CN106249045A - 一种宽量程电能计量装置及其计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽量程电能计量装置以及计量方法，其中，所述宽量程电能计量装置包括：电流通道，所述电流通道包括依次电连接的第一∑△ADC转换器、第一SINC滤波器、电流量程转换器和电流高通滤波器；和电压通道，所述电压通道包括依次电连接的第二∑△ADC转换器、第二SINC滤波器、电压量程转换器和电压高通滤波器；还包括：功能实现模块，其第一输入端分别与所述电流量程转换器和电流高通滤波器连接，其第二输入端分别与所述电压量程转换器和电压高通滤波器连接。本发明在基本量程范围内精度不改变的前提下，只增加了少量的硬件资源就实现了计量的宽量程功能，可扩展性好，操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽量程电能计量装置及其计量方法。
背景技术
2009年以来随着我国的智能电网建设工作大面积开展，在低压侧的电能表需求在逐步加大，而一般电能表规格是根据标定电流的6～12倍来决定，由此产生多种电流规格的电能表，如有1.5(6)A、1(10)A、5(60)A、10(100)A等多种规格。由于电流规格较多，无可避免的给电力用户在检表、配送、安装维护带了较大的多余的工作量，同时也给恶意偷窃电带来了便利。同时生产厂家为了匹配设计生产多种电流规格的电能表加大了采购、库存、供货周期等难度，对产品质量也会造成一定的影响。
并且现在由于用电情况复杂，设备多样，在不同负载时有很大的不同，如果使用现在单一电流规格的电能表时，选用的电能表额定电流大，当用电很小时，低于电能表额定电流的5％计量准确精度不够高；如果选用电能表额定电流小，一旦用电量很大时，电能表就可能因过负荷造成计量失准甚至于烧毁。因此研究一种宽量程电能计量装置对产品质量提高、防止窃电、提高计量准确度、减少计量故障有着十分重要的意义。
现有提高计量量程的方法主要有如下三种方案：
1、采用分段采样电流的高精度电能表，其原理是：将输入的电流分别通过电流分流器得到电压信号，电压信号通过信号处理器分成二路或多路且分别送到模数转换器，经模数转换器数据转换后、送到微控制器对数据进行处理。这种方法是通过将被测量信号用多路方式送入模数转换器，以换取更高的量程。由于要实现100倍的宽量程，各路信号大小必须拉开距离，这种电路复杂而且昂贵。
2、采用外部放大电路，放大电路的放大系数可以有微控制器控制，从而实现宽量程，该方案电路同样也是非常复杂而且成本很高。
3、采用计量芯片实现宽量程电能计量。这个方案是基于现有的电能计量芯片实现的，受限于计量芯片的功能和性能，无法实现100倍的超宽量程和满足用户一些定制性的要求。
4、采用混合信号处理器，内含微控制器和模数转换器，通过采样电流信号，并根据电流信号的大小自动切换量程，经过一系列的电能计算算法实现宽量程电能计量，其核心在于自动量程切换，该算法在切换量程过程中必然产生电能计算的跳跃式波动，同时需要在多个量程下进行数字校准，同样存在实现复杂和成本高的问题。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种宽量程电能计量装置及其计量方法，其在原有的计量基础上，在精度不降低的前提下，只需增加少量的硬件资源就实现了计量的宽量程功能，方便易行。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种宽量程电能计量装置，包括：
电流通道，所述电流通道包括依次电连接的第一∑△ADC转换器、第一SINC滤波器、电流量程转换器和电流高通滤波器；和
电压通道，所述电压通道包括依次电连接的第二∑△ADC转换器、第二SINC滤波器、电压量程转换器和电压高通滤波器；还包括：
功能实现模块，其第一输入端分别与所述电流量程转换器和电流高通滤波器连接，其第二输入端分别与所述电压量程转换器和电压高通滤波器连接。
一种宽量程电能计量方法，包括如下步骤：
第一步，电流通道的处理步骤：首先，第一∑△ADC转换器将接收到的模拟电流信号转换成数字电流PDM数据流，并传输至第一SINC滤波器；其次，第一SINC滤波器将输入的数字电流PDM数据流降采样成低速电流波形预处理信号，并传输至所述电流量程转换器；然后，电流量程转换器把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至电流高通滤波器，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块；最后，由电流高通滤波器滤除电流波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电流波形给所述功能实现模块；
第二步，电压通道的处理步骤：首先，第二∑△ADC转换器将接收到的模拟电压信号转换成数字电压PDM数据流，并传输至第二SINC滤波器；其次，第二SINC滤波器将输入的数字电压PDM数据流降采样成低速电压波形预处理信号，并传输至所述电压量程转换器；然后，电压量程转换器把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至所述电流高通滤波器，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块；最后，由电流高通滤波器滤除电压波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电压波形给所述功能实现模块；
第三步，宽量程的计算步骤：功能实现模块根据所接收到的电流波形、电流转换系数、电压波形和电压转换系数以及系统所要求的功能，完成基波/全波电流有效值、基波/全波电压有效值、全波有功功率、基波有功功率、基波/全波无功功率、全波有功能量脉冲、基波有功能量脉冲、基波/全波无功能量脉冲以及电能质量的计算。
进一步的，第一步中，所述电流量程转换器把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电流信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电流信号，直到输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电流信号保持与基本信号相同的位宽输出给所述电流高通滤波器，并将右移位的位数作为电流转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，电流信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给电流高通滤波器，并将电流转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出；
