CN107300640A - 电能计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能计量装置，其特征在于，包括依次电连接的电流波形采样模块、电流有效值瞬时值计算模块和电流脉冲生成模块，以及依次电连接的电压波形采样模块、电压有效值瞬时值计算模块和电压脉冲生成模块；所述电能计量装置还包括相互电连接的功率瞬时值计算模块和能量脉冲生成模块，所述电流波形采样模块和所述电压波形采样模块还分别与所述功率瞬时值计算模块电连接。本发明的电能计量装置通过脉冲的形式表征电流和电压有效值的大小以及用电量，不需要配置校表参数、输出寄存器和通信接口，极大地降低了功耗和面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能计量装置，特别是涉及一种带过流检测的电能计量装置。
背景技术
近年来，随着智能家电、智能插座、智能路灯、智能LED(发光二极管)等“智能”产品迅速发展和广泛应用，电能计量模块作为这些产品实现“智能”的基本组成部分，越来越受到人们的关注。电能计量模块能“感知”产品的真实状态：若没有功率，表示确认关闭，若有功率，表示确认仍在工作，还可以统计耗电量，检测当前电压、电流是否正常，若出现异常状态，执行相应的处理措施。
现在常用的电能计量芯片多用于多功能电能表，包括复杂的校表参数、大量的输出寄存器以及严格的通讯接口等，且对测量范围和误差精度要求都非常苛刻，这就大大增加了系统设计的复杂性，实现面积和功耗也都较大，成本高。智能产品对计量误差的精度要求不再像多功能电表那样严格，但要求计量模块体积小、功耗低、外围接口少；另外目前市场上的电能计量产品基本不包含过流检测功能，在智能产品中，过流检测是非常必要的，它能实时反映出产品的工作状态，并给出相应的保护措施。
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电能计量模块系统设计非常复杂、功耗较大、成本高且不包含过流检测功能的缺陷，提供一种电能计量装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种电能计量装置，其特点在于，包括依次电连接的电流波形采样模块、电流有效值瞬时值计算模块和电流脉冲生成模块，以及依次电连接的电压波形采样模块、电压有效值瞬时值计算模块和电压脉冲生成模块；
所述电能计量装置还包括相互电连接的功率瞬时值计算模块和能量脉冲生成模块，所述电流波形采样模块和所述电压波形采样模块还分别与所述功率瞬时值计算模块电连接；
所述电流波形采样模块用于将接收到的电流PDM(脉冲密度调制)信号转换为电流正弦波形信号并传输至所述电流有效值瞬时值计算模块，所述电流有效值瞬时值计算模块用于计算所述电流正弦波形信号的电流有效值的瞬时值并传输至所述电流脉冲生成模块，所述电流脉冲生成模块用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电流脉冲进行输出；
所述电压波形采样模块用于将接收到的电压PDM信号转换为电压正弦波形信号并传输至所述电压有效值瞬时值计算模块，所述电压有效值瞬时值计算模块用于计算所述电压正弦波形信号的电压有效值的瞬时值并传输至所述电压脉冲生成模块，所述电压脉冲生成模块用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电压脉冲进行输出；
所述功率瞬时值计算模块用于根据接收到的所述电流正弦波形信号和所述电压正弦波形信号计算功率的瞬时值并传输至所述能量脉冲生成模块，所述能量脉冲生成模块用于对所述功率的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为能量脉冲进行输出。
较佳地，所述电能计量装置还包括过流检测模块，所述过流检测模块分别与所述电流波形采样模块和所述电流脉冲生成模块电连接，所述过流检测模块用于检测所述电流正弦波形信号的峰值是否超过电流阈值，并在检测为是时向所述电流脉冲生成模块发送过流指示信号，所述电流脉冲生成模块还用于在接收到所述过流指示信号后生成一用于表征过流的过流脉冲并进行输出。
较佳地，所述电流波形采样模块包括电流ADC转换器(模数转换器)和电流波形采样器，所述电流ADC转换器用于将所述电流PDM信号转换为电流波形信号并传输至所述电流波形采样器，所述电流波形采样器用于将所述电流波形信号转换为所述电流正弦波形信号；
所述电压波形采样模块包括电压ADC转换器和电压波形采样器，所述电压ADC转换器用于将所述电压PDM信号转换为电压波形信号并传输至所述电压波形采样器，所述电压波形采样器用于将所述电压波形信号转换为所述电压正弦波形信号。
较佳地，所述电流有效值瞬时值计算模块和所述电压有效值瞬时值计算模块均包括平方器、第一低通滤波器以及开平方器；
所述平方器用于对输入的波形信号的采样值进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于对平方运算结果进行低通滤波以得到直流成分，并将滤波结果传输至所述开平方器，所述开平方器用于对滤波结果进行开平方运算，以得到有效值的瞬时值。
