CN104914304A - 一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置，电压和电流模拟量经AD模数转换芯片模数转换后接入瞬时功率计算器；瞬时功率计算器采用点积乘法器运算k时刻的瞬时功率与电压和电流关系；瞬时功率接入单周期时间窗积分器；单周期时间窗积分器经积分后输出单周期平均功率；单周期平均功率分别接入到脉冲发送器和电能累计器，进行电能脉冲输出与正反向有、无功电能的累加。采用本发明，在负载电流幅值随时间快速波动的情况下，仍然能够保证精度的电能计量。

Description

一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置

技术领域

本发明涉及一种波动负荷下的电能精确计量方法，本发明还涉及实现所述电能精确计量方法的一种计量装置。主要应用于电能表平台，在带有动态、冲击负荷的电力现场实现电量精确计量。

背景技术

随着工业的发展，大量的大功率电力电子设备在钢铁厂、矿场、港口、电气化铁路、风电场等现场投运，使得多数工业现场电力负荷呈现快速变化和具有冲击性的特点，现场负载电流幅值随时间快速波动。而实验室电流有效值恒定条件下检定的电能表，在这种波动负荷下的计量精度将会受到影响，最主要的原因是缺乏针对这种动态负荷设计的电能计量方法和专用装置。

目前已公布的电能计量方法主要包括：

1、时分割乘法器方法。这是目前电能表普遍采用的计量方法。时分割乘法器按照固定时间间隔对电压与电流进行乘法运算，得到瞬时功率，并通过单片机的频率计数得到平均功率以及累计的电能。为达到较好的功率稳定性，一般选取较长的功率积分时间窗口（如1~2s）。这种积分窗口在实验室稳态负荷下能达到很好的误差稳定性，但在负荷快速波动的现场，电流幅值变化的临界点往往伴随着相位的变化，过长的积分窗口会将相位变化期间引入的误差纳入到平均功率中。最典型的例子就是当电气化铁路牵引列车进站时，由于机车制动的影响，会在短时间内引入反向电流，从电流波形上来看，就是在瞬间电流相位发生了180度改变，如果用过长的积分窗口，积分窗口内的正反向瞬时有功功率会相互抵消，导致该段时间内的平均功率变小，造成电量少计。

2、采用高阶牛顿-柯特斯数值积分替代点积方式来计算瞬时功率，以及进行瞬时功率的积分（申请号：201010273234.5，公开号：101915872A，公开日：2010-12-15，申请国：中国）。这种方法采用阶数更高的积分方式，从而在电流畸变、波动以及不平衡等非线性负荷下，比点积运算取得更高的精度。但是这种方法由于积分阶数高，完成一次瞬时功率计算的时间要远高于点积运算，受限于电能表平台的计算能力，在快速波动的负荷下会容易出现计量滞后。

3、通过综合相位误差校准的方法来提高计量芯片在非线性负载下的计量精度（申请号：201510068151，公开号：104569906A，公开日：2015-4-29，申请国：中国）。这种方法并没有改变时分割乘法器的原理，而是根据电压与电流回路相位误差区间，来综合校准计量结果中的相位误差，从而提高非线性负荷下的计量精度。但该方法并没有根本性地解决快速波动负荷下的积分时间窗问题，只要电能表仍然采用过长的功率积分时间窗，就依然会存在波动电流相位变化造成的电能少计问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置，在负载电流幅值随时间快速波动的情况下，仍然能够保证精度的电能计量。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案。

一种波动负荷下的电能精确计量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1）、电压和电流模拟量经AD模数转换芯片进行模数转换，转换后的电流信号接入移相滤波器进行角差补偿，移相滤波器输出的数字电流信号以及AD模数转换芯片输出的电压数字信号一起接入瞬时功率计算器；

