专利名称：自动时延和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：
本发明涉及以自动时延和幅度补偿来纠正交流电度计量装置的相位误差和幅度误差的方法和采用该方法的电度计量装置，特别是涉及用于数字式全电子电度计量装置的自动相位和幅度误差补偿方法及采用该方法的数字式。全电子电度计量装置。
本发明涉及的技术领域;
全电子式电度表;
智能电度表的电度测量系统;
数字化自动相位和幅度补偿技术及其在电能计量系统中的应用。
现有技术现有的全电子式电度表，包括微机化的智能电度表，绝大多数仍采用模拟电子线路构成的电度测量系统。例如国际上电子电度表主要制造商之一，法国的Schlumberger Industries生产的各种全电子电度表，包括带微处理器的多功能电度表，迄今均仍采用模拟乘法电路，低通滤波器及压-频转换器构成的电度测量系统。并末将表内微机的数字运算能力用于电度测量。
上述以模拟乘法电路及压频转换电路构成的电度测量系统有以下缺点为保证精度，要用激光微调等工艺对电度运算电路的补偿网络仔细的调较，工艺复杂，设备投资大;
由于上述电度运算电路不能解决电流、电压互感器的误差补偿，必须采用高精度的电压、电流传感器，使电表成本增大;
在电度表出厂以后不能够对电度计量系统的精度进行重新调校。
最近，已有完全以微处理机实现全数字化电度计量系统的电度表，如中国实用新型专利ZL92209607.4‘电匙式智能电度表’的电度计量系统(见本发明人申请并已授权)。这种全数字化的电度计量系统不仅充分利用了智能化电度表中微处理器的数字运算能力来取代，模拟乘法器和压频转换器的电度运算功能，而且还可以对电度表的信号传感部份，包括电流互感器及电压互感器的相位及幅度误差进行数字化的自动补偿(详见，本发明人提出的中国发明专利申请94100987.4‘自动相位幅度补偿方法及使用该方法的电度计量装置’)。在本发明申请中提出一种新的自动补偿电度表相位误差的方法，即自动时延补偿方法，详细说明了实现该种自动时延补偿方法的三种可能的硬件配置和工作模式，以及测量时延和幅度补偿曲线的方法，本发明申请还包括采用自动时延和幅度补偿方法的电度计量装置和实施例。
与前述发明专利申请94100987.4所提出的自动相位补偿法相比，本发明的自动时延补偿法有以下特点(1)可利用单片微机中定时器(Timer)功能，通过对取样电路的取样时刻的调节来自动补偿相位误差，因此在相位补偿的运算控制方面比前述专利申请94100987.4的自动相位补偿法更简单，可节省微机的运算时间;
(2)特别适用于采用分时取样的多通道模数转换器的数字化电度表。
本发明专利申请的自动时差补偿与前专利申请94100987.4的自动相位补偿方法均可以根据实际的硬件配置和补偿特性的需要，单独使用或混合使用。
本发明之目的及效果在于1.提出一种适合于数字化电度计量系统的自动相位和幅度补偿方法，以提高该电度计量系统的精度;
2.利用智能电度表内的单片微机对相位和幅度误差进行数字化的补偿，以免去复杂昂贵的模拟式补偿网络及免用激光微调等昂贵的工艺;
3.通过数字化的相位和幅度补偿，免去电度计量装置内的可调节元件，如电位器等从而消除由这类可调元件造成的变差;
4.通过数字化的相位和幅度补偿，在电度计量装置的生产调校和运行复校时可很方便的实现全计算机化的高速电子调校，节省校表时间。
本发明的方法可用于单相及三相全电子数字式有功及无功电度表，也可用于发电厂和变电所的功率、电度变送器、功率因数表、最大需量表、负荷记录仪及负荷控制器等装置。
采用本发明的自动时延和幅度补偿方法效果显著，以一采用低精度的电流互感器及电压互感器的电度表为例，该电度表在未采用本发明的自动时延和相位补偿时，按IEC1036标准测得的最大电度误差达到±10%。在加上了本发明的自动时延和幅度补偿后，最大误差减至±0.5%以内。
下面将结合附图对本发明所述的方法和使用该方法的装置作出进一步的描述。
各个附图的图面说明如下
图1A表示本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’所适用的数字式全电子电度计量的基本硬件框图。
图1B表示本发明的自动时延补偿方法工作模式1所需要的取样保持和模数转换单元106的硬件配置。
图1C表示本发明的自动时延补偿方法工作模式2和工作模式3所需要的取样保持和模数转换单元106的硬件配置。
图1D表示本发明的自动时延补偿方法的工作模式3的取样保持电路的输出信号波形。
图2表示一采用本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’的电度计量装置的硬件框图。
图3表示电流及电压信号经过电流及电压通道时出现的时延差。
图4A表示一未采用自动时延补偿的电度计量装置的电度相位误差与供电电压的关系曲线。
图4B表示采用了自动时延补偿的同一电度计量装置的电度相位误差的变化范围。
图5A表示电压时延补偿曲线图5B表示电流时延补偿曲线图5C表示电压幅度补偿曲线图5D表示电流幅度补偿曲线图6A表示根据实测工作电压幅值Uymr从电压时延补偿曲线求取该工作电压下的电压时延补偿值图6B表示根据实测工作电流幅值Ixmr从电流时延补偿曲线求取该工作电流下的电流时延补偿值图6C表示根据实测工作电压幅值Uymr从电压幅度补偿曲线求取该工作电压下的电压幅度补偿系数图6D表示根据实测工作电流幅值Ixmr从电流幅度补偿曲线求取该工作电流下的电流幅度补偿系数图7表示用于测量时延补偿曲线和幅度补偿曲线的手动校表系统设备框图。
