数字自动相位幅度补偿方法及使用该方法的电度计量装置的制作方法

专利名称：数字自动相位幅度补偿方法及使用该方法的电度计量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用全电子数字技术，在电能测量系统中对电压和电流的相位和幅度进行自动补偿的方法，尤其是涉及一种用于电度计量装置的电压和电流相位与幅度自动补偿的方法，以及采用该方法的电度计量装置。
在现有的智能式电度表中，通常是采用在模拟电路中加入一些模拟环节，如低通滤波器，及反馈电路等手段，来达到对电流、电压的相位和幅度进行补偿。为了提高电度表的计量精度，亦可采用高精度、高成本的电压传感器和电流传感器，并且采用高线性度的放大器，以及仔细地匹配电压通道与电流通道的信号延迟时间。以此来取得高精度的电能计量。但是，这样做就需要选用高价格的高质量元器件，显著地提高电度计量装置的成本。
本发明针对高精度电度计量装置需使用高精度、价格高的电子部件的缺点，提出采用本发明的数字自动相位和幅度补偿方法，以及采用该方法的电度计量装置。通过本发明提出的方法可以对被测计量装置的电压、电流的相位和幅度进行自动补偿，从而可以选用最普通价格和一般质量的电子部件来获得具有高精度的电度计量装置，例如采用本发明的自动相位、幅度补偿方法的电度表，其测量精度可达到±0.5%，其价格也是可以与现在用户日常所用的电度相比拟的。本发明还提出了采用上述补偿方法的电度计量装置。
本发明的目的在于提出一种对被测计量装置的电压、电流的相位和幅度自动进行补偿的方法，通过该方法可以对电流和电压通道的电流和电压的相位及幅度误差进行自动补偿，从而提高对电度的测量精度。
本发明的目的还在于，在采用本发明的计量装置中，可以选用普通的电子部件，例如低价格、普通质量的电流、电压传感器，以及不需要对电流、电压通道的传递函数的模和延迟时间(相移)进行调节和匹配。
本发明的有益效果是，本发明提出的自动相位和幅度补偿方法，整个补偿过程可靠性程度高，补偿精度高，可使电度计量精度与传统的相比改进20倍以上。例如未采用自动相位和幅度补偿时，测量误差可达±10%，而同一装置在采用本发明的相位和幅度补偿后，测量精度误差降为±0.5%以下。另外，本发明的电度计量装置中，所使用的电流、电压传感器其所需成本仅为高精度传感器的1/4～1/10。因此可以显著降低高精度电度计量装置的成本。另，采用本发明的自动相位、幅度补偿方法，电流、电压二个通道的传递函数的模和延迟时间、允许分散性为±10%～±20%的情况下，电度计量仍可达到0.5%的精度。
下面将结合附图，对本发明的数字自动相位幅度补偿方法及采用该方法的电度计量装置作出详细的说明。


图1表示本发明数字电度计量装置及其与供电电源和用户负载的连接示意图。
图2A表示电压通道的相位补偿曲线示意图。
图2B表示电压通道的幅度补偿曲线示意图。
图2C表示电流通道的相位补偿曲线示意图。
图2D表示电流通道的幅度补偿曲线示意图。
图3A1、3A2分别表示对于电压相位补偿，在电压相位补偿系数ε＞0和ε＜0时的线性插入法图解说明图。
图3B1、3B2分别表示对于电流相位相补偿，在电流相位补偿系数θ＞0和θ＜0时的线性插入法图解说明图。
图3C1、3C2分别表示对于电压幅度补偿，在电压幅度补偿系数g＞0和g＜0时的图解说明。
图3D1、3D2分别表示对于电流幅度补偿，在电流幅度补偿系数h＞0和h＜0时的图解说明。
图4表示被测电度表相位与幅度补偿曲线的测试与分析系统示意图。
图5A表示电压与相位补偿系数关系图。
图5B表示电压与幅度补偿系数关系图。
图5C表示电流与相位补偿系数关系图。
图5D表示电流与幅度补偿系数关系图。
下面先对本发明的数字自动相位和幅度补偿方法作进一步的说明本发明的对电能计量装置，例如电度表的数字自动相位和幅度补偿方法主要包括下述步骤1.确定相位和幅度补偿曲线的结构及补偿系数的定义。
2.实测被校电度计量装置的相位和幅度补偿曲线。
3.将测得的相位和幅度补偿曲线经过计量装置的通讯接口写入该装置内的非易失性存储器EEPROM中，长期保存在该被补偿过的装置内。在该装置工作时，补偿曲线读人单片机的RAM存储器中。
4.该装置按照该装置运行过程中每段时刻内所测得负载电流和电压的幅值，从它的相位和幅度补偿曲线找出相应的相位和幅度补偿系数值。
5.该装置以第4步所得的相位和幅度补偿系数，按照上述第1步对各系数的定义，对当前的电压与电流取样值，按照先相位、后幅度的次序对相位和幅度进行补偿。
6.该装置将经过第5步校正后的电压和电流取样值相乘，得到该取样瞬时的负载功率，再将它乘以取样时间间隔，得到该取样间隔内的负载电能，最后将它加入电度累加存储器中。之后，每隔一个取样间隔得到下一个电压与电流取样值，再重复进行上述第4、5和6步骤。以此实现电度计量装置的自动相位补偿和幅度补偿及电度计量。