    2）、瞬时功率计算器采用点积乘法器来进行运算，k时刻的瞬时功率p（k）与电压u（k）、电流i（k）关系如下式：

；

3）、瞬时功率p（k）接入单周期时间窗积分器；单周期时间窗积分器经积分后输出单周期平均功率P_s：

瞬时功率p（k）输入后，累加器对p（k）进行累加，若累加的个数大于等于一个时间窗口T，则将累加器中的数值除以时间窗口T，如下式所示，积分器输出更新后的平均功率P_s，并清空累加器；若累加的个数仍然小于一个时间窗口T，积分器保持输出上一个时间窗口T的平均功率；

；

4）、单周期平均功率P_s分别接入到脉冲发送器和电能累计器，进行电能脉冲输出与正反向有、无功电能的累加；

所述的脉冲发送器在接收到单周期平均功率后，将该值乘以一个工频周期的时间，若该值大于等于0，则累加入正向电能寄存器，若该值小于0，则累加入反向电能寄存器，当正向电能寄存器与反向电能寄存器其中任意一个大于一个脉冲常数C的电量阀值E时，脉冲发送器输出一个脉冲，并且清零该寄存器；其中，脉冲常数C指一个千瓦时电量需要发送C个脉冲，则电量阀值E按下式进行计算：

；

所述的电能累计器在接收到单周期平均功率后，存入输出缓存区中，缓存区写入地址指针加1，电能累计器将单周期平均功率缓存区以及当前写入指针地址输出给后续单元处理。

所述的时间窗口T为一个工频周期时间内的最大瞬时功率个数，当电网频率f变化时，时间窗口T根据AD模数转换芯1采样率f_s按下式进行实时调整：

。

所述的AD模数转换芯片的采样率为16KHZ以上。

所述的移相滤波器采用一阶FIR滤波器。

一种波动负荷下的电能精确计量装置，包括主CPU单元，其特征在于：主CPU单元通过SPI总线连接DSP高速三十二位数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片连接有电压通道AD采样芯片，所述电压通道AD采样芯片连接有电压取样电路；所述数字信号处理芯片还直接连接有电流通道AD采样芯片，该电流通道AD采样芯片连接有零磁通电流互感器；所述主CPU单元还通过I2C总线连接有显示单元；所述主CPU单元还通过串行总线连接两路 RS485接口；所述主CPU单元还通过I2C总线连接有用于参数保存的两片EEPROM芯片，所述主CPU单元还通过SPI总线连接有用于储存非实时参数的外部FLASH单元。

主CPU单元包含有200MHZ ARM Cotex处理器。

所述显示单元包括分别与所述主CPU单元连接的点阵液晶屏和功能按键。

本发明的积极效果在于：

第一、通过将功率积分时间窗口缩短至一个工频周期，即每个工频周期可以累加一次正反电能，而当前普通采用1~2s的时间累加一次正反向电能，因此本发明比传统方式缩短了幅度达98~99%的时间窗口，降低了时间窗内因电流相位突变而造成正反向有功电能抵消的事件概率，即使发生了抵消，也只影响一个工频周期的电量，对整体走字误差影响很小。

第二、利用FIR滤波器线性相位的特点，实现电流互感器角差的实时补偿，瞬时功率的实时计算与单周期功率的计算都在优先级最高的中断函数中完成，确保了计量的实时性，降低了在负荷快速波动下因计量过程滞后而造成的精度误差。

第三、将信号采样率提高到16KHZ以上，使一个工频周期内的电压与电流信号具有足够的分辨率，确保了稳态情况下单周期平均功率的精度与稳定性不受影响。同时，瞬时功率在一个工频周期内进行平均处理，相当于一个低通滤波器环节，能够抑制稳态负荷情况下的功率脉冲跳动，同时不再需要单独设计低通滤波器，避免了因负荷快速变化引起的低通滤波器输出过冲现象。

第四、一个工频周期的积分时间窗，使平均功率具有足够的分辨率，从而电能脉冲的输出能够及时反映负荷的变化，电能脉冲发送器具有正向电能累加器与反向电能累加器，根据单周期平均功率的符号方向来分别累加，从而避免了当电流相位快速变化时，正反电能相互抵消而造成的脉冲少发，或者不输出脉冲的现象。

