CN106896264B - 用于电能表的降低噪底装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电能表的降低噪底装置及方法，该装置包括通路选择模块、多个低通滤波器和输出模块；通路选择模块用于根据输入信号选择是否通过低通滤波器，在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，将该输入信号传输至选择出的低通滤波器；选择出的低通滤波器用于对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块；输出模块用于输出传输来的输入信号。本发明可有效地滤除输入信号中更多的带外噪声，降低电流或电压的底部噪声，从而降低电流和电压有效值的底码，改善有效值和能量脉冲的跳动，尤其是电流小信号输入时，改善效果更加明显。

Description

用于电能表的降低噪底装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电能表，特别是涉及一种用于电能表的降低噪底装置和利用该降低噪底装置实现的降低噪底方法。
背景技术
国网对电能表计量的要求越来越严格，市场的竞争也日益激烈，人们对计量问题的研究也越来越深入。其中，电能脉冲跳动一直是人们密切关注的问题，也是提高计量性能的最关键的一点。
引起电能脉冲跳动的因素有很多，其中最关键的是输入信号的带外噪声干扰，所以要致力于减少带外噪声。电能表基本使用Sigma-delta模数转换器(∑-△ADC)实现模数转换，在数字部分使用梳状滤波器(CIC)抽取得到所需带宽的电流和电压信号。
在现有的结构中，若想进一步减少带外噪声，只能通过提高CIC的抽取倍数实现，但这种做法会造成通带平坦度差，影响基波频率拉偏和谐波测试的性能。而且，由于CIC一般是三阶或者四阶的，需要增加大量的寄存器，硬件资源开销大，这对于面积和功耗要求都极为苛刻的计量芯片是不允许的。另外，CIC的结构一旦固定，若时钟也是定的，系统的计量带宽就是固定的了，对于不同的应用环境，要求计量的谐波次数是一样的，即所需的信号的有效带宽是不一样的，此时最好使用与信号有效带宽相匹配的滤波器滤除带外噪声，降低电流或电压的底部噪声，从而减小有效值底码，降低电能脉冲和有效值的跳动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过提高CIC的抽取倍数来减少输入信号的带外噪声的方法导致硬件开销大、灵活性差的缺陷，提供一种用于电能表的降低噪底装置及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种用于电能表的降低噪底装置，其特点在于，其包括一通路选择模块、多个低通滤波器和一输出模块；
该通路选择模块用于根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器；
该选择出的低通滤波器用于对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块；
该输出模块用于输出传输来的输入信号。
较佳地，该通路选择模块包括一寄存器，该寄存器用于根据该输入信号的带宽选择是否通过低通滤波器。
较佳地，该寄存器中存储有带宽阈值，该寄存器用于在该输入信号的带宽大于该带宽阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
较佳地，该通路选择模块用于根据该输入信号的电流有效值选择是否通过低通滤波器。
较佳地，该通路选择模块中存储有电流有效值阈值，该通路选择模块用于在该输入信号的电流有效值根据大于该电流有效值阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
较佳地，该通路选择模块用于在选择通过低通滤波器时，产生一用于选择低通滤波器的通道选择信号、并将该通道选择信号传输至相应的低通滤波器。
本发明还提供一种用于电能表的降低噪底方法，其特点在于，其利用上述的降低噪底装置实现，该降低噪底方法包括以下步骤：
S1、该通路选择模块根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器；
S2、该选择出的低通滤波器对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块；