较佳地，所述功率瞬时值计算模块包括乘法器和第二低通滤波器，所述乘法器用于对所述电流正弦波形信号的采样值和所述电压正弦波形信号的采样值进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述第二低通滤波器，所述第二低通滤波器用于对所述乘法运算结果进行低通滤波以得到直流成分。
较佳地，所述电流脉冲生成模块包括电流累加器和电流脉冲生成器，所述电流累加器用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电流脉冲生成器，所述电流脉冲生成器用于生成所述电流脉冲，所述电流脉冲的频率与累加计算结果成比例。
较佳地，所述电流脉冲生成器还用于生成所述过流脉冲，所述过流脉冲与所述电流脉冲不同。
较佳地，所述电压脉冲生成模块包括电压累加器和电压脉冲生成器，所述电压累加器用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电压脉冲生成器，所述电压脉冲生成器用于生成所述电压脉冲，所述电压脉冲的频率与累加计算结果成比例。
较佳地，所述过流检测模块为过流检测器，所述过流检测器用于基于预设的过流阈值和过流检测时间，通过波形过零检测的方式检测所述电流正弦波形信号的连续若干个半周期的波形峰值，若波形峰值的绝对值连续超过预设的过流阈值，则输出用于表征过流指示信号有效的指令至所述电流脉冲生成模块，否则，即若波形峰值的绝对值连续不超过预设的过流阈值，则输出用于表征过流指示信号无效的指令至所述电流脉冲生成模块。
较佳地，所述能量脉冲生成模块包括功率累加器和能量脉冲生成器，所述功率累加器用于对所述功率的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述能量脉冲生成器，所述能量脉冲生成器用于生成所述能量脉冲，所述能量脉冲的频率与累加计算结果成比例。
本发明的积极进步效果在于：本发明的电能计量装置通过脉冲的形式表征电流和电压有效值的大小以及用电量，不需要配置校表参数、输出寄存器和通信接口，极大地降低了功耗和面积，外围接口很少，基于电流波形信号峰值检测输出特殊形式的脉冲实现过流检测功能，本发明结构简单，非常实用并且灵活性好。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的电能计量装置的基本结构示意图。
图2为本发明的较佳实施例的电能计量装置的详细结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本发明的电能计量装置包括电流波形采样模块1、电流有效值瞬时值计算模块2、电流脉冲生成模块3、过流检测模块4、电压波形采样模块5、电压有效值瞬时值计算模块6、电压脉冲生成模块7、功率瞬时值计算模块8以及能量脉冲生成模块9；
其中，所述电流波形采样模块1、所述电流有效值瞬时值计算模块2以及所述电流脉冲生成模块3依次电连接，所述电压波形采样模块5、所述电压有效值瞬时值计算模块6以及所述电压脉冲生成模块7依次电连接，所述过流检测模块4分别与所述电流波形采样模块1和所述电流脉冲生成模块3电连接，所述电流波形采样模块1和所述电压波形采样模块5还分别与所述功率瞬时值计算模块8电连接，所述功率瞬时值计算模块8还与所述能量脉冲生成模块9电连接。
所述电流波形采样模块1用于将接收到的电流PDM信号转换为电流正弦波形信号并传输至所述电流有效值瞬时值计算模块2，所述电流有效值瞬时值计算模块2用于计算所述电流正弦波形信号的电流有效值的瞬时值并传输至所述电流脉冲生成模块3，所述电流脉冲生成模块3用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电流脉冲进行输出；
所述电压波形采样模块5用于将接收到的电压PDM信号转换为电压正弦波形信号并传输至所述电压有效值瞬时值计算模块6，所述电压有效值瞬时值计算模块6用于计算所述电压正弦波形信号的电压有效值的瞬时值并传输至所述电压脉冲生成模块7，所述电压脉冲生成模块7用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电压脉冲进行输出；
所述功率瞬时值计算模块8用于根据接收到的所述电流正弦波形信号和所述电压正弦波形信号计算功率的瞬时值并传输至所述能量脉冲生成模块9，所述能量脉冲生成模块9用于对所述功率的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为能量脉冲进行输出。
所述过流检测模块4用于检测所述电流正弦波形信号的峰值是否超过电流阈值，并在检测为是时向所述电流脉冲生成模块发送过流指示信号，所述电流脉冲生成模块3还用于在接收到所述过流指示信号后生成一用于表征过流的过流脉冲并进行输出。
其中，所述电流波形采样模块1和所述电压波形采样模块5分别用于实现高速电流信号和高速电压信号到低速波形采样信号的转换，具体地，如图2所示，所述电流波形采样模块1包括电流ADC转换器11和电流波形采样器12，所述电流ADC转换器11用于将所述电流PDM信号转换为电流波形信号并传输至所述电流波形采样器12，比较常用的方法是采用SINC滤波器(梳状滤波器)实现，所述电流波形采样器12用于将所述电流波形信号转换为系统所需带宽的所述电流正弦波形信号；