图8A为一采用本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’的三相电度表实施例的电流和电压通道原理线路图。
图8B为一采用本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’的三相电度表实施例的取样保持模数转换电路，单片微机及其他附属电路的原理线路图。
本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’包括以下主要内容及步骤(1)自动时延补偿本发明以对全电子数字化电度计量装置TWHRM100的电流、电压信号通道104，105的输出信号iX(t)、uY(t)进行取样的时间差来自动补偿该装置100的电流、电压信号通道104，105所造成的电流、电压信号时延差。用此方法来消除因电流、电压信号经过电流、电压信号通道104，105时的时延差所造成的电度计量误差。
(2)自动幅度补偿本发明以数字化幅度补偿运算来自动补偿所述电度计量装置100的电流、电压信号，经过电流、电压信号通道104，105时的幅度失真。用此方法来消除因电流、电压信号幅度失真所造成的电度计量误差。
(3)测量时延补偿曲线上述步骤(1)中对电流、电压通道104，105的输出信号iX(t)、uY(t)进行取样的时间差tcomp和所测电压、电流幅值Uym，Ixm的关系曲线，称为时延补偿曲线。
(4)测量幅度补偿曲线测取由上述步骤(2)中所述的用于数字化幅度补偿运算的电压幅度补偿系数g及电流幅度补偿系数h各自与所测电压、电流幅值Uym，Ixm的关系曲线，即幅度补偿曲线。
(5)储存时延及幅度补偿曲线上述步骤(3)(4)所测得的时延及幅度补偿曲线要储存在该被校准的电度计量装置100的非易失性储存器108内。
(6)按工作电压、电流找工作点的补偿系数。在该储有其本身的时延补偿和幅度补偿曲线的电度计量装置100工作时，自动按其一段工作时期内的被测电压和电流幅值，从其补偿特性曲线上找出当时所需的取样时差tcomp值及电压、电流幅度补偿系数值，用于步骤(1)和(2)。
(7)数字化的电度运算所述电度计量装置100在工作时经过上述步骤(6)，(1)，(2)，对电流、电压的每一取样值进行时延及幅度校正，得到校正后的数字化电流、电压取样，最后以数字乘法及积分运算计算累计电度量。
上述步骤(3)、(4)、(5)是在对所述电度计量装置100进行刻度校准时进行的工作。在刻度校准时也要用到该装置的自动时延补偿，幅度补偿及电度运算功能，即上述(1)，(2)，(6)，(7)各步骤。
下面进一步详述以上各步骤。
第(1)步自动时延补偿。
首先结合图3阐明信号通道104，105的时延差所造成的电度误差。
电流通道104的输入信号is(t)＝Ismcos(ωt+ψ)电压通道105的输出信号us(t)＝Usmcosωt电流通道104的输出信号
ix(t)＝Ixmcos[ω(t-ti)+ψ]电压通道105的输出信号uy(t)＝Uymcosω(t-tu上列式中ti，tu分别为电流通道104和电压通道105对信号的时延。ti＞0表示ix(t)滞后于is(t)，ti＜0表示ix(t)引前于is(t);同样，tu＞0表示uy(t)滞后于us(t)，tu＜0表示uy(t)引前于us(t)。
电流、电压信号通道104，105输出信号ix(t)，uy(t)的相位差为Lix(t)-Luy(t)＝ψ-ω(ti-tu一般情形下电流、电压通道之时延ti，tu并不恰好相等，即(ti-tu)≠0，这样，在电流、电压信号通道104，105输出端的电流，电压信号相位差就不等于被测电流is(t)，电压us(t)的相位差ψ。ω(ti-tu)是二通道时延差所致的附加相位差，它引起的电度误差以下简称为相位误差。
本发明的‘自动时延和相位补偿方法’提出一种简单易行的方法来自动纠正电度相位误差，即以对电流信号及电压信号ix(t)，uy(t)进行取样的时刻之差，来补偿掉电流与电压信号经过相应信号通道时的时延差，以达到自动纠正电度相位误差之目的。
为此，需令对ix(t)，uy(t)的取样时间差tcomp与电流、电压信号通道的时延差((ti-tu)相等，即tcomp＝ti-tu且当tcomp＞0时，先对电压信号uy(t)取样，后对电流信号ix(t)取样，二者相隔tcomp秒，当tcomp＜0时，先对ix(t)取样，后对uy(t)取样，二者相隔|tcomp|秒。
上述‘自动时延补偿法’可有多种工作模式，各工作模式的硬件配置及工作时序有所差别。下面列举三种基本的工作模式。
工作模式1图1B展示了取样保持及模数转换单元U3 106的具体硬件配置的可能方案之一。该图中电流和电压通道的输出信号ix(t)，uy(t)分别由二个取样保持电路S/HX 114和S/HY 115进行取样保持。S/HX 114和S/HY 115的取样控制信号SHXCTRL和SHYCTRL，必须是分开的，相互独立的。
在每一取样时间间隔△t中，S/HX 114和S/HY 115分别对ix(t)，uy(t)取一次样，二者取样的时间差tcomp则由运算单元107根据时延补偿曲线及工作电压、电流决定，以实现自动时延补偿。ix(n)，uy(n)分别为第n次取样及保持后的电流、电压信号。多路转换开关MUX 110通过其二个开关SWX与SWY将ix(n)及uy(n)逐个接至模数转换器A/D 112，由A/D 112转换成数字化的信号Ix(n)，Un(t)。由于电流及电压信号共用一个模数转换器A/D 112，必须在完成一个信号的模数转换之后才开始转换另一个信号。先进行取样保持的信号先转换，后取样保持的后转换。在任何时刻，多路转换开关的二个开关SWX，SWY不可同时合上。BUF 111是多路转换开关MUX 110与模数转换器A/D 112之间的缓冲放大器，起阻抗匹配作用。
