CN102636769B

CN102636769B - 一种电能表误差计算器及误差计算方法

Info

Publication number: CN102636769B
Application number: CN201210112992.8A
Authority: CN
Inventors: 张红; 陈琳; 李鹏; 李哲; 李琮琮; 杨静; 徐鼎
Original assignee: 山东电力研究院; 国家电网公司
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2014-08-27
Also published as: CN102636769A

Abstract

本发明公开了一种电能表误差计算器,包括单片机、10M恒温晶振、5分频器、100分频器；单片机带有四个计数器，其中两个计数器带捕捉功能；本电能表误差计算器通过捕捉中断、脉冲调制、采用了模糊控制理念、设置参数优化处理的误差计算方法，从硬件及软件设计上保证了采集脉冲的精度问题。另外本发明的误差计算器还特别解决了低频脉冲控制低频脉冲的测量精度问题和测量时间问题，在保证测量精度的情况下，大幅度的提高工作效率。

Description

一种电能表误差计算器及误差计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用到0.01级三相电能表检定装置上的电能表误差计算器硬件和方法，特别涉及一种电能表误差计算器及误差计算方法。

背景技术

[0002] 传统的误差计算方法都是将被校表接入的脉冲类型进行了分类，是接入高频脉冲，还是接入低频脉冲，这项工作是在校验前都必须解决好的问题，如果在校验前没有处理，传统上的误差计算器都有可能死机，或者是工作不正常；其次，按照传统上的误差计算方法，使用者需要设置很多参数，才能保证误差计算器工作正常，对于设计者还是使用者都需要去区别这些不同的参数类型，增加了很多设置麻烦；传统误差计算器的脉冲计数器中断处理过程多数采用软件中断，控制方法大多采用了绝对定时控制理念。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题，提供一种提高误差计算器计算精度和控制精度的方法，本发明还提供一种按照此方法设计出误差计算器，并将该误差计算器应用到0.01级三相电能表检定装置上，它具有在保证测量精度的情况下，大幅度的提高工作效率优点。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

[0005] 本发明的电能表误差计算器，包括单片机、IOM恒温晶振、5分频器、100分频器；单片机带有四个计数器，其中两个计数器带捕捉功能；恒温晶振分别接100分频器和5分频器，100分频器接单片机的T2计数器，5分频器接单机片的T3计数器，被校表接入单片机的TO计数器和TO捕捉中断，标准表接入单片机的Tl计数器和Tl捕捉中断，单片机通过串口连接计算机；10M恒温晶振作为脉冲调制的填充脉冲，经过100分频和5分频后分别接入单片机的T2和T3计数器，其中T2计数器接IOOKHz脉冲，该标准晶振脉冲作为时间控制量的内部计数用，T3计数器接2MHz脉冲，该标准晶振脉冲作为脉冲调制的填充脉冲，被校表脉冲接入单片机的TO计数器和TO捕捉中断，标准表脉冲接入单片机的Tl计数器和Tl捕捉中断，单片机计算好的数据通过串口传给计算机。

[0006] 本发明还提供了一种电能表误差计算方法，其步骤如下:

[0007] (I)捕捉中断

[0008] 捕捉中断的实现过程为在检测到被校表输出脉冲的上升沿脉冲时，就将标准表高频脉冲对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，执行操作。

[0009] (2)脉冲调制

[0010] 用一个输出频率高的脉冲去填充输出频率低的脉冲，通过精确测量标准脉冲和被校表脉冲的输出频率，由这两个输出频率去计算误差，从而实现精确测量电能误差的目的。

[0011] ①计算频率

[0012] 被校表频率=(被校表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz[0013] 标准表频率=(标准表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz

[0014] ②计算周期

[0015] 被校表周期=标准晶振累积脉冲数/ (被校表累积脉冲数*2000000) s

[0016] 标准表周期=标准晶振累积脉冲数/(标准表累积脉冲数*2000000) s

[0017] ③计算Is代表的电能

[0018] 被校表采集Is的电能值(El)=被校表频率/被校表常数

[0019] 标准表采集Is的电能值(E2)=标准表频率/标准表常数

[0020] ④推导出误差计算公式

[0021] E = [(El/E2)-l]*100%

[0022] = [(N1*M2*C2)/(N2*M1*C1)-1]*100% [0023] N1:被校表累积的脉冲数；N2:标准表累积的脉冲数；

[0024] Cl:被校表常数；C2:标准表高频常数；

[0025] Ml:根据整数个被校表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数；

[0026] M2:根据整数个标准表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数；

[0027] (3)采用了模糊控制理念

[0028] 采用时间作为控制量，本方法的控制量是一个大概的控制周期，具体的精确控制是由被校表的输出脉冲上升沿进行控制。

[0029] (4)设置参数优化处理

[0030] 将被校表的高频常数和低频常数合为一个参数，将预置被校表高频脉冲数和预置被校表低频脉冲数合为一个参数。

[0031] 捕捉中断的特点为:采用边沿触发，可以选择脉冲的上升沿或下降沿作为触发条件；中断响应同时就将标准脉冲计数器的当前值存入捕捉寄存器，相比软件中断响应的时间可以大幅降低，基本上类似于硬件中断；捕捉寄存器和标准脉冲计数器都是16位计数器，可以通过软件扩展为32为计数器。

[0032] 脉冲调制的技术特点为:引入测试频率的方法；硬件设计上采用了高精度、高稳定性、高频率的恒温晶振；采用了模糊控制理念；控制时间不同步，对电源的稳定度提出了很高的要求；硬件设计时，被校表脉冲和标准表脉冲都采用了捕捉中断。

[0033] 设置参数优化处理的优点是:减少设置量，避免各种方式设置参数相互混淆；将校验低频和校验高频两种方式合起来处理；增加了软件防护处理，可以根据被校表的实际常数进行出错判断。

[0034] 硬件中断与软件中断的差异比较:

[0035] 图1中，在控制量的第一个上升沿到来时，将被控制量的信息保存到计数器中，没有时间上的延时；在控制量的第二个上升沿到来时，将被控制量的信息再次保存到计算器中，被控制量对应的计数器两次保存的信息只有±1个脉冲的误差，即误差表示公式是:

土 I

[0036] Δ =—

m

[0037] 图2中，在控制量的第一个上升沿到来时，由于系统采用的是软件中断，因而由中断响应上的延时，被控制量的信息不能立即保存到计数器中，存在一个系统中断响应时间上的延时Atl ;由于Atl的问题，就会使被控制量的计数器存在Aml的计数误差；在控制量的第二个上升沿到来时，还是由于中断响应上的延时，被控制量的信息不能立即保存到计数器中，存在一个系统中断响应时间上的延时At2;由于Λ t2的问题，就会使被控制量的计数器存在Am2的计数误差；两次系统中断的响应时间Atl和Λ t2有可能不相等，因而对应被控制量的计数器两次计数误差Aml和Am2也不会相等，也就是说软件中断带来了一个新误差，就是Δ m2-Aml ;误差表不公式是:

[0038] Δ tl 关 Δ t2

[0039] Δ m2-Aml Φ O

[0041] 绝对定时与模糊定时的差异:

[0042] 图3中，在控制量t的第一个上升沿到来时，即将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，被控制量Fl和F2可能还没有到整数个脉冲，存在一个计数误差Λ I和Δ 2 ;在控制量t结束时，也是直接将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，被控制量Fl和F2同样存在不是整数个脉冲的情况，同样存在一个计数误差；在控制量的这段时间内，计数器保存了两个计数值，两个计数值相减就是这段时间内被控制量的计数值ml和m2 ;从理论上来将，这个计数误差不会超过2个，在这里就用I个来表示了；绝对定时控制的误差表不公式是:

[0046] 图4中，在控制量t的第一个上升沿到来时，没有直接将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，而是等待被控制量F2的上升沿脉冲到来，在F2的第一个上升沿脉冲到来时，再将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，这时需要注意的是:被控制量F2是整数个脉冲，计数误差是O ;被控制量Fl可能还没有到整数个脉冲，存在一个计数误差△ I ;在控制量t结束时，也是没有直接将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，而是等待被控制量F2的上升沿脉冲到来，在F2的上升沿脉冲到来时，再将被控制量Fl和F2的信息保存到对应的计数器中，同样这时需要注意的是:被控制量F2是整数个脉冲，计数误差是O;被控制量Fl可能还没有到整数个脉冲，存在一个计数误差Al ;在控制量的这段时间内，计数器保存了两个计数值，两个计数值相减就是这段时间内被控制量Fl和F2的计数值ml和m2 ;从理论上来将，被控制量F2的计数值m2是整数个脉冲，误差是O ;被控制量Fl的计数误差不会超过2个，在这里就用I个来表示了；

