CN106569447A - 一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法 - Google Patents

一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法，所述电能表包括电压采样模块、电流采样模块、电能计量模块和单片机控制模块，电能计量模块包括信号检测单元、信号处理单元、A/D转换单元、高通滤波器、电能计量单元，通过电能计量模块中信号检测单元对输入信号进行过零检测和频率测量，通过零信号和频率域值双重判断条件，区分输入的是交流信号还是直流信号，从而自适应进行交流计量或者直流计量。本发明不需要增加额外的电路，即可实现对输入的交流电能或直流电能进行计量，具有简单、实用、可靠等特点，解决了目前交直流计量分别需要两种类型的电能表问题。

Description

一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，具体是一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法。
背景技术
随着新能源和分布式能源技术的发展，太阳能、直流储能等可再生能源发电应用越来越普遍，这对现场的电能计量提出了新的要求。在这种应用中，需要安装两种类型电能表，除了要安装一块交流计量电能表外，还需要在加装一块直流电能表进行直流计量，增加了现场设备安装维护的复杂程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交直流自适应电能计量的电能表及电能计量方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种交直流自适应电能计量的电能表，它包括电压采样模块、电流采样模块、电能计量模块和单片机控制模块，所述的电压采样模块用于采集输入电压，电流采样模块用于采集负载电流；电压采样模块、电流采样模块的信号输出分别与电能计量模块对应信号输入端相连接；电能计量模块包括信号检测单元、信号处理单元、A/D转换单元、高通滤波器、电能计量单元，所述的信号处理单元输入端分别与电压采样模块、电流采样模块的信号输出端相连接，信号处理单元的信号输出端依次连接信号检测单元、A/D转换单元、高通滤波器、电能计量单元和单片机控制模块；通过电能计量模块中信号检测单元对输入信号进行过零检测和频率测量，通过零信号和频率域值双重判断条件，区分输入的是交流信号还是直流信号，从而自适应进行交流计量或者直流计量。
优选的，它还包括电源模块、通信模块、存储模块、按键模块和LCD显示模块，所述单片机控制模块由电源模块供电，单片机控制模块的存储信号端、通信信号端分别与存储器模块、通信模块双相连接；单片机控制模块的控制信号输入端与按键模块的控制信号输出端相连，单片机控制模块的显示信号输出端与LCD显示模块的信号输入端相连。
优选的，所述的电源模块为开关电源。
一种交直流自适应电能计量的电能表的电能计量方法，通过电能计量模块对输入电压信号进行交直流判断，区分是交流信号还是直流信号，从而分别进行直流计量或者交流计量。
所述电能计量方法具体包括以下步骤：
①初始化：上电后首先对电能表硬件系统进行初始化，包括单片机控制模块、电能计量模块的初始化；
②输入信号过零检测和频率检测：在第①步完成后，通过电能计量模块对电压取样电路输入的信号进行过零检测和频率测量；
③交直流信号判断：在第②步完成后，单片机控制模块根据电能计量模块输出的过零信号和频率值进行交直流判断，如果是直流信号，执行直流计量程序，反之如果是交流信号，则执行交流计量程序；
④交流电能计量：根据第③步的判断，如果是交流信号，单片机控制模块打开电能计量模块的高通滤波器配置，执行交流计量；
⑤直流电能计量：根据第③步的判断，如果是直流信号，单片机控制模块关闭电能计量模块的高通滤波器配置，执行直流计量；
⑥电能量输出：第④步或第⑤步计算得到的交流电能量或直流电能量，通过脉冲输出口输出电能量脉冲，供后面的单片机控制模块进行电量累计和电表误差校准。
优选的，步骤③中，交直流判断步骤为：首先判断是否存在过零信号，如果没有过零信号则认为输入信号是直流信号；如果有过零信号则再判断频率值，如果在电网交流频率域值范围内，则认为输入信号是交流信号，如果频率在电网交流频率域值范围外，则认为输入信号是带脉动纹波的直流信号。