第五、电能累计器将实时计算的单周期平均功率存于输出缓存区中，并将缓存区写入地址输出，使得实时计算完成的单周期电能能够在非实时环节中完成累加及后续处理，提高了实时环节的计算效率，同时保证了电能正确累加。

例如，当该方法用于嵌入式CPU平台时，方法流程可以在CPU优先级最高的中断函数中实现，以最大程度提升功率计量对负荷变化的响应速度，而CPU可以在非实时的主循环函数中，根据电能累计器输出的单周期平均功率缓存数据以及缓存地址，提取单周期平均功率数据，完成计算量较大的电能分类统计及扩展应用工作。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的单周期时间窗积分器工作流程图。

图3是本发明的脉冲发送器工作流程图。

图4是本发明的电能累计器工作流程图。

图5是本发明计量装置的总电气结构示意图。

图6是本发明计量装置显示单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

本发明的方法是：如图1，通过AD模数转换芯片对电压与电流模拟量输入信号进行采样后，电流输出信号接入移相滤波器进行角差补偿，该滤波器采用FIR一阶滤波器设计，利用FIR滤波器线性相位的特点，对电流的相位进行改变，从而补偿互感器引起的角差，达到互感器角差实时补偿的效果，确保后续实时功率计算的精度。

所述FIR一阶滤波器如下式所示：

；

式中，β和A这两个参数按照TI说明文档中方法整定，本发明省略整定过程。

电压信号与经过角差补偿后的电流信号在瞬时功率计算器中进行点乘运算，得到k时刻的瞬时功率p（k），如下式：

。

点乘运算具有简单、计算速度快的特点，可以在较短的时间内得到瞬时功率的结果，并输入单周期时间窗积分器计算单周期平均功率。单周期时间窗积分器采用如图2所示的工作步骤：当瞬时功率p（k）输入后，累加器对p（k）进行累加，若累加的个数大于等于一个时间窗口T，则将累加器中的数值除以时间窗口T，积分器输出更新后的平均功率P_s，并清空累加器；若累加的个数仍然小于一个时间窗口T，积分器保持输出上一个时间窗口T的平均功率；

    ；

时间窗口T为一个工频周期时间内的最大瞬时功率个数，当电网频率f变化时，时间窗口T必须根据AD模数转换芯片1采样率f_s按如下公式进行实时调整：

。

单周期时间窗积分器将功率积分时间缩短为一个工频周期，从而可以每个工频周期累加一次正反向电能，使电能的累加可以跟踪负荷的快速变化。脉冲发送器的工作原理如图3所示，该环节首先判断单周期平均功率的符号方向，若该值大于等于0，则累加入正向电能寄存器，若该值小于0，则累加入反向电能寄存器，当正向电能寄存器与反向电能寄存器其中任意一个大于一个脉冲常数C的电量阀值E时，脉冲发送器输出一个脉冲，并且清零该寄存器。其中，脉冲常数C指一个千瓦时电量需要发送C个脉冲，则电量阀值E按下式计算：

。

电能累计器负责将单周期平均功率的结果输出，电能累计器按照图4所示流程工作，将单周期平均功率存于输出缓存队列中，并输出缓存地址指针，非实时环节可根据缓存地址指针读取整个缓存队列中的单周期平均功率数据，从而后续的电能累加、潜动判断、无功电能象限判断等耗时的应用操作可以在非实时环节中完成，提高了方法运行效率。

较长的功率积分周期可以有效降低非同步误差对平均功率的影响，使功率在稳态负荷下具有较高的准确度与稳定性，采用一个工频周期的积分时间窗口则会明显放大非同步误差，使平均功率出现跳动。本发明将AD模数转换芯片的采样率提高到16KHZ以上，用于降低单周期平均功率的非同步误差影响，确保上述实施过程在稳态负荷下计量的准确性和稳定性。

