提高相位校正精度的电能表的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种提高相位校正精度的电能表，包括：电流传感器，接收并感测相电流信号；电压传感器，接收并感测相电压信号；第一模数转换器，将模拟的相电流信号转换为数字的电流采样信号；第二模数转换器，将模拟的相电压信号转换为数字的电压采样信号；相位校正模块，分别与第一模数转换器和第二模数转换器相连接，对电流采样信号和电压采样信号进行实时的相位校正，分别生成电流同步信号和电压同步信号；电能计算模块，与相位校正模块相连接，分别接收电流同步信号和电压同步信号，并据此计算出有功电能和无功电能以向外输出。本发明克服了电流/电压信号延时方式的缺点，不仅能实现高精度的相位校正，而且硬件实现简单，系统成本低。
【专利说明】提高相位校正精度的电能表
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能计量技术及其电路实现【技术领域】，具体来说，本发明涉及一种提 高相位校正精度的电能表。
【背景技术】
[0002] 在未有本发明前，电能表相位校正采用的是电流/电压信号延时的方式。这种方 式的缺点是校正精度受ADC (模数转换器）调制器工作频率的制约，相位校正只能以与ADC 调制器工作频率相关的某一特定步长进行，从而难以达到很高的相位校正精度。
[0003] 图1为现有技术中的一种典型单相电能表的内部模块结构图。如图1所示，该典 型的单相电能表1〇〇可以由电流传感器101、电压传感器102、第一 Sigma-Delta(2-A) 调制器103、第二Sigma-Delta(2-A)调制器104、采用信号延时法的相位校正模块107、 第一 FIR滤波器105、第二FIR滤波器106、电能计算模块108组成。其输入为相电流信号 i⑴、相电压信号v(t)，输出为有功电能和无功电能。第一 Sigma-Delta调制器103、第二 Sigma-Delta调制器104、第一 FIR滤波器105、第二FIR滤波器106、相位校正模块107和电 能计算模块108通常由一块集成电路（1C)实现。电流传感器101有锰铜片、电流互感器、 罗氏线圈、霍尔效应传感器等种类，电压传感器102有分压电阻、电压互感器等种类。由于 电流传感器101、电压传感器102自身可能的非线性特性，被拾取的电流、电压信号相位可 能发生偏移，电流、电压之间的相位差可能因此发生改变，从而使电能计量出现偏差。
[0004] 设稳定的相电流i (t)有效值为I，初始相位为仍；相电压V (t)有效值为V，初始相 位为A。取初始相位差# =灼-仍.，那么，有功功率Pa = VIcoscK无功功率= visinct。 设由传感器引起电流和电压相位偏移后，相位差增量为α (即相位差变为Φ + α)，那么有 功功率变为Pa' =VIc〇s((j5 + a)，无功功率变为Ρ/ =ν?Μη(Φ + α)。显然，由于信号相位 差增量a的缘故，Pa'相较于？3有一定的偏差，而Ρ/相较于已有一定的偏差。由于有功 电能是有功功率对时间的积分，无功电能是无功功率对时间的积分，有功功率和无功功率 的偏差将导致有功电能和无功电能计量的不准确。在这种情况下，电能表内通常设置一个 相位校正模块，用来对由电流传感器和电压传感器引起的信号相位差增量（α)进行校正， 消除其对电能计量的影响。
[0005] 而要对电能表进行相位校正，首先必须对信号相位差增量α的值进行估计。在电 能表生产和调试过程中，α值的估计一般借助电能表测试机台进行，步骤如下：（1)在功率 因数PF = 0条件下，校正有功功率增益值；（2)在PF = 0. 5L (感性负载）条件下，测量电 能计量误差Ε ; (3)计算相位差Y = arccos(_^^)-f (弧度）。一般情况下，由于测试机台 测量误差的存在，α '是α的近似值，这里取α = α '。
[0006] 在估计出信号相位差增量α之后，即可据此对电能表进行相位校正。现有的电能 表相位校正方法为电流/电压信号延时法（如图2所示）。首先将信号相位差增量α转 化为电流信号与电压信号之间的时间偏差（以两个Sigma-Delta调制器的采样间隔为单 位）：
[0007] d - roi//；i/(J--) (1) 2π?)
