阅读说明：本技术 电压夹角、零线电流的计算方法及三相电能表 (Method for calculating voltage included angle and zero line current and three-phase electric energy meter ) 是由 何闯 黄成� 王慧 王凯翔 孟令琪 于 2019-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电压夹角、零线电流的计算方法及三相电能表。其中,电压夹角的计算方法包括：采集A相、B相以及C相的正向过零信号；在产品生产阶段通过标准信号源获取校正系数；在预设定时器内,分别记录在检测到A相正向过零信号后到B相和C相正向过零发生时,定时器中断次数；通过定时器中断次数计算B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔；根据所述预设时间周期长度以及所述B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔,分别计算B相和C相与A相之间的电压夹角。(The invention discloses a method for calculating a voltage included angle and zero line current and a three-phase electric energy meter. The calculation method of the voltage included angle comprises the following steps: collecting forward zero-crossing signals of an A phase, a B phase and a C phase; acquiring a correction coefficient through a standard signal source in a product production stage; in a preset timer, respectively recording the interruption times of the timer after detecting the A-phase positive zero-crossing signal until the B-phase positive zero-crossing and the C-phase positive zero-crossing occur; calculating the time interval between the B-phase and C-phase positive zero-crossing signals and the A-phase positive zero-crossing signal through the interruption times of the timer; and respectively calculating voltage included angles between the phase B and the phase C and the phase A according to the preset time period length and the time intervals between the phase B and the phase C positive zero-crossing signals and the phase A positive zero-crossing signals.)

电压夹角、零线电流的计算方法及三相电能表

技术领域

本发明涉及电能表的技术领域，特别涉及一种电压夹角、零线电流的计算方法及三相电能表。

背景技术

针对目前电表的功能不断增加，但是成本压力越来越大，三相电能表的设计中逐渐把电流采样器件用锰铜分流器取代。但锰铜分流器的使用，使价格昂贵的三相计量芯片无用武之地，开始被价格低廉的三个单相计量芯片替代。

这样的方式虽然可以使得电能表整机的成本大幅度降低，但是在变更设计为三个单相计量芯片后，将无法实现直接读取的功能。总结而言，目前测量电压夹角和零线电流的方法中，如果直接采用三相计量芯片，电表MCU直接从芯片内读取；能够准确得到相应数据，但是存在方案成本高，没有市场竞争力的缺点。

还有一些利用单相计量芯片的电压过零中断功能，由电表MCU发送广播指令，每个单相计量芯片收到广播指令后，开始计算收到指令到下一次过零中断的用时并保存在单相计量芯片的缓存中，然后MCU通过串口读取每个单相计量芯片该缓存中的值，然后通过相应公式计算电压夹角。

但采用这样的技术方案时，MCU与多个单相计量芯片的通讯，由于基于的是UART通讯模式，通讯速率较低，在1200-4800bps之间，如果在本信道中增加上述的广播指令和电压夹角原始数据的获取，会导致电能计量性能受到一定程度的影响。而且，这样的技术方案高度依赖单相计量芯片拥有广播指令冻结过零计时的功能，但许多的单相计量芯片都不具备这样的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种电压夹角、零线电流的计算方法及三相电能表，能够解决现有技术中电压夹角以及零线电流所存在的一种或者多种的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种电压夹角的计算方法。该计算方法包括：

采集A相、B相以及C相的正向过零信号；在预设定时器内，分别记录在检测到A相正向过零信号后到B相和C相正向过零发生时，定时器中断次数；计算B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔；根据所述B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔，分别计算B相和C相与A相之间的电压夹角。

进一步，所述方法还包括：通过在产品生产阶段通过标准信号源获取电压夹角的校正系数对采集获得的A相、B相以及C相的正向过零信号进行校准。

进一步，在产品生产阶段通过标准信号源获取电压夹角的校正系数，具体包括：

以A相信号作为校正基准，在接收到A相的正向过零中断信号后，在预设定时器内，分别记录在检测到A相正向过零信号后到B相和C相正向过零发生时，定时器中断次数；

在接收到B相的正向过零中断信号后，记录当前的定时器中断次数为第一中断次数；

在接收到C相的正向过零中断信号后，记录当前的定时器中断次数为第二中断次数；

根据所述第一中断次数，计算所述B相的信号校正系数，并且

根据所述第二中断次数，计算所述C相的信号校正系数。

进一步，根据所述第一中断次数，计算所述B相的信号校正系数，具体包括：

通过如下算式，计算所述B相的信号校正系数：

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt1为所述第一中断次数，Eb为所述B相的过零信号校正系数。