在以上所述的进行自动相位和幅度补偿及电度计算的6个主要步骤中，第1、2步涉及对电压与电流通道的相移特性和幅度特性的实际分析，相位和幅度补偿曲线和相应算法的设计，以及对被校计量装置的相位和幅度补偿曲线的实际测试方法及系统的设计。第3步是将相位和幅度补偿曲线存放在被校计量装置的EEPROM中，这是因为EEPROM是一种非易失性存储器，其储存的数据在每写入一次后，可在无电源供电下长期保存，其次EEPROM的数据是可以电擦写的，即可很方便地通过计量装置的对外通讯接口(同步串口或异步串口等)把重新校表后的新的补偿曲线写入EEPROM，以便于定期地对该电度计量装置进行复核和校准。第4、5和6步是已校验好的内存有自动相位及幅度补偿曲线的电度计量装置自动进行补偿及电度计量的过程。
上述所列出的1～6步步骤是一种对改进被测量为与同一电源或负载的电压与电流二者有关的数字计量装置，例如电度表功率变送器和功率因数表的精度具有普遍意义的自动相位和幅度补偿方法，而且此方法亦可用于其它物理量的计量装置，如被测量是与流量及压力有关的量。下面就将上述各步骤结合附图中所示的有关曲线作出详细说明。
第1步是确定补偿曲线的结构以及补偿系数的定义。
由于被测电压与电流通过各自独立的信号通道，彼此无交叉影响。因此，电流的相位、幅度失真只与电流通道的参数及电流信号的幅度和频率有关;同样，电压的相位、幅度失真只与电压通道的参数及电压信号的幅度与频率有关。
在计量装置为电度表的情况下，由于电度表的工作频率为50Hz(或60Hz)，通常波动范围在1Hz左右，因此可忽略频率变化对通道的相位及幅度失真的影响，只需考虑幅度大小对通道的相位及幅度失真的影响。
基于上述原因，通过确定下述四个单变量的补偿函数，就可足以完全补偿由通道的相位及幅度失真所导致的电度计量误差。
电压通道的相位及幅度补偿函数分别为ε = f1(Um)Im = const(1)g = f2(Um)Im = const(2)式中，ε和g分别为电压通道的相位及幅度补偿系数，Um为电压信号幅值，Im保持常数。
电流通道的相位及幅度补偿函数分别为θ = f3(Im)Um = const(3)h = f4(Im)Um = const(4)式中，θ和h分别为电流通道的相位及幅度补偿系数，Im为电流信号幅值，电压保持常数。
图2表示电压及电流通道的相位和幅度曲线形状。
为了节省电表内单片微机的储存单元，应设法在保证足够的补偿精度的前提下，尽量压缩相位及幅度补偿曲线的数据量，办法之一是将曲线折线化(即分段直线化)。此外，也可以采用其它函数，例如指数函数等，分段逼近真实的补偿曲线，以达到压缩数据的目的。
本发明中，在硬件配置和工作时序方面采取的两个取样保持电路S/HX和S/HY在同一瞬时分别对电流和电压取样，然后进行模数转换。在这样的条件下，本发明采用增量系数算法实现幅度补偿;采用时轴线性插入算法实现相位补偿。
由计量装置，例如电表的相位及幅度补偿算法决定相位及幅度补偿系数的定义，或者反过来讲，由相位及幅度系数的定义决定了电表对被测电压与电流进行相位与幅度补偿的算法。
定义电压相位补偿系数为ε｜Um= [ (U′Y(n△t) - UY(n△t))/(UY(n△t) - UY(n△t)) ×△t]Um(秒) (5)式中，UY(n△t)为当前(第n次)未补偿电压取样;
UY[(n-1)△t]为前一次(第n-1次)未补偿电压取样;
U′Y(n△t)为经相位补偿的第n次电压取样;
△t为取样时间间隔，常数(秒);
Um为与该补偿系数对应的被测电压幅值;
ε｜Um为电压幅值Um时电压通道相位补偿系数。
定义电流相位补偿系数为θ︱Im= [ (I′X(n△t) - IX(n△t))/(IX(n△t) - IX[(n - 1)△t]) △t]Im(秒) (6)式中，IX(n△t)为第n次未补偿的电流取样值;
IX[(n-1)△t]为第n-1次未补偿的电流取样值;
I′X(n△t)为第n次已相位补偿的电流取样值;
Im为与该补偿系数对应的被测电流幅值;
θ︱Im为在电流幅值为Im时电流通道相应补偿系数。
根据以上相位补偿系数的定义，在电表内对各取样值进行补偿时，进行下述运算(即上述方法中的第5步骤)。
对于电压相位补偿U′Y(n△t)＝UY(n△t)+[UY(n△t)-UY[(n-1)△t]] (ε)/(△t)对于电流相位补偿I′x(n△t)＝Ix(n△t)+[IX(n△t)-IX[(n-1)△t]] (θ)/(△t)图3A1、3A2和3B1、3B2分别为电压及电流相位补偿法，即时轴线性插入法的图解说明。
其中，图3A1表示电压相位补偿系数ε＞0时的线性插入法图解说明。此时，
∵ε = (U′Y(n△t) - UY(n△t))/(UY(n△t) - UY[(n - 1)△t]) ×△t∴U′Y(n△t)＝UY(n△t)+[UY(n△t)-UY[(n-1)△t]]× (ε)/(△t)图3A2表示电压相位补偿系数ε＜0时的线性插入法图解说明。
