CN1034772C - 数字电子电度表中解决电度运算精度和速度矛盾的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于解决数字电子电度表中电度运算精度和速度矛盾的取样和运算方法，该方法包括异步取样法，‘功率-电度基数转换法’以及运算无功电度的‘正、负功率法’，以异步取样来缩小一个取样循环内取样相角步距，和将每一个取样步距内电能增量计算中的二次乘法运算简化为加法运算，以及利用计算有功电度过程中的瞬时功率值来推算出无功电度。本方法也可用于高精度的相位或相位差计，功率因数表等计量装置中。

Description

数字电子电度表中解决电度运算精度和速度矛盾的方法

本发明涉及数字式电子电度计量装置，尤其是涉及数字式电子电度表中的解决电度运算精度和运算速度之间矛盾的取样和运算方法。

现有的各种微机化(智能化)电度表及电子式(固态)电度表中，其电度计量***均采用下述二类之一：

(1)机械旋盘式电度表加光一电等检测器，将与电度量成比例的旋盘转数变为脉冲数，再由微机或计数器累计该脉冲数，以实现电能计量。

(2)用不同类型的模拟式乘法器和压频转换器将电压、电流信号转换成功率脉冲串，再由微机或计数器累计功率脉冲数，以实现电能计量。

最近已出现的数字化全电子电度计量装置，如本发明人的中国实用新型专利“电匙式智能电度表”。(ZL92209607.4，已授权)中，其计量***是由电度表内的微机将取样及模数转换后的数字化电流与电压信号进行数字化的功率及电度运算来实现电能计量。其优点在于，不仅省去了现有技术中的机械电度表或模拟乘法器及压频转换器，充分发挥智能电表内微机的潜力，使其能兼任电度运算功能，因而降低成本，而且还能以微机软件来实现自动相位补偿和幅度补偿。因此，可在采用低精度的硬件条件下做出高精度的电度表。此外，还可以实现电子快速自动较表。

有关如何进行自动相位和幅度误差的补偿，以及如何实现电子自动校表的技术内容，已在本发明人提出的中国专利申请，CN94100987.4及CN94101541.6中作出详细的描述。

本发明的目的在于，提出三项方法以解决现有技术中数字式全电子电度表的电度运算精度与硬件工作速度之二者之间的矛盾。

具有自动相位及幅度补偿的数字式电子电度表的有功与无功电度运算包含以下四个基本运算步骤：

(1)计算工作电压和工作电流下的相位补偿系数和幅度补偿系数。

(2)对电流及电压取样并进行相位补偿。

(3)将电流电压取样(已相位补偿)相乘并乘以幅度补偿系数，得相、幅补偿后的取样瞬间功率： $P\left(n\right)=\frac{(1+\mathrm{gr})(1+\mathrm{hr})}{(1+\mathrm{gN})}.\mathrm{dx}\left(n\right).d^{\′}y\left(n\right)$

P(n)---第n个取样瞬时的功率，单位为LSB²

dx(n)--第n个电流取样值，单为为为LSB

dy′(n)--第n个电压取样值，已作了相位补偿，单位为LSB

gr--与工作电压相关的幅度补偿系数

hr--与工作电流相关的幅度补偿系数

gN--标称电压及标称电流下的幅度补偿系数

上述‘LSB’为数字化的电流与电压信号的单位，即二进制数的最低位(Least Significant Bit)为1个单位。

(4)电能计算

将每一取样的瞬时功率P(n)乘以该电表比例常数Kwp及取样时间步距Δt得时间Δt内的电能量，再将该电能量与以前累计的电能累加起来，得到迄今为止(到第N个取样)的累计电度量W(N)：

Kwp的单位为：千伏安-小时/LSB²秒

LSB是数字化电流，电压的单位。

以上基本电能运算式是下列积分运算的近似计算式：

为了提高电度运算精度，就应尽量减小取样时间间隔Δt，但Δt受模数转换器的转换速度及微机运算速度限止，Δt取得越小就要采用更高速的模数转换器及微机，使这些器件的成本显著的增高。

本发明提出用下述三项方法来解决电度运算精度与硬件速度的矛盾，由此可在不增加硬件的速度条件下显著改进电表的精度，或可以价格较低的(或速度较低的)微机和模数转换器来实现获得具有一定精度等级的电度表。

