CN106610450A - 一种单相电能计量芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单相电能计量芯片，包括：与所述采样及模数转换模块相连接的全波形模块，与所述全波形模块相连接的基波分离模块，与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有效值计算模块，与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有功功率计算模块，与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的无功功率计算模块，与所述有效值计算模块相连接的视在功率计算模块，与所述视在功率计算模块和所述有功功率计算模块相连接的功率因子计算模块，N次谐波分离计算模块，还具备能量计算模块。可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量的电能计量。

Description

一种单相电能计量芯片

技术领域

本发明属于电能计量技术领域，涉及一种单相电能计量芯片。

背景技术

目前，电子式电能表的多功能要求在智能电网应用中的地位越来越重要，随着智能电网的发展，在电能计量芯片领域，相应地要求芯片具有灵活的设计方案和多功能计量要求，并能完成各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。

电能计量主要是将采样的电流和电压信号通过各种信号处理，有选择的得到电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量等电能计量值。电子式电能表就是采用数字化的信号处理方式，精确地给出电能计量值和完成各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。并且电子式电能表可以方便的实现电能计量芯片的自动校准，保证高精度的计量，同时提供便捷的校表方案，给用户的生产使用带来极大的便捷。

传统的电能计量芯片，其工作原理为把输入的电压和电流信号按照时间相乘，得到功率随着时间变化的信息，有功功率为电能表首要计量值。假设电流电压信号为余弦函数，并存在相位差φ，有功功率为：，如若电流电压信号非余弦函数，则可按傅立叶变换将信号展开为余弦函数的谐波，同样可按上述计算公式来计算有功功率。

在多功能智能电表中要求可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能单相电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。用传统的电能计量芯片只能得到有功功率和有功能量，其他计量值又要经过复杂的处理，比如无功功率计算需要实现精确的90°移相，有效值计算需要复杂的平方根算法，视在功率可以由有功功率和无功功率相乘得到也可以由电流电压有效值相乘得到，同理功率因子也有两种方式得到。以上只是得到全波的计量值，如果需要基波的计量值需要将基波从全波中分离出来，如果需要各次谐波的计量值需要将各次谐波从全波中分离出来。如若是三相多功能智能电表，其计算复杂度又将增加许多。

由上可见，一种可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量的电能计量实现结构是符合智能电网发展趋势的设计要求，这种实现结构还可以给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种单相电能计量芯片，包括：

采样及模数转换模块，用于对电流和电压进行分别采样和模数转换，获得电流采样数字值和电压采样数字值；

与所述采样及模数转换模块相连接的全波形模块，用于将所述电流采样数字值和电压采样数字值进行滤波，分别获得电流采样值和电压采样值，并将所述电流采样值和所述电压采样值滤去直流分量，分别获得全波电流瞬态值和全波电压瞬态值；

与所述全波形模块相连接的基波分离模块，用于将所述全波电流瞬态值和所述全波电压瞬态值分离，并分别获得基波电流瞬态值以及基波电压瞬态值；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有效值计算模块，用于根据所述全波电流瞬态值计算获得全波电流有效值，根据所述全波电压瞬态值计算获得全波电压有效值，根据所述基波电流瞬态值计算获得基波电流有效值，根据所述基波电压瞬态值计算获得基波电压有效值；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有功功率计算模块，用于计算全波有功功率以及基波有功功率；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的无功功率计算模块，用于计算全波无功功率以及基波无功功率；

与所述有效值计算模块相连接的视在功率计算模块，用于计算全波视在功率和基波视在功率；

与所述视在功率计算模块和所述有功功率计算模块相连接的功率因子计算模块，所述功率因子模块配置为除法算法模块，用于计算全波功率因子和基波功率因子；

N次谐波分离计算模块，与所述全波形模块相连接，用于根据所述电流采样值和所述电压采样值分离出N次谐波，并计算N次谐波电流有效值、N次谐波电压有效值、N次谐波有功功率、以及N次谐波无功功率；

