CN112630721B - 一种误差在线自修正方法及其电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种误差在线自修正方法及其电能表。本发明在电能表计量采样硬件电路相关位置注入特定高频信号，分别在实验室校准环境及现场实负载环境采样及测量该信号，通过对比信号幅值差异，监控各采样通道硬件电路网络传递函数变化，进一步计算获得各采样通道增益修正值，实现误差在线自修正。本发明实现了电能表远程误差在线自修正，不断电不拆表，无需现场处理，可批量操作，避免了高昂的现场问题处理成本，保障了在网电能表准确度质量水平。
Description
技术领域
本发明涉及智能电表技术领域，具体涉及一种误差在线自修正方法及其电能表。
背景技术
随着国家智能电网政策的全面推行，作为终端设备的智能电表得以快速推广及应用。安装在住宅、市政和工业环境中的智能电表，在现场复杂的各种环境应力下，随着时间的推移，部分电能表准确度可能出现偏移改变，出现计费错误，导致客诉及经济纠纷。
糟糕的是，问题出现后，供电企业需花费大量的时间及成本来解决此问题，现场准确度超差电能表大多只能断电拆回实验室进行重新校准，对用户用电造成干扰，降低了客户的满意度。
发明内容
本发明公开了一种误差在线自修正方法及其电能表。本发明利用高精度高可靠基准电流源在电能表电压及电流采样电路相关位置注入特定误差自修正信号，实验室校准环境下采样及测量该信号，获得各采样通道传递参数标定值，现场实负载环境下采样及测量该信号，对采集数据进行相关运算滤波处理后，获得各采样通道传递参数测量值，基于标定值与测量值差异对比，监测各采样通道传递函数变化，进一步计算获得各采样通道增益修正值，实现误差在线自修正。本发明较好的解决了在网电能表寿命周期内准确度偏移问题，实现了电能表误差远程在线自修正，保障了在网电能表准确度质量水平，且在法津法规允许的情况下延长了电能表使用周期。
本发明的技术方案是：
一种误差在线自修正方法及其电能表，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实验室环境，电能表电压电流校准参数标定。实验室校准环境下，电能表施加参比电压、参比电流、参比频率，根据式(1)、(2)，通过调整电压增益GainSu、电流增益GainSu，使电压Un、电流Ib与校准值相同实现电压电流校准。
Un＝regSu*(1+GainSu) (1)
Ib＝regSi*(1+GainSi) (2)
其中，regSu通过读取计量芯片电压采样寄存器获得、regSi通过读取计量芯片电流采样寄存器获得。电压电流校准完成后，regSu、regSi、GainSu、GainSi作为标定参数记录存储。
S2：实验室环境，误差自修正信号传递参数标定。实验室校表环境下，电能表施加参比电压、参比电流、参比频率，计量芯片内部电压通道基准电流源输出高频误差自修正信号，此信号从电压采样电路电阻分压网络最后一级电阻位置注入；计量芯片内部电流通道基准电流源输出高频误差自修正信号，此信号经RC阻容网络从锰铜位置注入。误差自修正信号与计量采样信号叠加后送至计量芯片计量采样ADC引脚，计量芯片周期性地对各通道计量ADC引脚输入的混合信号进行采样，经芯片内部DSP模块运算处理后，获得各采样通道误差自修正信号传递参数幅值，将该组参数作为标定参数存储记录，包括电压通道标定幅值AmpSu及电流通道标定幅值AmpSi。
S3：现场实负载环境，误差自修正信号传递参数测量。现场实负载环境下，计量芯片内部电压通道基准源及电流通道基准源分别输出特定误差自修正信号，此信号分别在电阻分压网络最后一级及锰铜分流器位置注入。计量芯片周期性采样测量各采样通道ADC引脚输入的混合信号，经芯片内部DSP模块运算处理后，可获得现场实负载环境下的各通道误差自修正信号传递参数幅值。
S4：现场实负载环境，误差自修正信号传递参数数据采集及滤波处理。因ADC信号幅值较小，为提高现场环境下的误差自修正信号传递参数各通道幅值数据采集的可靠性、有效性，采用以下方法进行数据采集及相关滤波处理：
以电压通道为例：连续采样185点数据，考虑误差自修正信号注入初始阶段信号幅值数据可能不够稳定，前5个数据舍弃，余下的180个点分成3组数据，分别为：
Amp1u0、Amp1u1、Amp1u2、Amp1u3、Amp1u4、Amp1u5、Amp1u6……Amp1u58、Amp1u59
Amp2u0、Amp2u1、Amp2u2、Amp2u3、Amp2u4、Amp2u5、Amp2u6……Amp2u58、Amp2u59
Amp3u0、Amp3u1、Amp3u2、Amp3u3、Amp3u4、Amp3u5、Amp3u6……Amp3u58、Amp3u59
对上述3组采集数据分别按照式(3)(4)求其方差SN：
选择3组数据中方差最小的一组数据作为有效数据，进一步进行排列滤波处理，具体方法如下：
将该组数据按从小到大顺序排列，重新排列后的数据为Ampup0、Ampup1、Ampp2、……Ampup53、Ampup59；
取出最小幅值Ampup0和最大幅值Ampup59做如下判断，若Ampup59＜＝(Ampup0+Ampup0*5％)，最大值与最小值在5％范围内波动，则认为所有数据都在波动范围内，这60个数据都可接受；