本发明提出的三项方法分别是：

(1)异步取样法

该方法是按照本发明下述的‘异步取样准则’来选取取样时间步距Δt，以缩短‘取样相角步距’，达到在不需要提高模数转换器的转换速度及微机的运算速度的条件下，显著缩少一个取样循环内的‘取样相角步距’，从而达到在不增加硬件工作速度的条件下提高电度运算的精度。

(2)功率-电度基数转换法

该方法是将每一个取样步距Δt内电能增量计算中的二次乘法运算：

    Kwp×P(n)×Δt    (千瓦-时)简化为每出一个功率脉冲(一般要经过许多个Δt才出一个功率脉冲)做一次‘功率-电度基数转换’的加法运算。由此，省去了上述每一个Δt的二次乘法运算，使微机的运算工作量大为减少。

(3)计算无功电度的‘正、负功率法’

无功电度的计算，可以采用类似于机械电度表的方法，如三相三线二单元电度表的60°移相或90°移相无功电度计算法及三相四线三单元电度表的90°移相无功电度计算法。计算步骤和计算工作量与有功电度计算相似，差别仅在于计算无功所用的电压、电流的搭配不同于有功。

有功与无功电度计量可以由同一套硬件来实现，例如能同时测记有功与无功电度及其派生的有功及无功需量，分时记费等功能的多功能电度表，对于这种需同时计量有功及无功电度的数字电子电度表，可采用本发明的‘正、负功率法’来计算无功电度，该计算无功电度方法的特点是：可以利用计算有功电度过程中所得的瞬时功率值，通过简单的运算，推算出无功电度。不需要对各相电流、电压另行搭配，组合，为无功电度计算进行一整套类似有功电度的计算(前述1，2，3，4步)因此可显著节省有功与无功二用电度表的微机运算时间。

下面将结合附图对本发明提出的三项用于解决电子电度表中电度运算精度的速度之间矛盾的方法，即，异步取样方法，功率-电度基数转换方法和无功电度计算的正、负功率方法分别作出详细的描述。

图1表示单相数字式全电子电度表硬件框图。

图2表示三相四线数字式全电子电度表硬件框图。

图3表示数字式电子电度表的主程序流程图。

图4表示数字式电子电度表微机定时中断服务流程图。

图5表示定时中断服务程序内计算有功电度的程序流程(用“功率-电度基数转换法”)。

图6表示定时中断服务程序内计算无功电度(用“正、负面积法”及“基数转换法”)的程序流程。

参见附图，其中图1是单相数字式全电子电度表硬件框图。在该图中的数字电子电度表100与向负载99供电的输电线连接，以测量该负载耗用的电度。

所述电度表100的主要组成部分包括：

电流通道I-CH 104，它又包括电流传感器CT 121，低通放大器X1 122及延迟网络X2 123；

电压通道U-CH 105，它又包括电压传感器VT124，低通放大器Y1 125，及延迟网络Y2 216；

取样保持电路、多路转换开关及模数转换器单元106；

单片微机MCU 107；

有功功率脉冲输出口PP 112；

无功功率脉冲输出口QP 113；

非易失性储存器EEPROM 108；

异步串行接口驱动电路108；

液晶显示器驱动电路110和液晶显示屏111；

图中，电流与电压通道104、105的作用是为强电电流、电压与仪表的弱电部分提供隔离及将信号幅度变换到与仪表电路相适配的水平。在该二个信号通道中的低通放大器X1122与Y1125除了对信号作必要的放大之外还起着将电流、电压信号中高于1/2取样频率的谐波成份滤去以免出现‘摺叠混淆’误差。该二通道中的X2-123，Y2126是配合取样时差范围用的时延网络，这在采用分时工作并以取样时差进行相位补偿的取样及模数转换电路是路可能有此需要(参阅前述中国专利CN94101541.6中的第一种工作模式)。

