CN106526313A - 一种直流计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流计量方法，包括：在校表模式下，获得表计不同接入方式的校表参数，得到校表参数模型；在应用运行模式下，通过信号极性自主识别算法分辨电压、电流信号极性并判断表计接入方式；根据表计接入方式对应的校表参数以及电流极性情况进行补偿处理，得到电能参数。本发明在电能计量领域对电压、电流采样信号不同的接入方式情况下的电表准确度十分有效，因此提高了直流电能表对信号的不同接入模式的准确性和适应性。

Description

一种直流计量方法

技术领域

本发明涉及一种直流计量方法，属于电能计量技术领域，可以用于充电桩、光伏发电新能源直流电能计量领域。

背景技术

以石油、煤炭为主导的化石资源的日益减少和人类对环保理念的深入，低耗能、清洁环保的电动汽车和光伏发电设备开始步入现代文明生活。直流计量的配套表计产品需求迅猛，新能源微电网等新型领域对表计的接入方式呈现多样化需求，其电压、电流采样信号在时间维度上是不恒定的方向，存在充放电过程。

在传统直流计量方法上，为了减少噪声误差带来的干扰，多采用差分信号采样电路进行信号采样处理。这样导致电压电流采样信号极性变化的情况下，计量是不精准的，自适应能力较弱。

发明内容

本发明提供了一种输入信号极性自适应的直流计量方法，能够克服不同工况下，采样输入信号极性改变时出现的计量不准确问题，提高直流计量仪表的适用性。

本发明的技术方案为：一种直流计量方法，包括：

在校表模式下，获得表计不同接入方式的校表参数，得到校表参数模型；

在应用运行模式下，通过信号极性自主识别算法分辨电压、电流信号极性并判断表计接入方式；

根据表计接入方式对应的校表参数以及电流极性情况进行补偿处理，得到电能参数；

所述信号极性自主识别算法是将在采样周期内得到的电压、电流瞬时量信号采样值极性呈现的次数与预设值比较，判断得出当前采样周期内电压、电流输入信号的极性，当电压输入极性由正到负并持续预设时长，判断表计属于正极接入方式，否则判断表计为负极接入方式。

所述信号极性自主识别算法是统计一个采样周期内电压、电流瞬时量信号极性值为负的次数，当该次数大于预设值时，认为该信号极性为负，否则认为该信号极性为正；系统上电默认表计负极接入模式，当电压输入极性由正到负并持续一段预设时长，认为表计属于正极接入方式。

在一个具体实施例中，所述预设值为100，所述预设时长为3s。

所述补偿处理包括根据表计接入方式选择负极校表参数模型或正极校表参数模型，然后依据电流信号极性得到电压、电流和功率的偏置以及LCD亮灭补偿补偿系数，所述负极校表参数模型包括负极电压、电流和功率增益参数，正极校表参数模型包括正极电压、电流和功率增益参数。

本发明方法先计算采样周期内各电参数的瞬时值，再通过补偿算法得到有效值，在一个具体实施例中，具体包括：

其中：u_i、i_i为第i次采样电压、电流瞬时AD值，G_{v_gain}为电压增益，G_{i_gain}为电流增益，G_{p_gain}为功率增益，V_offset为电压偏置，I_offset为电流偏置，P_offset为功率偏置，LCD_offset为LCD亮灭补偿系数，U₀(k)为第k秒的电压有效值，I₀(k)为第k秒的电流有效值，P₀(k)为第k秒的功率有效值，N_s为ADC采样频率。

校表参数模型是在校表模式下，通过切换正负极接入方式建立，包括：(1)在信号输入端短接的情况下，得到电压和电流的零点噪声偏置V_S_OFFSET、I_S_OFFSET；(2)在(Un,Ib)校表点下，得到负极电压增益G_{v_neg_gain}、电流增益G_{i_neg_gain}、功率增益G_{p_neg_gain}；在(-Un,-Ib)校表点下，得到正极电压增益G_{v_pos_gain}、电流增益G_{i_pos_gain}、功率增益G_{p_pos_gain}；(3)在(0.1Un,Ib)校表点得到负极电压直流偏置U_offset，在(Un,0.05Ib)校表点得到负极电流直流偏置I_offset、功率偏置V_offset和LCD亮灭补偿系数LCD_offset。

