专利名称：具有相位和非线性补偿的电子功率表的制作方法
背景技术：
本发明涉及使用处理器进行所有运算的电子功率表，并且本发明包括了在用于检测线电流的变流器上相位滞后的补偿。
常规功率表使用变流器来检测线电流。作为电感元件，所有的变流器在初级线圈和次级线圈之间呈现一定的相位滞后。由该相位滞后引起的误差影响了测量的准确性并从而造成总体上的不准确性。功率表生产商习惯于应用常规的移相器，对三相中每一相都使用可变电阻和/或可变电容，从而增加了材料和生成的成本。另外，可变的RC网移相并不适合三相电子功率表中的多路复用信号。在比如，美国专利5,017,860号和5,231,347号中已描述了相位补偿技术。
已经开发了使用两个模拟-数字转换器的技术，而且通过改变一个外部电路的采样时间提高了该技术的硬件成本。这些关于出现在变流器中的电流的技术并不能补偿相移中的非线性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是为电子功率表提供一种简化了的相位调整。本发明的另一个目的是在每个相上提供每个变流器确实所需的移相器数量，这个数量可以是不同的。本发明还有一个目的是为不同的电流提供不同量的相位补偿，从而补偿变流器上的非线性。
在实践本发明的过程中，为使用内置于处理器中的多通道模拟-数字转换器的单相电力线和多相电力线提供电子固态功率表，从而通过使用应用于软件中的时变平均技术首先在电流和电压信号上提供相位补偿，并随后采用该补偿数据计算功率和能量。本发明是非常有用的，而且也不是计算上密集的技术。
根据本发明，处理器通过首先估算用于稍后用软件平均计算的两个电流信号样本之间的延迟来补偿变流器上的移相。参考电流来估算理想的延迟变化量，不仅补偿了变流器上移相，也补偿了移相中的非线性。通过使用分压器将相电压调小以降低电压，并且向变流器的初级线圈提供电流。变流器的次级线圈在变流器的次级线圈和初级线圈之间提供与匝数比成正比的电流输出。接于变流器次级线圈上的温度系数非常低的电阻提供了与次级线圈中的电阻值和电流值成正比的电势。将这些信号调节相电压和线电流信号提供给模拟-数字转换器，从而以周期间隔进行数字化，该转换器是处理器的一部分。数字化的信号由处理器使用，以便对瞬间功率进行相乘和计算，并随后在有限数目的电力网周期内结合用以计算能量。计算的能量值以预期的间隔时间存储在内部非易失性存储器中。
图1是根据本发明的三相电子功率表的示意框图；图2是根据本发明的单相电子功率表的示意框图；图3是同相电流和电压信号的曲线图；图4是电流和电压信号的曲线图，它示出了关于电压的延迟电流信号，以及关于初级线圈的由变流器的次级线圈上的信号滞后所引起的延迟；以及图5是关于电流的相位滞后曲线图。
对本发明的详细描述已如图1所示地在一典型的三相电子功率(瓦特-小时)表100和如图2所示地在一典型的单相电子功率(瓦特-小时)表200中应用了本发明。
图1是一典型三相电子功率表100的示意框图，其中分别向初级线圈上的变流器104、105和106提供三个线电流101、102和103。这些变流器的次级线圈分别连接于终端电阻110、111和112，以便向处理器126提供与线119、120和121上的电流成正比的电位信号。该处理器包括内置的多通道-采样的模拟-数字转换器(未显示)。将线113、114和115上的相位电压向分压器116、117和118提供，从而将线123、124和125上的低电位电压信号向处理器126提供。该多通道-采样模拟-数字转换器将信号数字化并存储在内部存储器内用于计算。对于每个电流通道，采样都要进行两次。第一次电流采样在电压采样之前进行且采样时间提前所需的量。对相同电流通道的第二次采样在对各个电压通道进行采样之后完成。
如果在变流器的初级线圈和次级线圈之间无相位滞后(理想情况)，则电流样本a和电压样本v之间的时间、该电压样本v和电流样本b之间的时间等距或相同。随后，电流样本a和电流样本b的平均值将正好落在电压样本上。如果电流的波形比电压波形滞后——比如——0.1度(在50Hz正弦波(电网)的情况下)，一个完整的波将占用20毫秒，等效于近似5.6微妙的滞后。一旦第一次采样提前了比如11.2微妙，则两个电流样本的平均值将会是CT的补偿电流值。
在理想的条件下，当电厂是一家时，当相对于初级线圈而言在变流器的次级线圈上无移相时，线119、120或121上的电流信号将分别与线123、124或125上的低电平电压信号同相。图3用图形示出了这种理想的情况。由于作为电感元件的变流器的固有特性，次级线圈中的电流滞后于图4的图形中所示初级线圈中的电流。该相移的量随着图5的图形中所示的电流而变化。
分压器116、117和118在相电压上的标尺因数不一定匹配每个通道。类似地，变流器104、105和106上的相移以及终端电阻110、111和112不一定匹配每个相。该技术能够使用户分别完成每个相上的补偿。