本发明可以应用于正反向有、无功电能的计量，下面叙述作为本发明计量装置实施例的一种动态负荷电能表。

参照图5、图6，在一种动态负荷电能表实施例中，主CPU单元1包含一块200MHZ ARM Cotex处理器。主CPU单元1通过SPI总线连接DSP高速三十二位数字信号处理芯片2，所述数字信号处理芯片2连接有电压通道AD采样芯片3。所述电压通道AD采样芯片3连接有电压取样电路5。所述数字信号处理芯片2还直接连接有电流通道AD采样芯片4，该电流通道AD采样芯片4连接有零磁通电流互感器6。

所述主CPU单元1还通过I2C总线连接有显示单元8。如图6所示，所述显示单元8包括分别与所述主CPU单元1连接的点阵液晶屏8-1和两个功能按键8-2。

所述主CPU单元1还通过串行总线连接两路 RS485接口7。所述主CPU单元1还通过I2C总线连接有用于重要参数保存的两片EEPROM芯片10，以及通过SPI总线连接有储存非实时参数的外部FLASH单元9。

本发明主要通过电压取样电路5进行电压取样，所述电压取样电路包含高精度电压分压电阻，用于将输入电压转换为AD采样芯片支持的稳定小电压信号，电压通道AD采样芯片3将小信号电压转换为数字信号，通过SPI总线传输到数字信号处理芯片2中。零磁通电流互感器6可实现宽范围内高线性度的电流取样，并通过配套的高精密电阻转换为弱电压信号，接入电流通道AD采样芯片4转换为电流的数字交采值，通过SPI总线传输到数字信号处理芯片2中。数字信号处理芯片2中进行瞬时量及电量计算，并进行电能脉冲的发送。

主CPU单元1通过SPI总线接收DSP处理器中电量计算结果，并进行电能量数据处理、存储、显示以及规约通信操作。主CPU单元1通过显示单元8将电能计量结果进行显示，并通过监视显示单元8中的功能键8-2进行参数设置及轮显等工作。主CPU单元1通过两路RS485接口7完成电量数据的上传工作。主CPU单元1负责在掉电时接管整个表计工作，通过监视显示单元8中的功能键8-2完成停电唤醒，停电抄表等一系列工作。

所述主CPU单元1采用STM32F207 ARM Cotex芯片，所述数字信号处理芯片2采用400MHZ ADSBF516 DSP。本发明的方法运行在数字信号处理芯片2中，其中，电压与电流AD采样芯片采用TI的ADS131E08芯片，按照本发明需要，将该采样芯片的采样率设定为16KHZ，由于本发明方法对实时性要求高，因此选择运行在数字信号处理芯片2的AD通道SPI数据接收中断，即当电压和电流通道AD采样芯片完成一次模拟量采样，数字信号处理芯片2接收到AD芯片的数字信号后，引发中断。

在中断函数中，首先通过校验系数将无量纲的AD采样数据转换成有量纲的瞬时电压与瞬时电流值，瞬时电流值接入如图1所示的移相滤波器单元2，补偿后的瞬时电流与电压输入到瞬时功率计算器函数中，按照式6进行瞬时功率计算。瞬时功率计算完毕后，输入到单周期时间窗积分器函数中，按照图2所示流程，计算得到单周期平均功率，此时，程序一方面将单周期平均功率输入到脉冲发送器函数中，按照图3所示流程进行脉冲发送判断，直接在中断函数中完成脉冲发送操作；另一方面，将单周期平均功率按照图4所示流程存于一个公共缓存中，并将最新的缓存写入地址指针输出。

在数字信号处理芯片2的主循环函数中，循环监测公共缓存中单周期平均功率写入指针的变化，当该指针出现变动，主循环函数即提取当前写指针之前所有缓存的单周期平均功率数据，根据功率方向，依次累加正向有、无功电能，以及反向有、无功电能，并根据有功功率大小及方向，进行防潜动、无功电能象限判断等多种操作。

