CN110687348A - 一种电能计量装置及电能计量方法 - Google Patents

一种电能计量装置及电能计量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电能计量装置，包括输出端电连接电能检测单元的电压采样单元和电流采样单元，电能检测单元电连接微处理器，电压采样单元、电流采样单元分别串联在交流供电电路中。还公开了一种电能计量方法，包括：分别将用电设备的电压、电流采样波形输入电能检测单元；电能检测单元进行信息处理后输出电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲至微处理器；微处理器检测的脉冲周期乘以校准系数得到校正后的脉冲周期，并根据校正后的脉冲周期与电压、电流和功率的关系计算得到用电量。本发明可自动补偿电能计量装置元器件参数的离散性和温漂，降低了对元器件的选型要求，生产过程中也无需采用标准计量仪器进行校准，能保证电能计量的准确性和一致性。

Description

一种电能计量装置及电能计量方法
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，具体的说，是一种电能计量装置及电能计量方法。
背景技术
智能电表、智能家居插座、新能源汽车充电桩已逐渐深入人心，得到越来越多的应用普及。智能电表、新能源汽车充电桩涉及对能耗的计量计费，智能家居用户也希望通过安装节能环保智能插座能对用电用得清楚、用得安全，因此不仅需要对用电设备的能耗进行实时检测，而且要求计量准确。国内外多家公司均开发了能够测量用电设备电压、电流、功率等用电参数的芯片，也有众多公司设计生产电表等电能计量仪表，但由于计量芯片、电压和电流取样元器件等的参数存在离散型和温漂，导致电能计量仪表对能耗的检测值不够准确，批量一致性较差，且在不同工作温度条件下，测量值也存在偏差。现有技术的解决办法是设计电能计量仪表时选用精度高、温度系数好的元件器，同时在生产时用标准仪器进行校准。但这种方法不但因选用高性能参数的元器件而增加成本，而且需要用标准仪器逐一校准也降低了生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能计量装置及电能计量方法，用于解决现有技术中由于计量芯片、电压和电流取样元器件的参数存在离散型和温漂，导致电能计量仪表对能耗的检测值不准确的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种电能计量装置，包括电压采样单元和电流采样单元，所述电压采样单元和电流采样单元的输出端电连接电能检测单元，所述电能检测单元电连接微处理器，所述电压采样单元、电流采样单元分别串联在交流供电电路中。
进一步地，还包括与所述交流供电电路电连接的AC/DC电源，所述AC/DC电源的输出端分别与所述电能检测单元和微处理器的供电输入端连接。
进一步地，所述电流采样单元包括电阻R1，所述电阻R1串联在交流供电电路的火线上，电阻R1的两端分别与电能检测单元连接。
进一步地，所述电压采样单元包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的第一端与交流供电电路的零线连接，另一端分别与电阻R3的第一端和电能检测单元连接，电阻R3的第二端接地。
进一步地，所述电能检测单元为电能计量芯片。
一种电能计量方法，包括搭建电能计量装置，包括：
步骤S100：电压采样单元、电流采样单元分别将用电设备的电压、电流采样波形输入电能检测单元；
步骤S200：电能检测单元将采样波形进行信息处理后，输出电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲至微处理器；
步骤S300：微处理器分别对电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲进行检测，并将检测得到的脉冲周期乘以预存的校准系数，得到校正后的脉冲周期，并根据校正后的脉冲周期与电压、电流和功率的关系计算得到用电量。
进一步地，所述校准系数由自校准检测算法得到，所述自校准检测算法为：
电能计量装置工作在自校准模式，接入已知交流电压和已知功率的负载，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TV0、电流脉冲周期TI0和功率脉冲周期TP0；
由电压采样比Vf、电流采样比If和电能检测单元的电压-频率转换比以及电流-频率转换比决定的电压脉冲周期的理论值TVS、电流脉冲周期的理论值TIS、功率脉冲周期的理论值TPS，得到：
电压脉冲周期的校准系数：KV＝TV0/TVS；
电流脉冲周期的校准系数：KI＝TI0/TIS；