第一步中，所述电压量程转换器把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电压信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电压信号，直到输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电压信号保持与基本信号相同的位宽输出给电压高通滤波器，并将右移位的位数作为电压转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，电压信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给所述电压高通滤波器，并将电压转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出。
进一步的，所述基本信号为基本量程范围内允许输入的信号；其中，若基本量程为[-2^212^21-1]，即数据位宽为22比特，则该基本信号的峰值不能超过量程的上下限。
本发明的有益效果：本发明宽量程电能计量装置通过对SINC滤波器输出的信号进行量程转换，将超过基本量程范围内的大信号转换到基本量程范围内，并将折算系数叠加到最终结果上，从而用非常简便的方法实现了大信号的测量，所以本发明在基本量程范围内精度不改变的前提下，只增加了少量的硬件资源就实现了计量的宽量程功能，可扩展性好，操作性强。
附图说明
图1本发明的功能原理示意图。
具体实施方式
本实施例给出了一种电流规格为1(100)A的宽量程电能表，能实现100倍量程，基本可以满足各种场合的需求，具体参数如下：
额定电压：Un＝220V，额定频率:Fb＝50Hz，基本电流：Ib＝1A，最大电流：Imax＝100A,准确计量范围：1％Ib～1.2Imax,即：10mA～120A,启动电流：0.2％Ib即2mA，ADC位数至少22bit，这里采用24bit∑△ADC。
本实施例的1(100)A电流规格宽量程电能表是基于5(30)A电流规格的电能表实现的。
图1中，本发明的宽量程电能计量装置，具体包括如下：
电流通道，所述电流通道包括依次电连接的第一∑△ADC转换器1、第一SINC滤波器2、电流量程转换器3和电流高通滤波器4；电压通道，所述电压通道包括依次电连接的第二∑△ADC转换器5、第二SINC滤波器6、电压量程转换器7和电压高通滤波器8；还包括：
功能实现模块9，其第一输入端分别与所述电流量程转换器3和电流高通滤波器4连接，其第二输入端分别与所述电压量程转换器7和电压高通滤波器8连接。
本发明公开的一种宽量程电能计量方法，具体包括如下步骤：
第一步，电流通道的处理步骤：首先，第一∑△ADC转换器1将接收到的模拟电流信号转换成数字电流PDM数据流，并传输至第一SINC滤波器2；其次，第一SINC滤波器2将输入的数字电流PDM数据流降采样成低速电流波形预处理信号，并传输至所述电流量程转换器3；然后，电流量程转换器3把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至电流高通滤波器4，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块9；最后，由电流高通滤波器4滤除电流波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电流波形给所述功能实现模块9。
第二步，电压通道的处理步骤：首先，第二∑△ADC转换器5将接收到的模拟电压信号转换成数字电压PDM数据流，并传输至第二SINC滤波器6；其次，第二SINC滤波器6将输入的数字电压PDM数据流降采样成低速电压波形预处理信号，并传输至所述电压量程转换器7；然后，电压量程转换器7把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至所述电流高通滤波器8，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块9；最后，由电流高通滤波器8滤除电压波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电压波形给所述功能实现模块9。
第三步，宽量程的计算步骤：功能实现模块9根据所接收到的电流波形、电流转换系数、电压波形和电压转换系数以及系统所要求的功能，完成基波/全波电流有效值、基波/全波电压有效值、全波有功功率、基波有功功率、基波/全波无功功率、全波有功能量脉冲、基波有功能量脉冲、基波/全波无功能量脉冲以及电能质量等相关的计算。
在上述第一步中，所述电流量程转换器3把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电流信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电流信号，直到输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电流信号保持与基本信号相同的位宽输出给所述电流高通滤波器，并将右移位的位数作为电流转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，电流信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给电流高通滤波器，并将电流转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出；
在上述第一步中，所述电压量程转换器7把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电压信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电压信号，直到输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电压信号保持与基本信号相同的位宽输出给电压高通滤波器，并将右移位的位数作为电压转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，电压信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给所述电压高通滤波器，并将电压转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出。