图3B1表示电流相位补偿系数θ＞0时的线性插入法图解说明。此时∵θ = (I′X(n△t) - IX(n△t))/(IX(n△t) - IX[(n - 1)△t]) ×△t∴I′X(n△t)＝IX(n△t)+[IX(n△t)-IX[(n′-1)△t]]× (θ)/(△t)图3B2表示电流相位补偿系数θ＜0时的线性插入法图解说明。
对于电压和电流幅度补偿(见图3C1、3C2、3D1、3D2)。
定义电压幅度补偿系数为g｜Im= [ (U″Y(n△t) - U′(n△t))/(U′Y(n△t)) ]Im(7)式中，U′Y(n△t)为经相位补偿的第n次电压取样值;
U″Y(n△t)为经相位及幅度补偿的第n次电压取样值。
定义电流幅度补偿系数为h｜Im= [ (I″Y(n△t) - I′X(n△t))/(I′X(n△t)) ]Im(8)式中，I′X(n△t)为经相位补偿的第n次电流取样值;
I″X(n△t)为经幅度和相位补偿的第n次电流取样值。
上述所有幅度补偿都要在相位补偿后进行。显然，按上述幅度补偿定义，在计量装置，例如电表内进行幅度补偿时，将进行下例运算(即上述补偿方法的第5步所述)。
对于电压幅度补偿(见图3C1、3C2)U″Y(n△t)＝U′Y(n△t)+U′Y(n△t)×g对于电流幅度补偿(见图3D1、3D2)
I″X(n△t)＝I′X(n△t)+I′X(n△t)×h第2步是实测被校电度计量装置，例如电表的相位和幅度补偿曲线。
这一步中，基于被校电表的电度误差是由其电流与电压的相位与幅度失真所引起的。所以，可以根据被校电表的电度误差数据，反过来分析推算出相位与幅度补偿系数。也可以用累试法，让电表用不同的相位与幅度补偿系数来进行补偿，并观察电度误差的变化，从而逐步修改补偿系数，直至确定最佳的相位和幅度的补偿曲线。
通常，被校电表的电度计量误差δ%为δ%＝ (被校电表测到的电度量-实际电度量)/(实际电度量) ×100%其中，实际电度量可以用高精度的标准电度表测得。
下面以累试法为例，说明如何寻找补偿曲线，即通过修改补偿系数，使电度误差逐步减小，直至减小到允许精度范围的校表方法。
这种校表方法是基于下述二原则，即原则一，电压与电流相互独立调校。
由于在硬件的配置上电压与电流通道无交叉影响，所以在寻找电压补偿系数时，使电流保持在某一固定值(频率、幅度一定)。同样，在寻找电流补偿系数时，使电压保持在某固定值。
原则二，先调相位补偿系数，后调幅度补偿系数。
下面对如何调校补偿系数作进一步说明。
整个电度表的电度误差由四部分组成，即δ%＝δε%+δg%+δθ%+δh% (9)式中，δε%、δg%分别是电压相位和幅度失真引起的电度误差，δθ%、δh%分别是电流相位和幅度失真引起的电度误差。
关于寻测被测电表的电压相位与幅度补偿系数。
首先，找出电压为某一Um1时的电压相位补偿系数ε1。即，令被测电流幅度Im为一个任意值(通常取电表的标称值Ib，例如5安培)。同时把被测电压调到Um1，并作不同功率因数下的二次测试，例如(1)功率因素φ＝+60°，测得电度误差δC%;
(2)功率因素φ＝-60°，测得电度误差εL%。
所测的δC%与εL%值的大小，不外下列三种情况，即δC%＝δL%，δC%＜δL%，δC%＞δL%.
对于上述三种情况分析，可见当δC%＝δL%，表示在该Ib、Um1值下，电压与电流通道的相互相位差为零，因此电压相位补偿系数ε︱Um1＝0，即，不需要作电压相位补偿。
当δC%＜δL%时，表示在该Im、Um1值下，电压通道对电压信号产生附加的滞后相位。因此，需要把电压取样信号引前一个角度，以补偿掉由通道所产生的滞后角，即系数ε︱Um1应该增大。
当δC%＞δL%时，表示在该Im、Um1值下，电压通道对电压信号产生附加的引前相位。因此，电压取样信号需要滞后一个角度，以补偿由电压所产生的电压引前角，即系数ε︱Um1应减小。
在上述结论指引下，修改ε︱Um1值，再测δC%、δL%，并根据每次所测的δC%、δL%的相对大小，来决定下一步应该增大还是减小ε︱Um1。经过几次实测，可达到使δC%＝δL%。用此时的ε︱Um1可完全补偿Um1下被测电表电压通道所引起的相位失真(此时的δε%＝0)。
上述的(ε︱Um1Um1)︱Ib就是经实测所找到的该电表电压相位补偿曲线上的一个点(见图5A所示)。采用同样方法可以找到该电压相位曲线上的其它各点(ε︱Um1Um1)︱Ib…。
之后，找出电压幅度补偿。
令电流仍保持在寻测电压相位补偿系数时的Im，电压仍为Um1。此时，可在任一功率因数下(通常为φ＝0，cosφ＝1)，测电度误差δ3%。因为，经相位校正后，不论在哪一个功率因数下，由于此时没有通道的附加相位差，所以电度误差是不变的。
在上述寻测中，若δ3%＞0，则g︱Um1应减小;若δ3%＜0，则g︱Um1应增大。
