CN102135563B - 一种电能的计算方法、系统及电能表 - Google Patents

Abstract

本发明适用于能源领域，提供了一种电能的计算方法、系统及电能表，该方法包括：接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；对该采样点集合进行直流滤波处理；将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；对量程切换后的电流信号进行相位校正；对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能功率；在计算的电能功率累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值。本发明提供的技术方案具有提高电能计量范围的优点。

Description

一种电能的计算方法、系统及电能表

技术领域

本发明属于能源领域，尤其涉及一种电能的计算方法、系统及电能表。

背景技术

电能计量装置(以下简称电能表)分为单相电能表和多相电能表，单相用电方式的电能计量采用单相电能表，如居民用电，多相用电方式的如工厂使用三相电用电则使用三相电能表计量。电能表通过采集交流电压和交流电能信号计算电能。

当前市场上使用的各种电能表的电压计量规(UUn)有58V、100V、220V三种，电流计量规格有1.5(6)A、5(20)A、10(60)A、20(80)A、30(100)A等等，电流规格的表示方式为I_b(Imax)A，这里I_b称为基本电流，Imax称为最大电流。电压的计量范围为-20%Un～+20%Un，电流的准确计量范围为2%I_b～Imax。

由于电压和电流的多种规格，在使用电能表时，必须根据用户的特定环境选择不同的电能表规格，这将导致电能表的生产、采购、校验的复杂性。随着用电负荷的快速增长，电力用户被要求使用大电流规格的电能表来计量电费，但是传统电能表的计量范围不够宽，从而导致小电流不能准确计量。

例如30(100)A的规格，其基本电流I_b为30A，最大电流Imax为100A，最小计量电流为2%I_b即0.6A，也就是说当用电电流在0.6A以下时电能表就不能保证其准确度，而且在电流小于0.2%I_b即0.06A时根本就不计量，出现这个问题的根本原因在于计量的动态范围太小，因而导致电能计量不准确。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电能的计算方法，旨在解决现有技术中由于电能计量的动态范围太小而导致的电能计量不准确的问题。

本发明实施例是这样实现的，本发明提供一种电能的计算方法，所述方法包括：

接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

对该采样点集合进行直流滤波处理；

将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；所述将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理的步骤具体包括：

当电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，如电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高；

对量程切换后的电流信号进行相位校正；

对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能功率；

在计算的电能累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值；所述采样点集合进行直流滤波处理的步骤具体包括：

对集合进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子 $Y=f\left(C\right)=\frac{(C+x(i+\mathrm{\α})-x\left(i\right))}{\mathrm{\α}};$

其中C为集合；α为集合窗口大小，且α是2的幂，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为C的采样点。

本发明还提供一种电能的计算系统，所述系统包括：

信号采样单元，用于接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

滤波单元，用于对该采样点集合进行直流滤波处理；

量程切换单元，用于将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；所述量程切换单元具体包括：

判断模块，用于判断电压电流信号是否大于溢出设定值，以及判断电压电流信号是否小于增益设定值，其中增益设定值小于溢出设定值；

倍数调整单元，用于电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高；

相位校正单元，用于对量程切换后的电流信号进行相位校正；

功率计算单元，用于对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能功率；

脉冲生成单元，用于在电能累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值；所述滤波单元具体用于对集合进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子

其中C为集合；α为集合窗口大小，且α是2的幂，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为C的采样点。

本发明又提供一种电能表，该电能表包括上述电能的计算系统。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的技术方案对直流滤波处理的电压电流信号进行量程切换后可以增加可测量的电能信号的范围，所以本发明的技术方案具有提高电能计量的准确度的优点。

附图说明

图1是本发明提供的电能表中电能计量模块的结构图；

图2是本发明提供的一种电能的计算方法的流程图；

图3为本发明实施例一提供的一种电能的计算方法的流程图；

图4为本发明实施例二提供的一种电能的计算方法的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种电能的计算方法，该方法由电能表中的电能计量模块完成，该电能计量模块如图1所示，包括：电压传感器、低通滤波、电流传感器和混合信号微处理器，该方法如图2所示，包括如下步骤：

S21、接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

S22、对该采样点集合进行直流滤波处理；

S23、将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；

实现S23的方法可以为：当电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，如电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高；

