CN106291096A - 一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，首先将稳定时钟源输入电能表AD芯片，使AD芯片输出采样频率高于电压、电流信号的采样数据，将输出的数据输入电能表电压事件计算模块中，进行电压事件监测与诊断；并将输出的数据输入到CIC重采样滤波器中进行重采样操作；重采样频率大于电能表最大谐波分析次数的奈奎斯特采样频率，将滤波后的数据输入到电能表谐波分析计算模块中进行FFT谐波分析计算；然后，将滤波后的数据再次输入CIC重采样滤波器进行降采样抽取，并输入到电能表电能计算模块中，完成电能计量操作。确保了电能计量精度，同时确保了谐波分析的频带宽度以及电压扰动事件判断的准确性。

Description

一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法

技术领域

本发明涉及一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，具体涉及一种在非线性负荷下，使电能表能够确保稳态电能以及谐波计量的准确性，同时也保证电压扰动等暂态数据监测的准确性。

背景技术

随着电力电子元器件在工业及民用领域大量应用，越来越多现场电力负荷呈现含有大量谐波、电压扰动频繁等非线性特点，为确保电能质量水平，电网公司一般投入专门的设备进行非线性负荷现场电能质量指标监测。由于智能电能表的普及，在智能电能表中加入电能质量水平监测，如最重要的谐波监测、电压扰动事件监测等应用功能，不仅可利用智能电能表分布广的特点，大幅增加电能质量测点，保证电网电能质量水平，还可节省对应电压等级的电能质量监测设备投入。

要满足小电流计量准确度与稳定性要求，智能电能表的计量回路要求采样位数宽、信道噪声低、混叠干扰更少，兼顾成本考虑，所以智能电能表一般采用∑-Δ型AD，成本低，位数宽，但需要经过多级滤波，信号实时性差；而要满足电能质量监测需求，监测设备必须设计高采样率、高实时性的采样回路来确保宽频带谐波分析、以及捕捉电压暂态干扰事件，所以电能质量监测设备一般采用SAR型AD，这类AD成本较高，位数相对更低，但转换实时性强。若在智能电能表中加入非线性负荷下的电能质量水平监测应用，其采样回路设计上就必须同时满足以上两种要求，具有一定的难度。

目前已公布采样设计方法主要包括：

1、双通道采样方法。目前有进口电能表采样该方法。即在电能表上同时设计两套采样回路，一个通道采用SAR型AD芯片，AD位数不高，但确保高速采样与采样实时性，从而用于谐波与电压事件监测；另一通道配置∑-Δ型AD，采样速率不高，但支持24位AD位宽，提高电能计量稳定性。该类设计方案可同时保证电能计量准确性与电能质量指标监测的实时性，但双采样通道会增加一倍的硬件成本，不利于大规模生产智能电能表应用。

2、单通道采样方法。通过一片高速AD芯片，采用单周期电能快速算法，确保波动负荷下电能计量准确度(申请号：201510356053.1，公开号：104914304A，公开日：2015.09.16，申请国：中国)。这种方法比较依赖一片高速高精度同时又保证足够位宽的AD芯片，这种芯片价格昂贵，适用于一些特殊场合计量的高端表计中，而对成本竞争压力较大的智能电能表，该方法不能适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，使电能表可以产生稳定、低噪的采样信号，确保电能计量精度，同时也可产生高速、实时的采样信号，确保谐波分析的频带宽度以及电压扰动事件判断的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案。

一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1)、将稳定时钟源输入电能表AD芯片，使AD芯片输出采样频率高于电压、电流信号的采样数据，将AD芯片输出的数据输入电能表电压事件计算模块中，进行包括电压扰动和电压暂态在内的电压事件监测与诊断；并，

2)、将AD芯片输出的数据输入到CIC重采样滤波器中，进行重采样操作；所述重采样频率大于电能表最大谐波分析次数的奈奎斯特采样频率，将滤波后的数据输入到电能表谐波分析计算模块中，进行FFT谐波分析计算；然后，