S3、该输出模块用于输出传输来的输入信号。
较佳地，该通路选择模块包括一寄存器，在步骤S1中，该寄存器根据该输入信号的带宽选择是否通过低通滤波器。
较佳地，该寄存器中存储有带宽阈值，该寄存器在该输入信号的带宽大于该带宽阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
较佳地，在步骤S1中，该通路选择模块根据该输入信号的电流有效值选择是否通过低通滤波器。
较佳地，该通路选择模块中存储有电流有效值阈值，该通路选择模块在该输入信号的电流有效值根据大于该电流有效值阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
较佳地，在步骤S1中，该通路选择模块在选择通过低通滤波器时，产生一用于选择低通滤波器的通道选择信号、并将该通道选择信号传输至相应的低通滤波器。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的用于电能表的降低噪底装置及方法，根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的具体的低通滤波器，然后输入信号输入到选择出的低通滤波器进行滤波操作，这可有效地滤除输入信号中更多的带外噪声，降低电流或电压的底部噪声，从而降低电流和电压有效值的底码，改善有效值和能量脉冲的跳动，尤其是电流小信号输入时，改善效果更加明显。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的用于电能表的降低噪底装置的结构图。
图2为本发明较佳实施例的滤波器的幅频特性示意图。
图3为本发明较佳实施例的二阶Sigma-delta调制器输出的PDM(Pulse DensityModulation，脉冲密度调制)的功率谱(PSD)示意图。
图4为本发明较佳实施例的滤波之后的PDM的功率谱(PSD)示意图。
图5为本发明较佳实施例的用于电能表的降低噪底方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本实施例提供一种用于电能表的降低噪底装置，其包括一通路选择模块1、多个低通滤波器2(本实施例中选用两个低通滤波器，分别为第一低通滤波器21和第二低通滤波器22)和一输出模块3，其中，该通路选择模块1接在Sigma-delta模数转换器(∑-△ADC)之后，并接收其传输来的输入信号；该通路选择模块1分别与该第一低通滤波器21、该第二低通滤波器22和该输出模块3连接，该第一低通滤波器21和该第二低通滤波器22均与该输出模块3连接。
该通路选择模块1用于根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块3，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器2。而且，该通路选择模块1在选择通过低通滤波器时，会产生一用于选择低通滤波器的通道选择信号、并将该通道选择信号传输至相应的低通滤波器，即使选择出的低通滤波器使能。
具体地，该通路选择模块1包括一寄存器，寄存器控制由外部MCU(微处理器)通过写寄存器的方式实施。该寄存器的功能是根据该输入信号的带宽选择是否通过低通滤波器。
例如，该寄存器中存储有第一带宽阈值和第二带宽阈值，且该第一带宽阈值大于该第二带宽阈值，在该输入信号的带宽大于该第一带宽阈值(即输入信号的带宽很宽)时，即需要测量高次谐波时，该寄存器选择不通过低通滤波器，在该输入信号的带宽小于该第一带宽阈值且大于该第二带宽阈值时，选择通过第一低通滤波器21，在该输入信号的带宽小于该第二带宽阈值(即输入信号的带宽很窄)时，即需要测量谐波次数很少时，该寄存器选择通过该第二低通滤波器22。
除了可以通过寄存器控制来选择是否通过低通滤波器外，还可以通过电流有效值阈值判断来选择是否通过低通滤波器。具体来说，该通路选择模块1中存储有电流有效值阈值，该通路选择模块1用于在该输入信号的电流有效值大于该电流有效值阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过具体的低通滤波器。
例如，电流有效值IRMS阈值判断的阈值是电能表典型应用电流有效值IbRMS的50％和5％。当IRMS大于50％IbRMS时，选择不通过低通滤波器；当IRMS不大于50％IbRMS且大于5％IbRMS时，选择通过第一低通滤波器21；当IRMS不大于5％IbRMS时，选择通过第二低通滤波器22。