S24、对量程切换后的电流信号进行相位校正；

S25、对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能；

S26、电能累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值。

本发明提供的方法对直流滤波处理的电压电流信号进行量程切换后可以增加可测量的电能信号的范围，提高电能计量的准确度。

实施例一

本实施例提供一种电能的计算方法，本实施例提供的方法由电能表中的电能计量模块完成，该电能计量模块的电路和现有的电能计量电路完全一样，具体结构如图1所示，该方法如图3所示，包括如下步骤：

S31、，对电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

S32、对上述采样点集合进行直流滤波处理；

需要说明的是，假设采样点集合C={x(i),x(i+1)，...,x(i+α-1)}，其中α为集合窗口大小(α是2的幂)，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为采样点；集合C包含相邻连续的α个采样点；

实现S32的方法具体可以为：对集合C进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子

这样调整集合窗口α的大小即可改善直流滤波的效果。

采用S32中提供的方法进行滤波处理能比现有的1阶IIR数字滤波器减少计算量，现有的1阶IIR数字滤波器需要执行3次16位×16位乘法和2次32位加法；而S32中滤波的算法只需要执行2次32位加(减)法和1次32位移位，计算量大大降低。

S33、对直流滤波后的电能信号进行量程切换；

实现S33的具体方法可以为：

当采样数据溢出或接近溢出，将PGA（可编程增益放大器）的放大倍数减少，如采样数据太小，将PGA的放大倍数提高。具体算法如下：

集合C={x(0),x(1)，........}，x(i)为采样数据

集合C的第一子集D(0)={x(i),x(i+1)，...,x(i+m-1)}，包含连续1个周波的m个采样点，Dmax(0)=max(D(0))

集合C的第二子集D(1)={x(i+m),x(i+m+1)，...,x(i+2*m-1)}，包含连续1个周波的m个采样点，Dmax(1)=max(D(1))

集合C的第n子集D(n-1)={x(i+(n-1)*m),x(i+(n-1)*m+1),...,x(i+n*m-1)}，包含连续1个周波的m个采样点，Dmax(n-1)=max(D(n-1))

计数值Ta=(∑((x(i)>L1)?1:0))*((Dmax(j)≤L1)?0:1)，i=0,1,......，j=0,1,n-1

计数值Tb=(∑((Dmax(j)<L2)?1:0))*((C(i)≥L2)?0:1)，i=0,1,......，j=0,1,n-1

当Ta>Qa时，切换至大量程。

当Tb<Qb时，切换至小量程。

其中L1、L2、Qa、Qb可以为用户可调整的常量，调整L1、L2、Qa、Qb可以改变量程切换的灵敏度和稳定性。L1越小L2越大Qa、Qb越小量程切换越灵敏，反之越稳定。其中，Qa可以为溢出设定值，Qb为增益设定值，且Qa>Qb。

PGA的档位越多我们可测量的信号的范围就越宽，例如，为了实现5000:1的电流测量范围，PGA使用2级即可：PGA=1、PGA=32。

S34、对电能信号进行相位校正；

实现S44的方法具体可以为：

I(i)’=I(i-1)*M+I(i)*(1-M)；

；其中：0≤M≤1

调整M的大小即决定了相位调整的大小，具体调整弧度可以为：2*M*π/m弧度。即M=0时不调整，M=1时，将电流相位提前至2*π/m弧度，其中m为一个周期波里的采样点数量；I(i)为电能信号中第i个电流采样数据，I(i)’为调整相位后的电流数据。

S35、累加电能

以秒为时间间隔对功率进行累加得到每秒钟的电能，表示为Energy(k)

Energy(0)=0即初值

Energy(1)即第1秒内的电能

Energy(2)即第2秒内的电能

Energy(k)即第k秒内的电能

以采样点为单位对功率进行累加得到电能输出值，表示为ESum(j)

ESum(0)=0即初值

ESum(1)即第1个采样点的电能输出值

ESum(2)即第2个采样点的电能输出值

ESum(j)即第j个采样点的电能输出值

在第k秒结束时，令

Ev(k)=Energy(k)\b

Ey(k)=Energy(k)%b；其中b为每秒采样点的个数，这里令每一秒采样点的个数均为b个，那么在K秒内最后一个采样点的电能可以为：ESum(k*b-1)；其中Energy(k)\b表示除以b以后取整，Energy(k)%b表示除以b以后的余数。

那么，在第(k+1)秒里的每个采样点累计的电能值可以为：

第一采样点ESum(k*b)=ESum(k*b-1)+Ey(k)+Ev(k)