图1中各环节的电流与电压符号的说明：

I_s(t)负载电流，亦即该电表100所测量的电流，单位安倍；

U_s(t)负载电压，亦即该电表100所测量的电压，单位伏特；

I_x(t)电流通道的输出信号，单位为伏特；

U_y(t)电压通道的输出信号，单位为伏特；

d_x(n)电流通道输出信号I_x(t)经过取样保持及模数转换以后的数字化的电流信号，n为取样之序号，n＝0，1，2，3，……

d′_y(n)电压通道输出信号U_y(t)经过取样保持及模数转换，后数字化的电压信号，n为取样之序号。d′_y(n)且为已经相位补偿的电压取样信号。

图2是一个三相四线数字式电子电度表的硬件框图。所述电度表200主要由以下各部分组成：

A相电流通道I-CH-A 201

B相电流通道I-CH-B 202

C相电流通道I-CH-C 203

A相电压通道U-CH-A 204

B相电压通道U-CH-B 205

C相电压通道U-CH-C 206

多路分时的取样保持及模数转换电路单元220

单片微机MCU 207

非易失性储存器208

异步串得驱动电路209

有功功率输出口212

无功功率输出口213

液晶驱动电路210及液晶显示屏211

在上述各相电流、电压通道中，分别有电流传感器CTA 221，CTB 227，CTC 233及电压传感器VTA 224，VTB 230，VTC 236，电压传感器为星形接法，即每一个的电压传感器产生与负载相电压成比例的电压信号；各相电流传感器经外接电流互感器XCTA 251，XCTB 252，XCTB 253取得与各相负载电流成比例的信号，但也可以直接与各相供电线直接串联。各相电流与电压通道内的低通放大器XA1 222，XB1228，XC1234，YA1225，YB1231，YC1237的作用及移相网络XA2 223，XB2 229，XC2 235，YA2 226，YB2 232，YC2.238，的作用分别与前述单相表的X1 122，Y1 125及X2 123，Y2126相同，该三相电度表200各环节的电流、电压符号如下：

i_SA(t)，i_SB(t)，i_SC(t)为A，B，C各相电流通道的输入电流瞬时值，

u_SA(t)，u_SB(t)，u_SC(t)为A，B，C各相电压通道的输入电压瞬时值；

i_XA(t)，i_XB(t)，i_XC(t)为A，B，各相电流通道的输出信号瞬时值。为便于说明及记忆故仍以电流之符号表示，但实际上这些信号均为放大器输出电压信号，单位均为伏特。

u_YA(t)，u_YB(t)，u_YC(t)为A，B，C各相电压通道的输入电压瞬时值，单位均为伏，由于前述电压传感器采取星形接法，u_YA，u_YB，u_YC与负载各相电压成比例。

d_XA(n)，d_XB(n)，d_XC(n)为经取样保持及模数转换以后的A，B，C相的电流信号，它们是离散的(取样保持后的)及数字化的信号。

d′_YA(n)，d′_YB(n)，d′_YC(n)为经取样保持，相位补偿及模数转换以后的A，B，C相的电压信号，均为离散的数字化信号。

图3为三相四线数字电子电度表主程序流程图。其中，取样时间间隔Δt由微机内的定时器(Timer)进行定时中断控制。

图4为定时中断的服务程序内有关电度计量的主要流程，它包括，重置下一次中断的时间，电流、电压取样，相、幅补偿，以及电度计算。

图5为图4所述定时中断服务程序中的有功电度计算的流程图(三相四线，采用本发明的功率-电度基数转换法)。

图6为图4所述定时中断服务程序中的无功电度计算流程图(采用本发明的‘正、负功率法’)。

本发明提出的数字电子电度表中解决电度运算精度和速度矛盾的取样和运算方法详述如下：

(1)异步取样方法.

设被测电压、电流为频率相同的周期信号，电压与电流的波形可以不同。如果以T表示电压、电流的周期，又以相同的取样频率对每一相的电压及电流取样，但并不要求同时对各相的电压、电流取样，也不要求同时对同一相的电压及电流取样(有关同一相电压与电流的取样时刻的关系与所用的自动相位补偿方法可参见本发明人已申请的中国专利CN94100877.4及CN94101541.6)。设对同一电压或电流信号的每一次取样时间和下一次取样时间之间的时间间隔Δt称为取样时间步距，并对所有各相电压、电流的取样时间步距都是相同及固定的Δt。

