CN111239482A - 一种电能计量系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电能计量的实现方法，包括供电电源模块、电压检测模块、电流检测模块、两个真24位ADC转换模块以及微控制处理单元，电压检测模块、一真24位ADC转换模块、电流检测模块和微控制处理单元分别与供电电源模块电连接，一真24位转换模块分别与电压检测模块和微控制处理单元电连接，另一真24位转换模块分别与电流检测模块电连接，通过使用电能计量系统，可满足单/三相交流电能0.01级的精度要求，实时性强，且原理简单，易于实现，此电能计量系统可满足电压、电流幅度测量精度优于0.005级的要求，可用作目前国内0.005等级的电压、电流表，或用于0.01级的高精度电能、功率表。

Description

一种电能计量系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及电能计量技术领域，特别是涉及一种电能计量系统及其实现方法。

背景技术

电能计量技术基于对电网电压、负载电流幅值及相位的准确测量。目前对电压、电流幅值计算一般采用n(n为整数)个采样周期内的采样数据求均方根的方式进行，但启动ADC进行模数转换的启动信号或者是读取ADC转换结果的控制信号，一般是根据电压信号的过零点进行软件控制的，因此过零点的准确判断是求幅值的关键。另外，高精度电能计量的实现还与电网电压与负载电流之间的夹角，即功率因数角直接相关，通常对功率因数角的计算又是对一定数量的ADC转换数据进行FFT计算得来的，因此，过零点的精确锁相不仅直接关系到幅值的准确计算，同时关系到功率因数角的准确计算。

目前，广泛应用的过零点锁相方法主要有：①基于同步旋转坐标变换的软件锁相环方法及其改进方法，该方法的突出特点是实时性强，无需进行过零点比较，即可准确获取输入电压基波正序分量频率、幅度和相位等信息，但此锁相方法需要复杂的坐标变换和大量的数学运算，当电网电压出现畸变或不平衡时，该方法的快速性和准确性都会受到影响，特别是该方法不适用于对单相电压进行锁相；②过零锁相方法，该方法原理简单、易于实现，是目前工程实践中广泛应用的锁相技术，但是该方法易受电网电压的谐波与噪声的影响，一旦电网电压信号干扰比较严重，信号就可能在过零点附近来回跳动，从而出现多个过零点，进而会造成过零点判断错误，并且实时性较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种电能计量系统，其特征在于，包括供电电源模块、电压检测模块、电流检测模块、两个真24位ADC转换模块以及微控制处理单元，所述电压检测模块、一所述真24位ADC转换模块、所述电流检测模块和所述微控制处理单元分别与所述供电电源模块电连接，一所述真24位转换模块分别与所述电压检测模块和微控制处理单元电连接，另一所述真24位转换模块分别与所述电流检测模块电连接。

一种电能计量的实现方法，包括上述实施例所述的电能计量系统，包括以下具体步骤：

S1.对电压检测模块设置硬件滤波系数，并计算其滤波时间常数，以确定由于硬件电路对过零点检测造成的延时T₁；

S2.选择微控制处理单元和芯片，根据所述芯片设置ADC采样周期、定时器时钟频率、计数模式和自动重装载寄存器周期值，所述ADC采样周期公式为：T_S＝工频周期/N；

S3.设置所述电压检测模块的输出信号的峰值，选择ADC转换芯片，所述ADC转换芯片的A/D转换增益系数为：ADC的A/D转换增益系数＝2^ADC位数/输出信号的峰峰值；

S4.将过零点检测提前量取ΔT，过零点检测随机延时T₂为10微秒～100微秒，另外再取一个安全裕量t′≥200微秒，所述过零点检测提前量ΔT对应的数字量为：ΔT＝(T₁+T₂+T_S+t′)·2¹⁸；

S5.取N为任意整数，根据步骤S2的所述ADC采样周期公式得出T_S(N)，计算出软件滤波时间常数T_f，具体公式为：T_f＝2ⁿ·T_S(N)；

S6.提取ADC采样结果x(k)，并将其定义为第一序列，按照以下算法确定0V电压对应的数字量：d(k)＝d(k﹣1)+[x(k)﹣d(k﹣1)]/2ⁿ；

S7.去除零点漂移对过零点检测的影响，并实时整定所述ADC采样结果x(k)，根据d(k)，得到ADC采样整定结果y(k)，并将y(k)序列定义为第二序列，公式为：y(k)＝x(k)﹣d(k)，k＝1,2,3…；

