CN103364601A - 一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法 - Google Patents

一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法 Download PDF

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本发明涉及一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法，属于交流电路参数测量技术领域。其特征在于：依据交流基波同步计数器，在每个同步周期内对输入的瞬时功率p(n)进行累积，并计算出平均功率；基于延时时间计数d(n)实现相对于交流基波同步计数c M (n)延时M D 个离散间隔时间的延时同步计数c D (n)；通过数据存储器保存前两个周期的平均功率，并获得延时M D 个离散间隔时间的延时平均功率p D (m)；对延时平均功率进行累积，获得最终的累积电能输出。该电能测量方法不需要采用低通滤波器，测量速度快；能保证电能计量的精度和累积电能输出在每个延时同步周期内的线性增长；占用资源少，易于实现。

Description

一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法，属于交流电路参数测量技术领域。
背景技术
传统的电能测量方法的原理如图1所示。该方法将交流电路上的一对电压信号和电流信号，经过模数转换，得到采样后的交流数字电压信号u(n)和数字电流信号i(n)，通过乘法器实现u(n)和i(n)的乘积，从而求出瞬时功率p(n)；由于瞬时功率波动较大，通常采用低通滤波获得平滑后的功率输出P(n)，再对P(n)进行累积，得到电能输出E(n) = E(n-1) + P(n)∙Ts 。由于交流电路中的瞬时功率p(n)存在纹波，如果低通滤波强度较低，则平滑功率P(n)仍包含较大的纹波，由此电能输出E(n)呈现非线性增长，当通过阈值比较方式或者频率变换方式产生电能计量脉冲时，E(n)的非线性增长将影响脉冲输出的时间精度；如果低通滤波强度过高，则又会增加平滑功率达到稳定的时间，造成电能累积延时，在电路断电瞬间会出现漏计电量的情况。
在中国发明专利《一种用于电表的电能计量脉冲的产生方法》（CN200610001832.0）中，描述了一种计算出周期平均功率：Pa=Ep/M，并利用该周期平均功率Pa累积电能，从而产生电能计量脉冲的方法，其原理图如图2所示。但是，该方法中周期平均计算所取的等分间隔数M为一个固定值。如果测量中采用固定的离散间隔时间，则当被测交流电路频率发生波动时，M个时间间隔未必对应一个完整交流周期。由此，Pa仍然存在较大纹波，不能保证电能输出的线性增长和电能计量脉冲的高精度、平稳输出。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法，采用一个基波周期的平均功率进行电能累积，克服了已有电能测量方法对低通滤波的性能要求高的缺点。同时，平均功率经过固定延时再进行电能累积计算，从而保证电能累积的精度和电能输出的线性增长。
本发明提出的一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法，其特征在于该方法依次含有以下步骤：
步骤1：由交流基波同步计数器产生交流基波同步计数值cM (n)；所述交流基波同步计数值cM (n)在周期同步时刻清0、每个离散间隔时间Ts 之后增1计数，在本同步周期cM (n)清0前的值等于当前一个同步周期的离散间隔数M(m)减1，即(M(m)-1)；M(m)的变化范围为[M 1, M 2]，且正整数M 1和M 2满足M 2<2∙M 1；
步骤2：对输入的瞬时功率p(n)进行周期电能累积计算，得到周期电能累积值，即
Figure 666839DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤3：当交流基波同步计数值cM (n)为0时，对周期电能累积值EM (n)按照离散间隔数M(m)进行平均计算，获得前一同步周期的平均功率，即pM (m) = EM (n)/M(m)，然后周期电能累积值EM (n)清0；所述离散间隔数M(m)满足：M(m) = cM (n-1)+1，平均功率pM (m)在下一个交流基波同步计数值cM (n)从0计数至(M(m+1)-1)的同步周期内保持不变；
步骤4：当交流基波同步计数值cM (n)为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)设置为延时常数MD ，即d(n) = MD ；当交流基波同步计数值cM (n)不为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)保持为0，即d(n) = 0；当延时时间计数值d(n-1)不为0时，延时时间计数值d(n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后减1计数，即d(n) = d(n-1)-1；所述的延时常数MD 是一个正整数，并且满足M 2≤MD <2∙M 1；
步骤5：当延时时间计数值d(n-1)为1，或者延时同步计数值cD (n-1)大于等于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n)设置为0；当延时时间计数值d(n-1)不为1，且延时同步计数值cD (n-1)小于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后增1计数，即cD (n) = cD (n-1)+1；所述延时同步计数值cD (n)是相对于交流基波同步计数值cM (n)延时MD ∙Ts 的计数数据流；
步骤6：在延时同步计数值cD (n)为0时，通过数据存储器保存前两个周期分别对应的平均功率pM (m-2)和pM (m-1)，并取pM (m-2)做为延时平均功率，即pD (m) =pM (m-2)；所述延时平均功率pD (m)在延时同步计数值cD (n)从0计数至(M(m-1)-1)的一个延时同步周期内保持不变；
步骤7：对延时平均功率pD (m)进行累积电能处理，得到累积电能输出结果，即：
Figure 716703DEST_PATH_IMAGE002
；所述累积电能处理在设置命令有效时依据输入的累积电能设置值ES 进行累积电能输出设置，即E(n) = ES 。
