子仪表输入处的相电压和线电流之间的真实相位差。通过给数字滤波器供应在电子仪表校准期间所确定的数字滤波器系数，来编程数字滤波器，以提供所需的延迟，其中电子仪表的校准将在下文中来叙述。该数字滤波器系数特定于仪表通路和线电流电平。

图5中显示了由数字信号处理器12来实现相位补偿的功能性方框图。用于一个输入通路的数字化线电流信号被供应到第N个次序的延迟数字滤波器250，且用于相同输入通路的数字化电压信号被供应到第N个次序的延迟+分数(fractional)延迟数字滤波器252。在优选实施例中，数字滤波器250和252是第9个次序的滤波器。数字滤波器250给线电流信号施加延迟，该延迟是模/数转换器80的抽样频率的整数周期。数字滤波器252给相电压信号施加延迟，该延迟等于数字滤波器250的延迟加上分数延迟的和，其中该分数延迟是模/数转换器80抽样频率的分数。由数字滤波器250和252施加的延迟是由下文叙述的数字滤波器系数来控制。数字滤波器250和252的输出分别是经相位补偿的数字电流和电压值，它们代表用于该通路的输入线电流和相电压。数字滤波器250和252对于电子仪表的每个通路都是重复的。

由数字滤波器252输出的延迟电压抽样被供应给计算单元260和乘法器262的第一输入。计算单元260通过对电压抽样求平方，在X个抽样基础上对平方后的电压抽样求和，并除以X的方法来确定均方根电压，其中X是由在市电电压(mains voltage)的32个周期中获取的抽样数。由数字滤波器250输出的延迟电流抽样被供应给计算单元264和乘法器262的第二输入。计算单元264通过对电流抽样求平方，在X个抽样基础上对平方后的电流抽样求和，并除以X的方法来确定均方根电流。乘法器262的输出表示每个电压和电流抽样对的乘积。乘法器262的输出被供应给计算单元266。计算单元266通过对电流和电压抽样的乘积在X个抽样基础上求和，并除以X的方法来确定有效功率。

图6显示了延迟数字滤波器的方框图。输入数据的抽样被提供给串行连接的延迟元件300，302，304和306。延迟元件300，302，304和306的输入抽样和输出分别与乘法器310-318中的数字滤波器系数h₁-h₅相乘。乘法器310-318的输出由求和单元320来求和，以提供输出数据的抽样。如上所述，数字滤波器系数h₁-h₅可以被编程来提供希望的延迟。在1997年10月举行的1997 IEEE ASS讨论中，在音频和声学信号处理的应用“Design of Fractional Delay Filters UsingConvex Optimization”中存在有相关分数延迟滤波器的叙述，在此结合作为参考。

如上所述，执行相位补偿的数字滤波器系数是在校准过程中被确定。对于图1中所示检测电路10的三个电流通路中的每一个和三个电压通路中的每一个都确定了数字滤波器系数组。优选的，对若干不同的线电流范围来确定在每个通路上的数字滤波器系数组，以提供在仪表测量范围内的精确相位补偿。线流电流范围的大小可以相同或不同。例如，第一数字滤波器系数组可以在0-1安培的第一线电流范围内使用，第二数字滤波器系数组可以在1-5安培的第二线电流范围内使用，等等。可以使用任何数目的线电流范围。

现在参照图1和7来叙述优选的校准程序。图7是校准程序的流程图。在优选的校准程序中，由外部终端26来计算用于每个通路的每个电流范围的数字滤波器系数。参照图7，在步骤350中电路通路被设置为通路1，在步骤352中将所选择通路中的线电流值设定为具有标志1的测试电流值。通路指的是处理线电流30，32和34和相电压90，92和94的检测电路通路。假定通路1对应于用于处理线电流30的通路。这样，具有标志1的测试电流值就可以对应诸如1安培的线电流30。