按上述判据增大或减小g，再测电度误差，直至找到一个δ%＝0的g︱Um1值。此时的(g︱Um1Um1)︱Ib就是电压幅度补偿曲线上的一个点(见图5B)。可以用同样的寻找方法，找到曲线上的其它各点。至此得到了在该电表额定电流Ib下的相位与幅度补偿曲线。
同样，对于电流相位补偿曲线，及电流幅度补偿曲线(见图5C、5D)，也可用类似于上述的步骤测取。但需注意，在寻求电流相位补偿系数时，由于相位差定义是电流相位减去电压相位(以电压相位为基准)，所以θ的增减判据与ε的增减判据要反过来。即，此时，δC%＜δL%时θ︱Im减小δC%＞δL%时θ︱Im增大需注意，在测电流相位及幅度补偿曲线上的各点时，令电压不变，即通常令电压为额定值，Um＝ UN，UN为额定电压，通过取不同的电流，例如，0.5A，1A，5A，10A…，先寻测电流相位补偿系数，再测电流幅度补偿系数。以此寻测到电流相位及幅度补偿曲线。
第3步是将测得到相位和幅度补偿曲线，经过被测电表的接口写入非易失性存储器EEPROM中，予以长期保存。在计量装置工作时，补偿曲线读入单片机内存储器RAM中。
在采用折线化的补偿曲线时，在该步中写入EEPROM中的是各相位及幅度补偿曲线(折线)各折点的补偿系数(ε、θ、g、h)值，以及其对应的折点电压及电流幅值，每对数据按预定的地址存放在EEPROM中。
幅度补偿的负载电流及负载电压的幅值，从它的相位补偿及幅度补偿曲线寻测相应的相位补偿和幅度补偿系数值。
Umr为该装置当时的工作电压幅值，若实测的Umr在Um2＜Umr＜Um3范围内，则按比例关系ε(Umr)＝ε2+ (ε3-ε2)/(um3-um2) ×(Umr-Um2)，式中，ε2、ε3分别为Um2、Um3对应的相位补偿系数。
参见图5B，表示电压幅度补偿系数的关系图。以图5A同样的考虑，按Umr来求取对应的幅度补偿系数g。
若实测的Umr在Um2＜Umr＜Um3范围内，可利用比例关系求取g(Umr)＝g2+ ( (g3- g2)/(Um3- Um2) )(Umr- Um2)参见图5C，表示电流相位补偿系数的关系图。如同上述，按Imr来求取对应的相位补偿系数θ。
Imr为该装置当时的工作电流，若Imr在Im1＜Imr＜Im2范围内，则图解， θ(Imr) = θ1( (θ2- θ1))/(Im2- Im1)) (Imr- Im1)。式中，θ2、θ1分别是Im2与Im1时电流相位补偿系数。
参见图5D，表示电流幅度补偿系数的关系图。如同上述，按Imr来求取对应的电流相位补偿系数h。
若Imr在Im3＜Imr＜Im4范围内，则通过图解，h(Imr) = h3+ ( (h4- h3)/(Im4- Im3) )(Imr-Im3)。式中，h3、h4分别是Im3和Im4时对应的电流幅度补偿系数。
第5步是该计量装置以第4步所得的相位及幅度补偿系数，按照由第1步对各系数的定义，对当前的电压与电流取样值作出相位与幅度的补偿，补偿是以先相位、后幅度的补偿原则进行。具体的补偿将在下述的实施例第6、6.3中予以说明。
第6步是该计量装置将经过第5步中相位及幅度校正后的电压取样值和电流取样值相乘，得到该取样瞬时的负载功率，再乘以时间，即为该取样间隔△t的负载电能，最后将它存入电度累加储存器中。接下去，每隔一个△t，取得下一个电压取样和电流取样，再重复进行上述第4、5、和6步骤。最终实现具有自动相位补偿及幅度补偿的数字电子电度计量系统，例如电度表的电度计量功能。
下面将通过实施例，并结合附图对本发明的数字自动相位与幅度补偿方法作出描述。
实施例(1)电度计量系统，例如电度表的硬件配置电压通道与电流通道具有各自的取样保持电路，而且二个取样保持电路同时取样，取样的时间间隔也相同。
(2)相位与幅度补偿曲线的函数形式采用以下四条折线化的补偿曲线(参见图2A-2D)其中，各转折点的电压幅度、相位以及电流幅度、相位补偿曲线分别依次表示如下gj= f1(Umj)Im= Ibmj＝1，2，3…εk= f2(Umk)Im = Ibmk＝1，2，3…hl= f3(iml)Um = UNml＝1，2，3…θq= f4(Imq)Um = UmNq＝1，2，3…式中，Umj、Umk分别表示电压幅度、相位补偿曲线各折点的横坐标值，该坐标是未经过补偿的被测正弦交流电压的幅值。Ibm是该计量装置，如电度表的标称或额定电流幅值。
Iml、Imq分别表示电流幅度、相位补偿曲线各折点横坐标值，该坐标是未经补偿的被测正弦交流电流的幅值。UNm为该计量装置额定电压幅值。
(3)相位补偿系数的定义本实施例采用时轴线性插入法进行相位补偿，因而具有以下各补偿系数的定义。
电压通道的相位补偿系数定义ε = (U′Y(n△t) - UY(n△t))/(UY(n△t) - UY[( n - 1)△t]) ×△t式中UY(n△t)当前(第n次)取样的，完全未经过补偿的被测电压取样值;