所述的工作模式由于采用了二个取样保持电路S/HX 114，S/HY 115分别对电流、电压信号取样，因此二通道的取样时差tcomp不受模数转换器转换时间的约束。
工作模式2为了节省取样保持电路，可将U3 106改成图1C所示的接线。在该图中电流和电压通道输出的电流和电压信号ix(t)，uy(t)可分别通过多路转换开关MUX 10的开关SWX和SWY接到公用的取样保持电路S/H 113，经S/H 113取样保持后为ix(n)，uy(n)，再由模数转换器112转换为数字化的ix(n)，uy(n)，由于取样保持电路和模数转换器是电流和电压信号共用的，在对一个信号取样保持以后必须等到该信号被模数转换器A/D 112转换为数字化信号之后才允许对另一信号取样。因此，自动时差补偿的最小值(tcomp)min即二个信号的取样时间差的最小值，不能小于完成一个通道的信号取样保持及模数转换过程所需的时间。在不能满足这一条件时，需在一个通道中加适当的时间延迟网络，增大二个通道的信号时延差，us便有足够的时间让先取样的信号进行模数转换。
工作模式3在采用图1C的单取样保持电路的条件下亦可以电流、电压交替取样的工作模式来解决工作模式2所述及的最小取样时差(tcomp)min受模数转换时间限止的问题。所述交替取样就是在每一取样时间间隔△t中，只取电流或只取电压，交替进行，如图1D所示，例如在偶数次取样只取电压信号uy(n)，n＝0，2，4，6，……在奇数次取样只取电流信号ix(n)，n＝1，3，5，7在正弦波电压的条件下，可从电压信号的偶数次取样值算出电压信号的奇数次取样值Uy(n)＝ (uy(n-1)+uy(n+1))/2 1/(cosωΔt)式中n＝1，3，5，……uy(n-1)，uy(n+1)分别在[(n-1)△t-tcomp]及[(n+1)△t-tcomp]时取样;由uy(n-1)及uy(n+1)推算出来的uy(n)相当于在(n△t-tcomp)时的电压取样。所有的电流取样均在(n△t)时进行，其n＝1，3，5，……由于 1/(cosω△t) 是一常数，可与下面第2步的幅度补偿系数合并计算之。
对于正弦波的电流信号，亦可用类似以上的方法，从其n为奇数的取样值算出n为偶数的取样值ix(n)＝ (ix(n-1)+ix(n+1))/2 1/(cosωΔt)
这样，虽然电流、电压各以2△t的时间间隔进行取样，仍可通过上述平均运算，得到时间间隔为△t的电流、电压取样。
第(2)步自动幅度补偿说明如下本发明的自动幅度补偿方法有以下主要技术特征＊幅度补偿，在时延补偿(即相位补偿)之后进行。
＊数字化的幅度补偿，即由运控单元107对已经时延补偿及模数转换的数字化的电流，电压取样值I′x(n)，U′y(n)进行下列幅度补偿运算I′x(n)＝Ix(n)[1+h]U′y(n)＝Uy(n)[1+g]I′xn，U′y(n)为经时延及幅度补偿后的电流、电压取样值，n为取样时序;
Ixn，Uy(n)为已经时延补偿，但尚未幅度补偿的电流，电压取样值;
以上Ixn，I′xn，Uy(n)，U′y(n)均为模数转换以后的，二进制的数字量。
h为电流幅度补偿系数，g为电压幅度补偿系数，它们的定义为电流幅度补偿系数h＝ (电流的准确值-电流的实测值)/(电流的实测值)电压补偿系数g＝ (电压的准确值-电压的实测值)/(电压的实测值)h随电流信号幅值大小而变，即有电流幅度补偿曲线h＝fh(Ixm)
g随电压信号幅度大小而变，即有电压幅度补偿曲线g＝fg(Uxm)在下面第(4)步将说明电流，电压幅度补偿曲线的实际测量方法。
第(3)步测量时延补偿值tcomp与电压，电流信号幅值Uym，Ixm的关系曲线，即时延补偿曲线。
电流通道104对电流信号的时延ti是电流信号幅度的函数，与电压信号幅度无关ti＝f1(Ixm)电压通道U2 105对电压信号的时延tu是电压信号幅度的函数，与电流信号幅度无关tu＝f2(Uym)取样时差，即时延补偿值为tcomp＝ti-tu＝f1(Ixm)-f2(Uymtcomp可以用下列二种方法之一测量之(1)直接测量电流通道及电压通道的时延曲线ti＝f1(Ixm)及tu＝f2(Uym)，再计算tcomp(2)通过对被校电度表的时延误差的校正来寻找出时延补偿曲线。
上述第(1)种测量tcomp的方法需要用高精度的相位差计(角差测量设备)来测量通道输出信号与其输入信号之相位差。
上述第(2)种测量tcomp的方法结合图7说明如下。图7是用以校正具有自动时延和幅度补偿功能的电度表的基本装置和连接图。图中TWHRM 100是被校电度表，该电度表采用本发明的自动时延和幅度补偿方法来自动纠正电度误差。
该电度表TWHRM 100经它的通讯接口与外部的电脑705进行数据通讯。校表操作人员通过该电脑705将补偿参数tcomp，h，g输入该电度表100，及读取该电表100所测得的电压和电流信号的幅值Uym，Ixm。注意，Uym，Ixm是末经幅度补偿的，已数字化的电压，电流信号幅值。SWHRM 702是标准电度表，其读数作为校表之基准数。被校电表TWHRM 100和标准电表SWHRM 702功率脉冲输出WPT和WPS送入电度误差计算器DELTAGEN 703，所算出的误关δ在该误差计算器703的数码显示器704上显示出来。被校电度表TWHRM 100与标准电度表SWHRM 702由同一电源STDPWS 701供电。该电源包括一正弦交流电压源us和一正弦交流电流源is，分别给电度表100，701的电压及电流单元供电。该电源701的输出电压、电流及功率因数角ψ均可分别通过电源的输出调节装置706手动调节，并可由该电源的输出显示器707读取输出电压、电流Us，Is(有效值)及功率因数角ψ。
