CN106019207A - 一种电能计量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电能计量校准方法，包括：通过实验获得不同功率点测量出的电流值与功率值，并与真实电流值与功率值对比绘制成离散点图；利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合，获得各电流区间的增益系数、零漂校准参数；对单片机代码进行修改，根据不同电流区间的增益系数、零漂校准参数，进行分段更改原有的参数，用来获得比原测量值更接近真实值的电流值与功率值。本发明提高了电表的测量精度，减小了测量误差。

Description

一种电能计量校准方法

技术领域

本发明涉及一种智能电子产品，具体为一种基于最小二乘法的电能计量校准方法。

背景技术

随着社会经济的发展以及人民生活水平的逐渐提高，家用电器的智能化人性化进程不断推进。现在智能插座作为智能家居中极为重要的一部分，也逐渐出现在人们的视野范围，有许多的的智能插座也设计到了电能测量的部分，帮助人们实时监控家庭的用电状况。

对于当前的大部分带有电能测量功能的智能插座，其测量精度都不算太高，且一般都是使用电能测量芯片自带的校准功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种电能计量校准方法，使用最小二乘法对电能测量模块进行校准，有利于提高智能插座的测量精度，减小测量误差。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电能计量校准方法，包括：

通过实验获得不同功率点测量出的电流值与功率值，并与真实电流值与功率值对比绘制成离散点图；

利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合，获得各电流区间的增益系数、零漂校准参数；

对单片机代码进行修改，根据不同电流区间的增益系数、零漂校准参数，进行分段更改原有的参数，用来获得比原测量值更接近真实值的电流值与功率值。

优选地，校准的对象为一种包含电能测量模块的无线智能插座。其中包含了电压电流采集模块、电能测量芯片及单片机等部分。由于电压电流采集模块中的元件可能造成一定的误差，所以需要进行校准。其中电能采集模块主要使用电流互感器及电压互感器并辅以电压滤波电路与电流滤波电路。

优选地，测量实验方法为：使用智能电表与一台高精度的电能测量仪一起对负载进行电能数据进行测量，负载为大阻值高功率的滑动变阻器，可通过更改滑动变阻器中连接至电路中的阻值更改电流值以及功率值。

优选地，将智能电表所测量出的电流值与功率值视为测量值，将电能测量仪所测量出的电流值与功率值视为真实值。并以真实值为X轴，测量值为Y轴，绘制离散点图。

优选地，根据绘制的离散点图，利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合。

假设获得的增益系数、零漂校准参数A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到电流及功率区间[Xm，Xn]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[Ym，Yn]。通过拟合函数,可以得到智能电表测量电流及功率所在电流及功率区间[Ym，Yn]上的校正函数为

优选地，首先在单片机中编写好校准函数，但初始设定的增益系数A＝1，零漂校准参数B＝0。在经过最小二乘法拟合获得校准参数后，通过用户端APP对单片机中的参数进行修改，省去重新烧写单片机代码的过程，使校准过程更加方便易操作。

优选地，校准完后的电表，会根据测量出的电流及功率区间，选择相应的校正函数，并输出更为接近真实电流值与功率值的电能数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：使用最小二乘法进行校准操作，以提高智能插座的测量精度，减小测量误差。每个测量区间的线性相关系数均达到了0.999以上，表明了对于测量区间的分配以及线性函数的校准都具有较高的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中采样电路模块图；

图2为利用最小二乘法对测量结果进行校正曲线图；

图3为校准后电表测量流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中，智能插座的采样电路模块图如图1所示，电压采样电路采用电压互感器PT隔离，第一电阻R1将电压信号转换成电压互感器PT的信号，第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1及第二电容C2形成电压滤波电路；电流采样电路采用电流互感器隔离；所述电流互感器CT的输入端通过接入的家用电器接收所述电源模块的电流信号，第六电阻R6、第七电阻R7、第三电容C3及第四电容C4形成电流滤波电路；最终将VINi+、VINi-、IINi+、IINi-信号输入电能测量芯片进行电能计算。由于电路参数存在一定误差以及电流互感器在互通区间的放大系数可能存在一定的差别，所以需要使用最小二乘法对智能插座进行校准。

使用智能插座与一台高精度的电能测量仪一起对负载进行电能数据进行测量，负载为大阻值高功率的滑动变阻器，具体为3个最大阻值为3KΩ，最大功率为200W的滑动变阻器串联，可通过更改滑动变阻器中连接至电路中的阻值更改电流值以及功率值。进行校准的功率范围为0-600W。功率值测量数据如表1所列。

表1功率值测量数据表

将智能电表所测量出的电流值与功率值视为测量值，将电能测量仪所测量出的电流值与功率值视为真实值。并以真实值为X轴，测量值为Y轴，绘制离散点图，

根据绘制的离散点图，利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合。

曲线拟合中最基本和最常用的是直线拟合。设x和y之间的函数关系为：

y＝Ax+B

式中有两个待定参数，A代表增益系数，B代表零漂校准参数。对于等精度测量所得到的N组数据(xi，yi)，i＝1，2……，N，xi值被认为是准确的，所有的误差只联系着yi。下面利用最小二乘法把观测数据拟合为直线。

用最小二乘法估计参数时，要求观测值yi的偏差的加权平方和为最小。对于等精度观测值的直线拟合来说，可使下式的值最小：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[y_i-({\mathrm{Ax}}_i+B)\]$

