CN102654523B - 一种电能计量中启动潜动状态的判定方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能计量中启动潜动状态的判定方法及装置。本发明通过采用电压与电流相乘来计算瞬时功率和潜动门限功率,并对他们分别进行积分运算,然后分别与一预设门限能量相比较,来判定电能计量的启动和潜动状态。本发明通过采用电压与电流相乘的互相关运算,之后进行积分运算的结果作为判定依据进行启动潜动状态判定,可以降低噪声对启动潜动状态判定的影响;同时通过采用积分器对启动潜动状态的判断依据进行计算,即利用能量累加的运算方法,以很小的代价实现了启动潜动状态的判定。

Description

一种电能计量中启动潜动状态的判定方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及数字信号处理技术领域,尤其是一种电能计量中启动潜动状态的判定方法及装置。
背景技术
[0002] 电能计量应用是通过将测量到的电压信号值乘以电流信号值得到电能功率值,对这个功率值按时间进行积分获得电能能量作为电能计量结果。电能累加的速度,或者一段时间内的平均功率,我们可以采用一个脉冲信号CF的频率来表征。通常的方法是,以一个固定时间间隔对瞬时功率P进行积分,积分结果存入E,当E中累计的能量大于一个门限值Eth时,我们称之为发生一次溢出,此时,应当发生一次CF信号,同时从E中减去Eth,E从减法结果开始重新积分,直到发生下一次溢出。可以看到能量累加越快(或者平均功率越大),E溢出的速度越快,对应的CF脉冲信号频率越高。
[0003] 电能计量应用中,电压信号通常是一个常量,或者基本稳定的值,例如在中国,电压信号通常为220伏。电流信号则随着用户的用电状态变化很大,可能是一个很大的值,例如数十安培,也可能是一个很小的值,例如几十毫安,无论电流大小,只要是用户的真实用电,都应当进行计量和收费。当用户没有用电时,理论上电流信号应当是0,但是由于噪声和设备的微弱漏电,实际上此时计量设备有可能测量到一个微弱的电流,这个微弱的电流由于并不是用户的真实用电,不应该被计量和收费。
[0004] 电能计量标准对上述情况进行了定义,规定当计量设备测量到的电流值大于某个规定门限时,计量进入启动状态,此时,计量设备测量到的电流对应的能量应当被计量和计费,即此时的P应当计入E ;当计量设备测量到的电流值小于某个规定门限时,计量进入潜动状态,此时,计量设备测量到的电流对应的能量不应当被计量和收费,即此时的P不应当计入E。
[0005]目前,主要的启动潜动状态的判定方法是基于电流有效值和门限值的比较。电流有效值的计算是通过对电流瞬时值的平方值进行低通滤波然后开方获得,由于这个方法是对电流信号的自相关相乘,在噪声比较大时,即使电流实际交流分量为0,也会计算出较大的电流有效值,不利于启动潜动状态的判定。这个方法的一个改良的方法是通过对电流信号进行以50Hz为中心的带通滤波后再计算电流有效值,这样可以减少有效值计算中噪声的影响,但是这样一来,在滤除噪声的同时,将50Hz基波的谐波也一并滤除,当基波含量很少而谐波含量很大的用电环境中,会产生误判进入潜动状态,导致此时谐波能量没能被计量。
发明内容
[0006] 为了克服现有技术在噪声较大或者基波含量较少而谐波含量较大的用电环境中,启动潜动状态产生误判的不足,本发明提供一种电能计量中启动潜动状态的判定方法及装置,通过采用电压与电流相乘的互相关运算结果进行启动潜动判定,可以降低噪声对启动潜动状态判定的影响;同时通过采用积分器对启动潜动状态的判断依据进行计算,即利用能量累加的运算方法,以很小的代价实现了启动潜动状态的判定。
[0007] 本发明提供了一种电能计量中启动潜动状态的判定方法,包括如下步骤:
[0008] 步骤一,计算实际电压/电流信号的瞬时功率;
[0009] 步骤二,对瞬时功率P进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ;
[0010] 步骤三,设定潜动门限功率Pt,并对潜动门限功率Pt进行积分,得到启动潜动状态的第二判断依据Et ;
[0011] 步骤四,根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定;
[0012] 如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于预设能量门限TH,判定电能计量进入启动状态,并将Et清零;
[0013] 如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态,并将E清零;
[0014] 如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