校表操作人员用图7所示各项装置，以下列操作步骤测取被校电度表100的时延补偿值tcomp与电压Uym，电流Ixm的关系曲线，即时延补偿曲线。
①测标称电压、电流下的时延补偿值tcompN将电源701的输出电压和电流调至被校电表100的标称值UN，IN，以下列‘相位平衡法’在不同的tcomp下进行测试，找出在UN，IN下正确的时延补偿值tcompN首先取tcomp＝0，即在无时延补偿的情形下测试。将功率因数角调至一容性(引前)角度，例如ψc＝+30°，测记此时的误差δc%;再将功率因数角调至一感性(滞后)角度，例如ψL＝-30°，测记此时的误差δL%。以下列‘相位平衡法’从δc%，δL%的相对大小，来判断应如何修改tcomp若 δC%＞δL%;则tcomp应增大若 δC%＜δL%;则tcomp应减小若 δC%＝δL%;则tcomp正好，即为该电压、电流下正确的时延补偿值。注意，①此处tcomp的增大与减小是指其代数值的增减。②最佳tcomp的判据是δC%＝δL%，并不要求δC%，δL%为零。
在按上述判据修改tcomp值，经电脑705送入被校电表100，再从误差计算器显示屏704读出ψC＝+30°时的δC%及ψL＝-30°时的δL%，再以上述‘相位平衡法’判断tcomp是否要进一步修改，如此反复进行直至达到δC%＝δL%为止。由于本步骤是在标称电压、电流UN，IN下进行的，将所得的时延补偿值记为tcompN②在电源电流保持标称值IN不变的条件下，改变电压US，测电压时延补偿曲线tcompu＝jcu(Uym)Ig=IN例如将电源701的电流调至标称值IN，电压调至标称值的80%，即US1＝0.8UN，用上述第①步的方法找出对应于(US1，IN)的时延补偿值tcompU1，并由电脑705读取被校表100此时所测得的电压信号幅度Uym1，(tcompU1，Uym1)就是电压时延补偿曲线上的一个点。改变电源电压US，在US2，US3……以上述相同步骤测得(tcompU2，Uym2，)(tcompU3，Uym3)，……即得到折线化的电压时延补偿曲线(见图5A)tcompUj＝fcu(Uym)Ig=INj＝1，2，3，……③在电源电压保持标称值UN不变的条件下，改变电源电流IS，以与②相似的方法测出折线化的电流时延补偿曲线(见图5B)tcompIK＝fcI(Uymj)Is=INk＝1，2，3，……其中Ixmk是该被校表测得的电流信号幅值，它是末经幅度补偿的，数字化的电流值。
在任意的电源电压、电流下的时延补偿系数tcomp值可由以上所得的tcompN及电压时延补偿曲线fcu(Uym)Ig=IN，电流时延补偿曲线fcI(Uxm)us=UN，计算出来。具体计算将在下面关于本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’的第(6)步的说明中阐明。
以上手动的操作原理可以由电脑化的校表系统实现自动化校表。
第(4)步测幅度补偿曲线在测幅度补偿曲线之前，应将由第(3)步测得的时延补偿曲线输入被校电度表100内，使被校电度表100在已进行时延补偿的条件下测量幅度补偿曲线。
先测电压幅度补偿曲线还是先测电流幅度补偿曲线应视具体的通道的特性而定，原则是先测非线性较显著的通道的幅度补偿曲线。
在测电压幅度补偿曲线时，使电源电流保持标称值IN不变，将电源电压调至电压幅度补偿曲线各折点的电压值US1，US2，US3……，在每一(US1，IN)，(US2，IN)，(US3，IN)，……工作条件下，通过下列测试，找出该工作条件下的电压幅度补偿系数g通过电脑705，将电压幅度补偿系数g＝0输入被测电度表100，由误差显示屏704读出δ%，若δ%＞0，应减小g，若δ%＜0，应增大g。将修改后的g输入被校电表100后再读出误差δ%，以决定是否要进一步增大或减小g，如此反覆进行直至|1δ%f|小于该被校表的允许误差为止。注意，在以上测不同的电压幅度系数g所对应的误差的过程中，该电度表的自动幅度补偿计算程序是一直在工作的②电流幅度补偿系数为零，即 ＝0记下此工作状态下的g，并由电脑705读取被校电表100此时测得的电压信号幅值Uym，注意Uym是未经幅度补偿的。如此可测得电压幅度补偿曲线上的一个点 。
由各不同电源电压下测得的电压幅度补偿系数g及相应的Uym，就得到折线化的电压幅度补偿曲线(见图5C)
gj＝fcu(Uymj)Ig=INj＝1，2，3，……电流幅度补偿曲线是在电源电压保持标称值UN不变的条件下，在不同的电源电流下，以上述累试法测出电流幅度补偿系数h及电度表100测出的电流幅度IXM，从而得到下列折线化的电流补偿曲线(见图5D)hk＝fh(Ixmk)ug=UNK＝1，2，3，……注意，在测上述电流幅度补偿曲线时，应将标称电压UN对应的电压幅度补偿系数(g) 送入该被校电表100中，使电压幅度自动得到幅度补偿。
第(5)步储存补偿曲线在完成(3)，(4)步测试后，将所得的各补偿曲线的各折点的参数值及其对应的电流或电压幅度(Ixm或Uym)，成对的按预定地址排列输入该被校表100的非易失性存储器108中。