此外，可以理解，在本实施例中虽然将寄存器控制选择分为不选择低通滤波器、选择第一低通滤波器或选择第二低通滤波器，但在实际应用中，并不局限于此，寄存器控制可选择更多不同的滤波器；同样，电流有效值IRMS阈值判断的阈值虽然以电能表典型应用电流有效值IbRMS的50％和5％来举例，但实际应用中，可以设置是其他百分比或更多选择的阈值。
该选择出的低通滤波器2用于对该输入信号进行滤波，滤除输入信号中的带外噪声，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块3，其中该低通滤波器2的设计首先要满足系统所要求的谐波计量和基波频率拉偏的性能。
具体地说，本实施例的低通滤波器对CIC滤波器输出的输入信号进行进一步的滤波，电能计量中，国网一般要求要计量到21次谐波，对于50Hz的基波，电流电压的带宽至少为21*50＝1.05K。另外，若满足国网0.2s级电能表的第一档打分，五次谐波的误差要控制在0.02％以内，即对带宽250Hz以内信号所用滤波器级联之后的衰减要控制在-8.7*10^(-4)dB以内，国网对50Hz基波的频率拉偏测试也有要求，要求50Hz±2％范围内的信号误差最好控制在0.02％以内，所以，本实施例的低通滤波器首先满足系统要求的谐波计量和基波频率拉偏的性能，本领域的技术人员可以理解，这里不再赘述。
本实施例的低通滤波器包括第一低通滤波器21和第二低通滤波器22。
第一低通滤波器21：通带截止频率是CIC滤波器主瓣的一半，输出信号的有效带宽是输入信号的1/2；第二低通滤波器22：通带截止频率是第一低通滤波器的一半，输出信号的有效带宽是输入信号的1/4。
其中，第二低通滤波器22有两种典型方法：一、移位第一低通滤波器21的系数，与第一低通滤波器21具有相同的采样率；二、与第一低通滤波器21的系数相同，采样率是第一低通滤波器21的二倍。
图2是本实施例的举例滤波器的幅频特性，图示的SINC即为CIC滤波器，其抽取倍数OSR＝64，延时m＝1，阶数n＝4，输入采样率为895KHz；SINC-LPF1是SINC滤波之后级联的第一低通滤波器LPF1，第一低通滤波器LPF1的通带截止频率是SINC主瓣的1/2；SINC-LPF2是SINC滤波之后级联的第二低通滤波器LPF2，第二低通滤波器LPF2的通带截止频率是LPF1的1/2，是SINC主瓣的1/4。
图3(a～c)是本实施例的举例的二阶Sigma-delta调制器输出的PDM的功率谱(PSD)示意图，图3(a～c)的PDM分别输入到CIC滤波器、第一低通滤波器21和第二低通滤波器22后，输出的电流或者电压的PSD如图4(a～c)所示。由此可看出，三个滤波器通带内的信号频谱基本重合，高频段第二低通滤波器LPF2滤噪性能好于第一低通滤波器LPF1，而第一低通滤波器LPF1滤噪性能好于仅仅只有SINC(即CIC滤波器)。
此外，可以理解，本实施例的第一低通滤波器和第二低通滤波器的设计参数只是一个例子，实际应用中可以是其他参数。另外，本实施例中给出了第一低通滤波器和第二低通滤波器两个滤波器，本发明并不局限于仅仅包括这两个滤波器，可以只有一个低通滤波器或者还有第三、第四等低通滤波器。
该输出模块3用于输出传输来的输入信号。具体地，若选择的低通滤波器是第一低通滤波器21，则选择第一低通滤波器21的输出作为输出，即第一低通滤波器21输出经滤波的输入信号传输至该输出模块3；同样，若选择的低通滤波器是第二低通滤波器22，则选择第二低通滤波器22的输出作为输出，即第二低通滤波器22输出经滤波的输入信号传输至该输出模块3；若选择没有经过低通滤波器，则由通路选择模块1直接输出输入信号至该输出模块3。
如图5所示，本实施例还提供一种用于电能表的降低噪底方法，其利用上述的降低噪底装置实现，该降低噪底方法包括以下步骤：
步骤101、该通路选择模块根据输入信号的带宽或输入信号电流有效值阈值判断选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器。
步骤102、该选择出的低通滤波器对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块。
步骤103、该输出模块用于输出传输来的输入信号。