优选的，步骤④中，所述交流计算的具体步骤为：a.输入模拟电压信号和模拟电流信号，经两路A/D转换模块进行A/D转换，把模拟量转换成数字电压信号和数字电流信号，并通过相位校准以补偿采样电路给交流信号带来的相移；b.数字电压信号和数字电流信号分别经过高通滤波，滤除信号中的直流分量；c.经过高通滤波器后的数字电压信号和数字电流信号经过乘法运算，得到瞬时功率值，再经低通滤波获得平均功率，以及补偿外部噪声对交流小信号产生的影响，经增益校准后获得准确的有功功率值；d.经过高通滤波器后的数字电压信号和数字电流信号顺次经过平方、外部噪声抑制、低通滤波、开平方以及增益校准后获得准确的交流电压电流有效值；e.步骤c获得的有功功率，经过积分运算，得到交流电能量值。
优选的，步骤⑤中，所述直流计算的具体步骤为：a.输入模拟电压信号和模拟电流信号，经两路A/D转换模块进行A/D转换，把模拟量转换成数字电压信号和数字电流信号，同时移除ADC失调误差；b.经过移除ADC失调误差后的数字电压信号和数字电流信号经过乘法运算，得到瞬时功率值，经低通滤波获得平均功率，以及补偿外部噪声对直流小信号产生的影响，经增益校准后获得准确的功率值；c.经过移除ADC失调误差后的数字电压信号和数字电流信号顺次经过外部噪声抑制、低通滤波以及增益校准后获得准确的直流电压电流有效值；d.步骤b得到的直流功率经过乘法运算，得到功率值，经过积分运算，得到直流电能量值。
本发明的有益效果：本发明的交直流自适应计量的电能表及电能计量方法，不需要增加额外的电路，即可实现对输入的交流电能或直流电能进行计量，具有简单、实用、可靠等特点，解决了目前交直流计量分别需要两种类型的电能表问题。
附图说明
图1是本发明的电能表原理框图。
图2是本发明的交直流工作模式选择示意图。
图3是本发明的交流工作模式功率测量示意图。
图4是本发明的直流工作模式功率测量示意图。
图5是本发明的有功能量脉冲输出示意图。
图6是本发明的电能计量整体流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步描述。
结合图1所示电能表原理框图，实施例1：一种交直流自适应电能计量的电能表，它包括电压采样模块1、电流采样模块2、电能计量模块8和单片机控制模块9，所述的电压采样模块1用于采集输入电压，电流采样模块2用于采集负载电流；电压采样模块1、电流采样模块2的信号输出分别与电能计量模块8对应信号输入端相连接；电能计量模块8包括信号检测单元81、信号处理单元82、A/D转换单元83、高通滤波器84、电能计量单元85，所述的信号处理单元82输入端分别与电压采样模块1、电流采样模块2的信号输出端相连接，信号处理单元82的信号输出端依次连接信号检测单元81、A/D转换单元83、高通滤波器84、电能计量单元85和单片机控制模块9；通过电能计量模块8中信号检测单元81对输入信号进行过零检测和频率测量，通过零信号和频率域值双重判断条件，区分输入的是交流信号还是直流信号，从而自适应进行交流计量或者直流计量。
实施例2：基于实施例1所述的交直流自适应电能计量的电能表，它还包括电源模块3、通信模块4、存储模块5、按键模块6和LCD显示模块7，所述单片机控制模块9由电源模块3供电，单片机控制模块9的存储信号端、通信信号端分别与存储器模块5、通信模块4双相连接；单片机控制模块9的控制信号输入端与按键模块6的控制信号输出端相连，单片机控制模块9的显示信号输出端与LCD显示模块7的信号输入端相连。
实施例3：基于实施例2所述的交直流自适应电能计量的电能表，所述的电源模块3为开关电源。
工作过程描述如下：
上电后首先对电能表硬件系统进行初始化，主要包括单片机控制模块9、电能计量模块8、存储模块5的初始化；
结合图2，完成上述初始化后，电能计量模块8中的信号检测单元81对输入信号进行过零检测和频率测量，单片机控制模块9根据检测单元81输出的过零信号和频率域值双重判断条件，判断输入的信号是直流还是交流，如果是直流信号，执行直流计量程序，反之如果是交流信号，则执行交流计量程序。