在步骤354中，对所选择的通路施加测试波形。该测试波形具有测试电流值、已知电压和已知的功率因数。功率因数与在线电流和相电压之间的已知相位差相对应。优选的，测试波形具有0.5的功率因数，它与60度的相位差相对应。在步骤356中，数字信号处理器12计算输入到电子仪表选择通路中的测试波形的功率因数。由于在检测电路10中的电流互感器会产生相位滞后，因此，由数字信号处理器12计算的功率因数就不同于测试波形的已知功率因数。在步骤358，数字信号处理器12将计算过的功率因数发送到外部终端26。

在步骤360，外部终端26确定从数字信号处理器12中接收的功率因数是否与测试波形的已知功率因数相等。在步骤362，当从数字信号处理器12中接收的功率因数与测试波形的已知功率因数不相等时，外部终端26就计算数字滤波器系数。数字滤波器系数的计算将在下文结合图8来叙述。

在步骤362中进行数字滤波器系数的计算之后，或在步骤360中确定计算过的功率因数与测试波形的已知功率因数相等之后，在步骤364中对测试电流值进行递增。在步骤366中，进行测试电流值的标志是否大于3的确定。如果电流值的标志不大于3，则过程就返回到步骤354，并对选择的通路施加具有递增的测试电流值和已知功率因数的测试波形。对递增的测试电流值重复进行如上所述的确定数字滤波器系数的过程。这样，就确定了用于所选择输入通路上一系列不同测试电流值的数字滤波器系数组。该过程提供了用于三个线电流范围的三个数字滤波器系数组。可以认识到可以对任何数目的线电流范围确定数字滤波器系数。

当步骤366中进行测试电流值的标志大于3的确定时，在步骤368中使通路递增。这样，例如将正在校准的通路从连接线电流30的通路递增为连接线电流32的通路。在步骤370，进行电流通路是否大于3的确定。当电流通路不大于3时，过程返回到步骤354，并对新选择的通路施加具有已知功率因数的测试波形。确定对用于新选择通路的一系列测试电流值的数字滤波因数组。对电子仪表中的每个通路重复执行该过程。从外部终端26中将具有对应通路和电流范围信息的数字滤波器系数下载到数字信号处理器12，以用于在正常计量操作期间的使用。

图8中显示了用于确定数字滤波器系数过程的实例的流程图。与图7和图8中类似的元件使用相同的参考数字。如上所示，在步骤354中将测试波形的功率因数设置在0.5，以及在步骤356由电子仪表来测量测试波形的功率因数。在步骤380中，外部终端26根据由数字信号处理器12确定的功率因数来确定测量的相位。特别的，功率因数是在电压和电流之间相移角度的余弦。在步骤382中，相位误差被确定为在已知测试波形的相位角度和测量相位之间的差值。在测试波形具有0.5的功率因数的情况中，相位误差等于60度减去所测量的相位。在步骤384中，对应于相位误差的延迟被计算为抽样间隔的分数。如上所述，抽样频率优选是每通路15千赫。在步骤386中，使用对应于相位误差的延迟来计算数字滤波器系数。该数字滤波器系数可以从描述分数延迟滤波器的上述提出的章节所叙述的延迟中进行计算。计算过的数字滤波器系数被下载到数字信号处理器12，以用于在正常计量操作期间的使用。

为每个电子仪表通路所确定的数字滤波器系数是与各自的用于每个通路的数字滤波器相联系。响应于在正常计量操作期间的输入电流值来选择数字滤波器系数组。每一数字滤波器系数组都可以在线电流值范围内使用。例如，在1.0安培电流值处计算的数字滤波器系数可以用于在0.5到1.5安培范围内的线电流。可以认识到在不同的仪表中数字滤波器系数的组数和电流值中的递增都可以不同，这取决于所要求的精度和希望的电流范围。

可以理解的是在本发明的精神和范围内，可以对申请文件中所描述的、在附图中显示的实施例进行各种改变和修改。因此，这意味着包含在上面叙述和在相应附图中显示的所有内容都是起说明性作用而非限制性的意义。本发明被限定为在后附权利要求中所确定的内容及其等同的内容。

Claims (20)