[0008] 上式中fi为电流信号和电压信号频率（50/60ΗΖ)，fm为两个Sigma-Delta调制器 的工作频率。round()表示按四舍五入方式取整。
[0009] 电流/电压信号延时法的原理为：根据α的正负性和d值选择电流单比特码流 信号ib(η)和电压单比特码流信号vb(η)二者之一进行延时，使二者在时间上对齐，从而 达到相位校正的目的。为实现电流或电压信号的延时，电能表相位校正模块需要一组长为 Ν(Ν 彡 d)的 FIFO (First Input First Output,先入先出）寄存器，用以存储 ib (η)或 vb (η) 信号。当α >〇时，电流信号需要延时，FIFO寄存器存储的是ib (η)信号。此时相位校正 模块的输出为：
[0010] ix(n) = ib(n-d) (2)
[0011] νχ(η) = vb(η) (3)
[0012] 需要指出，当α = 〇时，d = 0, ix(n)实际上与ib(n)相等。
[0013] 当α〈〇时，电压信号需要延时，FIFO寄存器存储的是vb (η)信号。此时相位校正 模块的输出为：
[0014] ix(n) = ib(n) (4)
[0015] νχ (η) = vb (n-d) (5)
[0016] ix(n)和vx(n)为相位校正后的单比特码流信号。ix(n)经过FIR滤波器，得到电流 同步采样信号i>) ;vx(n)经过FIR滤波器，得到电压同步采样信号vy(n)。iy(n)与\〇1) 输入电能计算模块，进行有功电能和无功电能的计算。
[0017] 显然，采用电流/电压信号延时法时，相位校正的精度受到两个Sigma-Delta调 制器的工作频率乙的制约，相位校正只能以360心/乙（度）为步长进行。例如，当f m = 1. 024MHz时，相位校正的步长约为0. 017°。校正步长的存在使电流/电压信号延时法难 以达到很高的相位校正精度，从而不利于电能表高精度的计量功能的实现。
【发明内容】
[0018] 本发明所要解决的技术问题是提供一种提高相位校正精度的电能表，能够克服现 有的电流/电压信号延时方式的缺点，不仅能实现高精度的相位校正，而且硬件实现简单， 系统成本低。
[0019] 为解决上述技术问题，本发明提供一种提高相位校正精度的电能表，包括：
[0020] 电流传感器，接收并感测一相电流信号；
[0021] 电压传感器，接收并感测一相电压信号；
[0022] 第一模数转换器，与所述电流传感器相连接，将模拟的所述相电流信号转换为数 字的电流采样信号；
[0023] 第二模数转换器，与所述电压传感器相连接，将模拟的所述相电压信号转换为数 字的电压米样信号；
[0024] 相位校正模块，分别与所述第一模数转换器和所述第二模数转换器相连接，对所 述电流采样信号和所述电压采样信号进行实时的相位校正，分别生成电流同步信号和电压 同步信号；
[0025] 电能计算模块，与所述相位校正模块相连接，分别接收所述电流同步信号和所述 电压同步信号，并据此计算出有功电能和无功电能以向外输出。
[0026] 可选地，所述相位校正模块包括：
[0027] 全通滤波器系数参量寄存器，用于存储量化后的全通滤波器的系数参量；
[0028] α正负性寄存器，用于根据α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情形分别对应地设置〇、 1和2这三个数值，α为信号相位差增量；
[0029] -阶的全通滤波器及相关选通电路，在所述相位校正模块内分别与所述全通滤波 器系数参量寄存器和所述α正负性寄存器相连接，用于先读出表示α正负性的所述数值， 决定所述全通滤波器是否被旁路以及不被旁路时被置于哪个信号通道，再读出量化后的所 述系数参量以用于所述全通滤波器的运算，进而对所述电流采样信号和所述电压采样信号 进行相位校正，分别生成所述电流同步信号和所述电压同步信号。
[0030] 可选地,所述全通滤波器的应用分为α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情形，α为信号 相位差增量；
[0031] 当α >〇时，所述电流采样信号的相位需要延后，所述全通滤波器被放在电流信号 通道中，电压信号通道无所述全通滤波器；
[0032] 当α〈0时，所述电压采样信号的相位需要延后，所述全通滤波器被放在所述电压 信号通道中，所述电流信号通道无所述全通滤波器；
[0033] 当α = 0时，所述电流采样信号和所述电压采样信号的相位均不需要延后，所述 电流信号通道和所述电压信号通道这两个通道中均无所述全通滤波器，所述全通滤波器处 于被旁路状态。
[0034] 可选地，所述全通滤波器系数参量寄存器和所述α正负性寄存器均为非易失性 寄存器。
[0035] 可选地，所述全通滤波器系数参量寄存器和所述α正负性寄存器均为快闪型寄 存器。
[0036] 可选地，所述α正负性寄存器的大小为2比特。
[0037] 可选地，所述电流传感器为锰铜片、电流互感器、罗氏线圈或者霍尔效应传感器。
[0038] 可选地，所述电压传感器为分压电阻或者电压互感器。