在本实施例中，第一SINC滤波器2的输出是24bit的波形信号，电流高通滤波器4是18bit的波形信号，电流量程转换器3需要将超过基本量程[-2^17，2^17-1]的信号转换到基本量程内，即若第一SINC滤波器2输出的数据第23位和第22位为符号位，其他为有效数据，则需要将数据左移位5bit，输出低18bit给电流高通滤波器4，并输出转换系数5给功能实现模块9，功能实现模块9在进行相关功能计算时，需要对最终的计算结果右移5bit输出。
传统的宽量程实现方法要么在∑△ADC转换器前端模拟信号上进行处理，进行多路输入的方式，从输入信号的源头把大信号和小信号分开，这种电路复杂而且昂贵，同时由于模拟采样器件增多，降低了装置的可靠性。要么就是在外部增加放大电路，根据信号输入的大小进行信号的放大、这种方式同样电路复杂而且昂贵，并且由于采用这种方式必须要把输入的模拟信号按照量程要求进行缩小，在小信号测量上存在不准确的问题。
或者也有在∑△ADC转换器上进行处理，让输入的最大的模拟信号不超过∑△ADC转换器量程，在∑△ADC转换器上根据电流信号的大小进行自动量程切换，此种方法存在的问题就是在切换量过程中必然产生电能计算的跳跃式波动，从而导致计量存在不准确性。
和传统的宽量程电能计量实现方法相比较，本发明通过扩展了相应的SINC滤波器的位数和增加了量程转换模块，通过移位把超过基本量程的信号压缩，把信号和系数一起传递给了后续模块，实现了宽量程算法，这种方法的优点在于增加硬件资源很少，并且也不存在由于计量算法的漏洞导致电能计量不准确，也能在全量程范围内的计量准确度都能保证。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种宽量程电能计量装置，其特征在于，包括：
电流通道，所述电流通道包括依次电连接的第一∑△ADC转换器、第一SINC滤波器、电流量程转换器和电流高通滤波器；和
电压通道，所述电压通道包括依次电连接的第二∑△ADC转换器、第二SINC滤波器、电压量程转换器和电压高通滤波器；还包括：
功能实现模块，其第一输入端分别与所述电流量程转换器和电流高通滤波器连接，其第二输入端分别与所述电压量程转换器和电压高通滤波器连接。
2.一种基于权利要求1的宽量程电能计量方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，电流通道的处理步骤：首先，第一∑△ADC转换器将接收到的模拟电流信号转换成数字电流PDM数据流，并传输至第一SINC滤波器；其次，第一SINC滤波器将输入的数字电流PDM数据流降采样成低速电流波形预处理信号，并传输至所述电流量程转换器；然后，电流量程转换器把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至电流高通滤波器，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块；最后，由电流高通滤波器滤除电流波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电流波形给所述功能实现模块；
第二步，电压通道的处理步骤：首先，第二∑△ADC转换器将接收到的模拟电压信号转换成数字电压PDM数据流，并传输至第二SINC滤波器；其次，第二SINC滤波器将输入的数字电压PDM数据流降采样成低速电压波形预处理信号，并传输至所述电压量程转换器；然后，电压量程转换器把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内，并将转换后的电流波形传输至所述电流高通滤波器，同时将转换后的电流转换系数输出至功能实现模块；最后，由电流高通滤波器滤除电压波形中的直流成分，并输出不含直流分量的电压波形给所述功能实现模块；
第三步，宽量程的计算步骤：功能实现模块根据所接收到的电流波形、电流转换系数、电压波形和电压转换系数以及系统所要求的功能，完成基波/全波电流有效值、基波/全波电压有效值、全波有功功率、基波有功功率、基波/全波无功功率、全波有功能量脉冲、基波有功能量脉冲、基波/全波无功能量脉冲以及电能质量的计算。
3.如权利要求2所述的一种宽量程电能计量方法，其特征在于，
第一步中，所述电流量程转换器把超过基本量程的电流信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电流信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电流信号，直到输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电流信号保持与基本信号相同的位宽输出给所述电流高通滤波器，并将右移位的位数作为电流转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电流信号的峰值不大于基本信号的上限值，电流信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给电流高通滤波器，并将电流转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出；
第一步中，所述电压量程转换器把超过基本量程的电压信号转换到基本量程范围内的具体步骤如下：
输入电压信号的峰值与基本信号的上限值比较，若大于上限值，右移位输入电压信号，直到输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，移位后的电压信号保持与基本信号相同的位宽输出给电压高通滤波器，并将右移位的位数作为电压转换系数输出给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，将计算结果左移位相应的位数；
若输入电压信号的峰值不大于基本信号的上限值，电压信号保持与基本信号相同的位宽直接输出给所述电压高通滤波器，并将电压转换系数输出为0给功能实现模块，待功能实现模块在进行计算时，最终结果不再移位，直接输出。
4.如权利要求3所述的一种宽量程电能计量方法，其特征在于，所述基本信号为基本量程范围内允许输入的信号；其中，若基本量程为[-2^212^21-1]，即数据位宽为22比特，则该基本信号的峰值不能超过量程的上下限。
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