所述电压波形采样模块5包括电压ADC转换器51和电压波形采样器52，所述电压ADC转换器51用于将所述电压PDM信号转换为电压波形信号并传输至所述电压波形采样器52，比较常用的方法是采用SINC滤波器实现，所述电压波形采样器52用于将所述电压波形信号转换为系统所需带宽所述电压正弦波形信号。
所述电流有效值瞬时值计算模块2包括平方器21、第一低通滤波器22以及开平方器23；
所述平方器21用于对输入的电流波形正弦信号的采样值进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述第一低通滤波器22，所述第一低通滤波器22用于对平方运算结果进行低通滤波以得到直流成分，滤除其他成分，尤其是二次谐波成分，并将滤波结果传输至所述开平方器23，所述开平方器23用于对滤波结果进行开平方运算，以得到电流有效值的瞬时值；
所述电压有效值瞬时值计算模块6包括平方器61、第一低通滤波器62以及开平方器63；
所述平方器61用于对输入的电压波形正弦信号的采样值进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述第一低通滤波器62，所述第一低通滤波器62用于对平方运算结果进行低通滤波以得到直流成分，滤除其他成分，尤其是二次谐波成分，并将滤波结果传输至所述开平方器63，所述开平方器63用于对滤波结果进行开平方运算，以得到电压有效值的瞬时值；
所述电流脉冲生成模块3包括电流累加器31和电流脉冲生成器32，所述电流累加器31用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电流脉冲生成器32，所述电流脉冲生成器32用于生成所述电流脉冲，所述电流脉冲的频率与累加计算结果成比例，具体地，所述电流脉冲的频率与电流有效值的大小成比例，进而用户只需通过电流脉冲的频率就可以知道电流有效值的大小，从而不需要寄存器输出，大大减少了系统的复杂性和硬件消耗，这在没有寄存器输出的系统中是非常有用的。其中，每产生一个电流脉冲，所述电流累加器31的累加计算结果自动清除一次。
所述电压脉冲生成模块7包括电压累加器71和电压脉冲生成器72，所述电压累加器71用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电压脉冲生成器72，所述电压脉冲生成器72用于生成所述电压脉冲，所述电压脉冲的频率与累加计算结果成比例，具体地，所述电压脉冲的频率与电压有效值的大小成比例，进而用户只需通过电压脉冲的频率就可以知道电压有效值的大小，从而不需要寄存器输出，大大减少了系统的复杂性和硬件消耗，这在没有寄存器输出的系统中是非常有用的。其中，每产生一个电压脉冲，所述电压累加器71的累加计算结果自动清除一次。
所述功率瞬时值计算模块8包括乘法器81和第二低通滤波器82，所述乘法器82用于对所述电流正弦波形信号的采样值和所述电压正弦波形信号的采样值进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述第二低通滤波器82，所述第二低通滤波器82用于对所述乘法运算结果进行低通滤波以得到直流成分，滤除其他成分，尤其是二次谐波成分，并输出功率的瞬时值给所述能量脉冲生成模块9。
所述能量脉冲生成模块9包括功率累加器91和能量脉冲生成器92，所述功率累加器91用于对所述功率的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述能量脉冲生成器92，所述能量脉冲生成器92用于生成所述能量脉冲，所述能量脉冲的频率与累加计算结果成比例。
另外，当所述过流检测模块4发出过流指示信号时，所述电流脉冲生成模块3不再按照累加结果生成脉冲，而是直接输出特定形式的过流脉冲，告知MCU发生过流，所述过流脉冲与正常的电流脉冲不同，且易于识别。所述过流检测模块4优选地为过流检测器，通过检测采样电流的峰值判断是否过流，并输出过流指示信号给所述电流脉冲生成模块3，具体可以为：首先设置过流阈值和过流检测时间，然后在连续若干个半周期内，通过过零检测的方式检测每个半波的峰值，若在所设定的连续若干个半周期内，波峰绝对值连续超过所设定的过流阈值，则输出过流指示信号给所述电流脉冲生成模块3，否则，可以输出过流指示信号无效的指令给所述电流脉冲生成模块3。另外，当处于过流状态时，若在所设定的连续若干个半周期内，波峰绝对值连续不超过所设定的过流阈值，则输出过流指示信号无效的指令给所述电流脉冲生成模块3。
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 (10)
1.一种电能计量装置，其特征在于，包括依次电连接的电流波形采样模块、电流有效值瞬时值计算模块和电流脉冲生成模块，以及依次电连接的电压波形采样模块、电压有效值瞬时值计算模块和电压脉冲生成模块；
所述电能计量装置还包括相互电连接的功率瞬时值计算模块和能量脉冲生成模块，所述电流波形采样模块和所述电压波形采样模块还分别与所述功率瞬时值计算模块电连接；