进一步，根据所述第二中断次数，计算所述C相的信号校正系数，具体包括：

通过如下算式，计算所述C相的信号校正系数：

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt2为所述第二中断次数，Ec为所述C相的过零信号校正系数。

进一步，计算B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔，具体包括：

当检测到A相的正向过零中断时，启动预设定时器；

在所述B相的正向过零信号发生时，记录预设定时器中断发生次数为第一中断次数。并且在所述C相的正向过零信号发生时，记录预设定时器中断发生次数为第二中断次数。

进一步，所述A相与B相之间的电压夹角通过如下算式计算：

φ_ab＝Freq×T1×Cnt1×E_b×360

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt1为所述第一中断次数，Eb为B相的过零信号校正系数。

进一步，所述A相与C相之间的电压夹角通过如下算式计算：

φ_ac＝Freq×T1×Cnt2×E_c×360

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt2为所述第二中断次数，Ec为C相的过零信号校正系数。

第二方面，本发明实施例还提供一种零线电流的计算方法。所述计算方法包括：

基于如上计算方法计算获得的电压夹角、每相电压与电流之间的相位角以及每相电流，绘制所述A相、B相以及C相电压和电流的相量图；

根据所述相量图，计算获得零线电流。

第三方面，本发明实施例还提供一种三相电能表。所述三相电能表应用如上所述的计算方法，计算获得A相、B相以及C相之间的电压夹角以及零线电流。

本发明实施例提供的计算方法，可以获得较高的电压夹角与零线电流计算精度，还可以进一步的提供电压夹角校准功能。其计算结果的精确程度远高于低成本方案，与高成本的三相芯片直接读取的方案接近。

另外，其同样也可以使用单相计量芯片完成，总体成本较低并且具有很高的通用性，可以在任何MCU和计量芯片平台中使用，具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电压夹角计算方法的示意图。

图2为典型的过零检测电路的示意图。

图3为本发明实施例提供的采样信号校准方法的示意图。

图4为本发明实施例提供的零线电流计算方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的电压夹角的计算方法。该计算方法包括：

S100、采集A相、B相以及C相的正向过零信号。

过零信号是指交流信号幅值为零(正负转换)的那一时刻的信号。具体可以采用任何类型的过零检测电路来实现正向过零信号的采集，而不限于图2所示的检测电路。图2为一个典型的单相过零信号检测电路。

如图2所示，由于相线与零线之间的电压为工频交流电，波形为正弦波。因此，当光电耦合器P1的第1脚和第2脚之间施加的正向电压高于一定电压后，会在BREAK端口产生一个下降沿，提起MCU中断。

这样的中断表明存在一个正向过零信号。在本实施例中，使用正向过零信号或者正向过零中断可以用于表示相同的含义。

S200、在预设定时器内，分别记录在检测到A相正向过零信号后到B相和C相正向过零发生时，定时器中断次数。

该预设定时器可以根据实际情况所设置。芯片内可以设置有定时器中断。在检测到第一个正向过零中断时开始计时，开始记录定时器中断次数。

S300、计算B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔。

S400、根据所述B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔，分别计算B相和C相与A相之间的电压夹角。

在实际应用过程中，总是存在多种的影响因素导致的偏差和精度下降。其中一种因素是电子元器件的特性总是离散的，个体之间存在误差。例如，图2所示的检测电路中，R1，R2，R3采用的是常规精度1％电阻，P1光电耦合器每个器件的导通电压，放大倍数都不相同，等等这些，都导致不同的元器件安装在同1个电路上，获取的过零中断时间各不相同，这就会导致测量误差另外，电表MCU计算电压夹角的定时器基准值来自于晶振，而晶振也存在频率偏差。

这两个方面的影响会导致电压夹角误差达到5°甚至更高，而在某些情况下，由此计算出来的零线电流误差会超过6％以上。

较佳的，为了克服上述两个方面所存在的影响，获取高精度的电压夹角和零线电流，在产品生产阶段，可以将标准三相工频电压电流源接入到三相电能表，在采集数据之后，通过计算得到的电压夹角与标准三相工频电压夹角对比，计算获得对应的校正系数。