还具备能量计算模块，所述能量计算模块配置为积分算法模块，所述能量计算模块与所述视在功率计算模块相连接，用于计算视在能量，与所述有功功率计算模块相连接，用于计算有功能量，与所述无功功率计算模块相连接，用于计算无功能量。

具体的，所述采样及模数转换模块包括依次连接的可编程增益放大器和模数转换器；

具体的，所述全波形模块具备顺次连接的相位校准模块和降采样滤波器，用于根据所述电流采样数字值和所述电压采样数字值获得所述电流采样值和所述电压采样值；还具备与所述降采样滤波器相连接的通道校准模块和高通滤波器。

具体的，所述基波分离模块配置为低通滤波器。

具体的，所述有效值计算模块包括顺次连接的平方算法模块、低通滤波器、平方根算法模块、有效值校准模块。

具体的，所述有功功率计算模块包括顺次连接的乘法算法模块、低通滤波器、有功功率校准模块。

具体的，所述无功功率计算模块包括顺次连接的低通滤波器、希尔伯特滤波器、乘法算法模块、低通滤波器以及无功功率校准模块。

具体的，所述视在功率计算模块包括依次连接的乘法算法模块和视在功率校准模块。

具体的，所述N次谐波分离计算模块包括：

依次连接的低通滤波器和傅里叶变换模块，用于将所述电流采样值和所述电压采样值变换得到N次谐波电流值和N次谐波电压值，还包括与所述傅里叶变化模块相连接的四个计算通道，其中第一计算通道和第四计算通道均包括顺次连接的平方算法模块、加法算法模块和平方根算法模块以及N次谐波有效值校准模块，用于计算N次谐波电流有效值和N次谐波电压有效值；第二计算通道包括顺次连接的乘法算法模块、加法算法模块以及N次谐波有功功率校准模块，用于计算N次谐波有功功率；第三计算通道包括顺次连接的乘法算法模块和减法算法模块，以及N次谐波无功功率校准模块，用于计算N次谐波无功功率。

本发明的单相电能计量芯片可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量的电能计量。同理可以扩展到三相电能计量芯片的实现结构，具备工业上的可能性。在多功能智能电表中要求可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能单相电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计，给用户提供最大的设计灵活性。

附图说明

图1为本发明的单相电能计量芯片结构示意框图；

图2为图1的具体结构示意图；

图3为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图4为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图5为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图6为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图7为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图8为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图9为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图10为图2的局部结构示意以及信号流示意图；

图11为本发明的第二实施方式的结构和信号流示意图；

图12为本发明的第三实施方式的结构和信号流示意图；

图13为本发明的第四实施方式的结构和信号流示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

实施方式1

如图1和图2所示，本发明的单相电能计量芯片结构具备以下模块：

图3为图2中采样及模数转换模块101的具体结构以及信号流示意图，其中，虚线框表示本模块中的信号流，本实施方式中，采样及模数转换模块101用于对分别对电流电压进行采样并转化为数字值，如图3所示，包括顺次连接的可编程增益放大器PGA1011和模数转换器ADC1012，对电流和电压分别进行采样，并生成电流采样数字值和电压采样数字值。由于采样到的电流信号非常小，通常需要可编程增益放大器PGA1011对采样的电流信号进行放大，同理对采样的较小的电压信号也可以进行放大。放大后的信号经过模数转换器ADC1012后输出电流采样数值和电压采样数字值。

