TWI399564B - Phase difference correcting method of the power meter - Google Patents

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電力表相位差校正方法
本發明係關於一種電力表相位差校正方法，尤指一種透過相位校正能補償電力表量測結果的方法。
過去數年來，數位電子式的電力表(Electronics Power Meter)已逐漸取代傳統電機式電力表(Electromechanical meters)，主要藉由類比數位(Analog to Digital)轉換晶片進行信號取樣並轉換，而達成量測的目的；此種數位電子式的電力表可量測相電壓、線路電壓(Line Voltage)、電流、頻率、功率因數(Power Factor)、有效功率、無效功率、視在功率(Apparent Power)，有功電能(Active Energy)、無功電能(Reactive Energy)、視在能量(Apparent Energy)、各相電壓諧波(Per Phase Voltage Harmonics)、各相電流諧波(Per Phase Current Harmonics)等項目。
上述數位電子式的電力表內包括有一電力量測電路，該電力量測電路包括有一個以上的晶片、比壓器、比流器、電阻、電感、電容……等等，在量測過程中會因各零件本身的偏移量、精確度、溫度係數、轉換特性等因素造成誤差發生，且進行類比數位轉換數值運算時也會形成振幅及相位誤差，因此造成量測值超出容許誤差。
以上所述皆為既有技術未臻理想之處，實有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。
為此，本發明的主要目的在於提供一種電力表相位差校正方法，主要係令數位電子式的電力表藉由連續固定週期時間重複取樣，並對每一個循環週期的取樣結果進行振幅及相位的誤差補償運算，然後再還原為正確數值，藉此達成校正的目的。
為達成前述目的採取的主要技術係將前述方法至少包括以下步驟：擷取待測訊號各相的電壓與電流值，以計算出一有效功率、一無效功率、一相角0度原始有效功率、一相角0度原始無效功率與一相角90度原始無效功率；以該相角0度原始有效功率、該相角0度原始無效功率、一相角0度有效功率增益值與一相角90度無效功率增益值作為參數換算得到一偏移相角；以該相角0度有效功率增益值與有效功率為參數，換算得到一平均有效功率；以該相角90度無效功率增益值與無效功率為參數，換算得到一平均無效功率；由該平均有效功率及該平均無效功率為參數計算得到一視在功率與一平均相角；將該平均相角與該偏移相角相減，得到一校正相角；由該視在功率及該校正相角為參數，換算得到一真實的有效功率與一真實的無效功率。
本發明對電力表每一個循環週期的取樣結果，做振幅及相位的誤差補償計算，藉由各相訊號的大小及相位在0度與90度的差異，計算出待測訊號各相的有效功率、無效功率、電壓與電流相位差的偏移量後，再自動回饋給設於電力表內的控制器，作為量測過程中誤差補償計算的修正參數，以改善測量的準確度。
本創作又一目的在於提供一種可依環境溫度作補償計算的電力表相位差校正方法。
為達成前述目的採取的技術手段係令前述電力表內設有一溫度感測單元，並在電力表內設有一個以上的溫度補償手段，且該溫度補償手段對應該溫度感測單元，在前述電力表相位差校正方法中，以該相角0度原始有效功率、相角0度原始無效功率、相角0度有效功率增益值及相角90度無效功率增益值為參數進行偏移相角的換算時，該溫度補償手段會加入偏移相角的換算，以進一步改善測量的準確度。
本創作再一目的在於提供一種可依負載變動作補償計算的電力表相位差校正方法。
為達成前述目的採取的技術手段係令前述電力表內電力表內設有一個以上的負載變動補償手段，在前述電力表相位差校正方法中，以該相角0度原始有效功率、相角0度原始無效功率、相角0度有效功率增益值及相角90度無效功率增益值為參數進行偏移相角的換算時，該負載變動補償手段會加入偏移相角的換算，以進一步改善測量的準確度。
以下配合圖式與本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。
本發明係提出一種針對電力測量系統而設計的校正方法，請參閱圖1所示，係為實現該校正方法的電力測量系統架構示意圖，其包括有：三個電阻分壓器(Resistive Divider)31、32、33，其輸入端係分別連接到三相電力線R、S、T；三個電流感測器34、35、36，其輸入端分別連接到三相電力線R、S、T；一類比數位轉換器37，其輸入端分別與該等電阻分壓器31、32、33與該等電流感測器34、35、36連接，且該類比數位轉換器37的輸入端也與中性線N連接，該類比數位轉換器37係用以將輸入端的類比訊號轉換成數位訊號；一控制器38，係可為一微控制器，其輸入端係與該類比數位轉換器37連接，有關於校正方法的運算係在該控制器內完成；一個以上的輸出介面模組39，其輸入端與該控制器38的輸出端連接，該輸出介面模組39可為顯示模組、通訊模組、類比/脈衝/數位輸出模組、人機介面觸控模組(Human-Machine Interaction Touch Module,HMI Touch Module)…等。