本发明提出的一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法的原理如图3所示，其时序图如图4所示。本发明通过步骤1至3，获得每个交流基波同步周期内的平均功率pM (m)。如果交流基波周期为T 1，则当交流基波同步计数器达到同步稳定时，由其获得的同步周期的离散间隔数M(m)的取值为小于(T 1/Ts )的最大整数、或者大于(T 1/Ts )的最小整数，即有
Figure 878695DEST_PATH_IMAGE003
。由于离散间隔数M(m)会随交流基波频率变化动态调整，所以平均功率pM (m)总是对接近一个完整周期的周期电能累积值EM (n)进行平均而得出，因此平均功率pM (m)的波动较小。
本发明的步骤4和5实现了相对于交流基波同步计数cM (n)延时MD ∙Ts 的一组延时同步计数cD (n)。由于延时常数MD 满足M 2≤MD <2∙M 1，即使交流基波频率变化，延时时间MD ∙Ts 总是满足大于等于一个同步周期、且小于2个同步周期。由此在步骤6中，只需要存储pM (m-2)和pM (m-1)的值，并取pM (m-2)的值作为当前延时平均功率，即pD (m) = pM (m-2)，就可以保证延时平均功率pD (m)是平均功率pM (n)延时MD ∙Ts 的一组数据序列。传统实现方法需要用至少MD 个数据长度的数据存储器，用以实现该数据序列的延时处理。相比传统实现方法，本发明方法减少了数据存储的占用资源量。
本发明通过步骤7实现最终的累积电能输出E(n)。因为正功率的累积电能输出将是无限增长的数值，所以为了避免累积电能输出发生数据溢出，同时为了满足应用需要，本发明的累积电能处理提供在设置命令有效时依据输入的累积电能设置值ES 进行累积电能输出设置的功能。以两个应用例子说明：例一，在电能计量启动时，可以通过设置命令将E(n)清0，重新开始累积电能。例二，在电能计量脉冲输出应用中，可以依据电能计量脉冲输出脉冲常数要求，选取电能计量脉冲的比较阈值Et 。当E(n)<Et 时，设置命令无效；而当E(n)≥Et 时，设置命令有效，触发电能计量脉冲输出，同时将累积电能输出E(n)设置为ES =(E(n)-Et )。
与已有的电能测量方法相比，本发明所提出的电能测量方法不需要采用低通滤波器，电能累积延时不超过2个基波周期，测量速度快。通过平均功率的延时累积，一方面确保电能计量不丢失，另一方面保证了电能输出在每个延时同步周期内的线性增长。同时，该方法的算法简单，占用存储资源少，易于实现。
附图说明
图1是传统的电能测量方法的原理框图。
图2是已有的基于固定点数平均实现电能累积并产生电能计量脉冲的方法的原理框图。
图3是本发明基于周期平均和延时窗的电能测量方法的原理框图。
图4是本发明基于周期平均和延时窗的电能测量方法的时序图。
具体实施方式
本发明实施例的原理框图如图3所示。本实施例对基波频率45~65Hz、对应周期为15.38~22.22ms的交流电路进行电能测量，取采样频率为4kHz，则离散间隔时间Ts =0.25ms。本实施例的步骤如下：
步骤1：由交流基波同步计数器产生交流基波同步计数值cM (n)；所述交流基波同步计数值cM (n)在周期同步时刻清0，对应每个采样点后增1计数，在当前同步周期cM (n)清0前的值等于当前同步周期的离散间隔数M(m)减1，即(M(m)-1)。依据采样率和基波频率范围，M(m)的变化范围取[60, 90]，显然90<2∙60。由此，交流基波同步计数器同步周期变化范围为[15, 22.5]ms，满足基波频率45~65Hz的同步跟踪要求。如果基波频率为51Hz，则当交流基波同步计数器达到稳定时，每个同步周期的离散间隔数M(m)在78或79两个数值间变化。
步骤2：对输入的瞬时功率p(n)进行周期电能累积处理，得到周期电能累积值，即
Figure 536596DEST_PATH_IMAGE001
。如果采用被测的一对电压和电流采样信号的乘积u(n)∙i(n) 作为瞬时功率p(n)，则p(n)包含大量纹波。
步骤3：当交流基波同步计数值cM (n)为0时，对周期电能累积值EM (n)按照离散间隔数M(m)进行平均计算，获得前一周期的平均功率，即pM (m) = EM (n)/M(m)，然后周期电能累积值EM (n)清0。所述离散间隔数M(m)满足：M(m) = cM (n-1)+1，平均功率pM (m)在下一交流基波同步计数值cM (n)从0计数至(M(m+1)-1)的一个同步周期内保持不变。由于对接近一个周期采样点的瞬时功率p(n)进行平均，平均功率pM (m)的数据序列具有较小的纹波。
步骤4：当交流基波同步计数值cM (n)为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)设置为延时常数MD ，即d(n) = MD ；当交流基波同步计数值cM (n)不为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)保持为0，即d(n) = 0；当延时时间计数值d(n-1)不为0时，延时时间计数值d(n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后减1计数，即d(n) = d(n-1)-1。延时常数MD 取100，显然满足90≤MD <2∙60。
步骤5：当延时时间计数值d(n-1)为1，或者延时同步计数值cD (n-1)大于等于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n)设置为0；当延时时间计数值d(n-1)不为1，且延时同步计数值cD (n-1)小于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后增1计数，即cD (n) = cD (n-1)+1；所述延时同步计数值cD (n)是相对交流基波同步计数值cM (n)延时25ms的计数数据流，此延时时间25ms大于1个最大同步周期22.5ms，且小于2个最小同步周期30ms。
步骤6：当延时同步计数值cD (n)为0时，通过数据存储器保存前两个周期分别对应的平均功率pM (m-2)和pM (m-1)，并取pM (m-2)做为延时平均功率，即pD (m) = pM (m-2)；延时平均功率pD (m)在延时同步计数值cD (n)从0计数至(M(m-1)-1)的一个延时同步周期内保持不变。延时平均功率pD (m)是相对平均功率pM (m)延时25ms的数据流。
步骤7：对延时平均功率pD (m)进行累积电能处理，得到累积电能输出结果，即：
Figure 7898DEST_PATH_IMAGE002
；所述累积电能处理在设置命令有效时依据输入的累积电能设置值ES 进行设置处理，即E(n) = ES 。
通过本发明实施例，最终获得采样率为4kHz、延时25ms的累积电能输出。