图4为图2中全波形模块102的具体结构以及信号流示意图，其中，虚线框表示本模块中的信号流，本实施方式中，全波形模块102与采样及模数转换模块101相连接，顺次连接的相位校准模块1021和降采样滤波器SINC1022，从而获得电流采样值和电压采样值，用于后述N次谐波分离及计算模块110中使用，另外还包括通道校准模块1023和高通滤波器HPF1024。首先，电流采样数字值和电压采样数字值可能存在一个小的相位差，相位校准模块1021能够对该相位差进行校准，降采样滤波器SINC1022是将采样及模数转换模块101中模数转换器ADC1012输出电流采样数值和电压采样数字值进行带宽和噪声的处理，方便后续的数字信号处理。另外，高通滤波器HPF1024是用于去除采样及模数转换模块101中模数转换器ADC1012所带来的直流分量，留下需要计量的信号。最终生成全波电压瞬态值和全波电流瞬态值。通道校准模块1023的作用为校准需要计量的信号的偏置和增益，用以给出正确的计量结果。

图5为基波分离模块103的信号流示意图，基波分离模块103与全波形模块102相连接，配置为第四低通滤波器LPF4，将全波形模块102中生成的全波电流瞬态值和全波电压瞬态值分别滤去高频谐波部分，生成基波电流瞬态值和基波电压瞬态值。从而，用户能够灵活的选择计算全波电能或基波电能。

图6为有效值计算模块104具体结构和信号流示意图，有效值计算模块104分别与全波形模块102和基波分离模块103相连接，包括顺次连接的平方算法模块1041、第二低通滤波器1042、平方根算法模块1043、还包括有效值校准模块1044。分别用于计算电流和电压有效值。电流有效值的计算公式为其中I为电流瞬态值(全波电流瞬态值或基波电流瞬态值)，电压有效值的计算公式为其中V为电压瞬态值(全波电压瞬态值或基波电压瞬态值)。经过有效值模块104，从而能够根据全波电流瞬态值得到全波电流有效值，根据基波电流瞬态值得到基波电流有效值，根据全波电压瞬态值获得全波电压有效值，根据基波电压瞬态值获得基波电压瞬态值。有效值用于用户计量使用以及在后述视在功率计算模块107中计算视在功率。有效值校准模块1044的作用为校准需要计量的信号有效值的偏置和增益，用以给出正确的计量结果。

图7为有功功率计算模块105的具体结构以及信号流示意图，有功功率计算模块105与全波形模块102以及基波分离模块103相连接，配置为顺次连接的乘法算法模块1051和第一低通滤波器1052以及有功功率校准模块1053，将“全波电流瞬态值”和“全波电压瞬态值”相乘计算得到“全波有功功率”，或将“基波电流瞬态值”和“基波电压瞬态值”相乘计算得到“基波有功功率”。此处的计算方法为有功功率校准模块1053的作用为校准需要计量的信号有功功率的偏置和增益，用以给出正确的计量结果。

图8为无功功率计算模块106的结构示意图以及信号流示意图，无功功率计算模块106与全波形模块102以及基波分离模块103相连接，包括顺次连接的第三低通滤波器1061，希尔伯特滤波器1062，乘法算法模块1063，第一低通滤波器1064以及无功功率校准模块1065。将“全波电流瞬态值”和“全波电压瞬态值”移相后相乘计算得到“全波无功功率”，或将“基波电流瞬态值”和“基波电压瞬态值”移相后相乘计算得到“基波无功功率”，计算方式为此处希尔伯特滤波器1062的作用为将“全波电流瞬态值”和“全波电压瞬态值”移相后产生90度的相差。无功功率校准模块1065的作用为校准需要计量的信号无功功率的偏置和增益，用以给出正确的计量结果。

图9为视在功率计算模块107的结构图以及信号流示意图，视在功率计算模块107与有效值计算模块104相连接，配置为乘法算法模块1071以及视在功率校准模块1072，根据S＝V_rms×I_rms，将电压有效值与电流有效值相乘得到视在功率，分别对应全波视在功率和基波视在功率。视在功率校准模块1072的作用为校准需要计量的信号视在功率的偏置和增益，用以给出正确的计量结果。