第(6)步找工作时的时延及幅度补偿系数tcomp，g，h。
在采用‘自动时延和幅度补偿方法’的电度表100工作时，该电表将按照当前一段时间内测得的电压及电流幅值Uym，Ixm从储存在该电表内的时延及相位补偿曲线计算出时延及幅度补偿系数。设Uymr，Ixmr为当前一段时间内的电压和电流幅值。电压时延补偿系数的计算可结合图6A当Uym2＜Uymr＜Uym3tcompUr＝tCU2+ (tcu3-tcu2)/(Uym3-Uym2) ·(Uymr-Uym2)
电流时延补偿系数的计算见图6B当Ixm3＜Ixmr＜Ixm4tcompIr＝tCI3+ (tc14-tc13)/(Ixm4-Ixm3) ·(Ixmr-Ixm3)在(Uymr，Ixmr)条件下的时延补偿系数tcompr＝tcompUr+tcompIr-tcompN其中tcompN是在第(3)步中测得的，电源电压、电流分别为标称电压，标称电流时的时延补偿值。
电压幅度补偿系数的计算结合图6C说明如下若Uym2＜Uymr＜Uym3则gr＝g2+ (g3-g2)/(Uym3-Uym2) ·(Uymr-Uym2)电流幅度补偿系数的计算结合图6D说明如下若Ixm2＜Ixmr＜Ixm3hr＝h2+ (h3-h2)/(Ixm3-Ixm2) ·(Ixmr-Ixm2)最后，第(7)步，电度运算采用‘自动时延和幅度补偿方法’的电度计量装置100工作时，在每一取样时间间隔△t内，按下列顺序计算该段时间△t内的电度△w，并将和以前累计的电度相加先执行步骤(6)找出当前的补偿参数tcompr，gr和hr然后将tcompr用于步骤(1)进行时延补偿，将gr和hr用于步骤(2)进行幅度补偿，最后在本步骤(7)进行下列电度运算Wp(N)＝ I′x(n)·U′y(n)·△t
其中I′x(n)，U′y(n)是已经经过时延补偿和幅度补偿的，电流和电压的第n次取样值。
Wp(N)是从t＝0到t＝N△t这段时间内累计的有功电度量。
若信号通道有直流零位失调，可从电流或电压取样I′x(n)或U′y(n)中，减去其平均值后再进行上述电度运算。
本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’是一种适用于全电子、数字化电度计量装置的自动纠正电度计量误差的方法。
所述的全电子、数字化电度计量装置具有图1所示的各基本组成单元及相互联接，并以全数字化的功率、电度运算及自动补偿实现高精度电度计量。
图1A中的用户负载LOAD 103由供电线路101，102供电。us(t)，is(t)为负载端的电压，电流。图1A的TWHRM 100是一全电子数字化电度计量装置，它通过其接线端子接入争载电流is(t)(串联)和负载电压us(t)(并联)，以测量该负载耗用的电度量。该全电子数字化电度计量装置TWHRM 100内有以下各基本组成单元U1 104 电流信号通道;
U2 105 电压信号通道;
U3 106 取样一保持及模数转换单元;
U4 107 运控单元;
U5 108 非易失性数据储存器;
U6 109 辅助单元。
电压、电流信号通道U2 105，U1 104主要由互感器及线性放大器构成，它们提供强电与弱电网络之间的安全隔离及将强电信号转换为弱电信号。电流通道U1 104的输入信号为负载电流is(t);电压通道U2 105的输入信号为负载电压us(t)，输出信号为uy(t)。
取样-保持及模数转换单元U3 106由取样-保持电路，多路转换开关及模数转换器等组成。其内部的典型电路框图见图2之106。取样转换单元U3 106将电流、电压通道输出信号ix(t)，uy(t)转换成离散取样的、数字化的(二进制的)信号Ix(n△t)，Uy(n△t)，n＝1，2，3，……△t为取样时间间隔。
非易失性数据储存器U5 108用于储存自动补偿所需的补偿曲线及用电记录等需长期保存在该装置内的数据。
辅助单元U6 109通常包括显示累计电度的数字显示器，功率脉冲输出接口，通讯接口等，详见图2之109及装置之说明。
运控单元U4 107是整个电子、数字化电度表的运算和控制部分，在实现电度计量方面它对来自模数转换器原数字化的电流、电压信号Ix(n△t)，Uy(n△t)进行数字式的自动补偿及功率和电度运算，此外，运控单元107还对取样一保持及模数转换单元和辅助单元内各个环节进行控制及数据交换。
在以下的说明中电度计量装置的电度误差为δ%＝ (该电度计量装置测量值-实际耗用的电度量)/(实际耗用的电度量) ×100%以下简称δ%，为‘电度误差’或‘误差’。下面，以一实施例说明‘自动时延补偿方法’如何实施及其在减小电度相位误差方面的效果。
本实施例是在如图1A所示的数字式电子电度计量装置100上，采用图1C所示的取样保持及模数转换电路的硬件配置以自动时延补偿工作模式2的方法来纠正电度相位误差。图1C中以一个公用的取样保持电路S/H 113对电流、电压轮流取样，且必须在对一个通道的信号完成了取样和模数转换之后才可对另一通道信号进行取样和模数转换。
在该实施例的电压通道105中采用一低精度电压互感器，其角差在1°至2.5°范围。电压通道的时延tu主要由该互感器的角差所致。整个电压通道时延的最大和最小值分别发生在输入电压为1.2UN及0.8UN(UN为该电度计量装置标称电压)时Us＝0.8UN时 (tu)min＝+55.6μsUs＝1.2UN时 (tu)max＝+138.8μs电流通道采用一霍尔效应电流传感器，整个电流通道(包括电流传感器及放大电路)的时延特性在工作电流范围内保持常数，为ti＝-8μs