S8.根据y(k)中的最大值确定所述电压检测模块输出信号的峰值Am；

S9.计算所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，将上一时刻定时器/计数器的值记为TIMx_previouscnt，将当前时刻定时器/计数器的值TIMx_currentcnt，按照公式：T_b＝TIMx_currentcnt﹣TIMx_previouscnt，计算得到此时T_b；

若TIMx_previouscnt小于TIMx_currentcnt，软件算法实现时会直接按照公式计算出T_b，若TIMx_previouscnt大于TIMx_currentcnt则说明TIMx计数器发生自动溢出，按照以下公式计算得到此时的T_b：T_b＝自动重装载寄存器周期值﹣TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt，进而得到此时的频率值f_b为：f_b＝1/2T_b；

S10.由所述过零点检测提前量取ΔT、所述电压检测模块输出信号的峰值Am及所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，根据公式：ΔA＝(﹣Am·2πΔT)/T_b，计算得出过零点检测判据ΔA；

S11.根据所述过零点检测判据ΔA，提前预测电网电压过零点，并记下此时定时器/计数器的值T_x1；

S12.根据公式：T_b1＝[y(k)﹣ΔA]·2¹⁸·T_S/[y(k﹣1)﹣ΔA]，计算出时时更新的ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时T_b1；

S13.根据T_x1和T_b1，由公式：T_X2＝T_x1+ΔT﹣T₁﹣T_b，确定交流电网电压us实际过零点时刻T_X2的数字量；

S14.将T_X2写入微控制处理单元所选定定时器的比较寄存器，当选定定时器的值等于T_X2时，定时器与比较寄存器匹配，得到电网电压us精确过零点时刻；

S15.将正弦表指针归零，即可实现要控制的输出信号与实际电网电压保持严格的相位同步，即实现电网电压过零点精确检测，进而确定电网电压的初始相位角；

S16.提取x(k)中从T_X2时刻开始连续n个采样周期的AD转换值，对这些值进行均方根计算，即可得到电网电压的幅值信息；

S17.重复步骤S1～S16，使用不同数值，计算出负载电流的幅值、频率和初始相位角信息；

S18.根据电网电压的初始相位角φ_U和负载电流的初始相位角φ_I，可以计算得到该相的功率因数角θ；

S19.对S16、S17和S18所计算得到的幅值、相位角信息进行点乘计算，即可得到视在功率和有功功率值，根据矢量计算公式即可算得无功功率；

S20.对无功功率的信号进行时间积分，即可实现对0.01级高精度电能的准确计量。

本发明的有益效果为：通过电压、电流检测模块设置较大的硬件滤波，保证能较好地滤除电网电压和负载电流信号中可能含有的随机噪声以及直流分量，然后将通过电压检测模块所得到的电压信号和电流检测模块所得到的电流信号，分别送入对应送入一所述真24位高转换速率ADC转换模块，转换成数字信号序列，并将其标记为第一序列，然后通过设置足够大的软件滤波时间常数，用于有效去除电压、电流检测模块前置放大器受温度变化的影响而引起零点漂移，同时去除由于AD转换芯片在进行模数转换时造成的截尾误差等引起的直流漂移，同时将软件滤波后的数字信号存储在高性能微处理器中一Buffer序列，并将其定义为第二序列，通过主动设定电压、电流过零点检测的提前量，以提前预见电压和电流信号的过零点，采用软件算法自适应精确补偿由于硬件滤波延时、ADC采样间隔引起的随机延时以及软件程序执行时间引起的随机延时，然后利用高性能微控制器的捕获和比较功能实现对频率和相位信息的准确求取，进而准确确定电压、电流过零点时刻。确定电压过零点时刻和电流过零点时刻后开始，通过从第一序列中取出n个采样周期的电压、电流数据，进行均方根计算，进而得到电压信号和电流信号的幅值，然后根据计算得到的电压、电流相位信息，得到相应相的功率因数角θ，且通过点乘运算，计算当前相的视在功率、有功功率和无功功率，然后通过对功率信号的时间积分，进而实现对电能的计量。也就是说，通过使用电能计量系统，实时性强，且原理简单，易于实现。