在一个具体实施方式中，校表参数模型包括：

(1)负极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(2)负极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝～I_dc_offset+1

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝～P_dc_offset+1

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝～LCD_dc_offset+1；

(3)正极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(4)正极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝(～V_dc_offset+1)

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝(～I_dc_offset+1)

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝(～P_dc_offset+1)

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝(～LCD_dc_offset+1)。

本发明针对传统直流计量方法，在电压、电流采样信号不同的接入方式下，出现精度误差准确度不足的情况，通过在校表模式下采用校表数据模型存储内卡，由信号极性自主识别算法识别信号输入的极性情况，判断表计此时的接入类型，进而从校表内卡提取对应的模型参数进行算法补偿处理得到准确的电参量。所以当外界的输入信号方向改变时，仍可以进行精准的计量。

通过算法的理论分析和MSP430平台方案的结果验证表明，本发明在电能计量领域对电压、电流采样信号不同的接入方式情况下的电表准确度十分有效，因此提高了直流电能表对信号的不同接入模式的准确性和适应性。

附图说明

附图1为本发明原理图；

附图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明输入信号极性自适应的直流计量方法，先在校表模式下，通过计量算法分别校正表计不同接入方式情况的校表参数并存储于内卡。

正负极校表参数模型取决于正负极接入方式和电流信号极性。校表参数分为两种模型，一种是负极校表参数模型；另一种是正极校表参数模型。其校表参数模型是由电压零点噪声偏置(V_S_OFFSET)、电流零点噪声偏置(I_S_OFFSET)、电压增益G_{v_gain}、电流增益G_{i_gain}、功率增益G_{p_gain}、功率偏置V_offset、电流直流偏置I_offset、电压直流偏置U_offset、LCD亮灭补偿系数LCD_offset等参数组成。零点噪声偏置校正表计未接入输入信号时，采样理论值为0。

其中的LCD亮灭补偿系数LCD_offset是依据表计LCD背光亮灭的情况下，在(Un,0.05Ib)进行电流和功率补偿的系数，用于消除LCD背光亮灭时温度场对电流采样通道造成的影响而设计，若无影响则默认为0。LCD_dc_offset数值上等于LCD灭灯时的电流数值减去LCD亮灯时的电流数值再除以小数点位数。电压零点噪声偏置(V_S_OFFSET)、电流零点噪声偏置(I_S_OFFSET)是在电压、电流信号短接的情况下得到的零点噪声偏置。

在应用运行模式下，通过信号极性自主识别算法分辨电压、电流信号极性并判断表计接入方式。

其中，信号极性自主识别算法是利用计量算法在采样周期内得到的电压、电流瞬时量信号采样值极性呈现的次数与预设值比较，判断得出当前采样周期内电压、电流输入信号的极性。具体的，在一个采样周期T内采样N个点，采集当前的瞬时电压、电流模拟输入信号的等离散化数值，统计其信号极性值为负的次数，当该次数大于计量算法预设的值时，认为该信号极性为负，否则认为该信号极性为正。系统上电默认表计负极接入模式，当电压输入极性由正到负并持续t秒，认为是表计属于正极接入方式，否则认为表计负极接入方式。

进而根据表计接入方式，提取不同的内卡校表参数进行补偿算法处理，得到准确的电能参数。具体的，判断接入表计类型，从内卡E2PROM提取对应的校表参数到RAM区校表参数结构体，在补偿算法中，使用该结构体校表参数进行电压、电流和功率增益。再依据输入电流信号极性，补偿对应参数的偏置。