該控制器38的輸入端可連接一溫度感測單元41，用以量測環境溫度作為溫度係數補償；且該控制器38的輸入端可連接一個以上的記憶體(memory)381；該電力測量系統可由一開關式電源供應(Switching Power Supply)模組42提供電源，該開關式電源供應模組42輸入端可與中性線N及其中一相電力線連接，其輸出端係與該類比數位轉換器37、控制器38、輸出介面模組39與記憶體381連接以提供電源，在此較佳實施例中，在開關式電源供應模組42的輸入端與電力線、中性線之間可設有一電磁濾波(EMC Filter)模組43，用以防止外部雜訊進入開關式電源供應模組42產生系統干擾，且開關式電源供應模組42的輸出端與該類比數位轉換器37、控制器38、輸出介面模組39與該記憶體381之間可設有一個以上的低漏失(Low Drop-Out,LDO)穩壓模組44，而在該低漏失穩壓模組44輸出端與該控制器38及記憶體381之間設有一停電記憶模組45。
該類比數位轉換器37與該控制器38之間設有一個隔離模組47，用以進行訊號耦合，且該類比數位轉換器37的輸入端與一低頻晶體振盪器(Low Oscillation Crystal)48連接，用以做該類比數位轉換器37的時脈控制，該控制器38的輸入端與一高頻晶體振盪器(High Oscillation Crystal)49連接，用以做該控制器38的時脈控制。
而本發明用以在前述控制器38中執行的校正方法係如圖2所示，其包括以下步驟：
使用各電阻分壓器31、32、33與各電流感測器34、35、36的輸入端擷取待測訊號各相的電壓與電流值(201)，並經由類比數位轉換器37輸入該控制器38內；且控制器38內具有一同步取樣器，該同步取樣器將待測訊號換算成一有效功率(Pm)、一無效功率(Qm)、一相角0度原始有效功率(Pc_0)、一相角0度原始無效功率(Qc_0)與一相角90度原始無效功率(Qc_90)(202)；其中該相角0度原始有效功率(Pc_0)係代表待測訊號的電壓與電流之相位差為0度時的原始有效功率，而相角0度原始無效功率(Qc_0)係代表待測訊號的電壓與電流之相位差為0度時的原始無效功率，相角90度原始無效功率(Qc_90)係代表待測訊號的電壓與電流之相位差為90度時的原始無效功率。
在此較佳實施例中，該控制器38內設有一個以上的查找表(Look-Up Table,LUT)，該查找表可包括有至少一個負載變動查找表與至少一個溫度變動查找表，且該溫度變動查找表係對應於該溫度感測單元41，該控制器38會擷取溫度感測單元41所感測到的溫度供該溫度變動查找表運算；又前述相角0度原始有效功率(Pc_0)、該相角0度原始無效功率(Qc_0)與該相角90度原始無效功率(Qc_90)先經由該查找表換算，再由一設於控制器38內的相角0度有效功率增益器與一設於控制器38內的相角90度無效功率增益器運算，並由控制器38運算得到一偏移相角(Θ_offset)(203)，在此較佳實施例中，該相角0度有效功率增益器換算相角0度有效功率增益值(P_gain)的換算式係為(P_gain)=2500/Pc_0(相角0度原始有效功率)，該相角90度無效功率增益器換算相角90度無效功率增益值(Q_gain)的換算式係為(Q_gain)=2500/Qc_90(相角90度原始無效功率)，而該偏移相角的換算式係為(Θ_offset)=acos(Pc_0*P_gain)/((Pc_0*P_gain)2 +(Qc_0*Q_gain)2 )0.5 ；該相角0度原始有效功率增益值(P_gain)、相角90度原始無效功率增益值(Q_gain)、相角0度原始有效功率(Pc_0)及相角0度原始無效功率(Qc_0)輸入一設於控制器38內的平均器，該平均器運算後輸出一平均有效功率(P)與一平均無效功率(Q)(204)；在此較佳實施例中，該平均有效功率(P)與該平均無效功率(Q)的換算式可為P=Pm*P_gain，Q=Qm*Q_gain。
由平均有效功率(P)及平均無效功率(Q)為參數經由控制器38運算計算得到一視在功率(S)與一平均相角(Θ)(205)；在此較佳實施例中，該視在功率(S)的換算式可為(S)=SQRT(P*P+Q*Q)；由控制器38將平均相角(Θ)與偏移相角(Θ_offset)相減，得到一校正相角(Θ’)(206)，在此較佳實施例中，該校正相角的換算式可為(Θ’)=(Θ)-(Θ_offset)；在此較佳實施例中，在計算真實的有效功率(P’)與真實的無效功率(Q’)前，有一設於控制器38內的誤差判斷器對以該校正相角(Θ’)為參數作遞迴計算，並判斷遞迴計算誤差是否收斂在一標準值以內(207)，如是則由一設於控制器38內的換算器以該視在功率(S)及該校正相角(Θ’)為參數計算以得到一真實的有效功率(P’)與一真實的無效功率(Q’)並輸出(208)，在此較佳實施例中，真實的有效功率(P’)換算式可為(P’)=S*cos(Θ’),真實的無效功率(Q’)換算式可為(Q’)=S*sin(Θ’)；反之如前述遞迴計算誤差沒有收斂在一標準值以內，則回到步驟(202)。