[0015] 在上述方法的步骤二和步骤三中,对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值范围为[0.01,l]ms,优选值为0.lms。
[0016] 在上述方法的步骤四中,所述电能计量保持原有状态不变,即进行步骤四的判定之前若为启动状态,则保持启动状态;若为潜动状态,则保持潜动状态。
[0017] 本发明提供了一种电能计量中启动潜动状态的判定装置,包括如下单元:电压测量单元,电流测量单元,瞬时功率计算单元,瞬时功率积分单元,潜动门限功率设置单元,潜动门限功率积分单元,启动潜动状态判定单元,其中,
[0018] 电压测量单元用于测量输入电压的幅度,并输出给瞬时功率计算单元和潜动门限功率计算单元;
[0019] 电流测量单元用于测量输入电流的幅度,并输出给瞬时功率计算单元;
[0020] 瞬时功率计算单元将电压测量单元和电流测量单元的输出结果相乘,得到瞬时功率;
[0021] 瞬时功率积分单元对瞬时功率进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ;
[0022] 潜动门限功率设置单元根据电能计量装置的标准设定潜动门限功率;
[0023] 潜动门限功率积分单元对潜动门限功率进行积分,得到启动潜动状态的第二判断依据Et ;
[0024]启动潜动状态判定单元根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定;如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于预设能量门限TH,判定电能计量进入启动状态,并将Et清零;如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态,并将E清零;如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
[0025] 在上述瞬时功率积分单元和潜动门限功率积分单元中,对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值范围为[0.01,1] ms,优选值为0.1ms0
[0026] 在启动潜动状态判定单元中,所述电能计量保持原有状态不变,即进行判定之前若为启动状态,则保持启动状态;若为潜动状态,则保持潜动状态。
[0027] 与现有技术相比较,本发明通过采用电压与电流相乘的互相关运算,之后进行积分运算的结果作为判定依据进行启动潜动状态判定,可以降低噪声对启动潜动状态判定的影响;同时通过采用积分器对启动潜动状态的判断依据进行计算,即利用能量累加的运算方法,以很小的代价实现了启动潜动状态的判定。
附图说明
[0028] 图1是本发明的一种电能计量中启动潜动状态的判定方法的一个实施方式的流程图。
[0029] 图2是本发明的一种电能计量中启动潜动状态的判定装置的一个实施方式的模块图。
具体实施方式
[0030] 以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明。
[0031] 请参阅图1所示,是本发明的一种电能计量中启动潜动状态的判定方法的一个实施方式的流程图,该方法包括如下步骤:
[0032] 步骤S101,计算实际电压/电流信号的瞬时功率P ;
[0033] 设信号频率为F,电流和电压的信号分别为:
[0034] V (t) = Vcos (2 31 Ft) +Nv, V为电压幅度,Nv为电压信号噪声;
[0035] i (t) = Icos (2 Ft) +Iv, I为电流幅度,Iv为电流信号噪声;
[0036] 二者相乘,得到瞬时功率P:
[0037]
Figure CN102654523BD00061
[0038] 步骤S102,对瞬时功率P进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ;
Figure CN102654523BD00062
[0040] 上式中是直流量,其它的或者是交流量,或者是交流量与噪声相乘,或者是电压噪声乘以电孤^采卢;交流量积分结果为O,交流量与噪声相乘积分结果为O,电压/电流
噪声是不相关噪声,其乘积积分为零;因此,上式可以简化为:
Figure CN102654523BD00063
,可以看到,这是一个与电压/电流噪声无关的值。
[0041] 实际上在数字系统中积分通过下面的方式进行计算:
[0042] E (n) =E (η-1)+P (η),η=0, I, 2,3,...,两次累加时间间隔通常为0.1ms,甚至更短。