[0039] 可选地，所述第一模数转换器、所述第二模数转换器、所述相位校正模块和所述电 能计算模块是由一块集成电路实现的。
[0040] 可选地，所述电能表能用作单相电能表或者多相电能表。
[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0042] 本发明根据实际测算，在电流和电压的信号频率& = 50Hz、模数转换器的采样频 率fs = 4kHz、信号相位差增量| α |彡4°、全通滤波器的系数参量k字长为16比特的条 件下，相位校正的误差小于1〇_4度。由此可见，本发明提出的采用全通滤波器的方式可以达 到很高的相位校正精度，远高于现有的电流/电压信号延时法，这对于提高电能表的相位 校正精度是非常有利的。另一方面，由于一阶全通滤波器结构简单，用集成电路实现时开销 较小，因此这种构造的电能表在相位校正的实现上是简便易行的。
[0043] 综上所述，本发明能够克服现有的电流/电压信号延时方式的缺点，不仅能实现 高精度的相位校正，而且整个电能表硬件实现简单，系统成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0044] 本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描 述而变得更加明显，其中：
[0045] 图1为现有技术中的一种典型单相电能表的内部模块结构图；
[0046] 图2为现有技术中的一种电能表相位校正的方法-电流/电压信号延时法的不 意图（分为α彡〇和α <〇两类情况）；
[0047] 图3为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能表的内部模块结构图；
[0048] 图4为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能表中的全通滤波器 在-l〈k〈0、k = 0和0〈k〈l这三种情况下的相频响应特性；
[0049] 图5为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能表中的全通滤波器的应用 分为α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情况的示意图；
[0050] 图6为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能表中的相位校正模块的内 部结构示意图。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多 的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实 施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演 绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0052] 图3为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能表的内部模块结构图。图3 所示为该电能表200用作单相电能表的情形。显然，在单相计量的基础上通过结构扩展，该 电能表200也可以用作多相电能表，此时将针对每一相的电流信号和电压信号分别进行相 位校正。其中，在用作单相电能表的情形下，其内部构造主要包括如下组成模块：电流传感 器201、电压传感器202、第一模数转换器（ADC) 203、第二模数转换器（ADC) 204、相位校正模 块207和电能计算模块208等。除电流传感器201、电压传感器202外，其他模块通常可以 是由一块集成电路（1C)实现的。其中，电流传感器201可以为锰铜片、电流互感器、罗氏线 圈或者霍尔效应传感器等不同种类，其接收并感测一相电流信号i (t)。电压传感器202可 以为分压电阻或者电压互感器等不同种类，其接收并感测一相电压信号v(t)。第一模数转 换器203与电流传感器201相连接，将模拟的相电流信号i (t)转换为数字的电流采样信号 is (η)。第二模数转换器204与电压传感器202相连接，将模拟的相电压信号v(t)转换为数 字的电压采样信号vs(η)。相位校正模块207分别与第一模数转换器203和第二模数转换 器204相连接，对电流采样信号i s(η)和电压采样信号\(1〇进行实时的相位校正，分别生 成电流同步信号iy (η)和电压同步信号vy (η)。电能计算模块208与相位校正模块207相 连接，分别接收电流同步信号iy(η)和电压同步信号\(1〇,并据此计算出有功电能和无功 电能以向外输出。
[0053] 本发明的主要思想是使用全通滤波器的相位移动特性，来反向抵消电流和电压的 信号相位差增量α。全通滤波器的优点是在改变信号相位的同时，保持信号幅值不变。为 (6) 使实现方案简单，采用如下系统函数H(z)的一阶全通滤波器：