3)、将滤波后的数据再次输入CIC重采样滤波器进行降采样抽取，进一步提高电压、电流采样数据的基波频带稳定性，并输入到电能表电能计算模块中，完成电能计量操作。

其中AD芯片采用∑-Δ型AD。

步骤2)所述重采样频率为2的整数次幂。

AD芯片的稳定时钟源采用带温补的有源晶振，使AD芯片最大过采样频率达到电能表最大谐波分析频率的20倍以上。

CIC重采样滤波器由线性插值器与抽取率为R的CIC抽取滤波器构成；采样频率为M的原始信号，输入到线性插值器中，按下式进行插值处理：

$y\left(k\right)=y(k-1)+\frac{R\·N}{M}y\left(k\right);$

其中，N为重采样滤波器最终输出数据的采样频率，抽取系数R，采样频率M与N的取值必须满足以下关系：

$0.5\≤\frac{R\·N}{M}\≤1.$

CIC重采样滤波器中，其抽取率为R的CIC抽取滤波器采用5级级联滤波器构成，其传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{{(1-z^{-R})}^5}{{(1-z^{-1})}^5}.$

步骤3)中的CIC抽取滤波器同样为5阶滤波器，抽取因子R为2。

本发明的积极效果在于：

第一、本发明采用∑-Δ型AD，适用于多数智能电能表平台，同时利用CIC滤波器(级联积分梳状滤波器)可实现任意整数倍采样信号插值和抽取的特点，来弥补∑-Δ型AD在采样实时性上的不足。本发明通过CIC滤波器进行多级重采样，使智能电能表AD回路生成多级采样信号，其中，高速低精度的实时采样信号用于电压扰动、电压暂态等电压事件的监测；去除混叠干扰的同步信号，用于谐波分析计算；而低速高精度低噪音的信号，用于电能计量。在不提高计量通道数量、以及AD芯片性能的基础上，使智能电能表同时具备精确电能计量与电能质量指标监测的能力。

第二、通过CIC滤波器进行重采样，形成长度为2的整数次幂的采样数据，即使AD芯片采样率为任意值的情况下，也可使电能表MCU进行基2的FFT计算，保证谐波分析计算速度以及准确性前提下，降低了对AD芯片以及电能表MCU硬件性能的需求。

第三、通过多级CIC滤波器抽取与降采样，进一步降低信号噪声，提高小电流电能计量精确度与稳定性。使电能表能够在确保成本竞争力的同时，提高计量准确性。

第四、采用带温补的高稳定性有源晶振，确保AD芯片过采样频率的稳定性，从而保证了每个分级重采样的准确性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的CIC重采样滤波器原理图。

图3是本发明所采用电能表实施例的原理图。

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，温补有源晶振输出稳定的高速时钟信号，使电能表∑-Δ型AD处于过采样状态，其输出采样频率远高于电压、电流信号的采样数据。将此高速实时的原始采样信号输入到电能表MCU的电压暂态、电压扰动计算模块中，进行电压事件的监测与诊断。该原始采样信号同时输入到CIC重采样滤波器中，进行重采样操作。

CIC重采样滤波器原理如图2所示，由线性插值器与抽取率为R的CIC抽取滤波器构成，该滤波器的作用是将原始采样信号重采样成一个适合于基2FFT谐波计算的信号，同时降低原始采样率，以减少频谱混叠干扰。采样频率为M的原始信号，输入到线性插值器中，按如下式进行插值处理：

$y\left(k\right)=y(k-1)+\frac{R\·N}{M}y\left(k\right)---\left(1\right)$

其中，N为重采样滤波器最终输出数据的采样频率，抽取系数R，采样频率M与N的取值必须满足以下关系：

$0.5\≤\frac{R\·N}{M}\≤1---\left(2\right)$

CIC抽取滤波器由一个5阶积分器滤波器，抽取因子为R的抽取器以及5阶梳状滤波器组成。其传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{{(1-z^{-R})}^5}{{(1-z^{-1})}^5}---\left(3\right)$