UY[(n-1)△t]前一次(第n-1次)的，完全未经过补偿的被测电压取样值;
U′Y(n△t)仅经过电压相位补偿以后的(纠正了电压通道延迟的)第n次电压取样值;
△t取样时间间隔。
电流通道的相位补偿系数定义θ = [ (I′X(n△t) - IX(n△t))/(IX(n△t) - IX[(n - 1)△t]) △t式中，IX(n△t)第n次完全未经电流相位补偿的电流取样值;
IX[(n-1)△t]第n-1次完全未经过电流相位补偿的电流取样值;
I′X(n△t)第n次已经电流相位补偿的电流取样值。
(4)幅度补偿系数的定义本实施例是以倍乘系数法来实现幅度补偿，因而各幅度补偿系数的定义如下电压通道的幅度补偿系数g= [ (U″Y(n△t) - U′Y(n△t))/(U′Y(n△t))式中，U″Y(n△t)经电压幅度与电压相位补偿后的第n个电压取样值;
U′Y(n△t)经电压相位补偿，但未经电压幅度补偿的第n个电压取样值。
需指出，先做相位补偿后，再做幅度补偿，这是本发明所采用的一个普遍性原则。
电流通道的幅度补偿系数h= [ (I″X(n△t) - I′X(n△t))/(I′X(n△t))式中，I″X(n△t)经电流幅度与电流相位补偿后的第n个电流取样值;
I′X(n△t)经电流相位补偿，但未经电流幅度补偿的第n个电流取样值。
(5)实测相位和幅度补偿系数为了得到被测调度表的相位与幅度补偿曲线(见图2A-D)各转折点上的补偿系数，本实施例采用图4所示的被测电度表相位与幅度补偿曲线的测试与分析系统，先测出各电压、电流转折点上的被测表的一组电度计量误差δ11、δ12、δ13…。将此组误差值及相应的测试条件Um、Im、φL、φC输入一个专用的补偿曲线分析系统，由该系统内的分析程序，经过对误差数据及测试条件的分析，算出下述四条折线的参数(见图2A-D)。
gi＝f1(Umj)εk＝f2(Umk)h1＝f3(Im1)θq＝f4(Imq)所算出的折线的参数，即为各折点的相位、幅度补偿系数。
以上首轮算出的四条补偿曲线，经过电表的通讯接口(同步或异步串口，或并行口)送入电表内的RAM中，电表用这首轮补偿曲线进行自动补偿。再用图4所示的误差测试系统，在电表各测试电压、电流相位组合条件下，测出第二轮的一组误差δ21、δ22、δ23…。若已达到该电表的精度等级要求，则就将已存在电表内存RAM中的补偿曲线各折点的补偿系数按次序写入非易失性存储器EEPROM中，供长期存放使用。反之，若δ21、δ22、δ23…，仍超出允许的误差范围，则将这组误差及它们各自的测试条件(Um、Im、φL、φC)再送入分析系统，进行第三轮分析，得出四条更高精度的补偿曲线，送入被测表内的RAM，再由上述的测试分析系统对电表测误差，如此反复，直至该被测电表在各规定的测试条件下测出的误差均不超过允许的误差范围为止。
下面结合图4说明所示的相位与幅度补偿曲线的测试与分析系统。该系统包括高稳定性，交流三调电源STDPWS，高精度电度表STDWHRN，被校电表SWHRM，微机PC，误差分析器DELTAGEN，和参数分析器PARGEN组成。其中，STDPWS是电压、电流及电流与电压之相位差可分别独立调节的交流电源，简称三调交流源，其输出为50Hz～60Hz的纯正弦波。用来在虚负载状态下调校电度表。
该电源除了可以手动调节电压、电流及相差外，还可以通过串行接口与微机PC相联，接收来自PC的调节指令，调节其电压、电流与相位差。因此，该电源可以按PC中预编的程序调节其输出电压、电流及电压与电流之相位差。
STDWHRM是高精度电度表，其精度比被校电度表高出几个等级，WP1是该电度表的功率脉冲输出。SWHRM是被校电度表，WP2是被校电度表的功率脉冲输出。
所述的STDWHRM与SWHRM由同一个三调电源STDPWS供电，它们的电流回路是串联的，电压回路是并联的，即它们的输入是完全相同的交流功率。
所述的误差分析器DELTAGEN用来接收来自标准电度表STDWHRM和被校电度表SWHRM的功率脉冲，并以标准电度表的每千瓦时的脉冲数为基准，算出被测表的相对误差δ% 例如，标准表在脉冲常数为每千瓦时5000脉冲，在某一电压、电流、相位下，标准表每3.5秒就测到1千瓦时，即发出了5000个功率脉冲。而被测表在同一时间(3.5秒内)发出了5500个功率脉冲，则误差δ为δ＝ (5500-5000)/5000 ×100%＝10%另，所述的参数分析器PARREN接收来自误差分析器DELTAGEN的误差，同时它从标准源STDPWS收到该时的电源电压、电流及相位差(即测试条件)。于是，在每完成一个δ(Um′、Im′、φ)后，PARREN通知PC改变U1、I1、φ1作下点测试。以此，最后得到一系列的δ(Um′、Im′、φ)，然后经PARGEN分析计算，得出曲线ε＝f1(Um);g＝f2(Um);θ＝f3(Im);h＝f4(Im)从而，将上述曲线送入被校表，以进行下续的步骤。
