CN102262172A - 电力监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种电力监测装置包括：一个测量模块；一个信号调理模块；一个模数转换器；一个处理器；一个存储器；一个量程开关控制模块。以及一种电力监测方法包括以下步骤：从电力线上采集模拟信号；量程开关控制信号决定所述信号调理模块和所述处理器采用的增益；将所述增益用于所述模拟信号来形成调理后的所述模拟信号；将调理后的所述模拟信号转换成数字信号；对所述数字信号进行处理；存储处理后的所述数字信号。本发明的优点在于，增加了测量的精确度，使得小的输出信号也可有效地使用模数转换器的范围，且可以实时地调整输入信号范围。

Description

电力监测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电力监测装置，具体地说涉及一种带有量程切换电路的电力监测装置。

背景技术

用于电力管理系统的电力监测装置(PMD)必须能够测量宽动态范围的电压和/或电流输入信号。通常在电力监测装置中设置量程切换电路来解决这一问题。量程切换电路使用模拟开关或多路复用器来选择不同的量程以放大或缩小电压和电流信号，使得所有信号都可以适用模数转换器(ADC)的整个输入范围，进而使输入信号的测量结果更加精确。

专利文件US5606249A公开了一种具有量程切换电路的电力监测装置。该量程切换电路的实现方式为，先将多路复用器与运算放大器的输出端直接相连，再将所述多路复用器与精密电阻相连，并最终形成对运算放大器的输入端的反馈回路。该专利文件并未描述多路复用器的控制信号，以及具体的控制方法，特别是如何控制模拟开关或多路复用器的切换时机。然而，切换时机对放大率的选择影响很大。如果切换时机不当，则会使放大信号的波形发生畸变，并在后续的运算产生误差，从而降低了测量精度。

一种常规的方法是用比较器比较输入信号与预定的电压参考值来生成控制信号。然而，由于模拟开关的控制信号不是由微控制器单元产生，而是由比较器产生，所以难以保证模拟开关的切换时机与微控制器单元的时钟保持同步，造成微控制器单元在处理数据时无法准确地同步切换量程，从而致使数据处理不一致，降低了测量精度。

另一种常规的做法是将交流输入信号的均方根(RMS)值与预定的均方根值进行比较来生成开关控制信号。为了确保准确，必须采集一个周期的数据来计算均方根值，而这必然导致切换时间存在一个周期的延迟。因此，这种设计无法实现实时地调整输入信号范围，不适于输入信号变化迅速的情形。

专利文件CN101089631A公开了一种量程切换电路，其中完全不具有模拟开关或多路复用器，但每一个信号均与两个具有不同量程的调理单元相连接，每个调理单元连接到模数转换器的一个通道。每一通道的采样信号都存储在一个对应的内存中。由于没有模拟开关，也就不存在切换时机的问题，然而额外的模数转换器和内存必然极大地增加电力监测装置的成本。

因此，本领域存在通过合理地决定模拟开关或多路复用器的切换时机来提高电力监测装置精度的需要。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题。

所述目的通过一种电力监测装置来实现。所述电力监测装置包括：一个测量模块，其从电力线上采集模拟信号；一个信号调理模块，其将增益用于所述模拟信号来形成调理后的所述模拟信号；一个模数转换器，其将调理后的所述模拟信号转换成数字信号；一个处理器，其对所述数字信号进行处理；以及一个存储器，其存储处理后的所述数字信号。所述电力监测装置还包括：一个量程开关控制模块，其接收所述数字信号的量程切换位和所述处理器发出的采样时钟信号，并发送量程开关控制信号到所述信号调理模块和所述处理器，其中所述量程开关控制信号决定所述信号调理模块和所述处理器采用的所述增益。

依据本发明的一个方面，所述测量模块包括一个电压互感器或一个电阻分压测量网络或一个电流互感器。

依据本发明的另一个方面，所述电力测量装置具有两个所述测量模块和两个所述信号调理模块，且两个所述测量模块分别连接不同的所述信号调理模块，其中两个所述测量模块中的一个为一个电压互感器或一个电阻分压测量网络，而另一个为一个电流互感器。

依据本发明的再一个方面，所述量程开关控制模块为一逻辑电路。

依据本发明的又一个方面，所述逻辑电路包括一D型触发器。

依据本发明的又一个方面，所述量程开关控制信号通过所述数字信号的一个或复数个量程切换位来决定所述信号调理模块和所述处理器采用的所述增益。

依据本发明的又一个方面，所述量程开关控制信号根据所述数字信号的一个或复数个量程切换位来选择第一增益或第二增益，从而决定所述信号调理模块和所述处理器采用的所述增益。