考虑电能表平台MCU的计算能力，抽取系数R取为2。为确保CIC重采样滤波器输出信号频率适用于基2FFT谐波计算，输出信号采样频率N可设定为2的整数次幂。

CIC重采样滤波器输出的电压、电流采样值信号，输入到谐波分析模块进行谐波分析计算，同时将该数据继续输入到下一级CIC抽取滤波器，进行抽取因子R为2的抽取滤波。该滤波器的阶数依然为5阶。这一级CIC抽取滤波器主要目的是对CIC重采样滤波器输出信号再进行一次降采样操作，并将该数据输入到电能计算模块中，进行传统的电能计量工作。一方面可降低电能计算的计算量，减少对电能表MCU的性能依赖，同时，可进一步降低基频频带以外的信号噪声干扰，提高电能计量稳定性，尤其是小电流计量的稳定性。

本发明可以应用于带有∑-Δ型AD的智能电能表，下面叙述作为本发明计量装置实施例的一种非线性负荷电能表。

参照图3，在一种非线性负荷电能表实施例中，主CPU单元1包含一块200MHZ ARMCotex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连接有电压与电流两个通道的∑-Δ型TI系列AD采样芯片3与4。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∑-Δ型AD采样芯片3与4由一片HS49系列有源晶振7提供2.048MHZ稳定时钟信号。

所述主CPU单元1还通过I2C总线连接有显示单元、RS485接口、两片EEPROM以及外部FLASH单元等外围器件。

本发明在该实例上主要实现流程如下，

在HS49系列有源晶振7提供2.048MHZ稳定时钟信号下，AD采样芯片3与4设置为32KHZ过采样，同时关闭AD芯片中原有的抗混叠滤波器，以确保实时性，使其32KHZ采样数据，输入到数字信号处理芯片2中进行处理。

本发明中所有滤波器在本实施例中都采用数字化实现，以软体形式运行在数字信号处理芯片2中。数字信号处理芯片2的主程序在接收到AD采样芯片3与4输入的过采样信号后，调用电压暂态与电压扰动事件监测模块，进行高速的事件监测计算，以确保电压事件监测的实时性。同时，调用CIC重采样数字滤波器模块，该模块首先依据公式1，调用数字插值器函数进行插值计算，其中M设为32KHZ，输出信号采样频率N设置为12.8KHZ，抽取因子R为2。

进行插值计算后，信号变为25.6KHZ采样频率，再调用CIC抽取数字滤波器进行2倍抽取，最终输出12.8KHZ采样频率的信号，输入到谐波分析模块中，进行谐波分析计算。

同时，再次调用CIC抽取数字滤波器函数，对12.8KHZ采样频率的信号，进行2倍抽取，将采样率降为6.4KHZ，输入到电能计量模块中进行电能计算，此时，高频噪声已被消除，信号变得平滑稳定，可确保小电流轻负载时的计量精度。

Claims (7)

1.一种用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1)、将稳定时钟源输入电能表AD芯片，使AD芯片输出采样频率高于电压、电流信号的采样数据，将AD芯片输出的数据输入电能表电压事件计算模块中，进行包括电压扰动和电压暂态在内的电压事件监测与诊断；并，

2)、将AD芯片输出的数据输入到CIC重采样滤波器中，进行重采样操作；所述重采样频率大于电能表最大谐波分析次数的奈奎斯特采样频率，将滤波后的数据输入到电能表谐波分析计算模块中，进行FFT谐波分析计算；然后，

3)、将滤波后的数据再次输入CIC重采样滤波器进行降采样抽取，进一步提高电压、电流采样数据的基波频带稳定性，并输入到电能表电能计算模块中，完成电能计量操作。

2.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：其中AD芯片采用Σ-Δ型AD。

3.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：步骤2)所述重采样频率为2的整数次幂。

4.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：AD芯片的稳定时钟源采用带温补的有源晶振，使AD芯片最大过采样频率达到电能表最大谐波分析频率的20倍以上。

5.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：CIC重采样滤波器由线性插值器与抽取率为R的CIC抽取滤波器构成；采样频率为M的原始信号，输入到线性插值器中，按下式进行插值处理：

其中，N为重采样滤波器最终输出数据的采样频率，抽取系数R，采样频率M与N的取值必须满足以下关系：

6.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：CIC重采样滤波器中，其抽取率为R的CIC抽取滤波器采用5级级联滤波器构成，其传递函数为：

7.如权利要求1所述的用于非线性负荷电能表的多级重采样方法，其特征在于：步骤3)中的CIC抽取滤波器同样为5阶滤波器，抽取因子R为2。