[0047] 从以上叙述可以看出，控制量t在这里只是起到了模糊控制的作用，没有达到精确控制，精确控制是由被控制量F2的上升沿去控制的，这种控制理念将整个系统的计数误差降低了，特别适用于F2的输出频率低于Fl的输出频率这种情况。模糊定时控制的误差表示公式是:

[0049] 平均功率比较与脉冲调制的差异:

[0050] 图5中，可以看出此方法的理论误差来源主要是被控制量，因为控制量永远是整数个脉冲(零误差)，被控制量有土 I个脉冲的误差，(在这里所谓的土 I个脉冲误差就是说在整个测量过程中参与计算的脉冲数可能会多一个或少一个)因而此控制方法的理论误差计算公式可以用下述公式表示(Π1代表被控制量的总脉冲个数，f代表被控制量的脉冲频率，t代表控制时间)。

[0052]当 f(x) < IKHz 时，

[0053] 从此公式中可以得到以下信息，当f丨时(即被控制量的脉冲频率比较低)，如果想使误差△丨(即提高这时的测量误差精度，也就是说△值变小，误差精度就会提高，在这里主要描述的是误差变化趋势，而非具体数值的大小)，就需要使t丨(测量时间提高)才能保证准确度。举例如下:当脉冲频率f = 500Hz时,取控制量(测量时间)t = Is,则误差 Λ =0.2% (Λ = (1 + 500) Χ100);如果想使误差 Λ = (I + (500X2000) X 100)=0.0001% (也就是说想提高此控制方法的理论误差级别)，则控制量(测量时间)t =2000s ;从上面的描述中可以看出，如果被控制量的输出脉冲频率较低时，想提高这时的测量精度“误差△丨”，就只有通过增加控制量(测量时间)才可达到，这就是目前传统误差控制方法的缺陷，如果在被校表脉冲和标准表脉冲的输出频率都比较低的情况下，想提高测量精度，则只有延长控制时间，从而造成工作效率低、增加劳动成本等等负面影响。

[0054] 本发明的有益效果:电能表误差计算器从硬件及软件设计上保证了采集脉冲的精度问题；另外本发明的误差计算器还特别解决了低频脉冲控制低频脉冲的测量精度问题和测量时间问题。起到的积极效果是，在保证测量精度的情况下，大幅度的提高工作效率。

0.01级12表位三相电能表检定装置便成功应用了这种控制方法，也解决了类似RM11、RM10系列标准表在实际应用过程中比较突出的工作效率问题，通过成功应用的经验，这种控制方法也可以广泛应用到其它精确测量领域中。

附图说明

[0055] 图1是硬件中断控制时序图。

[0056] 图2是软件中断控制时序图。

[0057] 图3是绝对定时控制时序图。

[0058] 图4是平均功率比较控制时序图。

[0059] 图5是模糊定时控制时序图。

[0060] 图6是电能表误差计算器设计原理图。

[0061] 图7是捕捉中断原理图。

[0062] 图8是脉冲调制控制时序图。

[0063] 图9是模糊控制时序原理图。

具体实施方式[0064] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0065] 实施例1:

[0066] 图6中，本实施例的电能表误差计算器采用了高精度、高稳定的IOM恒温晶振作为脉冲调制的填充脉冲，经过100分频和5分频后分别接入单片机的T2和T3计数器，其中T2计数器接IOOKHz脉冲，该标准晶振脉冲作为时间控制量的内部计数用，T3计数器接2MHz脉冲，该标准晶振脉冲作为脉冲调制的填充脉冲，被校表脉冲CLK接入单片机的TO计数器和TO捕捉中断，标准表脉冲FH接入单片机的Tl计数器和Tl捕捉中断，单片机计算好的数据通过RS232串口传给计算机。

[0067] 单片机:采用ATMEL公司生产的AVR单片机，ATMEGA128,该款单片机有4个计数器，其中两个计数器带捕捉功能。

[0068] 分频器:采用74LS390芯片。

[0069] 实施例2:

[0070] (I)捕捉中断:

[0071] 如图7所示，捕捉中断的实现过程，在检测到被校表输出脉冲的上升沿脉冲时，就将标准表高频脉冲对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，执行一些相应的操作，从这个过程看是先保存计数值再去响应中断处理程序，这个计数值基本上没有时间上延时，类似于硬件中断。

[0072] (2)脉冲调制:

[0073] 脉冲调制是用一个输出频率高的脉冲去填充输出频率低的脉冲，这种方法与测量频率或测量周期的实现方法一样；脉冲调制的控制方法如图二所示，Ft就是所谓的比未知脉冲频率要高得多的填充脉冲(即2MHz的标准脉冲也就是说每秒有2000000个脉冲)，Fx和H)就是所谓的未知脉冲(即Fx是被校表脉冲，H)是标准表脉冲)，这个图就是脉冲调制控制时序图，实际上就是测量Fx和H)频率的实现原理图，T作为时间控制量，实现模糊控制。

[0074] 具体控制过程是:在时间控制量的起始点，先打开Fx和H)的脉冲捕捉中断，捕捉中断打开后一旦侦测到Fx和H)输出脉冲的上升沿，就会将Fx和H)对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，将Fx和H)对应的填充脉冲计数器当前计数值保存，并执行一些相应的操作和关闭捕捉中断；在时间控制量的结束点，打开Fx和FO的脉冲捕捉中断，捕捉中断打开后一旦侦测到Fx和FO输出脉冲的上升沿，就会将Fx和H)对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，将Fx和H)对应的填充脉冲计数器当前计数值保存，并执行一些相应的操作和关闭捕捉中断；这时就完成了一个校验周期的精确控制，并在校验周期内得到四个值mx和MX、m0和MO (其中MX是Fx的填充脉冲在规定时间内记录的填充脉冲数量，mx是Fx在规定时间内记录的被校表脉冲数量)，(其中MO是H)的填充脉冲在规定时间内记录的填充脉冲数量，mO是H)在规定时间内记录的标准表脉冲数量)。从控制图上也可以看出mx和mO都是整数个脉冲(零误差)，而MX和MO不是整数个脉冲(就是说会存

在±1个脉冲的误差)，因而此控制方法的理论误差计算公式可以用下述公式表示。

[0075] Δ = +_1/MX++_1/M0[0076] 从此公式中可以得到以下信息，当测量时间t = Is时，被控制量Mx和MO仍能够达到2MHz的脉冲个数(因为填充脉冲Ft的输出频率可以达到2MHz，即I秒内能够输出2000000个脉冲)，则从公式I中可以简单计算出误差Λ =((1/2000000+1/2000000) X 100) = 0.0001%,同传统控制方法相比，得到相同的误差精度，其控制时间可以大大缩短，(从2000s的控制时间缩短到Is)提高了工作效率。

[0077] 从图8中也可以看出，填充脉冲MX和MO的计数开始和计数终止都是由被校表脉冲Fx和标准表脉冲H)的上升沿去控制的，根据此控制方法，在规定测量时间内，被校表、标准表采集的都是整数个脉冲周期(没有误差)，但是由被校表脉冲、标准表脉冲控制的填充脉冲Mx和MO在采集时间上是不同步的，也就是说由Mx和MO代表的被校表、标准表累积电能不一致，这样又会带来新误差，但是这种误差可以通过保证电源的输出功率稳定度，来降低采集时间的不同步在系统误差中的影响，(因为虽然测量时间是不同步的，但是在整个测量过程中，被校表和标准表的电能脉冲输出都是与当前电源输出功率大小成正比的，并且这个不同步的时间又是非常短，在这么短的时间内，如果保证了电源的输出功率稳定度，也就可以近似的把这个不同步时间内的功率看成是不变的，即恒定值，这样从理论上讲这种不同步测量的影响就可以忽略。)0.01级12表位三相电能表检定装置，其电源输出功率稳定度可以达到0.005% /2分钟(参照评定方法是采用JJG597-2005中附录B2方法)。脉冲调制就是通过精确测量标准脉冲和被校表脉冲的输出频率，由这两个输出频率去计算误差，从而实现精确测量电能误差的目的。

[0078] 计算公式推导:

[0079] 第一步、计算频率:

[0080] 被校表频率=(被校表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz[0081 ] 标准表频率=(标准表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz

[0082] 第二步、计算周期:

[0083] 被校表周期=标准晶振累积脉冲数/ (被校表累积脉冲数*2000000) s

[0084] 标准表周期=标准晶振累积脉冲数/ (标准表累积脉冲数*2000000) s

[0085] 第三步、计算Is代表的电能

[0086] 被校表采集Is的电能值(El)=被校表频率/被校表常数

[0087] 标准表采集Is的电能值(E2)=标准表频率/标准表常数

[0088] 第四步、推导出误差计算公式

[0089] E = [(El/E2)-l]*100%

[0090] = [(N1*M2*C2)/(N2*M1*C1)-1]*100%

[0091] N1:被校表累积的脉冲数N2:标准表累积的脉冲数

[0092] Cl:被校表常数C2:标准表高频常数

[0093] Ml:根据整数个被校表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数

[0094] M2:根据整数个标准表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数

[0095] 比较此误差计算公式和传统的误差计算公式，可以看出，分子、分母都扩大了 M2、Ml倍，计算精度肯定能够提高，另外，N1、N2都是整数，没有误差，因此这种误差计算方法比前面的要更加精确。