功率因子计算模块108与视在功率计算模块107以及有功功率计算模块105相连接，配置为除法算法模块，将全波有功功率与全波视在功率相除获得全波功率因子，将基波有功功率与基波视在功率相除获得基波功率因子。计算方法为

能量计算模块109是分别用于计算有功能量、无功能量、视在能量以及计算后述N次谐波的有功能量、无功能量、视在能量，分别与有功功率计算模块105、无功功率计算模块106、以及视在功率计算模块107相连接，以及与后述N次谐波分离计算模块110相连接。

本实施方式中，能量计算模块109配置为积分算法模块，其中有功能量计算方法为无功能量计算方法为视在能量计算方法为即，将全波有功功率积分得到全波有功能量，基波有功功率积分得到基波有功能量，全波无功功率积分得到全波无功能量，基波无功功率积分得到基波无功能量，全波视在功率积分得到全波是在能量，基波视在功率得到基波是在能量。

另外，本实施方式中，还包括如图10所示的N次谐波分离计算模块110，N次谐波分离计算模块110与所述全波形模块102相连接，用于将图4所示中全波形模块102中生成的电流采样值和电压采样值做傅里叶变换，并进行后续计算。具体包括第五低通滤波器1101、傅里叶变换模块1102，从而将全波形模块102中生成的电流采样值和电压采样值进行傅里叶变换，得到N次谐波的电流值实部In(r)和N次谐波的电流值虚部In(i)；以及N次谐波的电压值实部Vn(r)和N次谐波的电压值虚部Vn(i)；

还包括与傅里叶变换模块1102相连接的四条计算通道，其中第一计算通道用于计算N次谐波电流有效值，包括顺次连接的平方算法模块1103、加法算法模块1104和平方根算法模块1105以及N次谐波有效值校准模块1106，电流有效值的计算公式为其中第四计算通道包括顺次连接的平方算法模块1113、加法算法模块1114和平方根算法模块1115以及N次谐波电压有效值校准模块1116，用于计算N次谐波电压有效值，计算公式为第二计算通道包括顺次连接的乘法算法模块1107、加法算法模块1108以及N次谐波有功功率校准模块1109，用于计算N次谐波有功功率，计算方法为P＝v_Re·i_Re+v_Im·i_Im，；第三计算通道包括顺次连接的乘法算法模块1110和减法算法模块1111，以及N次谐波无功功率校准模块1112，用于计算N次谐波无功功率，计算方法为Q＝v_Im·i_Re-v_Re·i_Im。

N次谐波分离计算模块110连接至能量计算模块109，分别计算N次谐波的有功能量、无功能量、视在能量，其计算方法不再赘述。

其中，以上公式的推导方法如下：

现有的有功功率的计算方法为：

无功功率计算方法为：

电流有效值计算方法为：

电压有效值计算方法为：

视在功率计算方法为：S＝V_rms×I_rms

有功能量计算方法为：即有功功率对时间的积分

无功能量的计算方法为：即无功功率对时间的积分

视在能量的计算方法为：即视在功率对时间的积分

其中，电压瞬时值展开为：v＝v_Re+jv_Im，v_Re为实部，v_Im为虚部，电流瞬时值展开为i＝i_Re+ji_Im，其中i_re为实部，i_Im为虚部。

因此，电压有效值为电流有效值为

电压相位角余弦值为电压相位角正弦值为

电流相位角余弦值为电流相位角正弦值为

有功功率计算公式如此下：

由三角函数和差化积公式cos(α-β)＝cosαcosβ+sinβsinβ，可得：

无功功率计算公式如此下：

由三角函数和差化积公式sin(α-β)＝sinα·cosβ-cosα·sinβ，可得：

视在功率计算公式如此下：S＝VI

功率因子计算公式如此下：

从而，N次谐波分离计算模块110的四条计算通道如图2配置。

实施方式2

图11为本发明的电能计量结构拓展到三相电能计量芯片的结构图，但其基本结构和基本原理与实施方式1相同。

首先对ABC三相电流电压的模拟值进行分别采样，并通过本发明的电能计量芯片进行分相计量，分别计算出A相电流有效值、A相电压有效值、A相视在功率、A相无功功率、A相有功功率；B相电流有效值、B相电压有效值、B相视在功率、B相无功功率、B相有功功率；以及，C相电流有效值、C相电压有效值、C相视在功率、C相无功功率、C相有功功率。由于是对ABC三项分别进行采样和计算，因此以A相为例进行说明。