依据本发明的又一个方面，所述处理器将所述量程开关控制信号加到所述数字信号来决定所述处理器采用的所述增益。

依据本发明的又一个方面，所述信号调理模块具有不同的量程切换状态，每个所述量程切换状态对应于所述第一增益和所述第二增益中的一个，所述量程开关控制信号根据所述数字信号的一个或复数个所述量程切换位来选择所述量程切换状态，从而选择所述第一增益或所述第二增益。

依据本发明的又一个方面，所述量程切换状态的改变由模拟开关来实现。优选地，所述模拟开关为多路复用器。

依据本发明的又一个方面，所述模数转换器可以为多通道模数转换器，所述量程开关控制模块可以根据所述模数转换器的通道地址和所述量程切换位分别为各通道产生所述量程开关控制信号。

所述目的还通过一种电力监测方法来实现。所述电力监测方法包括以下步骤：

步骤S1：从电力线上采集模拟信号；

步骤S2：量程开关控制信号决定所述信号调理模块和所述处理器采用的增益；

步骤S3：将所述增益用于所述模拟信号来形成调理后的所述模拟信号；

步骤S4：将调理后的所述模拟信号转换成数字信号；

步骤S5：对所述数字信号进行处理；

步骤S6：存储处理后的所述数字信号。

依据本发明的另一个方面，步骤S2包括：

步骤S21：所述量程开关控制信号通过所述数字信号的一个或复数个量程切换位来决定所述信号调理模块和所述处理器采用的增益；

依据本发明的再一个方面，步骤S21包括：

步骤S211：在所述量程开关控制模块中设置第一阈值和第二阈值，所述第一阈值和所述第二阈值的比例关系与第一增益和第二增益的比例关系相同；

将所述量程开关控制模块设置成，当所述数字信号小于所述第一阈值时，所述量程开关控制信号决定所述信号调理模块采用所述第二增益；当所述数字信号大于等于所述第一阈值而小于所述第二阈值时，所述量程开关控制信号决定所述信号调理模块采用的增益不变；当所述数字信号大于等于所述第二阈值时，所述量程开关控制信号决定所述信号调理模块采用所述第一增益。

依据本发明的又一个方面，步骤S6包括：

步骤S61：将所述量程开关控制信号加到所述数字信号来决定所述处理器采用的所述增益。

本发明的优点在于，(1)增加了电力监测装置的测量精确度，且输入信号的每一个采样点均可使用模数转换器的整个范围，故小的信号也可有效率地使用模数转换器的范围；(2)可以实时地调整输入信号范围。通过每一采样点模数转换器输出值的反馈逻辑来控制模拟开关的量程切换状态变化，并通过采样时钟来触发，故微控制器单元(MCU)/数字信号处理器(DSP)清楚每一点的输入增益、值以及采样时间，进而保证了模拟开关的切换时机与微控制器单元/数字信号处理器的时钟保持同步。同时，实时的模拟开关只需一非常简单的逻辑电路。