本发明方法在数字信号处理芯片2的AD采样中断中执行，拥有最高优先级，当负荷快速变化时，可以达到最高的响应速度，同时本发明方法计算量小，占用数字信号处理芯片2很少的中断资源，通过公共缓存的方法将后续的复杂处理过程放在非实时的主循环函数中，提高了实时环节的效率。16KHZ的AD采样速率，使本发明单周期平均功率可以达到与多个周期平均功率相同的误差稳定性，在适应波动负荷计量同时，确保了稳态负荷下的计量稳定性。

Claims (7)

1.一种波动负荷下的电能精确计量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1）、电压和电流模拟量经AD模数转换芯片进行模数转换，转换后的电流信号接入移相滤波器进行角差补偿，移相滤波器输出的数字电流信号以及AD模数转换芯片输出的电压数字信号一起接入瞬时功率计算器；

    2）、瞬时功率计算器采用点积乘法器来进行运算，k时刻的瞬时功率p（k）与电压u（k）、电流i（k）关系如下式：

；

3）、瞬时功率p（k）接入单周期时间窗积分器；单周期时间窗积分器经积分后输出单周期平均功率P_s：

瞬时功率p（k）输入后，累加器对p（k）进行累加，若累加的个数大于等于一个时间窗口T，则将累加器中的数值除以时间窗口T，如下式所示，积分器输出更新后的平均功率P_s，并清空累加器；若累加的个数仍然小于一个时间窗口T，积分器保持输出上一个时间窗口T的平均功率；

；                       

4）、单周期平均功率P_s分别接入到脉冲发送器和电能累计器，进行电能脉冲输出与正反向有、无功电能的累加；

所述的脉冲发送器在接收到单周期平均功率后，将该值乘以一个工频周期的时间，若该值大于等于0，则累加入正向电能寄存器，若该值小于0，则累加入反向电能寄存器，当正向电能寄存器与反向电能寄存器其中任意一个大于一个脉冲常数C的电量阀值E时，脉冲发送器输出一个脉冲，并且清零该寄存器；其中，脉冲常数C指一个千瓦时电量需要发送C个脉冲，则电量阀值E按下式进行计算：

；

所述的电能累计器在接收到单周期平均功率后，存入输出缓存区中，缓存区写入地址指针加1，电能累计器将单周期平均功率缓存区以及当前写入指针地址输出给后续单元处理。

2.如权利要求1所述的波动负荷下的电能精确计量方法，其特征在于：所述的时间窗口T为一个工频周期时间内的最大瞬时功率个数，当电网频率f变化时，时间窗口T根据AD模数转换芯1采样率f_s按下式进行实时调整：

。

3.如权利要求1所述的波动负荷下的电能精确计量方法，其特征在于：所述的AD模数转换芯片的采样率为16KHZ以上。

4.如权利要求1所述的波动负荷下的电能精确计量方法，其特征在于：所述的移相滤波器采用一阶FIR滤波器。

5.一种波动负荷下的电能精确计量装置，包括主CPU单元（1），其特征在于：主CPU单元（1）通过SPI总线连接DSP高速三十二位数字信号处理芯片（2），所述数字信号处理芯片（2）连接有电压通道AD采样芯片（3），所述电压通道AD采样芯片（3）连接有电压取样电路（5）；所述数字信号处理芯片（2）还直接连接有电流通道AD采样芯片（4），该电流通道AD采样芯片（4）连接有零磁通电流互感器（6）；所述主CPU单元（1）还通过I2C总线连接有显示单元（8）；所述主CPU单元（1）还通过串行总线连接两路 RS485接口（7）；所述主CPU单元（1）还通过I2C总线连接有用于参数保存的两片EEPROM芯片（10），所述主CPU单元（1）还通过SPI总线连接有用于储存非实时参数的外部FLASH单元（9）。

6.如权利要求5所述的波动负荷下的电能精确计量装置，其特征在于：主CPU单元（1）包含有200MHZ ARM Cotex处理器。

7.如权利要求5或6所述的波动负荷下的电能精确计量装置，其特征在于：所述显示单元（8）包括分别与所述主CPU单元（1）连接的点阵液晶屏（8-1）和功能按键（8-2）。