Claims (1)

1.一种基于周期平均和延时窗的电能测量方法，其特征在于该方法依次含有以下步骤：
步骤1：由交流基波同步计数器产生交流基波同步计数值cM (n)；所述交流基波同步计数值cM (n)在周期同步时刻清0、每个离散间隔时间Ts 之后增1计数，在本同步周期cM (n)清0前的值等于当前一个同步周期的离散间隔数M(m)减1，即(M(m)-1)；M(m)的变化范围为[M 1, M 2]，且正整数M 1和M 2满足M 2<2∙M 1；
步骤2：对输入的瞬时功率p(n)进行周期电能累积计算，得到周期电能累积值，即
Figure 417098DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤3：当交流基波同步计数值cM (n)为0时，对周期电能累积值EM (n)按照离散间隔数M(m)进行平均计算，获得前一同步周期的平均功率，即pM (m) = EM (n)/M(m)，然后周期电能累积值EM (n)清0；所述离散间隔数M(m)满足：M(m) = cM (n-1)+1，平均功率pM (m)在下一个交流基波同步计数值cM (n)从0计数至(M(m+1)-1)的同步周期内保持不变；
步骤4：当交流基波同步计数值cM (n)为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)设置为延时常数MD ，即d(n) = MD ；当交流基波同步计数值cM (n)不为0，而且延时时间计数值d(n-1)为0时，延时时间计数值d(n)保持为0，即d(n) = 0；当延时时间计数值d(n-1)不为0时，延时时间计数值d(n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后减1计数，即d(n) = d(n-1)-1；所述的延时常数MD 是一个正整数，并且满足M 2≤MD <2∙M 1；
步骤5：当延时时间计数值d(n-1)为1，或者延时同步计数值cD (n-1)大于等于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n)设置为0；当延时时间计数值d(n-1)不为1，且延时同步计数值cD (n-1)小于(M(m-2)-1)时，延时同步计数值cD (n-1)在每个离散间隔时间Ts 之后增1计数，即cD (n) = cD (n-1)+1；所述延时同步计数值cD (n)是相对于交流基波同步计数值cM (n)延时MD ∙Ts 的计数数据流；
步骤6：在延时同步计数值cD (n)为0时，通过数据存储器保存前两个周期分别对应的平均功率pM (m-2)和pM (m-1)，并取pM (m-2)做为延时平均功率，即pD (m) =pM (m-2)；所述延时平均功率pD (m)在延时同步计数值cD (n)从0计数至(M(m-1)-1)的一个延时同步周期内保持不变；
步骤7：对延时平均功率pD (m)进行累积电能处理，得到累积电能输出结果，即：
Figure 38573DEST_PATH_IMAGE002
；所述累积电能处理在设置命令有效时依据输入的累积电能设置值ES 进行累积电能输出设置，即E(n) = ES 。
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