附图说明

结合以下附图，本发明的特征和优点将变得更加清楚，相同的符号指代相同的部件或信号。其中：

图1显示了根据本发明一种实施方式的电力监测装置1的结构框图；

图2显示了电力监测装置1的信号调理模块21的电路图；

图3显示了电力监测装置1的量程开关控制模块4的逻辑图；

图4为本发明的电力监测方法的一种实施方式的流程图；

图5显示了电力监测装置1运行过程中输入信号SI、输出信号SO和量程开关控制信号RSC的波形图，以及相应的增益G。

具体实施方式

图1的框图示意性地显示了根据本发明一种实施方式的电力监测装置1，其中箭头表示信号的传递方向。电压信号Ua、Ub、Uc和Ud中的一个或复数个通过电阻分压测量网络或电压互感器11被转换成输入信号SI，而电流信号Ia、Ib和Ic中的一个或复数个通过电流互感器12被转换成输入信号SI，其中输入信号SI为模拟信号。两个输入信号SI分别经过信号调理模块21和22处理后生成相应两个输出信号SO，其中输出信号SO为调理后的模拟信号。两个输出信号SO被具有平行输出的模数转换器(ADC)3转换为数字信号61，其中模数转换器3例如为多通道模数转换器。数字信号61为一数字数据，并包含量程切换位。所述量程切换位是指本发明中的一个或复数个专用位，例如16位数据B₁₅ B₁₄ B₁₃ B₁₂ B₁₁。。。B₁ B₀的B₁₄、B₁₃和B₁₂。所述量程切换位作为数字信号62被发送到量程开关控制模块4。处理器53对平行输出数字信号61进行处理后存入存储器51(例如，内存)。处理器53可以为微控制单元或数字信号处理器，并具备电力参数测量、电力质量分析、内存控制、通信控制、显示控制、键盘控制和输入/输出接口的功能。处理器53还向模数转换器3和量程开关控制模块4发出采样时钟信号SCLK。量程开关控制模块4根据采样时钟信号SCLK和数字信号62生成量程开关控制信号RSC，并将量程开关控制信号RSC发送到信号调理模块21和22和处理器53，从而保证了模拟开关213和214的切换时机与处理器53的采样时钟保持同步。信号调理模块21和22，以及处理器53根据量程开关控制信号RSC来选择信号放大增益，并分别用于输入信号SI和数字信号61。电力监测装置1还可具有输入/输出设备52、输入/输出接口54和通信模块55。根据该实施方式，也可仅设置电阻分压测量网络或电压互感器11和信号调理模块21，或仅设置电流互感器12和信号调理模块22，从而仅对电压或电流信号进行采样，其中信号调理模块22可以与信号调理模块21完全相同。

图2示意性地展示了信号调理模块21的电路图。信号调理模块21具有两个不同的增益调整电路，以及模拟开关213和214，其中一个增益调整电路对应于增益a，而另一个增益调整电路对应于所述增益b，增益a和b的关系例如为b＝7a。两个不同的增益调整电路分别对应于所述模拟开关的两个不同的量程切换状态，而所述两个不同的量程切换状态又分别对应于增益a和b。通过在两个不同的量程切换状态之间进行切换就可以实现对不同量程的选择，即实现了对增益a或增益b的选择。输入信号SI被分别发送到信号电源为例如5V的运算放大器211和212，而运算放大器211和212分别将增益a和b用于输入信号SI并输出信号SO1和SO2至模拟开关213和214。信号SO1或信号SO2取决于反馈电阻215、216、217、218的阻值，其中所述反馈电阻的阻值分别为：c、d、e、f。SI与SO1、SO2的关系为：SO1＝SI*(1+d/c)＝a*SI；SO2＝SI*(1+f/e)＝b*SI。量程开关控制信号RSC通过控制模拟开关213和模拟开关214的断开和闭合来实现两个不同的量程切换状态。

图3示意性地展示了量程开关控制模块4的逻辑关系。量程开关控制模块4用于生成量程开关控制信号RSC，其中量程开关控制信号RSC用于控制信号调理模块21和22选择增益a或b。数字信号61的数据中的一个或复数个专用位(即量程切换位)被以数字信号62的形式输入组合逻辑模块41，而组合逻辑模块41的输出信号SC被发送到一个D型触发器(DFF)。D型触发器的触发时钟即为来自处理器53的采样时钟信号SCLK。D型触发器生成的量程开关控制信号RSC用于控制模拟开关213和214的量程切换状态。量程开关控制信号RSC根据由数字信号61的一个或复数个所述量程切换位组成的数字信号62来选择量程切换状态，并被发送到处理器53，从而决定了信号调理模块21和22以及处理器53采用的增益a或b。量程开关控制信号RSC被加到输出信号SO的数字输出数据位中，例如B₁₅，以使处理器53了解该数据的模拟开关的量程切换状态，从而在运算时对与量程切换状态相对应的增益进行选择。在这种情况下，模拟开关213和214的切换时机与采样时钟是同步的。

两个值A和B被预先设定为量程开关控制模块的判断阈值。阈值A和B之间的关系与信号调理增益a和b的关系相同，例如当b＝7a时，B＝7A。当阈值A被转换成一代码，例如0001，0000，0000，0000，其为0.3125V。因为b＝7a，所以B＝7A＝2.1875V，则B被转换成相应的代码0111，0000，0000，0000。在这种情况下，量程切换位(例如B₁₄、B₁₃和B₁₂)可以作为模拟开关213和214的输入。量程切换位由所设计的阈值来决定，并可根据设计调整。

量程开关控制信号RSC根据以下公式来控制模拟开关213和214的断开或闭合，从而实现对不同增益a或b的选择，其中，X为数字信号62的相应模拟信号值。

RSC＝0(当X＜A时)