第二采样点ESum(k*b+1)=ESum(k*b)+Ev(k)

第三采样点ESum(k*b+2)=ESum(k*b+1)+Ev(k)

最后一次采样点ESum(k*b+b-1)=ESum(k*b+b-2)+Ev(k)。

其中(k+1)秒总第d采样点ESum(d)=ESum(d-1)+Ev(k);其中(k*b+1)≤d≤(k*b+b-1)

由于该方法在进行电能累计量计算时，增加的Ev为平均后的取整值，所以该计算方法可以减少脉冲输出所产生的轻微波纹，同时取整后的余数也被累计到电能累计值中，所以也不会丢失电能。

S36、当计算的电能累计值大于单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值。

对每个采样点上的ESum(j)判断，在ESum(j).>=(1/X)时，输出脉冲，且ESum(j)’=ESum(j)-(1/X)，其中X是脉冲常数，即每kWh电能发出的脉冲数目。

本实施例提供的方法在量程切换时PGA的放大倍数是可以根据采样信号进行调整的，所以该方法可以通过增加PGA的档位来增加可测量的电能信号的范围，例如，当PGA=32时，可以实现5000:1的电流测量范围，提高计量范围，提高电能计算的准确性。另外，该方法在进行功率计算时采用如S35的方法，所以其具有减少脉冲输出所产生的轻微波纹的优点，另外，本实施例采用的方法采用新的直流滤波算法能减少直流滤波的计算量，减少MCU（微处理器）的资源消耗。

另外，采用本实施例提供的方法进行电能计算能够整合电能表的规格，例如，可以将现有的单相电能表合并成成一种规格：220V1(100)A，即额定电压为220V，基本电流为1A，最大电流为100A。其电压测量范围为176V～480V，电流测量范围从0.02A到100A。

将现有各种规格的直接接入式的三相电能表合并成一种规格：3×220V5(400)A，额定电压为220V，基本电流为5A，最大电流为500A。其电压测量范围为176V～480V，电流测量范围从0.1A到500A。

将现有各种规格的互感器接入式的三相电能表合并为一种规格：3×100V0.5(25)A。其电压测量范围为40V～480V，电流测量范围从0.005A到25A。

所以本实施例提供的方法还具有减少电能表规格，提高电能表标准化的优点。

实施例二

本实施例提供一种电能的计算系统，该系统如图4所示，包括：

信号采样单元41，用于接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

滤波单元42，用于对该采样点集合进行直流滤波处理；

量程切换单元43，用于将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；

相位校正单元44，用于对量程切换后的电流信号进行相位校正；

功率计算单元45，用于对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能功率；

脉冲生成单元46，用于在电能功率累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值。

可选的，量程切换单元43具体包括：

判断模块431，用于判断电压电流信号是否大于溢出设定值，以及判断电压电流信号是否小于增益设定值，其中增益设定值小于溢出设定值；

倍数调整模块432，用于电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高。

可选的，滤波单元42具体用于对集合进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子 $Y=f\left(C\right)=\frac{(C+x(i+\mathrm{\&alpha;})-x\left(i\right))}{\mathrm{\&alpha;}};$

其中C为集合；α为集合窗口大小，且α是2的幂，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为C的采样点。

可选的，相位校正单元44具体包括：

电流相位调整模块441，用于根据I(i)’=I(i-1)*M+I(i)*(1-M)调整电流相位；

其中：0≤M≤1；M为调整系数，I(i)为电能信号中第i个电流采样数据；

可选的，功率计算单元45具体用于根据

ESum(k*b)=ESum(k*b-1)+Ey(k)+Ev(k)计算K+1秒第一个采样点的电能值;

根据ESum(d)=ESum(d-1)+Ev(k)计算K+1秒内总第d采样点的电能值；其中(k*b+1)≤d≤(k*b+b-1)；

其中，b为每秒内采样点的个数，Ev(k)=Energy(k)\b；Ey(k)=Energy(k)%b；Energy(k)为K秒内电能值;。

本实施例提供的系统在量程切换时PGA的放大倍数是可以根据采样信号进行调整的，所以该系统可以通过增加PGA的档位来增加可测量的电压电流信号的范围，例如，当PGA=32时，可以实现5000:1的电流测量范围，提高计量范围，提高电能计算的准确性。另外，该系统在进行功率计算时具有减少脉冲输出所产生的轻微波纹的优点，另外，本实施例采用的直流滤波算法能减少直流滤波的计算量，减少MCU（微处理器）的资源消耗。并且本实施例提供的系统还能减少电能表的规格，具有提高电能表标准化的优点。