A相电流模拟信号，经过采样和模数转换模块101后得到A相电流信号数字值，经过全波形模块102、基波分离模块103后，分别获得A相全波电流瞬态值、A相基波电流瞬态值，经过有效值计算模块104后得到A相电流有效值(全波和基波)，同理可得A相电压有效值(全波和基波)。将A相电流有效值和A相电压有效值经过视在功率计算模块107后，获得A相视在功率值。将电流瞬态值和电压瞬态值经过有功功率计算模块105后获得A相有功功率值，将电流瞬态值和电压瞬态值经过无功功率计算模块106后，A相获得无功功率值。同样的B相和C相工作原理相同。

因此，只需要增加一个合相模块202，将A\B\C三相的有功功率合相后获得合相有功功率，将A\B\C三相的无功功率合相后获得合相无功功率，将A\B\C三相的视在功率合相后获得合相视在功率。

合相后，在通过合相功率因子计算模块203计算合相功率因子，该模块与实施方式1功率因子计算模块108的基本结构和基本原理相同。或通过合相能量计量模块204计算合相能量，该模块与实施方式1能量计量模块109的基本结构和基本原理相同，包括合相有功能量、合相无功能量以及合相视在能量。

从而，只需要增加合相模块202，即可把本发明的单相电能计量芯片拓展到三相电能计量芯片中。

实施方式3

本实施方式是实施方式2的变形例，如图12所示，首先对A\B\C三相的电流\电压进行分别采样转换，通过由采样及模数转换模块101所构成的三相采样及模数转换模块301后，分别得到A\B\C三相电流\电压采样数字值。

此时，通过选择模块302选择需要计量的分相，若需要选择计算分相A，则将A相电压采样数字值和A相电流采样数字值通过。该选择可以采用时钟复用设计，即在一定时间段内分时间段分别计算A相电能计量、B相电能计量和C相电能计量，为合相计算所用。

通过选择模块302的分相信号后进入波形模块303，波形模块303包括实施方式1中全波形模块102中的相位校准模块和降采样滤波器SINC，从而获得A/B/C相电流采样值和A/B/C相电压采样值，随后进入由实施方式1中N次谐波分离计算模块110构成的三相N次谐波分离计算模块304，可以计算获得A/B/C相的N次谐波电流有效值，N次谐波电压有效值、N次谐波有功功率和N次谐波无功功率，进而连接实施方式2中的合相模块202，并进行后续计算，可以求得N次谐波合相有功功率、N次谐波合相无功功率和视在功率，进而计算合相功率因子、以及合相能量。

实施方式4

本实施方式为实施方式1的变形例，如图13所示，将本发明的单相电能计量芯片用于防窃电电能计量结构中。电流采样A模拟值和电流采样B模拟值以及电压采样模拟值分别代表火线电流、零线电流和电压信号，通过本发明单相电能计量芯片，计算得到的电流有效值A为火线电流有效值，电流有效值B为零线电流有效值，如果火线电流有效值和零线电流有效值的差值大于某个预定的阈值，该计量芯片可以判断存在窃电行为。另外，计算得到的有功功率A代表火线有功功率，有功功率B代表零线有功功率，如果火线和零线的有功功率差值大于某个预设的阈值，则判断存在窃电行为。以上两种判断方式择一即可。

从而，本发明的单相电能计量芯片实现了应用于智能电网的智能电表的计量芯片，可以满足用户灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能单相电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。