功率脉冲周期的校准系数：KP＝TP0/TPS。
进一步地，所述步骤S300具体包括：
步骤S310：当电能检测单元检测待测用电设备的电能时，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TVX、电流脉冲周期TIX和功率脉冲周期TPX，并得到：
校正后的电压脉冲周期Tv＝Kv*TVX；
校正后的电流脉冲周期TI＝KI*TIX；
校正后的功率脉冲周期TP＝KP*TPX；
步骤S320：微处理器根据校正后的电压脉冲周期Tv、校正后的电流脉冲周期TI和校正后的功率脉冲周期TP以及电能检测单元的电压-频率转换比、电流-频率转换比，分别计算得到待测用电设备的电压、电流和功率，其中：
电压V＝C1*Vf/Tv；
电流I＝C2*If/TI；
功率P＝C3*Vf*If/TP；
其中，C1，C2，C3由电能检测芯片的电压-频率转换比以及电流-频率转换比决定；电压采样比Vf由电压采样电路的参数决定，电流采样比If由电流采样电路的参数决定。
进一步地，还包括与所述交流供电电路电连接的AC/DC电源，所述AC/DC电源的输出端分别与所述电能检测单元和微处理器的供电输入端连接。
进一步地，所述电流采样单元包括电阻R1，所述电阻R1串联在交流供电电路的火线上，电阻R1的两端分别与电能检测单元连接；所述电压采样单元包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的第一端与交流供电电路的零线连接，另一端分别与电阻R3的第一端和电能检测单元连接，电阻R3的第二端接地。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明基于电能计量芯片，提出了一种能检测用电设备的电压、电流、功率、电量等用电参数的电能计量装置及计量自校准算法。装置通过对用电设备的电压、电流进行取样，取样值经电能计量芯片转换成设定频率的脉冲信号或数字信号后输入微处理器，微处理器以标准负载时的测量值为基准对取样值进行所述自校准算法处理，从而得到用电设备准确的能耗参数。可自动补偿电能计量装置元器件参数的离散性和温漂，降低了对元器件的选型要求，生产过程中也无需采用标准计量仪器进行校准，而且能保证电能计量的准确性和一致性，因而具有极大的实用价值和市场前景。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为自校准算法的流程图；
图3为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，电能计量装置，包括电压采样单元、电流采样单元、电能检测单元和微处理器。交流供电输入用电设备的同时，分别输入电压采样单元和电流采样单元，电压采样单元和电流采样单元分别将用电设备的电压、电流采样波形输入电能检测单元，电能检测单元将采样波形进行放大、AD转换等处理后，输出电压脉冲、电流脉冲、功率脉冲至微处理器，电压脉冲、电流脉冲、功率脉冲的频率分别与采样电压值、采样电流值及由电压和电流决定的功率值具有对应关系(如下面公式(7)-(9))。微处理器分别对电压脉冲、电流脉冲、功率脉冲的周期(频率的倒数)进行检测，并根据脉冲周期(频率)与电压、电流、功率的对应关系计算得到待测电压、电流及功率，并由功率及微处理器累计的设备用电时间计算得到用电量。
电能计量装置设置了自校准工作模式，用于自动获取校准系数(可以设置一个控制按键，当微处理器检测到按键按下时便进入自校准工作模式。工作于该模式时，交流供电采用标准电压(比如我国采用的220V、50Hz交流电)且用电设备采用某一标准负载(比如功率为100W的用电设备)，但由于元器件参数的离散性影响，微处理器此时检测到的电压脉冲、电流脉冲、功率脉冲的周期，与理论周期值存在差异，分别将二者的比值作为校准系数存储在微处理器中。当电能计量装置在检测待测设备的电能参数时，微处理器用上述校准系数乘以检测到的待测设备的电压脉冲、电流脉冲、功率脉冲的周期，然后由经校准的周期值再计算得到待测电压、电流、功率及电量，这样就消除了元器件参数离散性的影响。
本发明所述电能计量装置的自校准检测算法如下：
本发明所述电能计量装置的自校准算法流程如附图2。微处理器在上电后，首先判断是否工作于自校准模式。电能计量装置工作于自校准模式时，只需输入某一已知交流电压(比如220V@50Hz)并接上某一已知功率的负载(比如100W电阻器)，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TV0、电流脉冲周期TI0、功率脉冲周期TP0，而由电压采样比、电流采样比和电能检测单元的电压(电流)——频率转换比决定的各脉冲周期的理论值分别为TVS、TIS、TPS，于是得到电压脉冲周期、电流脉冲周期、功率脉冲周期的校准系数分别如下公式：