[0055] 上述滤波器中系数参量k为实数，极点zp = _k。为使滤波器稳定，应保证|zp|〈l。 因此k的取值范围为-l〈k〈l。图4所示为本发明一个实施例的提高相位校正精度的电能 表中的全通滤波器在-l〈k〈0、k = 0和0〈k〈l这三种情况下的相频响应特性。由图4可看 出，该全通滤波器适用于使信号相位延后的场合。对于电能表的相位校正，全通滤波器的应 用可分为α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情况（如图5所示）：（1)当α >0时，由于电流采样 信号的相位需要延后，全通滤波器213被放在电流信号通道中，电压信号通道无全通滤波 器213;⑵当α〈0时，由于电压采样信号的相位需要延后，全通滤波器213被放在电压信 号通道中，电流信号通道无全通滤波器213; (3)当α = 0时，由于电流采样信号和电压采 样信号的相位均不需要延后，电流信号通道和电压信号通道这两个通道中均无全通滤波器 213,全通滤波器213处于被旁路状态。
[0056] 现推导一阶全通滤波器唯一的系数参量k与信号相位差增量α的关系。当ADC 采样频率为fs时，信号归一化角频率为θ =2π?ν^。根据一阶全通滤波器传递函数，得 到滤波器频域响应：
【权利要求】
1. 一种提高相位校正精度的电能表（200)，包括： 电流传感器（201)，接收并感测一相电流信号； 电压传感器（202)，接收并感测一相电压信号； 第一模数转换器（203)，与所述电流传感器（201)相连接，将模拟的所述相电流信号转 换为数字的电流采样信号； 第二模数转换器（204)，与所述电压传感器（202)相连接，将模拟的所述相电压信号转 换为数字的电压采样信号； 相位校正模块（207)，分别与所述第一模数转换器（203)和所述第二模数转换器（204) 相连接，对所述电流采样信号和所述电压采样信号进行实时的相位校正，分别生成电流同 步信号和电压同步信号； 电能计算模块（208)，与所述相位校正模块（207)相连接，分别接收所述电流同步信号 和所述电压同步信号，并据此计算出有功电能和无功电能以向外输出。
2. 根据权利要求1所述的电能表（200)，其特征在于，所述相位校正模块（207)包括： 全通滤波器系数参量寄存器（211)，用于存储量化后的全通滤波器（213)的系数参量 (k)； α正负性寄存器（212)，用于根据α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情形分别对应地设置〇、 1和2这三个数值，α为信号相位差增量； 一阶的全通滤波器（213)及相关选通电路（214)，在所述相位校正模块（207)内分别与 所述全通滤波器系数参量寄存器（211)和所述α正负性寄存器（212)相连接，用于先读出 表示α正负性的所述数值，决定所述全通滤波器（213)是否被旁路以及不被旁路时被置于 哪个信号通道，再读出量化后的所述系数参量（k)以用于所述全通滤波器（213)的运算，进 而对所述电流采样信号和所述电压采样信号进行相位校正，分别生成所述电流同步信号和 所述电压同步信号。
3. 根据权利要求2所述的电能表（200)，其特征在于，所述全通滤波器（213)的应用分 为α >〇、α〈〇和α = 〇这三种情形，α为信号相位差增量； 当α>〇时，所述电流采样信号的相位需要延后，所述全通滤波器（213)被放在电流信 号通道中，电压信号通道无所述全通滤波器（213); 当α〈〇时，所述电压采样信号的相位需要延后，所述全通滤波器（213)被放在所述电 压信号通道中，所述电流信号通道无所述全通滤波器（213); 当α = 〇时，所述电流采样信号和所述电压采样信号的相位均不需要延后，所述电流 信号通道和所述电压信号通道这两个通道中均无所述全通滤波器（213)，所述全通滤波器 (213)处于被旁路状态。
4. 根据权利要求3所述的电能表（200)，其特征在于，所述全通滤波器系数参量寄存器 (211)和所述α正负性寄存器（212)均为非易失性寄存器。
5. 根据权利要求4所述的电能表（200)，其特征在于，所述全通滤波器系数参量寄存器 (211)和所述α正负性寄存器（212)均为快闪型寄存器。
6. 根据权利要求5所述的电能表（200)，其特征在于，所述α正负性寄存器（212)的 大小为2比特。
7. 根据权利要求6所述的电能表（200)，其特征在于，所述电流传感器（201)为锰铜 片、电流互感器、罗氏线圈或者霍尔效应传感器。
8. 根据权利要求7所述的电能表（200)，其特征在于，所述电压传感器（202)为分压电 阻或者电压互感器。
9. 根据权利要求8所述的电能表（200)，其特征在于，所述第一模数转换器（203)、所述 第二模数转换器（204)、所述相位校正模块（207)和所述电能计算模块（208)是由一块集成 电路实现的。
10. 根据权利要求9所述的电能表（200)，其特征在于，所述电能表（200)能用作单相 电能表或者多相电能表。
【文档编号】G01R11/20GK104122439SQ201410366395
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】张江安 申请人:中颖电子股份有限公司