优选的实施例中，交直流判断步骤为：首先判断是否存在过零信号，如果没有过零信号则认为输入信号是直流信号；如果有过零信号则再判断频率值，如果在电网交流频率域值范围内，则认为输入信号是交流信号，如果频率在电网交流频率域值范围外，则认为输入信号是带脉动纹波的直流信号。
如果是交流信号，结合图3：单片机控制模块打开电能计量模块中的高通滤波器配置，输入模拟电压信号经A/D转换变成数字电压信号，经过相位校准电路PHS和高通滤波器，滤除信号中的直流分量；输入模拟电流信号经进行A/D转换变成数字电流信号，通过相位校准补偿采样电路给交流信号带来的相移，经过高通滤波器，滤除信号中的直流分量；数字电压DATAU和数字电流DATAI经过乘法运算得到瞬时功率，再经过低通滤波得到平均功率，交流功率补偿APOS补偿外部噪声对交流小信号产生的影响，经功率增益GP校准，最终获得准确的交流有功功率AP。
如果是直流信号，结合图4：单片机控制模块关闭电能计量模块中的高通滤波器配置，执行直流计量；输入模拟电压信号和模拟电流信号经A/D转换变成数字电压量和数字电流量并移除ACD失调误差DCI和DCU，数字电压DATAU量和数字电流量DATAI经过乘法运算得到瞬时功率，再经过低通滤波获得平均功率、直流功率补偿APOS补偿外部噪声对直流小信号产生的影响、经功率增益GP校整，最终得到准确的直流有功功率AP；转换后的数字电压信号和数字电流信号经过电能计量单元85运算得到直流电能量值。
图3和图4中，交流计量方案和直流计量方案共享了电压电流乘法器、低通滤波器、外部噪声补偿电路、功率增益电路，且交直流方案共享了功率增益参数。然而对于外部噪声补偿，交直流方案需要选用各自的参数。
结合图5：交流有功功率AP或直流有功功率AP经过积分计算得到的交流电能量或直流电能量，通过脉冲发生器，经起动阈值控制和HFCONST脉冲控制，输出电能量脉冲，供后面的单片机控制模块9进行电量累计和电表误差校准。
上述得到的电能量值送到单片机控制模块9做进一步的电能累积，同时分别送到存储模块5进行电量存储；LCD显示模块7用于电量显示，以及电压、电流、频率数据等显示；按键模块6用于与用户交户，通信模块4用于与远程主站系统通信。
结合图6，基于实施例1所述的电能表的电能计量方法，通过电能计量模块对输入电压信号进行交直流判断，区分是交流信号还是直流信号，从而分别进行直流计量或者交流计量。具体包括以下步骤：
①初始化：上电后首先对电能表硬件系统进行初始化，包括单片机控制模块、电能计量模块的初始化；
②输入信号过零检测和频率检测：在第①步完成后，通过电能计量模块对电压取样电路输入的信号进行过零检测和频率测量；
③交直流信号判断：在第②步完成后，单片机控制模块根据电能计量模块输出的过零信号和频率值进行交直流判断，如果是直流信号，执行直流计量程序，反之如果是交流信号，则执行交流计量程序；
④交流电能计量：根据第③步的判断，如果是交流信号，单片机控制模块打开电能计量模块的高通滤波器配置，执行交流计量；
⑤直流电能计量：根据第③步的判断，如果是直流信号，单片机控制模块关闭电能计量模块的高通滤波器配置，执行直流计量；
⑥电能量输出：第④步或第⑤步计算得到的交流电能量或直流电能量，通过脉冲输出口输出电能量脉冲，供后面的单片机控制模块进行电量累计和电表误差校准。
本发明的交直流自适应计量的电能表及电能计量方法，不需要增加额外的电路，即可实现对输入的交流电能或直流电能进行计量，具有简单、实用、可靠等特点，解决了目前交直流计量分别需要两种类型的电能表问题。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种交直流自适应电能计量的电能表，其特征在于：它包括电压采样模块(1)、电流采样模块(2)、电能计量模块(8)和单片机控制模块(9)，所述的电压采样模块(1)用于采集输入电压，电流采样模块(2)用于采集负载电流；电压采样模块(1)、电流采样模块(2)的信号输出分别与电能计量模块(8)对应信号输入端相连接；电能计量模块(8)包括信号检测单元(81)、信号处理单元(82)、A/D转换单元(83)、高通滤波器(84)、电能计量单元(85)，所述的信号处理单元(82)输入端分别与电压采样模块(1)、电流采样模块(2)的信号输出端相连接，信号处理单元(82)的信号输出端依次连接信号检测单元(81)、A/D转换单元(83)、高通滤波器(84)、电能计量单元(85)和单片机控制模块(9)；通过电能计量模块(8)中信号检测单元(81)对输入信号进行过零检测和频率测量，通过零信号和频率域值双重判断条件，区分输入的是交流信号还是直流信号，从而自适应进行交流计量或者直流计量。