模数转换及取样保持电路的主要时间参数为取样时间tacq＝2μs模数转换时间tconv＝30μs数据读出及MUX切换时间tRW＝5μs以上对一个通道进行取样一转换一读数的全过程共需37μs。
由于(|tcomp|)min＝|ti-tumin|＝|-8-55.6|μs＝|-63.6|μs＜37μs因此可在无须另加时延网络的情况下采用工作模式2进行自动时延补偿。
以下的对比，可显示自动时延方法所产生的效果若不采取自动时延补偿，而以固定的50μs时差对电流、电压信号取样，先电流，后电压。这样，取样后所得到的电流信号ix(n)与电压信号uy(n)的时延差为当Us＝1.2UN时(ti-tumax+50)μs＝(-8-138.8+50)μs＝-96.8μs当Us＝0.8UN时(ti-tumin+50)μs＝(-8-55.6+50)μs＝-13.6μs相当于电流信号ix(n)有一引前于电压信号uy(n)的附加相移Us＝1.2UN时△ψmax＝ (360°)/(20000μs) ×96.8μs＝1.742°Us＝0.8UN时△ψmin＝ (360°)/(20000μs) ×13.6μs＝0.245°在容性负载功率因数角ψc＝36.87°(即容性功率因数0.8)时，电度相位误差的最大值和最小值分别为(δc%)max＝ (cos(36.87°+1.742°)-0.8)/0.8 ×100%＝-2.33%(δc%)min＝ (cos(36.87°+0.245°)-0.8)/0.8 ×100%＝-0.32%在感性负载功率因数cosψL＝0.5，(ψL＝-60°)是最大与最小电度相位误差(δL%)max＝ (cos(-60°+1.742°)-0.5)/(0.5×100%)＝+5.22%(δL%)min＝ (cos(-60°+0.245°)-0.8)/(0.8×100%)＝+0.74%图4A为在Us＝0.8UN到1.2UN范围内，在以固定的取样时间差50μs先后对电流、电压取样时，该实施例的电度相移误差δPHA%与电压及负载功率因数的关系曲线。
在采用了自动时延补偿的情况下，若在工作电流、电压全部变化范围内，取样时差tcomp与通道时延差(ti-tu)二者之间的偏差能保持在±5μs内，即tcomp＝(ti-tr)±5μs则在整个电流、电压变化范围内的最大电度相位误差(发生在感性负载功率因数cosψL＝0.5时)δL%＝ (cos(-60°±0.09°)-0.5)/0.5＝±0.272%
其中±0.09°是对应于±5μs的相移。图4B是在上述自动时延补偿发挥作用时的电度相位误差δPHA%的变化范围。
本发明的“自动时延和幅度补偿方法”可用于数字式全电子电度计量系统，包括单相及三相的有功电度表和无功电度表，以及下列各种以有功及无功电度计量系统为基础的装置·单相和三相多功能电度表·变电所和发电厂的电度和功率变送器·功率因数表·最大需量表·复费率电度表·预收费电度表·负荷记录仪·负荷控制器·高精度标准电度表·自动化全电子电度表校准装置下面将结合附图对采用本发明的‘自动时延和幅度补偿方法’的电度计量装置100的基本组成部分进行描述。参见图2，该装置100的主要组成部分为(1)电流通道104，它由电流传感器CT 201，电流通道放大器AX 202及时延网络NX 203组成，起初、次级隔离及信号转换作用。
(2)电压通道105，它由电压互感器VT 204，电压通道放大器Ay 205及时延网络Ny 206组成，起初、次级隔离及信号转换作用;
以上Nx 203，Ny 206二个时延网络并非必需，视时延补偿曲线和模数转换时间的配合关系而定，见前面有关时延补偿工作模式2的说明。
(3)取样保持及模数转换单元106，它由取样保持电路S/H 113，多路转换开关MVX 110，缓冲放大器BUF 111及模数转换器A/D 112组成。亦可如图1B所示改为电流、电压分别有独立的取样保持电路S/HX 114，S/HY 115。
(4)运算控制单元107，通常该单元可采用一单片微机作为运控单元。该单片微机内，包括以下各主要部分(4.1)中央处理单元CPU 210(4.2)译码及控制单元CTRL 216(4.3)程序地址计数器PC 214(4.4)定时器TIMER 213(4.5)监视定时器WDOG 215(4.6)并行及可逐位控制的输入及输出电路I/O 219(4.7)同步串行通讯口SPI 217(4.8)异步串行通讯口SCI 218(4.9)可随机读写的储存器(内存)RAM 211(4.10)只读储存器ROM 212(4.11)总线BUS 220只读储存器ROM 212内存放各指令程序模块，包括主程序，中断服务程序，自动时延和幅度补偿程序，电度运算程序，模数转换和取样保持电路的控制程序，串行通讯程序，校表程序，补偿曲线读、写程序及数据显示程序等。单片机的控制单元CTRL 216按PC 214所载的地址从ROM中读取指令，经CTRL 216译码后控制单片机内与该指令有关的各部分工作。定时器Timer 213能定时的进行实时中断和实时脉冲输出，可用于取样保持及模数转换的定时控制。监视定时器WDOG 215用以监视单片机本身运行是否正常，在出现异常情况时进行自动复位等处理。异步串行口SCⅠ 218通过串行接口电路SCⅡ 223可与外部设备如电脑或打印机等连接，用于校测该电度表的补偿曲线，读取或修改表内RAM 211的数据等。同步串行口SPⅠ 217和该电度表100内的非易失性储存器EEPROM 108进行读、写，即在RAM 211与EEPROM 108二者之间交换数据。