(6)被测电表自动相位及幅度补偿的过程(6.1)确定电压幅度Umr与电流幅度Imr本实施例中可采用前r个被测正弦波周期内的电压与电流幅值，作为以后r个周期内的电压与电流幅值Umr、Imr。即，假定在2r个被测正弦波周期内，被测电压与电流的幅度是固定不变的，例如，r＝3，f＝50Hz，则2r× 1/(f) ＝120ms＝0.12秒，即假定电压、电流在0.12秒内幅度不变。
上述这种假定是基本上符合电力系统中实际供电情况的。本发明采用这种方法，可以简化从补偿曲线寻求补偿系数的运算。
(6.2)按Umr、Imr寻求相位与幅度补偿系数(参见图5A-5D)。
寻求电压相位补偿系数(图5A)。
首先以由(6.1)中所得到的Umr与电压相位补偿曲线εk＝f1(Umk)的各折点处电压Um1、Um2、Um3…比较，以确定Umr在哪一段折线范围内，例如，经CPU寻找，得到Um1＜Umr＜Um2则按线性比例关系，可得到与Umr对应的电压相位补偿系数为ε(Umr) = εml+ ( (εm2- εm1)/(Um2- Um1) ) (Umr- Um1)式中，εm1、εm2分别为折点电压Um1、Um2对应的相位补偿系数;
Um1、Um2分别为第一个与第二个折点电压。
寻求电压幅度补偿系数(图5B)。
若经CPU，将Um与电压幅度补偿曲线gj＝f2(Umj)各折点的电压Um1、Um2、Um3…作比较，以确定Umr在哪一段折线范围内，例如，经CPU寻求，得Um1＜Umr＜Um2则按线性比例，可得与Um对应的电压幅度补偿系数g(Umr) = gm1+ ( (gm2- gm1)/(Um2- Um1) ) (Umr- Um1)式中，gm1、gm2g(Umr)分别为与Um1、Um2、Um3对应的电压幅度补偿系数。
应用类似于上述的寻找方法，可以分别得到电流相位和幅度补偿系数θ(Imr)和h(Imr)，它们分别为θ(Imr) = θm1+ ( (θm2- θm1)/(Im2- Im1) ) (Imr- Im1)h(Imr) = hm2+ ( (hm3- hm2)/(Im3- Im2) )(Imr- Im2)(6.3)对电压及电流进行相位及幅度补偿在被测电表的单片机取得了一个新的电压取样及一个新的电流取样以后，并已在按上述(6.2)所述取得了当前的各个相位、幅度补偿系数ε、g、θ、h，就启动电表内的自动相位和幅度补偿程序，依次对新取得的电压及电流取样值UY(n△t)，IX(n△t)进行相位与幅度补偿运算，其运算如下
电压相位补偿(时轴线性插入法)U′Y(n△t) = UY(n△t) +(UY((n△t) - UY[(n - 1)△t])× (ε(Umr))/(△t)电压幅度补偿U″Y(n△t)＝U′Y(n△t)[1+g(Umr)]式中，UY(n△t)、UY[(n-1)△t]分别表示未经补偿的当前(第n个)，上一次(第n-1个)的电压取样值;
U′Y(n△t)、U″Y(n△t)分别表示经相位补偿后和经相位与幅度补偿后的第n个电压取样值;
ε(Umr)、g(Umr)分别表示当前所用的电压相位与幅度补偿系数，Umr表示在n△t瞬间以前的r个正弦波周期内的被测电压幅值;
△t表示取样时间间隔。
电流相位补偿I′X(n△t) = IX(n△t) + (IX(n△t) - IX[(n - 1)△t])× (θ(Umr))/(△t)电流幅度补偿I″X(n△t)＝I′X(n△t)[1+h(Umr)]式中，IX(n△t)、IX[(n-1)△t]分别表示未经补偿的当前(第n个)及上一个电流取样值;
I′X(n△t)、I″X(n△t)分别表示经相位补偿及相位和幅度补偿后第n个电流取样值;
θ(Imr)、h(Imr)分别表示电流相位、幅度补偿系数;
Imr表示前r个正弦周波内的电流幅值;
△t取样时间间隔。
(6.4)有功电度的计算这里所述的有功电度是指，对经过相位与幅度补偿的第n个电流取样值与经过相位与幅度补偿的第n个电压取样值相乘，得到取样瞬时的负载功率，再乘以取样时间间隔，即为该取样间隔△t内的负载电能，再将它从t＝0至t＝N△t时间内累加，所得到的累加值，即称为从t＝0至t＝N△t时程内的有功电度Wp(N△t)(即本发明方法第6步骤所述)。
Wp(NΔt)=KWΣa=0N-1I′′x(nΔt)U′′Y(nΔt)·Δt]]>式中，I″X(n△t)表示已经相位与幅度补偿过的第n个电流取样值;
U″Y(n△t)表示已经相位与幅度补偿过的第n个电压取样值;
WP(N△t)表示从t＝0至t＝N△t为止的累计有功电度;
KW常数，计量装置读数比例变换系数。
下面将对采用本发明的上述自动相位和幅度补偿方法的电度计量装置，结合附图1作出详细的说明。