2.根据权利要求1所述的交直流自适应电能计量的电能表，其特征在于：它还包括电源模块(3)、通信模块(4)、存储模块(5)、按键模块(6)和LCD显示模块(7)，所述单片机控制模块(9)由电源模块(3)供电，单片机控制模块(9)的存储信号端、通信信号端分别与存储器模块(5)、通信模块(4)双相连接；单片机控制模块(9)的控制信号输入端与按键模块(6)的控制信号输出端相连，单片机控制模块(9)的显示信号输出端与LCD显示模块(7)的信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述的交直流自适应电能计量的电能表，其特征在于：所述的电源模块(3)为开关电源。
4.一种基于权利要求1所述的电能表的电能计量方法，其特征在于通过电能计量模块对输入电压信号进行交直流判断，区分是交流信号还是直流信号，从而分别进行直流计量或者交流计量。
5.根据权利要求4所述的一种交直流自适应电能计量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
①初始化：上电后首先对电能表硬件系统进行初始化，包括单片机控制模块、电能计量模块的初始化；
②输入信号过零检测和频率检测：在第①步完成后，通过电能计量模块对电压取样电路输入的信号进行过零检测和频率测量；
③交直流信号判断：在第②步完成后，单片机控制模块根据电能计量模块输出的过零信号和频率值进行交直流判断，如果是直流信号，执行直流计量程序，反之如果是交流信号，则执行交流计量程序；
④交流电能计量：根据第③步的判断，如果是交流信号，单片机控制模块打开电能计量模块的高通滤波器配置，执行交流计量；
⑤直流电能计量：根据第③步的判断，如果是直流信号，单片机控制模块关闭电能计量模块的高通滤波器配置，执行直流计量；
⑥电能量输出：第④步或第⑤步计算得到的交流电能量或直流电能量，通过脉冲输出口输出电能量脉冲，供后面的单片机控制模块进行电量累计和电表误差校准。
6.根据权利要求5所述的一种电能计量方法，其特征在于步骤③中，交直流判断步骤为：首先判断是否存在过零信号，如果没有过零信号则认为输入信号是直流信号；如果有过零信号则再判断频率值，如果在电网交流频率域值范围内，则认为输入信号是交流信号，如果频率在电网交流频率域值范围外，则认为输入信号是带脉动纹波的直流信号。
7.根据权利要求6所述的一种电能计量方法，其特征在于步骤④中，所述交流计算的具体步骤为：a.输入模拟电压信号和模拟电流信号，经两路A/D转换模块进行A/D转换，把模拟量转换成数字电压信号和数字电流信号，并通过相位校准以补偿采样电路给交流信号带来的相移；b.数字电压信号和数字电流信号分别经过高通滤波，滤除信号中的直流分量；c.经过高通滤波器后的数字电压信号和数字电流信号经过乘法运算，得到瞬时功率值，再经低通滤波获得平均功率，以及补偿外部噪声对交流小信号产生的影响，经增益校准后获得准确的有功功率值；d.经过高通滤波器后的数字电压信号和数字电流信号顺次经过平方、外部噪声抑制、低通滤波、开平方以及增益校准后获得准确的交流电压电流有效值；e.步骤c获得的有功功率，经过积分运算，得到交流电能量值。
8.根据权利要求6所述的一种电能计量方法，其特征在于步骤⑤中，所述直流计算的具体步骤为：a.输入模拟电压信号和模拟电流信号，经两路A/D转换模块进行A/D转换，把模拟量转换成数字电压信号和数字电流信号，同时移除ADC失调误差；b.经过移除ADC失调误差后的数字电压信号和数字电流信号经过乘法运算，得到瞬时功率值，经低通滤波获得平均功率，以及补偿外部噪声对直流小信号产生的影响，经增益校准后获得准确的功率值；c.经过移除ADC失调误差后的数字电压信号和数字电流信号顺次经过外部噪声抑制、低通滤波以及增益校准后获得准确的直流电压电流有效值；d.步骤b得到的直流功率经过乘法运算，得到功率值，经过积分运算，得到直流电能量值。
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