综上，本发明提供的用于电能表的降低噪底装置及方法，根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的具体的低通滤波器，然后输入信号输入到选择出的低通滤波器进行滤波操作，这可有效地滤除输入信号中更多的带外噪声，降低电流或电压的底部噪声，从而降低电流和电压有效值的底码，改善有效值和能量脉冲的跳动，尤其是电流小信号输入时，改善效果更加明显。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于电能表的降低噪底装置，其特征在于，其包括一通路选择模块、多个低通滤波器和一输出模块；
该通路选择模块用于根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器；
该选择出的低通滤波器用于对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块；
该输出模块用于输出传输来的输入信号；
该通路选择模块包括一寄存器，该寄存器用于根据该输入信号的带宽选择是否通过低通滤波器；
该寄存器中存储有带宽阈值，该寄存器用于在该输入信号的带宽大于该带宽阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器；
该低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器；
该第一低通滤波器的通带截止频率是CIC滤波器主瓣的一半，该第二低通滤波器的通带截止频率是该第一低通滤波器的一半；
该第一低通滤波器的输出信号的有效带宽是输入信号的二分之一，该第二低通滤波器的输出信号的有效带宽是输入信号的四分之一；
该寄存器控制由外部MCU通过写寄存器的方式实施。
2.如权利要求1所述的降低噪底装置，其特征在于，该通路选择模块用于根据该输入信号的电流有效值选择是否通过低通滤波器。
3.如权利要求2所述的降低噪底装置，其特征在于，该通路选择模块中存储有电流有效值阈值，该通路选择模块用于在该输入信号的电流有效值根据大于该电流有效值阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
4.如权利要求1所述的降低噪底装置，其特征在于，该通路选择模块用于在选择通过低通滤波器时，产生一用于选择低通滤波器的通道选择信号、并将该通道选择信号传输至相应的低通滤波器。
5.一种用于电能表的降低噪底方法，其特征在于，其利用如权利要求1所述的降低噪底装置实现，该降低噪底方法包括以下步骤：
S1.该通路选择模块根据输入信号选择是否通过低通滤波器，并在选择不通过低通滤波器时，直接将该输入信号传输至该输出模块，在选择通过低通滤波器时，选择该输入信号通过的低通滤波器，并将该输入信号传输至选择出的低通滤波器；
S2.该选择出的低通滤波器对该输入信号进行滤波，并将经滤波后的输入信号传输至该输出模块；
S3.该输出模块用于输出传输来的输入信号；
该通路选择模块包括一寄存器，在步骤S1中，该寄存器根据该输入信号的带宽选择是否通过低通滤波器；
该寄存器中存储有带宽阈值，该寄存器在该输入信号的带宽大于该带宽阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器；
该低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器；
该第一低通滤波器的通带截止频率是CIC滤波器主瓣的一半，该第二低通滤波器的通带截止频率是该第一低通滤波器的一半；
该第一低通滤波器的输出信号的有效带宽是输入信号的二分之一，该第二低通滤波器的输出信号的有效带宽是输入信号的四分之一；
该寄存器控制由外部MCU通过写寄存器的方式实施。
6.如权利要求5所述的降低噪底方法，其特征在于，在步骤S1中，该通路选择模块根据该输入信号的电流有效值选择是否通过低通滤波器。
7.如权利要求6所述的降低噪底方法，其特征在于，该通路选择模块中存储有电流有效值阈值，该通路选择模块在该输入信号的电流有效值根据大于该电流有效值阈值时，选择不通过低通滤波器，否则选择通过低通滤波器。
8.如权利要求7所述的降低噪底方法，其特征在于，在步骤S1中，该通路选择模块在选择通过低通滤波器时，产生一用于选择低通滤波器的通道选择信号、并将该通道选择信号传输至相应的低通滤波器。
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