参见图1，其中标志线Y-Y′的左面箭头YL所示部分表示交流供电线路及用户负载。大线(L)与中线(N)把发电/变电设备产生的电力输至用户，供电电压为Us(t)，用户的负载为L1和L2(如，电阻、电感或电容负载)，由负载L1和L2决定了用户的电流is(t)的大小及相位(相对于供电电压，电力系统的供电电压是正弦交流，频率通常为50Hz或60Hz。用户负载电流的波形是根据负载的性质而定，可以是正弦的，也可以是非正弦的。
使用本发明数字自动相位和幅度补偿方法的电度计量装置，它是由图1中标志线Y-Y′的右面箭头YR所示的部分表示。
该装置主要由电流信号通道、电压信号通道、多路转换开关、模数转换器、单片微机、非易失性储存器、异步串口、计数系统、功率脉冲输出接口以及总线和直流电源等部分组成。
下面将对使用本发明补偿方法的电度计量装置的各主要组成部分结合附图所示作出进一步的说明。
参见图1，其中，所述的电流信号通道，它是由电流传感器(CT)1、电流信号放大器(Ax)3、用于电流通道的取样保持器(S/HX)5等组成。其中，电流传感器(CT)1，其主要作用是提供一次测电流回路与二次测的电隔离，并将一次测电流降低到二次测(即测量和补偿系统测)的水平，通常一次测为几安培到几十安培，二次测为毫安级。所述的(CT)可以有多种不同类型，如电磁式电流互感器，霍耳效应电流传感器等。
所述的电流信号放大器(Ax)3，它是电流通道的放大器，起到阻抗匹配和信号放大的作用。
所述的电流通道取样/保持器(S/HX)5，其作用是，对连续变化的电流信号进行瞬时取样，并保持一段时间，以便让模数转换器有足够的时间进行模-数转换。在本发明所述的系统中，电流通道和电压通道对连续变化的电流和电压是采取同时取样的。在其它的实施方式中，二个通道的取样也可以采取非同时取样的方式。
所述的电压信号通道，它是由电压传感器(VT)2、电压信号放大器(Ay)4，用于电压通道的取样/保持器(S/HY)6组成。其中，电压传感器(VT)2，其作用是作一次测电压与二次测的电隔离，并将一次测电压降低到二次测的水平，通常采用的是电磁式的电压互感器或电容及电阻分压器。
所述的电压信号放大器(Ay)4，它是电压通道的放大器，起到阻抗匹配及信号放大的作用。
所述的电压通道取样/保持器(S/HY)6，其作用是，对连续变化的电压信号进行瞬时取样，并保持一段时间，让模数转换器具有足够的时间进行模数转换。在本发明系统中，上述二个通道是同时取样的。此外，也可以采用二通道非同时取样的方式。
所述的多路转换开关(MUX)7，它的作用是，把电流取样保持电路(S/HX)5的输出信号，以及电压取样保持电路(S/HY)6的输出信号轮流地(非同时)送至模数转换器(A/D)8。
所述的模数转换器(A/D)8，它的作用是，把由取样保持器(S/HX)5和(S/HY)6输出的信号转换成二进制的电流与电压信号，即IX(n△t)和UY(n△t)，并把它们存储在模数转换器内的缓冲区存储器(ABUF)(图未示)内。
所述的非易失性储存器EEPROM，存有用来自动补偿相位误差和幅度误差的补偿参数。
所述的单片机(MCU)10，它是本发明电度计量装置的控制中心。单片机内具有中央处理单元(CPU)11，只读存储器(ROM)12，随机读写存储器(RAM)13，平行输入/输出接口(I/D)14，异步串行通讯口(SCI)15，及同步串行接口(SPI)16，此外，还包含另一些部分，例如，单片机的指令计数器(PC)(图未示)，定时器(Timer)(图未示)，指令译码器，看门狗电路(Watchdog)(图未示)等。单片机内的ROM用于存放程序指令，整个单片机的各个部分均遵照一条条程序指令进行各项数据运算及数据输入输出工作。单片机MCU的I/O接口有一条输出线CONVT与模数转换器A/D的控制单元ADCTRL及模数转换器相连。在CONVT的上升沿，ADCTRL发出SHC，使二路取样/保持电路同时取样，随后即进入“保持”状态。此时CONVT可从高电平通道转入低电平(下降沿)时，此时ADCTRL先使电流通道上的开关SWX合上，并启动模数转换器，把该取样点的电流信号转为二进制的电流信号，暂存在A/D内部的缓冲存储器中。然后，ADCTRL先把开关SWX打开，再合上电压通道的开关SWY，并再次启动A/D，使该时的电压取样转为二进制的电压信号，也暂存在A/D的缓冲存储器中。至此，A/D向单片机MCV发出一个INT信号，表示二个通道均已完成模数转换。于是，单片机的一条I/O输出线RD向A/D发出“读出”指令(RD下降沿)，此时在A/D缓冲存储器中的IX(n△t)通过平行接口送至单片机MCU的RAM内。在RD恢复高电平(上升)，然后RD再下降为低电平，这是告诉模数转换器A/D读出其缓冲存储器中第二个数，即把UY(n△t)经I/D接口送到单片机MCU的RAM中。这样MCU就取得了一个取样时刻的电压与电流值(为二进制数字化的)，此时在ROM中的自动补偿程序就开始对IX(n△t)与UY(n△t)进行相位及幅度的补偿，然后再由数字乘法及积分程序，对补偿后的电压与电流，即U″Y(n△t)和I″X(n△t)进行相乘及积分运算(电度计量)。