[0043] 步骤S103,设定潜动门限功率Pt,对潜动门限功率Pt进行积分,得到启动潜动状态的第二判断依据Et ;[0044] 潜动门限功率Pt根据电能计量装置的标准设定,例如,根据中国国家标准,将I类电能计量装置的潜动门限功率设定为标定功率的0.1%,因此Et是一个常量的时间积分。
[0045] 实际上在数字系统中积分通过下面的方式进行计算:
[0046] Et (n) =Et (η-1) +Pt,n=0, I, 2...,两次累加时间间隔与第一判断依据E的累加时间间隔相同。
[0047] 步骤S104,根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定:
[0048] A.如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于门限TH,判定电能计量进入启动状态,并将Et清零,将E减去TH之后准备重新计算瞬时功率积分;
[0049] B.如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态,并将E清零,将Et减去TH之后准备重新计算潜动门限功率积分;
[0050] C.如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
[0051] 以下对上述判定原则做详细说明:
[0052] a.当E大于或者等于TH时,发生一次E的溢出,说明前一阶段(从上一次溢出或者清零到此次启动)积分过程中,平均功率大于或者等于启动功率,由于电压信号基本是一个稳定值,这也就说明,前一阶段中,平均电流大于或者等于启动门限电流,定义这个溢出表示一个启动事件,判定电能计量进入启动状态,E产生的启动事件将清空Et, Et将重新从零开始累加,准备下一次比较。
[0053] b.当Et大于或者等于TH时并且E小于TH时,发生一次Et的溢出,说明前一阶段(从上一次溢出或者清零到此次启动)积分过程中,平均功率小于启动功率,由于电压信号基本是一个稳定值,这也就说明,前一阶段中,平均电流小于启动门限电流,定义这个溢出表示一个潜动事件,判定计量进入潜动状态,前一阶段的功率不应计入E,所以应当清空E,使得E从零开始累计,准备下一次与Et的比较,即Et产生的潜动事件将清空E。
[0054] c.如果上述事件没有发生,判定计量保持在原有状态,即之前处于启动状态,计量就保持在启动状态,反之亦然。
[0055] 在步骤S104中,预设的能量门限TH的取值根据下式确定:
[0056]
Figure CN102654523BD00071
[0057] 上式中的常量为当瞬时功率P等于标定功率时,启动潜动状态的第一判断依据E在I秒内等于预设的能量门限TH的次数,根据实际应用确定。通常设定当电流小于等于标定电流Ib的0.1%时,电能计量进入潜动状态,标定电流Ib对应的功率应当每Is左右发生一次溢出,功率的累加速度约为IOKHz(积分周期为0.1ms,即0.0001s),这样THA3ifee=IO, 000,Pt对应的电流是标定电流Ib的0.1%,所以TH/Pt=10,000, 000。由此可以确定,预设的能量门限TH的取值为标定功率/ 0.0001 XI,即10000X标定功率。
[0058] 以下详细介绍在当基波含量很少而谐波含量很大的用电环境中,本发明提供的方法的具体实施方式是如何将谐波的能量计入的:[0059] 设信号频率为F,第M次谐波电流和谐波电压的信号分别为:vM(t)=VmCos (2 Ji MFt)+Nv, Vm为M次谐波的电压幅度,Nv为电压信号噪声。iM(t)=I„cos (2 MFt) +Ni, Im为M次谐波的电流幅度,Ni为电流信号噪声。
[0060] 二者相乘,得到M次谐波的瞬时功率Pm:
[0061]
Figure CN102654523BD00081
[0062] 对瞬时功率Pm进行积分,得到能量Em:
[0063]
Figure CN102654523BD00082
[0064] 上式中,是直流量,其它的或者是交流量,或者是交流量与噪声相乘,或者
是电压噪声乘以电流噪声;交流量积分结果为O,交流量与噪声相乘积分结果为O,电压/电流噪声是不相关噪声,其乘积积分为零。因此,上面得到的Em值可以简化为:
[0065]
Figure CN102654523BD00083
[0066] 这样谐波能量也会被计入。
[0067] 请参阅图2所示,是本发明的一种电能计量中启动潜动状态的判定装置的模块图,包括如下单元:电压测量单元201,电流测量单元202,瞬时功率计算单元203,瞬时功率积分单元204,潜动门限功率设置单元205,潜动门限功率积分单元206,启动潜动状态判定单元207,其中,
[0068] 电压测量单元201用于测量输入电压的幅度V,并输出给瞬时功率计算单元;设信号频率为F,则电流信号为:
[0069]