由于电压夹角是一个相对值，不是绝对值，所以在任何情况下，都可以以A相作为基准，不对A相采样信号进行相应校准。

在实际的校准过程中，在电能表收到计量误差校准指令后，电能表首先对计量误差进行校准，紧接着暂停ABC三相的正向过零中断检测，暂停参与电压夹角计算的Tmr1定时中断，暂定电压夹角和零线电流计算，然后开始自动运行电压正向过零中断采样信号校准流程。

如图3所示，具体的采样信号校准流程如下：

S210、以A相信号作为校正基准，在接收到A相的正向过零中断信号后，启动预设定时器。

S220、在接收到B相的正向过零中断信号后，记录当前的定时器中断次数为第一中断次数。

S230、在接收到C相的正向过零中断信号后，记录当前的定时器中断次数为第二中断次数。

该第一中断次数和第二中断次数可以分别缓存在Cnt1和Cnt2中，作为基础运算数据以进行电能表的校准过程。

S240、根据所述第一中断次数，计算所述B相的信号校正系数。

S250、根据所述第二中断次数，计算所述C相的信号校正系数。

在一些实施例中，可以分别通过如下算式(1)和(2)，计算获得B相和C相的信号校正系数：

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt1为所述第一中断次数，Eb为所述B相的信号校正系数。

通过如下算式，计算所述C相的信号校正系数：

其中，Freq为电网频率(50Hz)，T1为所述预设定时器周期，Cnt2为所述第二中断次数，Ec为所述C相的信号校正系数。

计算获得的两个信号校正系数可以记录保存在相应的非易失性存储器(如EERPOM)中，提供给后续的计算过程调用。

本发明实施例提供的校准步骤不需要额外增加产品的生产工序，也不会增加某各工序的复杂程度。其可以在三相电能表校验台输出的高精度信号下完成初始化。整个校准过程嵌入在了电能表误差校准过程中，无需生产工人的干预，可以在电能表内部利用自行调用相应的计算机程序，执行上述算法步骤来完成。

在一些实施例中，计算B相和C相正向过零信号与A相正向过零信号之间的时间间隔，具体包括：

首先，当检测所述A相的正向过零中断时，启动预设定时器。两相信号之间的时间间隔通过定时器的中断次数来表示：

在所述B相的正向过零信号发生时，记录当前的定时器中断次数为第一中断次数，并且在所述C相的正向过零信号发生时，记录当前定时器中断次数为第二中断次数。

具体的，所述A相与B相之间的电压夹角通过如下算式(3)计算：

φ_ab＝Freq×T1×Cnt1×E_b×360 (3)

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt1为所述第一中断次数，Eb为B相的过零信号校正系数。

进一步，所述A相与C相之间的电压夹角通过如下算式(4)计算：

φ_ac＝Freq×T1×Cnt2×E_c×360 (4)

其中，Freq为电网频率，T1为所述预设定时器周期，Cnt2为所述第二中断次数，Ec为C相的过零信号校正系数。

上述算式(3)和(4)的计算原理为：在一个标准工频周期为(1/Freq)，即20ms，对应的角度为360°。由此可以把B相和C相正向过零中断与A相正向过零中断的时间间隔乘以各自的采样信号校正系数后，获得精准的B、C相与A相的电压夹角。

基于已经计算获得的电压夹角，还可以进一步的用于计算零线电流。图4为本发明实施例提供的零线电流计算方法。图4与图1的区别在于，还包括了如下步骤：

S500、基于如上计算方法计算获得的电压夹角、每相电压与电流之间的相位角以及每相电流，绘制所述A相、B相以及C相电压和电流的相量图。

S600、根据所述相量图，计算获得零线电流。

每路单相计量芯片可以采集获得每相的电压与电流之间相位角以及每相的电流大小。将其与步骤S300计算获得的电压夹角进行结合，便可以绘制出三相电压和三相电流的的相量图。

在获得相量图以后，通过将每相电流分解成X轴和Y轴上的两个分量，分别投影到X轴和Y轴上，将X轴上的A、B和C相电流分量相加得到Inx，在将Y轴上的A、B和C相电流分量相加得到Iny。

根据三相系统中A、B、C相和零线电流相量和始终为零的定律，可以通过如下算式(5)计算获得零线电流：

I_n＝sqrt(I_nx ²+I_ny ²) (5)

本发明实施例还提供了一种三相电能表。所述三相电能表可以应用如上所述的计算方法，计算获得A相、B相以及C相之间的电压夹角以及零线电流，兼顾低成本和高精度的要求，具有良好的应用前景。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。