上述电度计量的结果数据可以由图1中所示的计数器(CNT)17的读数显示。例如，计数器最低位每格为0.1瓦时，则每当MCU内积累了0.1瓦时，MCU就通过计数器驱动器(CNTDRV)18使计数器步进一格(最低位)，功率脉冲输出口J1以输出功率脉冲串的方式来显示电度表的计量结果。例如该系统的功率，脉冲为5000iP/KW-hr，即每千瓦/小时发出5000个脉冲，则每当0.2瓦时就从J1给出一个脉冲。此功率脉冲可与标准电能计量装置的比较输入口相连，以测量电表的误差。异步串行接口SCI用于与校表系统的串口通讯。
单片机MCU外接的石英晶体(XTAL)19，使MCU内部的时钟振荡电路产生稳定频率的时钟脉冲，直流电源(PWS)20把交流电网的电压降压、整流滤波及稳压后，输出+/-5V及+/-12V稳压的直流电，对电表的各部分供电。
实施例本发明采用自动相位和幅度补偿的电能计量装置，例如电度表，其中所使用的部件其型号如下，其中，电流传感器CT为霍耳效应传感器，电压传感器VC为电磁式电压传感器，放大器Ax的型号为Ax-OP-07，Ay-OP-07，取样保持器是采用12bit的AD7874型(包括图1的S/HX，S/HY，MOX，A/D在一个集成电路中)，单片机MCU为Motorola-He05C8单片机，非易失性储存器EEPROM为93C66型。其余的部件均采用一般的商品化元件。最终的电度表计量精度误差为0.5%以下。计数器为6位机械式计数器，也可用液晶数字显示器，配相应的驱动电路。
权利要求
1.一种用于电度计量装置的数字自动相位和幅度补偿方法，其特征是该方法包括下述步骤(1)确定相位和幅度补偿曲线的结构及补偿系数的定义；(2)实测被校电度计量装置的相位和幅度补偿曲线；(3)将测得到相位和幅度补偿曲线的参数经过计量装置的通讯接口写入该装置内的非易失性存储器中，并进行保存。(4)按照其运行过程中每段时刻内所测得负载电流和电压的幅值，从它的相位和幅度补偿曲线找出相应的相位和幅度补偿系数；(5)以上述第4步所得的相位和幅度补偿系数，按照上述第1步对各系数的定义，对当前的电压与电流取样值，按照先相位，后幅度的次序对相位和幅度进行补偿。(6)将经过上述第5步校正后的电压和电流取样值相乘，得到该取样瞬时的负载功率，再将它乘以取样时间间隔，得到该取样间隔内的负载电能，最后将它加入电度累加存储器中，之后，每隔一个取样时间间隔，得到下一个电压与电流取样值，再重复进行上述第4、5和6步，以此实现电度计量的自动相位和幅度补偿。
2.如权利要求1所述的补偿方法，其特征是，所述的第2步中可以采用累试法，寻找出被校的电度计量装置的相位、幅度补偿曲线。
3.一种使用数字自动相位和幅度补偿方法的电度计量装置，其特征是，该装置由电流信号通道、电压信号通道、多路转换开关、模拟转换器、单片微机、非易失性储存器、计数系统总线、功率脉冲输出口以及直流电源各部分组成，其中所述的电流信号通道包括电流传感器、电压信号放大器和取样保持器;所述的多路转换开关是把取样保持后的电流和电压通道的输出信号相继送到模数转换器;所述的模数转换器是把电流通道和电压通道经多路转换开关输出的信号转换成二进制的电流IX(n△t)和电压UY(n△t)，经A/D与单片机间的通讯口送人单片机，该单片微机用ROM中的自动补偿程序及上述方法步骤(4)所得的补偿系数对IX(n△t)与UY(n△t)进行相位及幅度补偿，然后由数字乘法及积分程序，对补偿后的电流与电压I″X(n△t)与U″Y(n△t)进行相乘及积分运算;所述的非易失性储存器，存有用来自动补偿相位误差和幅度误差的补偿参数;所述的计数系统包括计数器和计数器驱动器，用于驱动计数器，由计数器对电度计量的结果数据进行显示;所述的总线供CPU与ROM、RAM互相交换数据及地址;所述的功率脉冲输出口用于输出功率脉冲，供校表等用;所述的直流电源用于把交流电网的电压降压、整流滤波及稳压后，输出+/-5V及+/-12V稳压的直流电，对装置的各部分供电。
全文摘要
本发明涉及用于电度计量装置的数字自动相位和幅度补偿方法以及使用该方法的装置。该方法包括确定相、幅补偿曲线和定义补偿系数，实测相、幅补偿曲线，并储存和找出补偿系数，再经过单片机处理和运算，由计数器显示电度值，及由功率脉冲口输出功率脉冲。所述装置是包括电流电压信号通道、多路转换开关、取样保持器、模拟转换器、单片微机、非易失性储存器、计数系统及功率脉冲输出口等。采用本发明方法能对以低成本、低精度元器件组成的电度计量装置进行有效地自动相、幅补偿，显著提高测量精度和降低装置成本。
文档编号G01R22/00GK1106539SQ9410098
公开日1995年8月9日 申请日期1994年2月5日 优先权日1994年2月5日
发明者裴立凡 申请人:裴立凡