[0096] (3)采用了模糊控制理念:[0097] 模糊控制:按照字面意思理解就是不精确控制；本设计理念仍采用时间作为控制量，但是这个控制量只是提供了一个大概的控制周期，具体的精确控制是由被校表的输出脉冲上升沿进行控制的。

[0098] (4)设置参数优化处理:

[0099] 如图9所示，具体实现过程是，在时间控制量的起始点，先打开被校表的脉冲捕捉中断，捕捉中断打开后一旦侦测到被校表输出脉冲的上升沿，就会将标准表高频脉冲对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，执行一些相应的操作，并关闭了捕捉中断；从时间控制上没有在时间控制量的起始点去控制而是用被校表的脉冲沿去控制，时间上滞后了，但是被校表的脉冲计数保证了整数个脉冲；在时间控制量的终止点，先打开被校表的脉冲捕捉中断，捕捉中断打开后一旦侦测到被校表输出脉冲的上升沿，就会将标准表高频脉冲对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，执行一些相应的操作，并关闭了捕捉中断；这时就完成了一个校验周期的精确控制，时间控制量提供一个大概的校验周期，这就是模糊控制的整个过程；从这个控制过程看，控制时间比绝对定时控制有所滞后，但是能够保证整个校验周期采集到的被校表脉冲数是整数个，降低了整体系统的计数误差。

[0100] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种电能表误差计算器，其特征是，包括单片机、IOM恒温晶振、5分频器、100分频器；单片机带有四个计数器，其中两个计数器带捕捉功能；恒温晶振分别接100分频器和5分频器，100分频器接单片机的T2计数器，5分频器接单机片的T3计数器，被校表接入单片机的TO计数器和TO捕捉中断，标准表接入单片机的Tl计数器和Tl捕捉中断，单片机通过串口连接计算机；10M恒温晶振作为脉冲调制的填充脉冲，经过100分频和5分频后分别接入单片机的T2和T3计数器，其中T2计数器接IOOKHz脉冲，该晶振脉冲作为时间控制量的内部计数用，T3计数器接2MHz脉冲，该晶振脉冲作为脉冲调制的填充脉冲，被校表脉冲接入单片机的TO计数器和TO捕捉中断，标准表脉冲接入单片机的Tl计数器和Tl捕捉中断，单片机计算好的数据通过串口传给计算机。

2.一种电能表误差计算方法，其步骤如下: (1)捕捉中断；捕捉中断的实现过程为在检测到被校表输出脉冲的上升沿脉冲时，就将标准表高频脉冲对应的计数器的当前值存入捕捉寄存器，再去响应捕捉中断，进入捕捉中断的中断处理程序中，执行操作； (2)脉冲调制; 用一个输出频率高的脉冲去填充输出频率低的脉冲，通过精确测量标准脉冲和被校表脉冲的输出频率，由这两个输出频率去计算误差，从而实现精确测量电能误差的目的； 'I'汁算频率: 被校表频率=(被校表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz 标准表频率=(标准表累积脉冲数/标准晶振累积脉冲数)*2000000Hz ②计算周期: 被校表周期=标准晶振累积脉冲数/ (被校表累积脉冲数*2000000) s 标准表周期=标准晶振累积脉冲数/ (标准表累积脉冲数*2000000) s ③计算Is代表的电能: 被校表采集Is的电能值El=被校表频率/被校表常数标准表采集Is的电能值E2=标准表频率/标准表常数 ④推导出误差计算公式: E=[(E1/E2)-1]*100% =[(N1*M2*C2)/(N2*M1*C1)-1]*100% N1:被校表累积的脉冲数 N2:标准表累积的脉冲数 Cl:被校表常数 C2:标准表高频常数 Ml:根据整数个被校表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数 M2:根据整数个标准表脉冲所卡定的标准晶振脉冲数 (3)采用了模糊控制理念；采用时间作为控制量，本方法的控制量是一个大概的控制周期，具体的精确控制是由被校表的输出脉冲上升沿进行控制； (4)设置参数优化处理；将被校表的高频常数和低频常数合为一个参数，将预置被校表高频脉冲数和预置被校表低频脉冲数合为一个参数。