(5)非易失性储存器EEPROM 108用于储存时延和幅度补偿曲线及电度记录等需要在该装置100失去电源后仍保存的数据。
(6)功率脉冲输出接口PJ 220用于输出该装置100的功率脉冲，可与校表系统相连进行校表(见图7)。
(7)数码显示器CNT 222及其驱动电路CNTDRV 221，用于显示该电度计量装置100的电度计量值。
(8)振荡晶体XTAL 224用于稳定单片机内的时钟脉冲发生器的振荡频率。
(9)直流电源PWS 225用于给该装置100内各部分电路供电。
使用本发明‘自动时延和幅度补偿方法’的电度计量装置的实施例。
图8A为一全电子数字式三相四线多功能电度表的电压通道和电流通道的原理线路图，图8B是该电度表的单片微机、模数转换器及显示和通讯接口等部分的原理线路图。
图8A中801为三相四线供电线路。802为该三相电度表的接线端子排，它包括电流接线端子TB2 861，TB3 862，TB5 864，TB6 865，TB8 868，TB9 869和电压接线端子TB1 860，TB4 863，TB7 867，TB10 870。该电度表的电压通道采用三只电压互感器VTA 803，VTB 804，VTC 805。该三只电压互感器采用普通小型变压器的矽钢片绕制，其变比为50∶1，角差特性1°～3°，比差特性允许范围为±5%，属于低精度的互感器。电流传感器用三只霍尔效应传感器，CTA 806，CTB 807和CTC 808，该电流传感器的时延为3uS，非线性失真小于1%。所述电压互感器803，804，805的输出经电阻分压网络R1 808，R2 809，R3 810，R4 811，R5 812，R6 813，降压后再经跟随器IC1 826，IC3 828，IC5 830输出三相的电压信号uAy，uBy，uCy，所述电流传感器806，807，808的输出经放大器IC2 827，IC4 829和IC6 831放大后输出三相的电流信号iAx，iBx，iCx。在所述电流传感器806，807，808和所述放大器827，829，831之间有C1 814，C2 815，C3 816，R7 817，R8 818和R9 819组成的隔直流电路。所述放大器827，829，831的放大倍数由它们的负反馈网络电阻R10 820，R11 821，R12 822，R13 823，R14 824和R15 825决定。所述电流传感器806，807，808由正、负直流电源+VAA，-VBB供电。所述跟随器826，828，830及放大器827，829，831均用一只型号为OP-07的运算放大器，它们均由各正、负直流电源+VCC，-VEE供电。所述三相电压和电流输出信号uAy，uBy，uCy，iAx，iBx，iCx均通过接插头CONNIA 832与图8B中的接插座CONNIB 838相连接。
图8B的IC7 106为一多通道12位模数转换器，型号为AD 7891-10。该模数转换器106内包括8通道多路转换开关，一个公用的取样保持电路及一个模数转换电路。该模数转换器106的取样时间tacq＝0.5μs，转换时间tconv＝10μs，取样保持电路从取样转入保持状态的时刻由转换控制信号CONVT控制，因此可由单片微机107的实时定时电路精确的控制各同一相的电流和电压取样的时间差，实现自动时延补偿。该模数转换器106共有8个输入通道。
三相电压信号uAy，uBy，uCy，分别接至该模数转换器106的ANΦ，AN2，AN4，三相电流信号iAx，iBx，iCx，分别接至该模数转换器106的AN1，AN3，AN4。该模数转换器工作时按ANΦ，AN1，AN2，AN3，AN4，AN5的次序进行取样及转换，ANΦ与AN1二者的取样时刻(即从取样转入保持的瞬间)应相差该相的时延补偿值(tcomp)A，AN2与AN3的取样时差为(tcomp)B，AN4，AN5的取样时差为(tcomp)C。该模数转换器的12位平行输出DBO-DB11线接至单片微机107的输入端口P40-P47(低8位)和P50-P53(高4位)。单片微机107还向模数转换器106输出三个控制信号RD，WR和CONVT及三位地址选择信号AΦ，A1，A2。此外，当每次转换完成时该模数转换器106的EOC线向单片微机107发出一个负脉冲，有关该模数转换器的其他特性和时序细节请参阅AD7891-10说明书。107采用一只μPD78324(日本，NEC产品)16位单片微机。该单片微机的时钟晶振频率为16兆赫，内存RAM 1K，程序储存器ROM为32K。该单片机107有多个定时中断输出线，可产生精确的实时输出脉冲，用于自动时延补偿。该单片机有一个同步串行口SPI，包括SCK，SO，SI三条线;及一个异步串口，包括RXD和TXD二条线。所述同步串口的SCK，SO，SI与该电度表内的非易失性储存器IC9 108的对应的脚位相连。另外由单片微机107的输出线P84作IC9 108的选片CS控制线。IC9 108可采用串行读写的EEPROM蕊片如93C66。IC12 835采用型号为HD 61603的8位X8段液晶显示驱动电路，驱动液晶显示屏LCD 836。异步串行口RXD，TXD通过一个RS-232电平转换电路IC11 223连至RS-232接插座CONN2 870。IC11 223采用型号为MAX 232的集成电路。手动按钮BT1 837，BT2 838用于选择液晶显示的显示内容。除液晶显示外，该电度表还有二个机械计数器COUNTER1 850，counter 852，它们分别由单片微机107的P83，P82输出线经过驱动电路DRV1 849，DRV2 851驱动。功率脉冲从单片机107的P81线输出，接到功率脉冲插座PJ 220。去耦电容C4 839，C5 840，C6 841，C7 842，晶振电容C8 844，C9 843及晶体XTAL1 224，XTAL2 871的作用在此不再详述。IC10及XTAL2 871构成的振荡器向模数转换器106提供6兆赫的时钟脉冲，IC10 834用一只74HCO4。