实施例三

本实施例提供一种电能表，该电能表包括上述实施例二提供的一种电能表的计算系统。另外，该电能表具体可以为：220V1(100)A、3×220V5(400)A或3×100V0.5(25)A电能表。

值得注意的是，上述实施例二中的系统，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

综上所述，本发明提供的技术方案具有提高电能计算的准确率，减少直流滤波的计算量，提高电能表标准化，减少脉冲输出所产生的轻微波纹的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电能的计算方法，其特征在于，所述方法包括：

接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到该电压电流信号的采样点集合；

对该采样点集合进行直流滤波处理；

将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；所述将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理的步骤具体包括：

当电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，如电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高；

对量程切换后的电流信号进行相位校正；

对电压信号和相位校正后的电流信号计算电能功率；

在计算的电能累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值；所述采样点集合进行直流滤波处理的步骤具体包括：

对集合进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子

其中C为集合；α为集合窗口大小，且α是2的幂，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为C的采样点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对量程切换后的电流信号进行相位校正的步骤具体包括：

I(i)’=I(i-1)*M+I(i)*(1-M)；

其中：0≤M≤1；M为调整系数，I(i)为电能信号中第i个电流采样数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特则在于，所述对相位校正后的电流信号计算电能功率的步骤具体包括：

K+1秒第一个采样点的电能值ESum(k*b)=ESum(k*b-1)+Ey(k)+Ev(k); 

K+1秒内总第d采样点的电能值为：ESum(d)=ESum(d-1)+Ev(k)；

其中，b为每秒内采样点的个数，Ev(k)=Energy(k)\b；Ey(k)=Energy(k)%b；Energy(k)为K秒内电能值;(k*b+1)≤d≤(k*b+b-1)；所述Energy(k)\b表示除以b以后取整；Energy(k)%b表示除以b以后的余数。

4.一种电能的计算系统，其特征在于，所述系统包括：

信号采样单元，用于接收输入的电压电流信号，对该电压电流信号进行波形采样得到电压电流信号的采样点集合；

滤波单元，用于对该采样点集合进行直流滤波处理；

量程切换单元，用于将直流滤波处理后的电压电流信号进行量程切换处理；所述量程切换单元具体包括：

判断模块，用于判断电压电流信号是否大于溢出设定值，以及判断电压电流信号是否小于增益设定值，其中增益设定值小于溢出设定值；

倍数调整模块，用于电压电流信号大于溢出设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数减少，电压电流信号小于增益设定值时，将可编程增益放大器的放大倍数提高；

相位校正单元，用于对量程切换后的电能信号进行相位校正；

功率计算单元，用于对相位校正后的电能信号计算电能功率；

脉冲生成单元，用于在电能累计到单个脉冲的电能值时，生成输出脉冲，并将电能累计值减去单个脉冲的电能值；所述滤波单元具体用于对集合进行直流滤波处理，其中直流滤波处理的滤波因子 

其中C为集合；α为集合窗口大小，且α是2的幂，x(i)、x(i+1)、...、x(i+α-1)为C的采样点。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述相位校正单元具体包括：

电流相位调整模块，用于根据I(i)’=I(i-1)*M+I(i)*(1-M)调整电流相位； 

其中：0≤M≤1；M为调整系数，I(i)为电能信号中第i个电流采样数据。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述功率计算单元具体用于根据ESum(k*b)=ESum(k*b-1)+Ey(k)+Ev(k)计算K+1秒第一个采样点的电能值;

根据ESum(d)=ESum(d-1)+Ev(k)计算K+1秒内总第d个采样点的电能值，其中(k*b+1)≤d≤(k*b+b-1)；

其中，b为每秒内采样点的个数，Ev(k)=Energy(k)\b；Ey(k)=Energy(k)%b；Energy(k)为第K秒内电能值；所述Energy(k)\b表示除以b以后取整；Energy(k)%b表示除以b以后的余数。

7.一种电能表，其特征在于，所述电能表包括如权利要求4-6任一所述的电能的计算系统。

8.根据权利要求7所述的电能表，其特征在于，所述电能表为：220V1(100)A、3×220V5(400)A或3×100V0.5(25)A电能表。 

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