取样的序号以n表示，现考虑任一个电压或电流信号的n＝0，1，2……，(N_S-1)共N_S个取样，若这N_S个取样的每一个取样所取的被测信号的相位值各不相同，而且第n＝N_S＋0，N_S＋1，N_S＋2……2N_S-1的取样值分别按序与n＝0，1，2……个取样值所取的被测信号的相位值对应相等，则N_S个取样值构成一个取样循环，该取样循环的周期为(N_S.Δt)＝T_S，取样循环的周期T_S可以等于被测信号之圈期T，也可以是T的整数倍 $C_S=\frac{T_S}{T}$ ，当倍数C_S＝1时，即T_S＝T时，以下将称为‘同步取样。当倍数C_S＞1(正整数)时，以下将称为’异步取样。取样时间步距Δt，被测信号周期T，一取样循环内的取样个数N_S以及取样循环周期T_S对被测信号周期T的倍数C_S(即每一取样循环所含的被测信号周期T的个数)它们的相互关系如下： $\frac{T}{\mathrm{\Δt}}=\frac{N_S}{C_S}----\left(1\right)$ 该式中，N_S与C_S，二者为无1以外的公因子的正整数。在上述约束条件下，若T/Δt＝整数，即C_S＝1，这时‘同步取样’，一取样循环周期等于一被测信号周期T_S＝T，每一被测周期T内各取样点的相位依次分别等于下一个周期T内各取样点的相位。在这种情况下，唯有减小取样时间步距Δt，才能缩小相邻二取样的相角步距。而减小Δt意味着要采用速度更高的模数转换器及微机，成本将随之增大。在被测信号频率稳定，且幅度、功率因数均非经常快速度变动的情况下(符合供电***实际情况)，按以上关系式(1)选取使C_S＞1，的Δt，即令取样循环周期T_S为被测信号周期的若干倍，即‘异步取样’。在异步取样情况下，有 $N_S=\frac{C_{S}T}{\mathrm{\Δt}}$ 个取样点所取的被测信号的相位是各不相同的。因此，这N_S个取样按所取的被测信号的相位排列起来后，相邻二取样的相位角差就是

由于异步取样时C_S＞1，同步取样时C_S＝1，显然，当Δt保持基本不变时，异步取样条件下的取样角步距 与C_S成反比，C_S越大，Δ__S越小，即取样越精细，使电度运算精度也越高。

下面单一简单数例说明异步取样的效果：

被测电流、电压周期20,000微秒(即50HZ频率)

若取Δt＝1500微秒， $\frac{T}{\mathrm{\Δt}}=\frac{20000}{1500}=\frac{40}{3}$ 由于40与3无1以外的公约数，按上述判别取样循环N_S，C_S之准则，可知N_S＝40，C_S＝3，即一个取样循环包含3个被测信号周期T，在每一个取样循环内有40个取样点，个个取得被测信号之不同的相位，这样，取样角步距为：

或的度数表示：

以上是C_S＝3的异步取样情形。

若将Δt改取为Δt＝1250微秒(小于上述1500微秒) $\frac{T}{\mathrm{\Δt}}=\frac{20000}{1250}=\frac{16}{1}$

即C_S＝1，N_S＝16，这是同步取样，取样角步距为：

由以上二例可见，在同步取样时，即使Δt＝1250ms还小于异步取样的1500微秒，但所得到的取样角步距22.50反而大于异步取样的9°，电度计算精度就反不如异步取样。

上述以异步取样来缩小一取样循环内的取样相角步距的方法不仅可以用于数字电子电度表，也可用于高分辨率的相位计或相位差计，功率因数表等相关的仪器。注意‘一取样循环内的各取样点的取样相角步距’并非指相邻二个取样点的相角差、而是指将一取样循环内的各个取样点按它们所取的被测信号的相位排序后的相邻二取样点的相位步距，对于电度表，由于电能运算是一积分运算，其每一积分元的相加次序与相加结果无关，所以在进行电度运算时无须对异步取样的各取样点按相序重新排列(这要耗费大量储存单元)后再计算电度，而可以仍直接按时间上的取样顺序进行电度运算。