1.一种用于校准电子仪表的方法，包括以下步骤：

(a)将具有在电压和电流之间已知相移的测试波形施加到电子仪表的输入；

(b)使用该电子仪表来测量在测试波形电压和电流之间的相移；

(c)根据在已知相移和所测量相移之间的差值来确定相移误差；

(d)确定数字滤波器系数，以产生对应于相移误差的数字滤波器延迟；以及

(e)保存数字滤波器系数，以补偿在正常计量操作期间的相移误差。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括：将多相电力线的波形施加到电子仪表的输入，以及其中对多相电力线中的每一相重复步骤(b)，(c)，(d)和(e)。

3.如权利要求1所述的方法，其中对于预定的电流范围重复步骤(a)，(b)，(c)，(d)和(e)，以提供用于每个预定电流范围的数字滤波器系数组。

4.如权利要求1所述的方法，其中确定数字滤波器系数的步骤是在位于电子仪表外部的计算设备中执行，以及其中数字滤波器系数是从外部计算设备下载到电子仪表中。

5.如权利要求4所述的方法，其中电子仪表包括数字信号处理器，以及其中数字滤波器系数是被下载到数字信号处理器中。

6.如权利要求4所述的方法，其中步骤(b)包括：使用电子仪表来测量测试波形的功率因数，将所测量的功率因数发送到外部计算设备中，并依据在外部计算设备中测量的功率因数来确定相移。

7.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括：将测试波形施加到电子瓦时仪表的输入。

8.一种电子仪表，包括：

检测电路，其用于检测波形的电压和电流值；

模/数转换器，其用于将检测到的电压和电流值转换成数字电压和电流值；

数字滤波器，其用于延迟数字电压和电流值之中的一个或两者，以补偿在检测电路中的相移误差；以及

计算电路，其用于响应于经相位补偿的电压和电流值来计算至少一个波形参数。

9.如权利要求8所述的电子仪表，其中所述数字滤波器和所述计算电路是在数字信号处理器中实现。

10.如权利要求8所述的电子仪表，其中所述检测电路包括：用于检测多相电力线中每一相的相电压和线电流值的电路，以及其中所述的电子仪表包括：数字滤波器，其用于延迟每一相的数字电压值，以补偿与多相电力线中每一相相联系的相移误差。

11.如权利要求8所述的电子仪表，其中所述电子仪表进一步包括：装置，其响应于波形的电流值来选择对应于电流值的数字滤波器系数组，并且将所选择的数字滤波器系数组施加到数字滤波器。

12.如权利要求8所述的电子仪表，其中所述数字滤波器包括：分数延迟数字滤波器，其用于以作为所述模/数转换器抽样间隔的分数的递增来延迟数字电压值。

13.如权利要求12所述的电子仪表，进一步包括用于延迟数字电流值的延迟数字滤波器。

14.如权利要求8所述的电子仪表，它被配置成电子瓦时仪表。

15.一种用于操作电子仪表的方法，包括以下步骤：

(a)在检测电路中检测波形的电压和电流值；

(b)以一抽样速率将检测到的电压和电流值转换为数字电压和电流值；

(c)在数字滤波器中延迟数字电压和电流值之中的一个或两者，以补偿在检测电路中的相移误差；以及

(d)响应于经相移补偿的电压和电流值来计算至少一个波形参数。

16.如权利要求15所述的方法，其中在数字信号处理器中执行步骤(c)和(d)。

17.如权利要求15所述的方法，其中步骤(a)包括：检测在多相电力线中每一相的电压和电流值，以及其中步骤(c)包括：延迟每一相的数字电压值，以补偿与多相电力线中每一相相联系的相移误差。

18.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：响应于波形的电流值来选择对应于该电流值的数字滤波器系数组，并将所选择的数字滤波器系数组施加到数字滤波器。

19.如权利要求15所述的方法，其中步骤(c)包括：以作为抽样间隔的分数的递增来延迟数字电压值。

20.如权利要求19所述的方法，其中步骤(c)进一步包括：延迟数字电流值。

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