附图说明

附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为一实施例提供的一种电能计量系统的模块连接示意图；

图2为一实施例提供的一种电能计量系统的操作流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案做进一步描述，本发明不仅限于以下具体实施方式。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图2所示，一种电能计量系统，其特征在于，包括供电电源模块、电压检测模块、电流检测模块、两个真24位ADC转换模块以及微控制处理单元，所述电压检测模块、一所述真24位ADC转换模块、所述电流检测模块和所述微控制处理单元分别与所述供电电源模块电连接，一所述真24位转换模块分别与所述电压检测模块和微控制处理单元电连接，另一所述真24位转换模块分别与所述电流检测模块电连接。

具体地，电压检测模块为高精度电压检测模块，电流检测模块为高精度电流检测模块，两个真24位ADC转换模块为真24位高转换速率ADC转换模块，通过高精度电压、电流检测模块设置较大的硬件滤波，保证能较好地滤除电网电压和负载电流信号中可能含有的随机噪声以及直流分量，然后将通过高精度电压检测模块所得到的电压信号和高精度电流检测模块所得到的电流信号，分别送入对应送入一所述真24位高转换速率ADC转换模块，转换成数字信号序列，并将其标记为第一序列，然后通过设置足够大的软件滤波时间常数，用于有效去除高精度电压、电流检测模块前置放大器受温度变化的影响而引起零点漂移，同时去除由于AD转换芯片在进行模数转换时造成的截尾误差等引起的直流漂移，同时将软件滤波后的数字信号存储在高性能微处理器中一Buffer序列，并将其定义为第二序列，通过主动设定电压、电流过零点检测的提前量，以提前预见电压和电流信号的过零点，采用软件算法自适应精确补偿由于硬件滤波延时、ADC采样间隔引起的随机延时以及软件程序执行时间引起的随机延时，然后利用高性能微控制器的捕获和比较功能实现对频率和相位信息的准确求取，进而准确确定电压、电流过零点时刻。确定电压过零点时刻和电流过零点时刻后开始，通过从第一序列中取出n个采样周期的电压、电流数据，进行均方根计算，进而得到电压信号和电流信号的幅值，然后根据计算得到的电压、电流相位信息，得到相应相的功率因数角θ，且通过点乘运算，计算当前相的视在功率、有功功率和无功功率，然后通过对功率信号的时间积分，进而实现对高精度电能的计量。也就是说，通过使用电能计量系统，可满足单/三相交流电能0.01级的精度要求，实时性强，且原理简单，易于实现。值得一提的是，此电能计量系统可满足电压、电流幅度测量精度优于0.005级的要求，可用作目前国内0.005等级的电压、电流表，或用于0.01级的高精度电能、功率表。

一种电能计量的实现方法，包括上述实施例所述的电能计量系统，包括以下具体步骤：

S1.对电压检测模块设置硬件滤波系数，并计算其滤波时间常数，以确定由于硬件电路对过零点检测造成的延时T₁。

S2.选择微控制处理单元和芯片，根据所述芯片设置ADC采样周期、定时器时钟频率、计数模式和自动重装载寄存器周期值，所述ADC采样周期公式为：T_S＝工频周期/N。

S3.设置所述电压检测模块的输出信号的峰值，选择ADC转换芯片，所述ADC转换芯片的A/D转换增益系数为：ADC的A/D转换增益系数＝2^ADC位数/输出信号的峰峰值。

S4.将过零点检测提前量取ΔT，过零点检测随机延时T₂为10微秒～100微秒，另外再取一个安全裕量t′≥200微秒，所述过零点检测提前量ΔT对应的数字量为：ΔT＝(T₁+T₂+T_S+t′)·2¹⁸。