2、功率-电度基数转换法

数字化电子电度表的有功电度计算的一般公式为：

对于单相表： $P\left(n\right)=\mathrm{dx}\left(n\right).d^{\′}y\left(n\right).\frac{(1+\mathrm{gr})(1+\mathrm{hr})}{(1+\mathrm{gN})}----\left(4\right)$ 式中dx(n)，dy′(n)分别为第n个取样的电流、电压瞬时值，该电压取样已经相位补偿。

gr，hr，gN是幅度补偿系数，(参***专利申请CN941015141.6)。对于三相三线电表(二单元)) $P\left(n\right)=(d_{\mathrm{XA}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yAB}}).\left(\frac{(1+g_{\mathrm{rAB}})(1+h_{\mathrm{rA}})}{1+g_{\mathrm{NAB}}}\right)$ $+(d_{\mathrm{XC}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yCB}}).\left(\frac{(1+g_{\mathrm{rCB}})(1+h_{\mathrm{rC}})}{1+g_{\mathrm{NAB}}}\right)----\left(5\right)$ 式中：d_XA(n)，d_XC(n)分别为A，C相电流取样值；d′_yAB(n)，d′_yCB(n)为AB，CB相间电压取样值取样值，已经相位补偿；g_rAB，g_rCB，g_NAB，g_NCB，h_rA，h_rC为幅度补偿系数。对于三相四线 $P\left(n\right)=d_{\mathrm{XA}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yA}}\left(n\right)\left[\frac{(1+h_{\mathrm{rA}})(1+g_{\mathrm{rA}})}{(1+g_{\mathrm{NA}})}\right]$ $+d_{\mathrm{XB}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yB}}\left(n\right)\left[\frac{(1+h_{\mathrm{rB}})(1+g_{\mathrm{rB}})}{1+g_{\mathrm{NB}}}\right]$ $+d_{\mathrm{XC}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yC}}\left(n\right)\left[\frac{(1+h_{\mathrm{rC}})(1+g_{\mathrm{rC}})}{1+g_{\mathrm{NC}}}\right]----\left(6\right)$ 式中：d_XA(n)，d_XB(n)，d_XC(n)分别为A，B，C相电流取样值；

      d′_yA(n)，d′_yB(n)，d′_yC(n)分别为A，B，C相电压取样值，已经相位补偿；

      h_rA，h_rB，h_rC，g_ra，g_rb，g_rc，g_NA，g_NB，g_NC为幅度补偿系数。数字化电子电度表的无功电度计算的一般公式为：

对于三相四线三单元电表，90°移相法无功无功计算： $q\left(n\right)=d_{\mathrm{XA}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yCB}}\left[\frac{(1+g_{\mathrm{rCB}})(1+h_{\mathrm{rA}})}{(1+g_{\mathrm{NCB}})}\right]$ $+d_{\mathrm{XB}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yAC}}\left[\frac{(1+g_{\mathrm{rAC}})(1+h_{\mathrm{rB}})}{1+g_{\mathrm{NAC}}}\right]$ $+d_{\mathrm{XC}}\left(n\right).{d^{\′}}_{\mathrm{yBA}}\left[\frac{(1+G_{\mathrm{rAB}})(1+h_{\mathrm{rC}})}{1+g_{\mathrm{NBA}}}\right]----\left(8\right)$ 式中：d_XA(n)，d_XB(n)，d_XC(n)分别为A，B，C相电流取样值；

      d′_yCB(n)，d′_yAC(n)，d′_BA(n)分别为CB，AC，BA相间电压取样值(已作相位补偿)；

h_rA，h_rB，h_rCB，g_rCB，g_rAC，g_rBA，g_NCB，g_NAC，g_NBA为幅度补偿系数。

关于上之中所用到的一些符号的下标说明如下：

以下标‘r’表示电表工作时，在当前一段时间内的实际工作电流或电压下的补偿系数，如gr表示当前工作电压下的电压幅度补偿系数，hr表示当前工作电流下的电流幅度补偿系数。

以下标‘A’，‘B’，‘C’表示电压或电流的相名，例如，g_rA为A相的当前工作电压下的电压幅度补偿系数，g_rAB为对AB相间工作电压(当前的，因有下标r)下的电压幅度补偿系数。