下面结合具体的实施例对本发明输入信号极性自适应的直流计量方法进行详细说明：

1、建立校表参数模型。校表模式下，通过切换正负极接入方式建立校表参数模型：(1)在信号输入端短接的情况下，得到电压和电流的零点噪声偏置；(2)在(Un,Ib)校表点下，得到负极电压增益G_{v_neg_gain}、电流增益G_{i_neg_gain}、功率增益G_{p_neg_gain}；在(-Un,-Ib)校表点下，得到正极电压增益G_{v_pos_gain}、电流增益G_{i_pos_gain}、功率增益G_{p_pos_gain}；(3)在(0.1Un,Ib)校表点得到负极电压的偏置，在(Un,0.05Ib)校表点得到负极电流、功率的偏置和LCD亮灭温度补偿系数。

2、在运行模式下，信号极性自主识别算法去分辨采样周期内的输入信号极性。在ADC采样中断函数中，统计采样周期T内得到的电压、电流瞬时量信号采样值极性为负的次数N1，N2，与预设值REVERSE_QUANTITY(100)进行比较，如果在一个采样周期T内，得到的Ni>REVERSE_QUANTITY判断得出当前采样周期内输入信号的极性为负,其中i＝1,2。

3、在步骤2得到的输入信号极性后，依据电压信号极性推导表计接入方式类型，系统上电默认负极接入方式，当检测到电压信号极性由正到负转变，并且持续t秒(t＝3s)，则认为是正极接入方式，否则认为是负极接入。对于负极接入方式，从内卡提取的是负极校表参数模型，也就是负极电压、电流、功率增益。对于正极接入方式，从内卡提取的是正极校表参数模型，也就是正极电压、电流、功率增益。电压、电流、功率的偏置以及LCD亮灭补偿补偿系数是在校表参数模型下，结合电流极性的正负进行偏置处理。

4、依据步骤3得到的校表参数模型，对采样信号瞬时量进行计量算法运算，得到采样周期内各电参数的瞬时值，再通过补偿算法得到有效值。假设ADC采样频率为Ns(HZ),可以通过下面公式计算得到各参数有效值。

其中：u_i、i_i为第i次采样电压、电流瞬时AD值，G_{v_gain}为电压增益，G_{i_gain}为电流增益，G_{p_gain}为功率增益，V_offset为电压偏置，I_offset为电流偏置，P_offset为功率偏置，LCD_offset为LCD亮灭补偿系数，U₀(k)为第k秒的电压有效值，I₀(k)为第k秒的电流有效值，P₀(k)为第k秒的功率有效值，N_s为ADC采样频率。

补偿算法依据内卡校表参数模型进行补偿，如表1-1所示。

表1-1校表参数模型

具体策略如下所示：

(1)负极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(2)负极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝～I_dc_offset+1

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝～P_dc_offset+1

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝～LCD_dc_offset+1；

(3)正极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(4)正极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝(～V_dc_offset+1)

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝(～I_dc_offset+1)

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝(～P_dc_offset+1)

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝(～LCD_dc_offset+1)。

其中：V_dc_offset、I_dc_offset、P_dc_offset分别表示校表得到的电压、电流和功率的直流偏置。～表示数值取反符号，输入信号极性相反，偏置补偿的方向也就相反。

MSP430平台方案实验论证：

为了对MSP430平台方案进行验证，试验采用样机1:225A/75mv和样机2:200A/50mv(分流器规格)，检验装置为HS-6133直流表检验装。在输入电压500V时，测各样品在不同负载时电流、电度的精度均符合《ZBY 318-85电子式直流电度表技术》中关于电能精度0.5S等级的技术要求。

Claims (7)

1.一种直流计量方法，其特征在于包括：

在校表模式下，获得表计不同接入方式的校表参数，得到校表参数模型；

在应用运行模式下，通过信号极性自主识别算法分辨电压、电流信号极性并判断表计接入方式；

根据表计接入方式对应的校表参数以及电流极性情况进行补偿处理，得到电能参数；

所述信号极性自主识别算法是将在采样周期内得到的电压、电流瞬时量信号采样值极性呈现的次数与预设值比较，判断得出当前采样周期内电压、电流输入信号的极性，当电压输入极性由正到负并持续预设时长，判断表计属于正极接入方式，否则判断表计为负极接入方式。