S5.取N为任意整数，根据步骤S2的所述ADC采样周期公式得出T_S(N)，计算出软件滤波时间常数T_f，具体公式为：T_f＝2ⁿ·T_S(N)。

S6.提取ADC采样结果x(k)，并将其定义为第一序列，按照以下算法确定0V电压对应的数字量：d(k)＝d(k﹣1)+[x(k)﹣d(k﹣1)]/2ⁿ。

S7.去除零点漂移对过零点检测的影响，并实时整定所述ADC采样结果x(k)，根据d(k)，得到ADC采样整定结果y(k)，并将y(k)序列定义为第二序列，公式为：y(k)＝x(k)﹣d(k)，k＝1,2,3…。

S8.根据y(k)中的最大值确定所述电压检测模块输出信号的峰值Am。

S9.计算所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，将上一时刻定时器/计数器的值记为TIMx_previouscnt，将当前时刻定时器/计数器的值TIMx_currentcnt，按照公式：T_b＝TIMx_currentcnt﹣TIMx_previouscnt，计算得到此时T_b。

若TIMx_previouscnt小于TIMx_currentcnt，软件算法实现时会直接按照公式计算出T_b，若TIMx_previouscnt大于TIMx_currentcnt则说明TIMx计数器发生自动溢出，按照以下公式计算得到此时的T_b：T_b＝自动重装载寄存器周期值﹣TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt，进而得到此时的频率值f_b为：f_b＝1/2T_b。

S10.由所述过零点检测提前量取ΔT、所述电压检测模块输出信号的峰值Am及所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，根据公式：ΔA＝(﹣Am·2πΔT)/T_b，计算得出过零点检测判据ΔA。

S11.根据所述过零点检测判据ΔA，提前预测电网电压过零点，并记下此时定时器/计数器的值T_x1。

S12.根据公式：T_b1＝[y(k)﹣ΔA]·2¹⁸·T_S/[y(k﹣1)﹣ΔA]，计算出时时更新的ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时T_b1。

S13.根据T_x1和T_b1，由公式：T_X2＝T_x1+ΔT﹣T₁﹣T_b，确定交流电网电压us实际过零点时刻T_X2的数字量。

S14.将T_X2写入微控制处理单元所选定定时器的比较寄存器，当选定定时器的值等于T_X2时，定时器与比较寄存器匹配，得到电网电压us精确过零点时刻。

S15.将正弦表指针归零，即可实现要控制的输出信号与实际电网电压保持严格的相位同步，即实现电网电压过零点精确检测，进而确定电网电压的初始相位角。

S16.提取x(k)中从T_X2时刻开始连续n个采样周期的AD转换值，对这些值进行均方根计算，即可得到电网电压的幅值信息。

S17.重复步骤S1～S16，使用不同数值，计算出负载电流的幅值、频率和初始相位角信息。

S18.根据电网电压的初始相位角φ_U和负载电流的初始相位角φ_I，可以计算得到该相的功率因数角θ。

S19.对S16、S17和S18所计算得到的幅值、相位角信息进行点乘计算，即可得到视在功率和有功功率值，根据矢量计算公式即可算得无功功率。

S20.对无功功率的信号进行时间积分，即可实现对0.01级高精度电能的准确计量。

也就是说，允许设置较大的硬件滤波时间常数，有利于去除交流信号中的直流成分，能有效抑制由于电网电压畸变或者不平衡，或者电网电压谐波与噪声干扰比较严重时，对过零点准确检测的影响，且对电网电压幅值和周期的变化有快速的自适应能力，当电网电压发生阶跃变化时，能在最慢一个工频周期内实现精确锁相。

综上所述，上述实施方式并非是本发明的限制性实施方式，凡本领域的技术人员在本发明的实质内容的基础上所进行的修饰或者等效变形，均在本发明的技术范畴。

Claims (2)

1.一种电能计量系统，其特征在于，包括供电电源模块、电压检测模块、电流检测模块、两个真24位ADC转换模块以及微控制处理单元，所述电压检测模块、一所述真24位ADC转换模块、所述电流检测模块和所述微控制处理单元分别与所述供电电源模块电连接，一所述真24位转换模块分别与所述电压检测模块和微控制处理单元电连接，另一所述真24位转换模块分别与所述电流检测模块电连接。