Figure CN102654523BD00084
[0070] 电流测量单元202用于测量输入电流的幅度I,并输出给瞬时功率计算单元;i (t)=Icos (2 Ft) +Iv, I为电流幅度,Iv为电流信号噪声;
[0071] 瞬时功率计算单元203将电压测量单元和电流测量单元的输出结果相乘,得到瞬时功率P:
[0072]
Figure CN102654523BD00085
[0073] 瞬时功率积分单元204对瞬时功率进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ;
T j
[0074] 五=ί VI{\ +co^AnFt)+ Vco%{2nFt^Ni +1cos(2nFt)Nt + NiNt)dt
tU 2 '
[0075] 上式中,是直流量,其它的或者是交流量,或者是交流量与噪声相乘,或者是电压噪声乘以电流噪声;交流量积分结果为O,交流量与噪声相乘积分结果为O,电压/电流噪声是不相关噪声,其乘积积分为零;因此,上式可以简化为:
Figure CN102654523BD00091
,可以看到,这是一个与电压/电流噪声无关的值。
[0076] 实际上在数字系统中积分通过下面的方式进行计算:
[0077] E(n)=E(n-l)+P(n),n=0, 1, 2,3,...,两次累加时间间隔为 0.1ms,甚至更短。
[0078] 那么
Figure CN102654523BD00092
[0079] 潜动门限功率设置单元205根据电能计量装置的标准设定潜动门限功率;
[0080] 潜动门限功率Pt根据电能计量装置的标准设定,例如,根据中国国家标准将I类电能计量装置的潜动门限功率设定为标定功率的0.1%,因此Et是一个常量的时间积分。
[0081] 实际上在数字系统中积分通过下面的方式进行计算:
[0082] Et (n) =Et (η-1) +Pt,n=0, I, 2...,两次累加时间间隔与第一判断依据E的累加时间间隔相同。
[0083]启动潜动状态判定单元207根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定;如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于预设能量门限TH,判定电能计量进入启动状态,并将Et清零;如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态,并将E清零;如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
[0084] 在上述瞬时功率积分单元和潜动门限功率积分单元中,对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期[0.01, l]ms,优选值为0.lms。
[0085] 在启动潜动状态判定单元中,所述电能计量保持原有状态不变,即进行判定之前若为启动状态,则保持启动状态;若为潜动状态,则保持潜动状态。
[0086] 在启动潜动状态判定单元中,预设的能量门限TH的取值根据下式确定:
[0087]
Figure CN102654523BD00093
[0088] 上式中的常量为当瞬时功率P等于标定功率时,启动潜动状态的第一判断依据E在I秒内等于预设的能量门限TH的次数,根据实际应用确定。例如,标定电流Ib对应的功率在每Is左右发生一次溢出,功率的累加速度约为IOKHz(积分周期为0.1ms,即0.0001s),由此可以确定,预设的能量门限TH的取值为标定功率/ 0.0001 XI,即10000X标定功率。
[0089] 此外,如果采用电流有效值进行启动潜动判断,需要对电流瞬时值进行平方然后积分平均以计算有效值,那么电流信号上的所有噪声都将被计入有效值,在信号较小时,噪声能量甚至会大于电流信号本身能量,无法进行启动潜动判断,为此需要将电流信号从噪声中提取出来,这样就需要很多带通滤波器将电流信号(50Hz基波信号及其2、3、4等等高次谐波)提取出来,这样的运算会非常复杂。而采用功率的方案,由于电压、电流的噪声互不相关,对电压电流乘积,即功率信号的积分过程就可以自然的将噪声滤除,相对计算电流有效值,本发明的实施方式结构非常简单。
[0090] 与现有技术相比较,本发明通过采用电压与电流相乘的互相关运算,之后进行积分运算的结果作为判定依据进行启动潜动状态判定,可以降低噪声对启动潜动状态判定的影响;同时通过采用积分器对启动潜动状态的判断依据进行计算,即利用能量累加的运算方法,以很小的代价实现了启动潜动状态的判定。