上式分别对A、B求偏导并整理方程组可得直线参数A和B的最佳估值：

$A=\frac{{\mathrm{\Σx}}_i{\mathrm{\Σy}}_i-{\mathrm{N\Σx}}_i{y}_i}{{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2-{\mathrm{N\Σx}}_i^2}$

$B=\frac{{\mathrm{\Σx}}_i{y}_i{\mathrm{\Σx}}_i-{\mathrm{\Σy}}_i{\mathrm{\Σx}}_i^2}{{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2-{\mathrm{N\Σx}}_i^2}$

假设获得的增益系数、零漂校准参数A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到电流及功率区间[Xm，Xn]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[Ym，Yn]。通过拟合函数,可以得到智能电表测量电流及功率所在电流及功率区间[Ym，Yn]上的校正函数为

本次实施例中具体分为2个功率区间，其中一个为[0-100W]，而另一个则为[100W-600W]。对于第一个区间可得到校正函数为：第二个区间的校正函数为：经计算可得两个区间的交点坐标为(121.68,122.97),所以设定新的测量功率区间为[0-122.97W]以及[122.97W-600W]。由于获得的两段拟合直线斜率相差极小，所以对两条直线的交点处进行局部观察，如图2所示。

同时计算每个测量区间的线性相关系数r，r1＝0.9998，r2＝0.9995，均达到0.999以上，表明了对于测量区间的分配以及线性函数的校准都具有较高的可靠性。

由于提前在单片机中编写好校准函数，并初始设定的增益系数A＝1，零漂校准参数B＝0。在经过最小二乘法拟合获得校准参数后，通过用户端APP直接对单片机中的参数进行修改，并重新定义区间，省去重新烧写单片机代码的过程，使校准过程更加方便易操作。

校准完后的电表，会根据测量出的电流及功率区间，选择相应的校正函数，并输出更为接近真实电流值与功率值的电能数据，如图3所示。

使用过基于最小二乘法的电表校准方法后，对智能插座进行误差评定，可以发现智能插座在0-600W的功率区间的精度等级已达到0.2级，比之原来的1.5级有了极大的改善。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种电能计量校准方法，其特征在于，包括：

通过实验获得不同功率点测量出的电流值与功率值，并与真实电流值与功率值对比绘制成离散点图；

利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合，获得各电流区间的增益系数、零漂校准参数；

对单片机代码进行修改，根据不同电流区间的增益系数、零漂校准参数，进行分段更改原有的参数，用来获得比原测量值更接近真实值的电流值与功率值。

2.根据权利要求1所述的电能计量校准方法，其特征在于，校准对象为包含电能测量模块的无线智能插座，包括电压电流采集模块、电能测量芯片及单片机。

3.根据权利要求1所述的电能计量校准方法，其特征在于，所述实验方法包括如下：

使用智能电表与电能测量仪一起对负载电能数据进行测量，负载为大阻值高功率的滑动变阻器，通过更改滑动变阻器中连接至电路中的阻值更改电流值以及功率值。

4.根据权利要求3所述的电能计量校准方法，其特征在于，将智能电表所测量出的电流值与功率值视为测量值，将电能测量仪所测量出的电流值与功率值视为真实值，并以真实值为X轴，测量值为Y轴，绘制离散点图。

5.根据权利要求4所述的电能计量校准方法，其特征在于，根据绘制的离散点图，利用最小二乘法将测量值与真实值曲线进行分段拟合，采用直线拟合，设x和y之间的函数关系为：

y＝Ax+B

式中：A代表增益系数，B代表零漂校准参数，对于等精度测量所得到的N组数据(xi，yi)，i＝1，2……，N，xi值被认为是准确的，所有的误差只联系着yi，以下是利用最小二乘法把观测数据拟合为直线：

用最小二乘法估计参数时，要求观测值yi的偏差的加权平方和为最小，对于等精度观测值的直线拟合来说，可使下式的值最小：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[y_i-({\mathrm{Ax}}_i+B)\]$

上式分别对A、B求偏导并整理方程组可得直线参数A和B的最佳估值：

$A=\frac{{\mathrm{\Σx}}_i{\mathrm{\Σy}}_i-{\mathrm{N\Σx}}_i{y}_i}{{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2-{\mathrm{N\Σx}}_i^2}$

$B=\frac{{\mathrm{\Σx}}_i{y}_i{\mathrm{\Σx}}_i-{\mathrm{\Σy}}_i{\mathrm{\Σx}}_i^2}{{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2-{\mathrm{N\Σx}}_i^2}$

假设获得的增益系数、零漂校准参数A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到电流及功率区间[Xm，Xn]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[Ym，Yn]，通过拟合函数,得到智能电表测量电流及功率所在电流及功率区间[Ym，Yn]上的校正函数为

6.根据权利要求5所述的电能计量校准方法，其特征在于，设定初始的增益系数A＝1，零漂校准参数B＝0，在单片机中编写校准函数，经过最小二乘法拟合获得校准参数后，通过用户端APP对单片机中的参数进行修改。

7.根据权利要求5所述的电能计量校准方法，其特征在于，对校准完后的电表，根据测量出的电流及功率区间，选择相应的校正函数，并输出更为接近真实电流值与功率值的电能数据，以提高智能插座的测量精度，减小测量误差。