以‘N’表示在标称电压及标称电流下的幅度补偿系数，至于该电压与电流是某一相，还是某二相间的，由对应的g_r，h_r的相名下标决定。

电压及电流幅度补偿系数分别为电流固定在标称值，不同电压下使电度幅度误差为零所需的幅度补偿系数及电压固定在标称值，不同电流下使电度幅度误差为零所需的幅度补偿系数(详见本发明人已申请的专利CN94100987.4及CN94101541.6)。

下面，将以单相有功电度为实例，来说明本发明提出的‘功率-电度基数转换法’用于计算电度量的方法步骤。对于三相三线及三相四线有功及无功电度的计算与单相的类似，其差别仅在于所用的功率-电度基数值有所不同。

本发明所提出的‘功率-基数转换法’的方法步骤可结合图5所示的程序流程作出说明。

参见图5，‘功率-电度基数转换法’包括以下方法步骤：

1、将实现电度运算积分运算的硬件分成二部分，即一个‘功率-电度基数转换累加器WHR1，和一个功率脉冲累加计数器WHR2，这二个累加器均可用单片微机内的RAM储存单元。在停电时将内储数据写入表内非易失性储存器中。WHR1的作用是将每一取样瞬时功率p(n)进行累加，并每逢所累积的电度量为一个功率脉冲所对应的电度量时，微机的功率脉冲输出口产生一个功率脉冲，WHR2的作用是累计WHR1送出的功率脉冲数，由于每一功率脉冲代表一个单位的电度增量，故WHR2累积电度量。

2、对于一新的电表在微机的电度计算程序初始化时，WHR1，置以一个’功率-电度转换基数‘BWHR，WHR1最高位的进位位WHR1-CARRY清零，WHR2清零，对于已运行的电表，在停电时WHR1与WHR2的数据写入表内非易失性储存器；在复电时，程序初始化过程中将非易失性储存器内的WHR1，WHR2数据读回WHR1，WHR2；WHR1，WHR2均为多字节的RAM单元。

3、在每隔一个Δt进行电流、电压取样，相、幅补偿及电压，电流相乘得到瞬时功率p(n)以后，将此p(n)与WHR1内的数累加，若WHR1的最高位无进位，则结束该一取样的电度运算，在下一取样重覆本步骤。

若WHR1  CΔARRY＝1，则先进行以下4，5，6，7后再在下一取样回到本步骤。

4、当WHR1-CARRY＝1时，WHR2增1

5、当WHR1-CARRY＝1时，令微机的功率脉冲输出口输出一个功率脉冲

6、给WHR1加一个功率-电度转换基数BWHR，即：WHR1＝WHR1＋BWHR

7、清除WHR1-CARRY

上述电度计算的第2步及第6步中所用到的‘功率-电度转换基数BWHR(单相，有功)与该电表的各项常数的关系如下： $\mathrm{BWHR}=2^L-\frac{1}{K_{\mathrm{WP}}.\mathrm{\Δt}.\mathrm{Cp}}----\left(9\right)$ 式中：L为WHR1的二进制位数

  Cp为该电度表的每千瓦小时的功率脉冲数

  单位为：脉冲数/千瓦小时

  K_WP为该电度表的电度比例常数，单位为千瓦时/LSB².秒

其大小与电流、电压信号的模数转换比例系数有关。LSB是数字化的电压、电流信号的单位，即二进制数的最低位为1个LSB单位。

     Δt为取样时间步距，单位：秒以上BWHR计算公式适用于单相，三相三线(二单元)及三相四线电表的有功电度计算。对于采用90°移相的三相三线二单元表的无功电度计算，应用以下转换基数： $\mathrm{BQHR}=2^L-\frac{2}{\sqrt{3}{K}_{\mathrm{WQ}}.\mathrm{\Δt}.C_Q}----\left(10\right)$ 三相四线(三单元)表以90°移相法无功电度计算所用的转换基数： $\mathrm{BQHR}=2^L-\frac{\sqrt{3}}{K_{\mathrm{WQ}}.C_Q.\mathrm{\Δt}}----\left(11\right)$ 式中：Δt取样时间步距，单位：秒

      C_Q无功功率脉冲常数，单位为：脉冲数/千乏小时

      K_WQ无功电度比例常数，其单位为千乏-小时/LSB²-秒，此处的LSB为数字化的电流与电压的单位，即二进制数的最低位为一单位，K_WQ的大小与电流及电压信号的模数转换比例系数有关。注意以上的90°移相法无功电度计算所用的转换基数不同于下述‘正、负功率法’无功电度计算的转换基数。