另外，本发明的单相电能计量芯片可以扩展到三相电能计量芯片的实现结构。大大提高了多功能智能电表的设计灵活度，降低智能电网的多功能智能电表的制造成本，且较易于实现。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单相电能计量芯片，其特征在于，包括：

采样及模数转换模块，用于对电流和电压进行分别采样和模数转换，获得电流采样数字值和电压采样数字值；

与所述采样及模数转换模块相连接的全波形模块，用于将所述电流采样数字值和电压采样数字值进行滤波，分别获得电流采样值和电压采样值，并将所述电流采样值和所述电压采样值滤去直流分量，分别获得全波电流瞬态值和全波电压瞬态值；

与所述全波形模块相连接的基波分离模块，用于将所述全波电流瞬态值和所述全波电压瞬态值分离，并分别获得基波电流瞬态值以及基波电压瞬态值；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有效值计算模块，用于根据所述全波电流瞬态值计算获得全波电流有效值，根据所述全波电压瞬态值计算获得全波电压有效值，根据所述基波电流瞬态值计算获得基波电流有效值，根据所述基波电压瞬态值计算获得基波电压有效值；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的有功功率计算模块，用于计算全波有功功率以及基波有功功率；

与所述全波形模块以及所述基波分离模块相连接的无功功率计算模块，用于计算全波无功功率以及基波无功功率；

与所述有效值计算模块相连接的视在功率计算模块，用于计算全波视在功率和基波视在功率；

与所述视在功率计算模块和所述有功功率计算模块相连接的功率因子计算模块，所述功率因子模块配置为除法算法模块，用于计算全波功率因子和基波功率因子；

N次谐波分离计算模块，与所述全波形模块相连接，用于根据所述电流采样值和所述电压采样值分离出N次谐波，并计算N次谐波电流有效值、N次谐波电压有效值、N次谐波有功功率、以及N次谐波无功功率；

还具备能量计算模块，所述能量计算模块配置为积分算法模块，所述能量计算模块与所述视在功率计算模块相连接，用于计算视在能量，与所述有功功率计算模块相连接，用于计算有功能量，与所述无功功率计算模块相连接，用于计算无功能量。

2.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述采样及模数转换模块包括依次连接的可编程增益放大器和模数转换器。

3.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述全波形模块具备顺次连接的相位校准模块和降采样滤波器，用于根据所述电流采样数字值和所述电压采样数字值获得所述电流采样值和所述电压采样值；还具备与所述降采样滤波器相连接的通道校准模块和高通滤波器。

4.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述基波分离模块配置为低通滤波器。

5.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述有效值计算模块包括顺次连接的平方算法模块、低通滤波器、平方根算法模块、有效值校准模块。

6.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述有功功率计算模块包括顺次连接的乘法算法模块、低通滤波器、有功功率校准模块。

7.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述无功功率计算模块包括顺次连接的低通滤波器、希尔伯特滤波器、乘法算法模块、低通滤波器以及无功功率校准模块。

8.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述视在功率计算模块包括依次连接的乘法算法模块和视在功率校准模块。

9.如权利要求1所述的单相电能计量芯片，其特征在于，所述N次谐波分离计算模块包括：

依次连接的低通滤波器和傅里叶变换模块，用于将所述电流采样值和所述电压采样值变换得到N次谐波电流值和N次谐波电压值，还包括与所述傅里叶变化模块相连接的四个计算通道，其中第一计算通道和第四计算通道均包括顺次连接的平方算法模块、加法算法模块和平方根算法模块以及N次谐波有效值校准模块，用于计算N次谐波电流有效值和N次谐波电压有效值；第二计算通道包括顺次连接的乘法算法模块、加法算法模块以及N次谐波有功功率校准模块，用于计算N次谐波有功功率；第三计算通道包括顺次连接的乘法算法模块和减法算法模块，以及N次谐波无功功率校准模块，用于计算N次谐波无功功率。