2.根据权利要求1所述的直流计量方法，其特征在于：所述信号极性自主识别算法是统计一个采样周期内电压、电流瞬时量信号极性值为负的次数，当该次数大于预设值时，认为该信号极性为负，否则认为该信号极性为正；系统上电默认表计负极接入模式，当电压输入极性由正到负并持续一段预设时长，认为表计属于正极接入方式。

3.根据权利要求1或2所述的直流计量方法，其特征在于：所述预设值为100，所述预设时长为3s。

4.根据权利要求1所述的直流计量方法，其特征在于：所述补偿处理包括根据表计接入方式选择负极校表参数模型或正极校表参数模型，然后依据电流信号极性得到电压、电流和功率的偏置以及LCD亮灭补偿补偿系数，所述负极校表参数模型包括负极电压、电流和功率增益参数，正极校表参数模型包括正极电压、电流和功率增益参数。

5.根据权利要求4所述的直流计量方法，其特征在于：先计算采样周期内各电参数的瞬时值，再通过补偿算法得到有效值，具体包括：

$U_0\left(k\right)=G_{v\_gain}*\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}\[u_i*u_i\]}{N_s}}+V\_offset$

$I_0\left(k\right)=G_{i\_gain}*\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}\[i_i*i_i\]}{N_s}}+I\_offset+LCD\_offset$

$P_0\left(k\right)=G_{p\_gain}*\frac{\underset{i=1}{\overset{N_s}{\Σ}}\[u_i*i_i\]}{N_s}+(P\_offset+LCD\_offset)*U_0\left(k\right)$

其中：u_i、i_i为第i次采样电压、电流瞬时AD值，G_{v_gain}为电压增益，G_{i_gain}为电流增益，G_{p_gain}为功率增益，V_offset为电压偏置，I_offset为电流偏置，P_offset为功率偏置，LCD_offset为LCD亮灭补偿系数，U₀(k)为第k秒的电压有效值，I₀(k)为第k秒的电流有效值，P₀(k)为第k秒的功率有效值，N_s为ADC采样频率。

6.根据权利要求4所述的直流计量方法，其特征在于：校表参数模型是在校表模式下，通过切换正负极接入方式建立，包括：(1)在信号输入端短接的情况下，得到电压和电流的零点噪声偏置V_S_OFFSET、I_S_OFFSET；(2)在(Un,Ib)校表点下，得到负极电压增益G_{v_neg_gain}、电流增益G_{i_neg_gain}、功率增益G_{p_neg_gain}；在(-Un,-Ib)校表点下，得到正极电压增益G_{v_pos_gain}、电流增益G_{i_pos_gain}、功率增益G_{p_pos_gain}；(3)在(0.1Un,Ib)校表点得到负极电压直流偏置U_offset，在(Un,0.05Ib)校表点得到负极电流直流偏置I_offset、功率偏置V_offset和LCD亮灭补偿系数LCD_offset。

7.根据权利要求4～6之一所述的直流计量方法，其特征在于校表参数模型包括：

(1)负极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(2)负极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_neg_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_neg_gain} I_offset＝～I_dc_offset+1

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_neg_gain} P_offset＝～P_dc_offset+1

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝～LCD_dc_offset+1；

(3)正极校表参数模型，电流极性为正情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝V_dc_offset

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝I_dc_offset

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝P_dc_offset

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝LCD_dc_offset；

(4)正极校表参数模型，电流极性为负情况：

电压补偿系数：G_{v_gain}＝G_{v_pos_gain} V_offset＝(～V_dc_offset+1)

电流补偿系数：G_{i_gain}＝G_{i_pos_gain} I_offset＝(～I_dc_offset+1)

功率补偿系数：G_{p_gain}＝G_{p_pos_gain} P_offset＝(～P_dc_offset+1)

LCD亮灭补偿系数：LCD_offset＝(～LCD_dc_offset+1)。