3、‘正、负功率法’

该法用于简化无功电度的计算。前已述及，对于可兼测有功电度及无功电度的三相多功能数字电子电度表，可利用计算有功电度所用的瞬时功率来推算出无功电度，即利用本节所述的以‘正、负功率法’来求算无功电度。

本发明提出的‘正、负功率法’的方法步骤可结合图6所示的程序流程图作出说明。该图所示的程序流程就是图4中定时中断服务程序的最后一段内容。

所述定时中断是，每隔Δt将主程序中断一次，执行图4的定时中断服务程序，它包括取样、补偿，功率计算、有功电度计算及无功电度计算。

三相四线(三单元)电度表，及单相表每一相的无功电度可以按下列公式计算(表示A、B、C相的下标从略)： $W_Q\left(N_S\right)=\frac{\mathrm{\π}}{N_S}\{N\_W_{P+}\left(N_S\right)+N_{+}.W_{P-}.(N_S\}$ (千乏-时)(12)

式中：W_Q(NS)--一个取样循环内的无功电度

      N_S------一个取样循环内的取样次数

      N_------一个取样循环内同一相的电流与电压异号，即该相功率为负值的取样次数

      N₊------一个取样循环内，同一相的电流与电压同号，即该相功率为正值的取样次数 $W_{P+}\left(N_S\right)=\underset{n=0}{\overset{N_S-1}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{WP}}{P}_{+}\left(n\right).\mathrm{\Δt}----\left(13\right)$ 其中

P₊(n) $W_{P-}\left(N_S\right)=\underset{n=0}{\overset{N_S-1}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{WP}}|p\_\left(n\right)|.\mathrm{\Δt}----\left(14\right)$ 其中P_(n)

由于dx(n)，d′y(n)为同一相的相电流，相电压，在有功电度计算时p(n)已经算出，故用上述方法计算无功时不需要像90°移相法那样对重新搭配的电压、电流进行相乘及补偿运算，使无功电度运算及补偿曲线大为简化。所付出的代价是要分别计数N_-与N₊可在前一循环中统计，用于当前取样循环。同时在当前取样循环统计下一循环所用的N_-与N₊。

以上述‘正、负功率法’结合前述‘功率-电度基数转换法’进行三相无功电度计算(三单元的三相电度表，每单元测相电流与相电压)所用的‘功率-电度转换基数’为： $\mathrm{BQHR}=2^L-\frac{N_S}{\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{WP}}\·\mathrm{\Δt}.C_Q}----\left(15\right)$ 式中：  1--为计量无功电度的‘功率-电度转换累加器QHR1的二进制位数(字长)

C_Q--为该电表的无功功率脉冲常数，单位为每千乏小时之脉冲数：脉冲数/千乏.时

K_WP--为该电表的电度比例常数，它与计算有功电度所用的比例常数相同，其单位为：千乏一时/LSB².秒

Δt--为取样时间步距，单位秒

N_S--为一个取样循环内的取样次数.

π--为圆周率

图6表示的是以‘正、负功率法’结合‘功率-电度基数转换法’来计算三相四线无功电度的程序流程。对流流程简述如下：

P_A(n)为A相瞬时功率(A相相电流与A相相电压之乘积，已作过相位、幅度补偿及零位校正)，

若P_A(n)＞0，则

  QHR1＝QHR1＋(N_-A)P_A(n)

若P_A(n)＜0，则

  QHR1＝QHR1＋(N_+A)|P_A(n)|其中，|P_A(n)|为P_A(n)的绝对值，N_-A，N_+A分别为A相在一取样循环内，出现负功率或正功率之次数。

若上述运算结果不产生QHR1的进位，则就直接做P_B(n)及P_C(n)的有关运算，反之若QHR1的最高位有进位，则要进行以下各步后再做P_B(n)及P_C(n)的有关运算：