来自模拟-数字转换器的数字化信号以二进制形式存入内部数据存储器。该原始数据用于计算电流通道的加权平均值。随后在整数线周期内将该平均的电流样本值用于多种计算，包括每个相电压的均方根、每个线电流的均方根值以及有功功率的瞬时值。电流和电压均方根值的相乘提供了表观功率。表观功率与有功功率的比率提供了功率因数。在电源处，当图1中的线电流101、102和103分别与相电压113、114和115同相时，在分别关于线113、114和115上相电压的次级线圈107、108和109上有一有限的相移。从该相移得到了功率因数值，该值不等于1。
作为校准变流器上相移的最佳方法，向101、102和103施加相对于线113、114和115上相电压滞后60°相位的电流。在理想情况下，当在变流器104、105和106上无相移时，由处理器计算的功率因数为0.5，该值等于60°的余弦值。
由于变流器104、105和106上固有的相位滞后，由处理器126计算的功率因数，当电流以60°滞后施加时将超过0.5。功率因数在理想和普通情况之间的该差异是由于变流器上的相移。已设计了一种解决问题的方法，在高电流时以“添加值”表示相移，而对于较低的电流则以“保存值”来表示需要补偿的相移极限。对于特定类型的变流器，将需要被补偿的相位与整个电流范围的比率进行预先编程。使用软件将“添加值”和“保存值”提供到外部终端上的处理器上。对较佳仪表上功率因数的测量在不同预定电流上进行，以检测是否已完成了预定的补偿。该相位补偿数据随后用于计算有功能量。
例如LCD12，它是一个具有数值字符的8xlLCD显示器，并且以循环次序显示了所有由仪表计算的参数。该仪表连接于外部设备，诸如个人电脑或使用异步通讯端口的手提终端130。为了安全和电气隔离，异步通道可选择性地通过线129由光隔离128分开。
图2是典型单相电子功率表200的示意框图，其中，向变流器202在初级线圈提供一线电流201，次级线圈203连接于终结电阻204，以提供与供给处理器209的线205上的电流成正比的电位信号。处理器209包括内置的模拟-数字转换器(未显示)。向分压器207提供线206上的相电压，从而向处理器209提供线208上的低电位信号。LCD210可以是具有数值字符的8xlLCD显示器，并且以循环顺序显示了所有由仪表计算的参数。该仪表连接于外部设备，诸如使用异步通讯接口的个人电脑或手提终端214。为了安全以及电气隔离，异步通讯通道可选择性地通过线213由光隔离单元212分开。
电流和电压信号的获得以及对电流信号的进一步处理与图1所示的三相电子功率表的情况实际上相同。
虽然已参考了几个较佳实施例来显示并描述本发明，但在不脱离本发明精神和范围的前提下，可对本发明的形式和细节作出多种变化、省略和添加。
权利要求
1.一种用于测量多相电力线中电能损耗的电子功率表，包括至少一个由无源变流器确定的电流通道，该变流器具有初级绕组和次级绕组，该绕组具有与之相关的线电流信号；至少一个电压通道，它与各电流通道相关并具有与之相关的相位电压信号；一处理器，具有序列采样的模拟-数字转换器，用于将相关电流和电压通道上的相电压和线电流信号数字化，其中所述的处理器先对所述电流通道进行采样以获取特定的样本，并在所选时间的延迟之后对相关的电压通道进行采样，所述处理器在所述电压通道采样所述特定样本之后对所述电流通道进行第二次采样，并存储得到的数字化信号，用以完成加权平均值，延迟的时间量和平均的加权量由补偿的相位滞后的量决定。
2.预定常数是每个在关于电压通道的电流通道上的瓦时表上测量的相位滞后的估算。
3.相位补偿的完成通过在电流通道上使用时间延迟平均技术，并且不改变电压通道的采样时间。
4.相位补偿包括在不同频率处的相移补偿，不需要任何附加或外部的电路，或者频率补偿，在已校准的频率处得到最佳的结果。
5.在最低和最高电流处完成的相位补偿，用于补偿电流检测元件中的非线性。
6.根据瓦时表所检测到的相位滞后或相位超前，从连接于瓦时表的外部终端下载相位补偿的常数。
7.瓦时表连接于标准电源和具有可编程相位超前或滞后高准确性的基准。
8.相位补偿不会影响来自电流和电压通道的信号的大小。
9.与相位补偿同时完成的增益调节，取决于通道采样数据计算时所使用的常数。
10.将处理器中的计算数据存入内部非易失性存储器中，在LCD或LED上显示并使用标准协议与外部终端进行通讯。
全文摘要
一种用于测量电力线上电能损耗的电子功率表，包括变流器上的相位补偿，由此可延迟两个电流信号样本中一个的获得，从而该两个信号的平均值可提供补偿的信号。延迟的量由变流器在相位补偿的校准过程中呈现的相位滞后决定。所施加的补偿量随着电流而变化，从而补偿变流器相移中的非线性。对非线性程度的计算只得到了两个决定较高电流相位滞后和非线性程度的变量。该技术有助于在仪表中使用廉价的变流器。
文档编号G01R21/133GK1454317SQ01815364
公开日2003年11月5日 申请日期2001年8月3日 优先权日2000年8月4日
发明者G·S·甘地 申请人:模拟设备股份有限公司