RSC＝RSC(当A≤X＜B时)

RSC＝1(当X≥B时)

本领域技术人员将理解，量程开关控制模块4可以通过一个极简单的逻辑电路来实现，且对于采用例如可编程逻辑器件(Programmable LogicDevice)或现场可编程门阵列(Field Progammable Gate Array)的系统来说，所述逻辑电路利用这些已有的装置就可实现，而无需付出任何额外的成本。此外，当模数转换器3为多通道模数转换器时，模数转换器3的通道地址可以加入用于每一通道的量程开关控制信号RSC，从而可以对不同的通道使用不同的量程开关控制信号RSC。

图4显示了根据本发明一种实施方式的电力监测方法，该方法可用于上述系统或至少具有图1中测量模块11、信号调理模块21、模数转换器3、处理器53和存储器51，并具有相同功能的其它系统。所述方法依次包括以下步骤：

从电力线上采集输入信号SI；

量程开关控制信号RSC决定信号调理模块21、22和处理器53采用的增益a或b；

将增益a或b用于输入信号SI来形成输出信号SO；

将输出信号SO转换成数字信号61；

对数字信号61进行处理；

存储处理后的数字信号61。

根据未示出的本发明方法的一实施方式，量程开关控制信号RSC通过由数字信号61的一个或复数个量程切换位组成的数字信号62来决定信号调理模块21和22，以及处理器53采用的增益a或b；

根据未示出的本发明方法的又一实施方式，量程开关控制信号RSC通过以下方式来决定信号调理模块21、22和处理器53采用的增益a或b：

在量程开关控制模块4中设置阈值A和阈值B，其中阈值A和阈值B的比例关系与增益a和b的比例关系相同。将量程开关控制模块4设置成，当数字信号62小于阈值A时，量程开关控制信号RSC决定信号调理模块21、22采用增益b；当数字信号62大于等于阈值A而小于阈值B时，量程开关控制信号RSC决定信号调理模块21、22采用的增益a或b不变；当数字信号62大于等于阈值B时，量程开关控制信号RSC决定信号调理模块21、22采用增益a。

根据未示出的本发明方法的再一实施方式，通过将量程开关控制信号RSC加到数字信号61来决定处理器53采用的增益a或b。

图5显示了输入信号SI、输出信号SO、量程开关控制信号RSC，以及所选择的增益G的波形，其中横轴表示时间T，纵轴表示输入信号SI和输出信号SO的电压值，其中初始的量程切换状态为模拟开关213断开，而模拟开关214闭合。模数转换器3的信号电源为5V，参考电压为2.5V。

当输入信号SI进入2.5-A至2.5+A的范围内时，RSC为“0”，模拟开关214闭合，输入信号SI通过模拟开关214。相应的输出信号SO获得大的增益b，并处于2.5-B至2.5+B的范围内，而RSC保持上一次的值。

当输入信号SI进入2.5+A至2.5+B或2.5-B至2.5-A的范围内时，RSC为“0”，模拟开关214闭合，输入信号SI通过模拟开关214。相应的输出信号SO获得大的增益b，并处于2.5+B至5或0至2.5-B的范围内(X≥B)，而RSC的值变为“1”。随后，模拟开关214断开，模拟开关213闭合，输出信号SO获得小的增益a，并处于2.5+A至2.5+B或2.5-B至2.5-A的范围内(A≤X＜B)，而RSC保持上一次的值。

当输入信号SI进入2.5+B至5或0至2.5-B的范围内时，RSC为“1”，模拟开关213闭合，输入信号SI通过模拟开关213。相应的输出信号SO获得小的增益a，并处于2.5+B至5或0至2.5-B的范围内(X≥B)，而RSC保持值“1”。当输入信号SI进入2.5-A至2.5+A的范围，RSC为“1”，模拟开关213闭合，SI经过模拟开关213。相应的输出信号SO获得小的增益a，并处于2.5-A至2.5+A的范围内(X＜A)，RSC的值变为“0”。随后，模拟开关214闭合，模拟开关213断开。

从以上的描述可知，输入信号SI的每一采样点均可使用模数转换器3的整个输入范围，且与每一采样点的模拟开关的量程切换状态相对应的增益均被发送到处理器53用于运算。每一采样点的原始信号、相应的增益和采样时间对53处理器均是清楚的。量程可以根据每一采样点的输出信号进行切换，从而以这种方法实现了实时、精确且同步的量程开关。