所述电流波形采样模块用于将接收到的电流PDM信号转换为电流正弦波形信号并传输至所述电流有效值瞬时值计算模块，所述电流有效值瞬时值计算模块用于计算所述电流正弦波形信号的电流有效值的瞬时值并传输至所述电流脉冲生成模块，所述电流脉冲生成模块用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电流脉冲进行输出；
所述电压波形采样模块用于将接收到的电压PDM信号转换为电压正弦波形信号并传输至所述电压有效值瞬时值计算模块，所述电压有效值瞬时值计算模块用于计算所述电压正弦波形信号的电压有效值的瞬时值并传输至所述电压脉冲生成模块，所述电压脉冲生成模块用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为电压脉冲进行输出；
所述功率瞬时值计算模块用于根据接收到的所述电流正弦波形信号和所述电压正弦波形信号计算功率的瞬时值并传输至所述能量脉冲生成模块，所述能量脉冲生成模块用于对所述功率的瞬时值进行累加计算并将累加计算结果转换为能量脉冲进行输出。
2.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述电能计量装置还包括过流检测模块，所述过流检测模块分别与所述电流波形采样模块和所述电流脉冲生成模块电连接，所述过流检测模块用于检测所述电流正弦波形信号的峰值是否超过电流阈值，并在检测为是时向所述电流脉冲生成模块发送过流指示信号，所述电流脉冲生成模块还用于在接收到所述过流指示信号后生成一用于表征过流的过流脉冲并进行输出。
3.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述电流波形采样模块包括电流ADC转换器和电流波形采样器，所述电流ADC转换器用于将所述电流PDM信号转换为电流波形信号并传输至所述电流波形采样器，所述电流波形采样器用于将所述电流波形信号转换为所述电流正弦波形信号；
所述电压波形采样模块包括电压ADC转换器和电压波形采样器，所述电压ADC转换器用于将所述电压PDM信号转换为电压波形信号并传输至所述电压波形采样器，所述电压波形采样器用于将所述电压波形信号转换为所述电压正弦波形信号。
4.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述电流有效值瞬时值计算模块和所述电压有效值瞬时值计算模块均包括平方器、第一低通滤波器以及开平方器；
所述平方器用于对输入的波形信号的采样值进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于对平方运算结果进行低通滤波以得到直流成分，并将滤波结果传输至所述开平方器，所述开平方器用于对滤波结果进行开平方运算，以得到有效值的瞬时值。
5.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述功率瞬时值计算模块包括乘法器和第二低通滤波器，所述乘法器用于对所述电流正弦波形信号的采样值和所述电压正弦波形信号的采样值进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述第二低通滤波器，所述第二低通滤波器用于对所述乘法运算结果进行低通滤波以得到直流成分。
6.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述电流脉冲生成模块包括电流累加器和电流脉冲生成器，所述电流累加器用于对所述电流有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电流脉冲生成器，所述电流脉冲生成器用于生成所述电流脉冲，所述电流脉冲的频率与累加计算结果成比例。
7.如权利要求6所述的电能计量装置，其特征在于，所述电流脉冲生成器还用于生成所述过流脉冲，所述过流脉冲与所述电流脉冲不同。
8.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述电压脉冲生成模块包括电压累加器和电压脉冲生成器，所述电压累加器用于对所述电压有效值的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述电压脉冲生成器，所述电压脉冲生成器用于生成所述电压脉冲，所述电压脉冲的频率与累加计算结果成比例。
9.如权利要求2所述的电能计量装置，其特征在于，所述过流检测模块为过流检测器，所述过流检测器用于基于预设的过流阈值和过流检测时间，通过波形过零检测的方式检测所述电流正弦波形信号的连续若干个半周期的波形峰值，若波形峰值的绝对值连续超过预设的过流阈值，则输出用于表征过流指示信号有效的指令至所述电流脉冲生成模块，否则，输出用于表征过流指示信号无效的指令至所述电流脉冲生成模块。
10.如权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述能量脉冲生成模块包括功率累加器和能量脉冲生成器，所述功率累加器用于对所述功率的瞬时值进行累加计算，并将累加计算结果传输至所述能量脉冲生成器，所述能量脉冲生成器用于生成所述能量脉冲，所述能量脉冲的频率与累加计算结果成比例。
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