KV＝TV0/TVS (1)
KI＝TI0/TIS (2)
KP＝TP0/TPS (3)
微处理器将上述校准系数存储在片内存储器中。当电能计量装置用于检测某一待测用电设备的电能时，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TVX、电流脉冲周期TIX、功率脉冲周期TPX，然后按以下公式(4)～(6)分别对电压、电流、功率的脉冲周期进行校正：
TV＝KV*TVX (4)
TI＝KI*TIX (5)
TP＝KP*TPX (6)
最后，微处理器根据上述电压脉冲周期TV、电流脉冲周期TI、功率脉冲周期TP以及由电压采样比、电流采样比和电能检测单元的电压(电流)——频率转换比决定的电压、电流、功率计算公式分别计算得到待测用电设备的电压、电流、功率，并根据功率及与功率对应的用电设备的累计使用时间计算得到用电量。
如附图3所示，交流输入端ACin包括火线Lin和零线Nin，我国标准的交流供电电压为220V@50Hz；交流输出端ACout连接用电设备；串联在火线Lin中的电阻R1为电流取样电阻，本实施例中电阻R1取值为1mΩ，电流取样比If为1000，电流通过电阻R1转换为电压信号后输入电能检测芯片；与Nin相连的电阻R2、电阻R3组成电压采样单元，本实施例中电阻R2、电阻R3取值分别为1MΩ、1KΩ，电压取样比Vf为1000，取样电压也输入电能检测芯片；电能检测芯片采用单相交流电电能计量芯片HLW8012；微处理器的MCU采用STM32F030C8T6，电能计量芯片HLW8012输出功率脉冲Po和电压/电流复合脉冲VIo至MCU，电压/电流复合脉冲VIo为电压脉冲还是电流脉冲由MCU输出至HLW8012的VIs进行选择控制；AC/DC电源将交流电转换为5V直流电为电能计量芯片HLW8012和MCU提供工作电压。
在工厂生产或其他需要对电能计量装置进行校准时，交流输入端ACin输入220V@50Hz单相交流电，交流输出端连接功率为100W的电阻负载，MCU对电能计量芯片的输出脉冲Po、VIo进行周期计数，得到电压、电流、功率的脉冲周期测量值分别为TV0、TI0、TP0。电压、电流、功率值与相应脉冲周期的对应关系分别如下公式：
电压V＝1.74*10-4*Vf/TV＝0.174/TV (7)
电流I＝7.24*10-6*If/TI＝7.24*10-3/TI (8)
功率P＝4.4*10-6*Vf*If/TP＝4.4/TP (9)
上述公式中的Vf、If分别为电压取样比和电流取样比，由取样电路的参数决定；公式中的常数由电能计量芯片HLW8012的电压(电流)——频率转换比决定；各脉冲周期的单位为秒，电压、电流、功率的单位分别为伏特、安培、万特。
根据公式(7)、(9)计算得到220V、100W分别对应的电压、功率脉冲理论值TVS、TPS；由于功率等于电压与电流的乘积，先计算出电流理论值，再根据公式(8)计算得到电流脉冲的理论值TIS；然后根据公式(1)～(3)计算得到电压脉冲周期、电流脉冲周期、功率脉冲周期的校准系数KV、KI、KP并存储在MCU片内存储器中。
当所述电能计量装置用于待测用电设备的电能计量检测时，MCU首先分别检测电压、电流、功率的脉冲周期TVX、TIX、TPX，然后根据公式(4)～(5)对脉冲周期的测量值进行校正，补偿电能计量装置元器件参数离散性对测量值的影响，得到补偿校准后的电压、电流、功率脉冲周期分别为TV、TI、TP，再根据公式(7)～(9)就可以计算出待测用电设备的电压、电流、功率。最后根据待测用电设备的用电时间，乘以功率，就可以计算出待测用电设备的用电量(瓦特)。
本专业的普通技术人员应理解，本发明所述电能计量装置不限于实施例所述元器件规格型号。比如电能计量芯片也可以选择芯海科技的CSE7759或美国ADI等其他公司的电能计量芯片，采用不同电能计量芯片仅是公式(7)～(9)中的常数不同而已；MCU也不限于ST公司的STM32系列；电压、电流取样单元除实施例采用的电阻取样方式外，也可以采用互感取样方式。
由此可见，本发明所述电能计量装置及其自校准算法，不仅可以对用电设备的电压、电流、功率、电量等参数进行检测，而且可以自动补偿电能计量装置元器件参数的离散性，降低了对元器件的选型要求，生产过程中无需采用标准计量仪器进行校准就能达到很好的检测准确性和一致性，因而具有很强的实用性。
实施例2：
一种电能计量方法，包括搭建电能计量装置，包括：
步骤S100：电压采样单元、电流采样单元分别将用电设备的电压、电流采样波形输入电能检测单元；
步骤S200：电能检测单元将采样波形进行信息处理后，输出电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲至微处理器；