[0091] 可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电能计量中启动潜动状态的判定方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤一,计算实际电压/电流信号的瞬时功率; 步骤二,对瞬时功率P进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ; 步骤三,设定潜动门限功率Pt,并对潜动门限功率Pt进行积分,得到启动潜动状态的第二判断依据Et ; 步骤四,根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定; 所述的启动潜动状态判定原则是: 如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于预设能量门限TH,判定电能计量进入启动状态; 如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态; 如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
2.如权利要求1所述的电能计量中启动潜动状态的判定方法,其特征在于,所述的对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值范围为[0.01,l]ms。
3.如权利要求1所述的电能计量中启动潜动状态的判定方法,其特征在于,所述的对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值为0.1ms0
4.如权利要求1所述的电能计量中启动潜动状态的判定方法,其特征在于,所述的电能计量保持原有状态不变,即进行步骤四的判定之前若为启动状态,则保持启动状态;若为潜动状态,则保持潜动状态。
5.如权利要求1所述的电能计量中启动潜动状态的判定方法,其特征在于,所述的潜动门限功率Pt根据电能计量装置的标准设定;所述的预设的能量门限TH的取值根据下式确定: 常量 积分周期 上式中的常量为当瞬时功率P等于标定功率时,启动潜动状态的第一判断依据E在I秒内等于预设的能量门限TH的次数,根据实际应用确定。
6.一种电能计量中启动潜动状态的判定装置,其特征在于,包括如下单元:电压测量单元,电流测量单元,瞬时功率计算单元,瞬时功率积分单元,潜动门限功率设置单元,潜动门限功率积分单元,启动潜动状态判定单元,其中, 电压测量单元用于测量输入电压的幅度,并输出给瞬时功率计算单元; 电流测量单元用于测量输入电流的幅度,并输出给瞬时功率计算单元; 瞬时功率计算单元将电压测量单元和电流测量单元的输出结果相乘,得到瞬时功率; 瞬时功率积分单元对瞬时功率进行积分,得到启动潜动状态的第一判断依据E ; 潜动门限功率设置 单元根据电能计量装置的标准设定潜动门限功率; 潜动门限功率积分单元对潜动门限功率进行积分,得到启动潜动状态的第二判断依据Et; 启动潜动状态判定单元根据启动潜动状态的第一判断依据E、启动潜动状态的第二判断依据Et与一预设能量门限TH的大小关系,进行启动潜动状态判定; 所述启动潜动状态判定单元依据如下原则进行启动和潜动状态的判定: 如果启动潜动状态的第一判断依据E大于或者等于预设能量门限TH,判定电能计量进入启动状态; 如果启动潜动状态的第二判断依据Et大于或者等于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,判定电能计量进入潜动状态; 如果启动潜动状态的第二判断依据Et小于预设能量门限TH且启动潜动状态的第一判断依据E小于预设能量门限TH,电能计量保持原有状态不变。
7.如权利要求6所述的电能计量中启动潜动状态的判定装置,其特征在于,所述瞬时功率积分单元和潜动门限功率积分单元中,对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值范围为[0.01, 1lms0
8.如权利要求6所述的电能计量中启动潜动状态的判定装置,其特征在于,所述瞬时功率积分单元和潜动门限功率积分单元中,对瞬时功率和潜动门限功率进行积分的积分周期取值为0.1ms0
9.如权利要求6所述的电能计量中启动潜动状态的判定装置,其特征在于,所述的启动潜动状态判定单元中,所述电能计量保持原有状态不变,即进行判定之前若为启动状态,则保持启动状态;若为潜动状态,则保持潜动状态。
10.如权利要求6所述的电能计量中启动潜动状态的判定装置,其特征在于,所述的预设的能量门限TH的取值根据下式确定:
Figure CN102654523BC00031
上式中的常量为当瞬时功率P等于标定功率时,启动潜动状态的第一判断依据E在I秒内等于预设的能量门限TH的次数,根据实际应用确定。
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