.无功功率脉冲输出口输出一脉冲

.无功电度的功率脉冲累加计数器QHR2增1

.将无功电度的‘功率-电度转换基数BQHR加到QHR1中去：

        QHR1＝QHR1＋BQHR

.清除QHR1的进位：QHR1-CARRY＝0.接着的B相与C相的有关运算均与A相相似，不再赘述。

本发明的上述方法可以有效地解决数字电子电度表中电度运算转度和速度之间的矛盾，上述以异步取样来缩小一个取样循环内取样相角步距的方法不仅可用于数字电子电度表，也可以用于高分辨率的相位计或相位差计，功率因数表等相关的仪器，凡是属于本发明提出的技术方案及其范围内的运算方法均是本发明的保护内容。

Claims (5)

1、一种用于数字电子电度表中电度解决电度运算精度和速度矛盾的方法，其特征是，所述的方法包括：

对电流、电压信号的‘异步取样法’，即，选取以取样循环T_S所含的被测信号周期T的个数C_S大于1(正整数)的取样步距Δt进行每一次电流或电压的异步取样，

运算电能增量的‘功率-电度基数转换法’，即，将每个取样时间步距Δt内电能增量计算中的二次乘法运算：K_WP×P(N)×Δt简化为每出一个功率脉冲做一次‘功率-电度基数转换的加法运算’，以省去上述每一个Δt的二次乘法运算，

计算无功电度的‘正、负功率法’，即，利用计算有功电度过程中得到的瞬时功率值，推算出无功电度，不需要对各相电流、电压另行搭配和组合，为无功电度计算进行一整套类似有功电度的计算。

2、如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的‘异步取样法’，其中，取样时间步距Δt，被测信号周期T，一取样循环内的取样个数N_S以及取样循环周期T_S对被测信号周期T的倍数C_S它们之间的关系为： $\frac{T}{\mathrm{\Δt}}=\frac{N_S}{C_S}$

式中N_S与C_S为无1以外的公因子的正整数，当C₃＞1时为异步取样。

3、如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的‘功率-电度基数转换法’包括下述步骤：

(1)将实现电度运算、积分运算的硬件分为二部分，即一个‘功率-电度基数转换累加器WHR1，和一个功率脉冲累加计数器WHR2；

(2)对一个新的电表在微机的电度计算程序初始化时，置以一个’功率-电度转换基数BWHR，WHR1最高位的进位位WHR1-CARRY清零，WHR2清零；对已运行的电表，在停电时，WHR1与WHR2的数据写入表内易失性储存器；在复电时，程序初始化过程中将非易失性储存器内的WHR1，WHR2数据读回WHR1、WHR2。

(3)在每隔一个Δt进行电流、电压取样，相位和幅度补偿，以及电压、电流相乘得到瞬时功率P(n)之后，将此P(n)与WHR1内的数累加，若WHR1的最高位无进位，则结束该一取样的电度运算，在下一个取样重复本步骤

若WHR1-CARRY＝1，则先进行以下4-7步后，再在下一取样回到本步骤。

(4)当WHR1-CARRY＝1时，使WHR2增1，

(5)当WHR1-CARRY＝1时，令微机的功率脉冲输出口输出一个功率脉冲；

(6)给WHR1加一个‘功率-电度转换基数’BWHR，即，WHR1＝WHR1＋BWHR，

(7)清除WHR1-CARRY。

4、如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的正、负功率法是以下列计算公式计算：

时)

用上述方法计算无功时，不需要像90°移相位那样重新搭配的电压、电流进行相乘及补偿运算，使无功电度运算及补偿曲线简化。

5、如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的‘正、负功率法’结合‘功率-电度基数转换法’用来运算三相线无功电度的程序流程如下：

A相瞬时功率P_A(n)

若P_A(n)＞0，则QHR1＝QHR1＋(N_-A)P_A(n)

若P_A(n)＜0，则QHR1＝QHR1＋(N_+A)|P_A(n)|若上述运算结果不产生QHR1进位，则直接进行对B相和C相瞬时功率P_B(n)和P_C(n)进行与A相类似的运算，反之，若QHR1的最高位有进位，则要进行以下各步骤再做P_B(n)与P_C(n)的有关运算：

.无功功率脉冲输出口输出一脉冲

.无功电度的功率脉冲累加计数器QHR2增1

.将无功电度的‘功率-电度转换基数’BQHR加到QHR1中去，即QHR1＝QHR1＋BQHR

.清除QHR1的进位，即，QHR1_CARRY＝0

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