步骤S300：微处理器分别对电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲进行检测，并将检测得到的脉冲周期乘以预存的校准系数，得到校正后的脉冲周期，并根据校正后的脉冲周期与电压、电流和功率的关系计算得到用电量。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种电能计量装置，其特征在于，包括电压采样单元和电流采样单元，所述电压采样单元和电流采样单元的输出端电连接电能检测单元，所述电能检测单元电连接微处理器，所述电压采样单元、电流采样单元分别串联在交流供电电路中。
2.根据权利要求1所述的一种电能计量装置，其特征在于，还包括与所述交流供电电路电连接的AC/DC电源，所述AC/DC电源的输出端分别与所述电能检测单元和微处理器的供电输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种电能计量装置，其特征在于，所述电流采样单元包括电阻R1，所述电阻R1串联在交流供电电路的火线上，电阻R1的两端分别与电能检测单元连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种电能计量装置，其特征在于，所述电压采样单元包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的第一端与交流供电电路的零线连接，另一端分别与电阻R3的第一端和电能检测单元连接，电阻R3的第二端接地。
5.根据权利要求1或2所述的一种电能计量装置，其特征在于，所述电能检测单元为电能计量芯片。
6.一种电能计量方法，其特征在于，包括搭建如权利要求1所述的电能计量装置，包括：
步骤S100：电压采样单元、电流采样单元分别将用电设备的电压、电流采样波形输入电能检测单元；
步骤S200：电能检测单元将采样波形进行信息处理后，输出电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲至微处理器；
步骤S300：微处理器分别对电压脉冲、电流脉冲和功率脉冲进行检测，并将检测得到的脉冲周期乘以预存的校准系数，得到校正后的脉冲周期，并根据校正后的脉冲周期与电压、电流和功率的关系计算得到用电量。
7.根据权利要求6所述的一种电能计量方法，其特征在于，所述校准系数由自校准检测算法得到，所述自校准检测算法为：
电能计量装置工作在自校准模式，接入已知交流电压和已知功率的负载，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TV0、电流脉冲周期TI0和功率脉冲周期TP0；
由电压采样比Vf、电流采样比If和电能检测单元的电压-频率转换比以及电流-频率转换比决定的电压脉冲周期的理论值TVS、电流脉冲周期的理论值TIS和功率脉冲周期的理论值TPS，得到：
电压脉冲周期的校准系数：KV＝TV0/TVS；
电流脉冲周期的校准系数：KI＝TI0/TIS；
功率脉冲周期的校准系数：KP＝TP0/TPS。
8.根据权利要求7所述的一种电能计量方法，其特征在于，所述步骤S300具体包括：
步骤S310：当电能检测单元检测待测用电设备的电能时，微处理器分别检测此时电能检测单元输出的电压脉冲周期TVX、电流脉冲周期TIX和功率脉冲周期TPX，并得到：
校正后的电压脉冲周期Tv＝Kv*TVX；
校正后的电流脉冲周期TI＝KI*TIX；
校正后的功率脉冲周期TP＝KP*TPX；
步骤S320：微处理器根据校正后的电压脉冲周期Tv、校正后的电流脉冲周期TI和校正后的功率脉冲周期TP以及电能检测单元的电压-频率转换比、电流-频率转换比，分别计算得到待测用电设备的电压、电流和功率，其中：
电压V＝C1*Vf/Tv；
电流I＝C2*If/TI；
功率P＝C3*Vf*If/TP；
其中，C1，C2，C3由电能检测芯片的电压-频率转换比以及电流-频率转换比决定；电压采样比Vf由电压采样电路的参数决定，电流采样比If由电流采样电路的参数决定。
9.根据权利要求6所述的一种电能计量方法，其特征在于，还包括与所述交流供电电路电连接的AC/DC电源，所述AC/DC电源的输出端分别与所述电能检测单元和微处理器的供电输入端连接。
10.根据权利要求6所述的一种电能计量方法，其特征在于，所述电流采样单元包括电阻R1，所述电阻R1串联在交流供电电路的火线上，电阻R1的两端分别与电能检测单元连接；所述电压采样单元包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的第一端与交流供电电路的零线连接，另一端分别与电阻R3的第一端和电能检测单元连接，电阻R3的第二端接地。
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