2.一种电能计量的实现方法，包括权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.对电压检测模块设置硬件滤波系数，并计算其滤波时间常数，以确定由于硬件电路对过零点检测造成的延时T₁；

S2.选择微控制处理单元和芯片，根据所述芯片设置ADC采样周期、定时器时钟频率、计数模式和自动重装载寄存器周期值，所述ADC采样周期公式为：T_S＝工频周期/N；

S3.设置所述电压检测模块的输出信号的峰值，选择ADC转换芯片，所述ADC转换芯片的A/D转换增益系数为：

S4.将过零点检测提前量取ΔT，过零点检测随机延时T₂为10微秒～100微秒，另外再取一个安全裕量t′≥200微秒，所述过零点检测提前量ΔT对应的数字量为：ΔT＝(T₁+T₂+T_S+t′)·2¹⁸；

S5.取N为任意整数，根据步骤S2的所述ADC采样周期公式得出T_S(N)，计算出软件滤波时间常数T_f，具体公式为：T_f＝2ⁿ·T_S(N)；

S6.提取ADC采样结果x(k)，并将其定义为第一序列，按照以下算法确定0V电压对应的数字量：d(k)＝d(k﹣1)+[x(k)﹣d(k﹣1)]/2ⁿ；

S7.去除零点漂移对过零点检测的影响，并实时整定所述ADC采样结果x(k)，根据d(k)，得到ADC采样整定结果y(k)，并将y(k)序列定义为第二序列，公式为：y(k)＝x(k)﹣d(k)，k＝1,2,3…；

S8.根据y(k)中的最大值确定所述电压检测模块输出信号的峰值Am；

S9.计算所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，将上一时刻定时器/计数器的值记为TIMx_previouscnt，将当前时刻定时器/计数器的值TIMx_currentcnt，按照公式：T_b＝TIMx_currentcnt﹣TIMx_previouscnt，计算得到此时T_b；

若TIMx_previouscnt小于TIMx_currentcnt，软件算法实现时会直接按照公式计算出T_b，若TIMx_previouscnt大于TIMx_currentcnt则说明TIMx计数器发生自动溢出，按照以下公式计算得到此时的T_b：T_b＝自动重装载寄存器周期值﹣TIMx_previouscnt+TIMx_currentcnt，进而得到此时的频率值f_b为：f_b＝1/2T_b；

S10.由所述过零点检测提前量取ΔT、所述电压检测模块输出信号的峰值Am及所述电压检测模块输出信号的半周期值T_b，根据公式：ΔA＝(﹣Am·2πΔT)/T_b，计算得出过零点检测判据ΔA；

S11.根据所述过零点检测判据ΔA，提前预测电网电压过零点，并记下此时定时器/计数器的值T_x1；

S12.根据公式：T_b1＝[y(k)﹣ΔA]·2¹⁸·T_S/[y(k﹣1)﹣ΔA]，计算出时时更新的ADC采样间隔引起的过零点检测随机延时T_b1；

S13.根据T_x1和T_b1，由公式：T_X2＝T_x1+ΔT﹣T₁﹣T_b，确定交流电网电压us实际过零点时刻T_X2的数字量；

S14.将T_X2写入微控制处理单元所选定定时器的比较寄存器，当选定定时器的值等于T_X2时，定时器与比较寄存器匹配，得到电网电压us精确过零点时刻；

S15.将正弦表指针归零，即可实现要控制的输出信号与实际电网电压保持严格的相位同步，即实现电网电压过零点精确检测，进而确定电网电压的初始相位角；

S16.提取x(k)中从T_X2时刻开始连续n个采样周期的AD转换值，对这些值进行均方根计算，即可得到电网电压的幅值信息；

S17.重复步骤S1～S16，使用不同数值，计算出负载电流的幅值、频率和初始相位角信息；

S18.根据电网电压的初始相位角φ_U和负载电流的初始相位角φ_I，可以计算得到该相的功率因数角θ；

S19.对S16、S17和S18所计算得到的幅值、相位角信息进行点乘计算，即可得到视在功率和有功功率值，根据矢量计算公式即可算得无功功率；

S20.对无功功率的信号进行时间积分，即可实现对0.01级高精度电能的准确计量。

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