本發明對電力表每一個循環週期的取樣結果，做振幅及相位的誤差補償計算，藉由各相訊號的大小及相位在0度與90度的差異，計算出待測訊號各相的有效功率、無效功率、電壓與電流相位差的偏移量後，再自動回饋給設於電力表內的控制器38，作為量測過程中誤差補償計算的修正參數，以改善測量的準確度。
在實現本發明的系統架構內可設有一溫度感測單元，並在電力表的控制器內具有至少一個溫度變動查找表，且溫度變動查找表係對應該溫度感測單元，在前述電力表相位差校正方法中，以該相角0度原始有效功率、相角0度原始無效功率、相角0度有效功率增益值及相角90度無效功率增益值為參數進行偏移相角的換算時，該溫度變動查找表會加入偏移相角的換算，以進一步改善測量的準確度。
電力表的控制器內可具有至少一個負載變動查找表，在前述電力表相位差校正方法中，以該相角0度原始有效功率、相角0度原始無效功率、相角0度有效功率增益值及相角90度無效功率增益值為參數進行偏移相角的換算時，該負載變動查找表會加入偏移相角的換算，以進一步改善測量的準確度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非對本發明作任何形式上之限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
31、32、33．．．電阻分壓器
34、35、36．．．電流感測器
37．．．類比數位轉換器
38．．．控制器
381．．．記憶體
39．．．輸出介面模組
41．．．溫度感測單元
42．．．開關式電源供應模組
43．．．電磁相容性濾波模組
44．．．低漏失穩壓模組
45．．．停電記憶模組
47．．．隔離模組
48．．．低頻晶體振盪器
49．．．高頻晶體振盪器
圖1係本發明的電力表系統架構方塊圖。
圖2係本發明校正方法的流程圖。

Claims (8)

  1. 一種電力表相位差校正方法，包括下列步驟：擷取待測訊號各相的電壓與電流值，以計算出一有效功率、一無效功率、一相角0度原始有效功率、一相角0度原始無效功率與一相角90度原始無效功率；以該相角0度原始有效功率、該相角0度原始無效功率、一相角0度有效功率增益值與一相角90度無效功率增益值作為參數換算得到一偏移相角；以該相角0度有效功率增益值與有效功率為參數，換算得到一平均有效功率；以該相角90度無效功率增益值與無效功率為參數，換算得到一平均無效功率；由該平均有效功率及該平均無效功率為參數計算得到一視在功率與一平均相角；將該平均相角與該偏移相角相減，得到一校正相角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電力表相位差校正方法，其進一步包括：由該視在功率及該校正相角為參數，換算得到一真實的有效功率與一真實的無效功率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電力表相位差校正方法，其進一步包括：將該校正相角代入一遞迴關係式確認上述結果是否收斂在一標準值內，如是則由該視在功率及該校正相角為參數，換算得到一真實的有效功率與一真實的無效功率，如否則重新計算有效功率、無效功率、相角0度原始有效功率、相角0度原始無效功率及相角90度原始無效功率。
  4. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電力表相位差校正方法，以該相角0度原始有效功率、該相角0度原始無效功率、該相角0度有效功率增益值與該相角90度無效功率增益值作為參數換算得到偏移相角時，一個以上的查找表會加入該偏移相角的運算。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電力表相位差校正方法，該查找表包括有至少一個溫度變動查找表，且該溫度變動查找表會加入偏移相角的換算。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電力表相位差校正方法，該查找表包括有至少一個負載變動查找表，且該負載變動查找表會加入偏移相角的換算。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電力表相位差校正方法，該真實的有效功率與該真實的無效功率輸出係由一判斷器來換算。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之電力表相位差校正方法，該查找表包括有至少一個負載變動查找表，且該負載變動查找表會加入偏移相角的換算。
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