该三相电度表采用‘自动延时延和幅度补偿方法’使精度达到IEC-1036的0.5级电度表标准。该电度表具有多种电度计量和记录功能，包括三相有功电度，三相无功电度，最大需量，功率因数的计量及分时记录等功能。
权利要求
1.一种用于电度计量装置的自动时延和幅度补偿方法，其特征在于，该方法包括下述步骤(1)自动时延补偿，用于对所述电度计量装置100的电流、电压信号通道104、105的输出信号ix(t)、uy(t)进行取样的时间差来自动补偿该装置的电流、电压信号时延差，以消除该时延差所造成的电度计量误差；(2)自动幅度补偿，用于自动补偿所述电度计量装置100的电流、电压信号经过电流，电压信号通道104、105时的幅度失真，以消除因电流、电压信号幅度失真所造成的电度计量误差；(3)测量时延补偿曲线，测取由步骤(1)中对电流、电压信号通道104、105的输出信号ix(t)、uy(t)进行取样的时间差tcomp和所测电压、电流幅值Uym、Ixm的关系曲线，即时延补偿曲线；(4)测量幅度补偿曲线，测取由步骤(2)中用于幅度补偿运算的电压幅度补偿系数g及电流幅度补偿系数h各自与所测电压、电流幅度Uym、Ixm的关系曲线，即幅度补偿曲线；(5)储存时延及幅度补偿曲线，将上述步骤(3)、(4)所测得的时延及幅度补偿曲线储存在该补校准的电度计量装置100的非易失性储存器108内；(6)根据工作电压、电流找出工作点的补偿系数，在该储有其本身的时延补偿和幅度补偿曲线的电度计量装置100工作时，自动按其一段工作时期内的被测电压和电流幅值，从其补偿特性曲线上找出当时所需的取样时差tcomp值及电压，电流幅度补偿系数值，用于上述步骤(1)和(2)；(7)数字化的电度运算，所述电度计量装置100在工作时经过上述步骤(6)，(1)，(2)，对电流、电压的每一取样值进行时延及幅度校正，得到校正后的数字化电流、电压取样，最后以数字乘法及积分运算计算累计电度量。
2.按权利要求1所述的自动时延和幅度被偿方法，其特征在于，所述的第(6)步中，以电流信号及电压信号ix(t)、uy(t)进行取样的时刻之差来补偿掉电流与电压信号经过相应信号通道时的时延差，以达到自动纠正电度相位误差，为此，需令对ix(t)、uy(t)的取样时间差tcomp与电流、电压信号通道的时延差(ti-tu)相等，即tcomp＝ti-tu，当tcomp＞0时，先对电压信号uy(t)取样，后对电流信号ix(t)取样，二者相隔tcomp秒;当tcomp＜0时，先对ix(t)取样，后对y(t)取样，二者相隔|tcomp|秒。
3.一种采用自动时延和幅度补偿方法的电度计量装置，其特征在于，该计量装置100包括(1)电流通道104，它由电流传感器CT 201，电流通道放大器AX 202及时延网络Nx206组成，(2)电压通道105，它由电压互感器VT204，电压通道放大器Ay205及时延网络Ny206组成;(3)取样保持及模数转换单元106，它由取样保持电路S/H 113，多路转换开关MUX 110，缓冲放大器BUF 111及模数转换器A/D 112组成;(4)运算控制单元107，采用一个单片微机作为运控单元，(5)非易失性储存器EEPROM 108，用于储存时延和幅度补偿曲线及电度记录等需要在该装置100失去电源后仍保存的数据，(6)功率脉冲输出接口PJ 220，用于输出该装置100的功率脉冲，可与校表系统相连进行校表，(7)数码显示器CNT 222及驱动电路CNTDRV 221，用于显示该装置100的电度计量值，(8)振荡晶体XTAL 224，用于稳定单片机内的时钟脉冲发生器的振荡频率，(9)直流电源PWS 225，用于给该装置100内各部分电路供电。
4.按权利要求3的电度计量装置，其特征在于，所述的取样保持是电流、电压分别有独立的取样保持电路S/HX 114，S/Hy 115。
5.按权利要求3的电度计量装置，其特征在于，所述的运控单元的组成部分是中央处理单元CPU 210，译码及控制单元CTRL 216，程序地址计数器PC 214，定时器TIMER 213，监视定时器WDOG 215，并行及可逐位控制的输入及输出电路I/O 219，同步串行通讯口217，异步串行通讯口218，可随机读写的储存器(内存)RAM 211，只读储存器ROM 212，总线BUS 220。
全文摘要
本发明涉及用于电度计量装置的自动时延和幅度补偿方法及装置，该方法包括自动时延和幅度补偿，测量和储存时延和幅度补偿曲线，寻取工作点的补偿系数及数字化电度运算等步骤。该装置包括电流、电压通道，取样保持和模数转换单元，运控单元，非易失性储存器，功率脉冲输出接口，数码显示器、振荡晶体和直流电流，该发明优点是自动相位补偿更为简单，微机运算时间短，可采用低精度，价廉的电流和电压互感器经自动补偿后取得高精度的计量装置。
文档编号G01R22/00GK1108390SQ9410154
公开日1995年9月13日 申请日期1994年3月7日 优先权日1994年3月7日
发明者裴立凡 申请人:裴立凡