尽管以上展示了本发明的实施方式，但是所述实施方式不旨在展示本发明的所有可能的形式。此外，本说明书中的内容是描述性的，而非限制性的。本领域技术人员可对本说明书的内容作出各种变化和修改，而不偏离本发明的主旨和权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种电力监测装置，包括：

一个测量模块(11、12)，其从电力线上采集模拟信号(SI)；

一个信号调理模块(21、22)，其将增益(a、b)用于所述模拟信号(SI)来形成调理后的所述模拟信号(SO)；

一个模数转换器(3)，其将调理后的所述模拟信号(SO)转换成数字信号；

一个处理器(53)，其对所述数字信号(61)进行处理；以及

一个存储器(51)，其存储处理后的所述数字信号；

其特征在于：

所述电力监测装置(1)还包括：

一个量程开关控制模块(4)，其接收所述数字信号的量程切换位(62)和所述处理器(53)发出的采样时钟信号(SCLK)，并发送量程开关控制信号(RSC)到所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)，其中所述量程开关控制信号(RSC)决定所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)采用的所述增益(a、b)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述测量模块(11、12)包括一个电压互感器或一个电阻分压测量网络或一个电流互感器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电力测量装置(1)具有两个所述测量模块(11、12)和两个所述信号调理模块(21、22)，且两个所述测量模块(11、12)分别连接不同的所述信号调理模块(21、22)，其中两个所述测量模块(11、12)中的一个为一个电压互感器或一个电阻分压测量网络，而另一个为一个电流互感器。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述量程开关控制模块(4)为一逻辑电路。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述逻辑电路包括一D型触发器。

6.如权利要求1至5中的任一项权利要求所述的装置，其特征在于：所述量程开关控制信号(RSC)通过所述数字信号的一个或复数个量程切换位(62)来决定所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)采用的所述增益(a、b)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述量程开关控制信号(RSC)根据所述数字信号的一个或复数个量程切换位(62)来选择第一增益(a)或第二增益(b)，从而决定所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)采用的所述增益(a、b)。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：通过将所述量程开关控制信号(RSC)加到所述数字信号(61)来决定所述处理器(53)采用的所述增益(a、b)。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述信号调理模块(21、22)具有不同的量程切换状态，每个所述量程切换状态对应于所述第一增益(a)和所述第二增益(b)中的一个，所述量程开关控制信号(RSC)根据所述数字信号的一个或复数个所述量程切换位(62)来选择所述量程切换状态，从而选择所述第一增益(a)或所述第二增益(b)。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述量程切换状态的改变由模拟开关来实现。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述模数转换器(3)可以为多通道模数转换器，所述量程开关控制模块(4)可以根据所述模数转换器(3)的通道地址和所述量程切换位(62)分别为各通道产生所述量程开关控制信号(RSC)。

12.一种电力监测方法，包括以下步骤：

步骤S1：从电力线上采集模拟信号(SI)；

步骤S2：量程开关控制信号(RSC)决定所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)采用的增益(a、b)；

步骤S3：将所述增益(a、b)用于所述模拟信号(SI)来形成调理后的所述模拟信号(SO)；

步骤S4：将调理后的所述模拟信号(SO)转换成数字信号(61)；

步骤S5：对所述数字信号(61)进行处理；

步骤S6：存储处理后的所述数字信号。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21：所述量程开关控制信号(RSC)通过所述数字信号的一个或复数个量程切换位(62)来决定所述信号调理模块(21、22)和所述处理器(53)采用的增益(a、b)。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤S21包括：

步骤S211：在所述量程开关控制模块(4)中设置第一阈值(A)和第二阈值(B)，所述第一阈值(A)和所述第二阈值(B)的比例关系与第一增益(a)和第二增益(b)的比例关系相同；

将所述量程开关控制模块(4)设置成，当所述数字信号小于所述第一阈值(A)时，所述量程开关控制信号(RSC)决定所述信号调理模块(21、22)采用所述第二增益(b)；当所述数字信号大于等于所述第一阈值(A)而小于所述第二阈值(B)时，所述量程开关控制信号(RSC)决定所述信号调理模块(21、22)采用的增益(a或b)不变；当所述数字信号大于等于所述第二阈值(B)时，所述量程开关控制信号(RSC)决定所述信号调理模块(21、22)采用所述第一增益(a)。

15.如权利要求12至14中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，步骤S6包括：

步骤S61：将所述量程开关控制信号(RSC)加到所述数字信号来决定所述处理器(53)采用的所述增益(a、b)。

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