若Ampup59＞(Ampup0+Ampup0*5％)，则Ampup0和Ampup59认为是波动较大的数据，不可接受舍弃，取次小的Ampup1和次大的Ampup58做上述比较；
若Ampup58＜＝(Ampup1+Ampup1*5％)，Ampup1与Ampup58在5％范围内波动，则认为余下的58个数据Ampup1、Ampp3、……Ampup58是可接受的；
若Ampup58＞(Ampup1+Ampup1*5％)，则Ampup1和Ampup58认为是波动较大的数据，不可接受舍弃；依此类推，再取Ampup2和Ampup57做上述比较；
若连续6组数据都不在5％范围内，即Ampup54＞(Ampup5+Ampup5*5％)，则认为该组60点数据波动较大，都不可接受，需重新采集185点数据重新比较；
若6组数据有一组在5％范围内，即Ampup(59-k)＜＝(Ampupk+Ampupk*5％)(k＝0、1、2、3、4、5)，则认为该组数据可用，取余下可用数据根据式(5)求其均方根值作为该通道的幅值Ampu：
电流通道相关数据采集与滤波处理方法同电压通道类似。
S5：现场实负载环境，误差自修正参数合成运算。误差自修正信号与计量采样信号通过的硬件电路网络是一致的，当硬件电路中部分元器件参数发生变化时，可认为误差自修正信号幅值与计量采样信号幅值是同比例变化的，即式(6)、式(7)成立：
Ku＝regSu/AmpSu＝regu/Ampu (6)
Ki＝regSi/AmpSi＝regi/Ampi (7)
其中，regSu、regSi、AmpSu、AmpSi为校准环境下的标定值，regu、regi、Ampu、Ampi为现场实负载环境下的测量值。
联立式(1)、(2)、(6)、(7)，获得校准环境下基于标定值的Un、Ib：
Un标定值＝regSu*(1+GainSu)＝Ku*AmpSu*(1+GainSu) (8)
Ib标定值＝regSi*(1+GainSi)＝Ki*AmpSi*(1+GainSi) (9)
联立式(1)、(2)、(6)、(7)，获得现场实负载环境下基于测量值的Un、Ib：
Un测量值＝regu*(1+Gainu)＝Ku*Ampu*(1+Gainu) (10)
Ib测量值＝regi*(1+Gaini)＝Ki*Ampi*(1+Gaini) (11)
电能表误差正确的情况下，Un、Ib标定值与测量值相同，且为固定值，见式(11)、(12)。
Un＝Ku*AmpSu*(1+GainSu)＝Ku*Ampu*(1+Gainu) (11)
Ib＝Ki*AmpSi*(1+GainSi)＝Ki*Ampi*(1+Gaini) (12)
当电能表计量采样相关硬件电路元器件参数发生变化时，AmpSu≠Ampu，AmpSi≠Ampi，误差也同样发生了改变，为了使电能表误差恢复正常，可通过调整电压增益Gainu、电流增益Gaini使式(11)、(12)成立。
基于式(11)、(12),得出：
Gainu＝AmpSu*(1+GainSu)/Ampu-1 (13)
Gaini＝AmpSi*(1+GainSi)/Ampi-1 (14)
则，现场实负载环境下，根据式(13)、(14)计算电压增益Gainu、电流增益Gaini，实现电能表误差自修正。
本发明所达到的有益效果：
本发明实现了电能表远程误差在线自修正，提供了一种方便、安全、可批量进行的电能表现场误差在线自修正方案。本发明不局限于误差在线自修正功能，还可实现现场多种窃电方式检测，尤其是通过人为篡改电能表计量采样器件进行窃电的方式，可准确定位具体被篡改的采样器件。
附图说明
附图1：一种可误差在线自修正电能表原理框图。
附图2：实验室校准环境误差自修正初始化流程图。
附图3：现场实负载环境误差在线自修正流程图。
附图4：本发明的误差修正流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
附图1是本发明的可误差自修正电能表原理框图，其主要工作原理及过程如下：电网交流电压经电阻网络转换为mV级电压信号送至计量芯片ADC引脚VP/VN；电网火线电流经锰铜分流器转换为mV级电压信号送至计量芯片ADC引脚IP/IN。计量芯片内部集成电压通道高精度高可靠基准电流源及电流通道高精度高可靠基准电流源，可软件控制基准电流源开启或关闭误差自修正信号输出。误差自修正功能开启后，电压通道基准电流源输出特定高频信号从电压采样电路电阻分压网络最后一级电阻位置注入，电流通道基准电流源输出特定高频信号经RC网络从锰铜位置注入。误差自修正信号与计量采样信号叠加后送至VP/VN、IP/IN引脚，计量芯片DSP单元对VP/VN、IP/IN引脚输入的混合信号进行分离解析运算，将误差自修正信号幅值用于误差自修正，计量采样信号用于电能计量。MCU主控模块负责与计量芯片、存储电路、显示电路、通信模块的数据交互及整个系统的运行控制及维护。存储模块采用外部存储器方案，负责电能表嵌入式软件运行过程中的数据存储需求及掉电后的数据保存。显示模块负责现场用电信息、用户电量及电能表工作状态等相关信息的显示。通信模块选用HPLC载波通信模块，基于宽带电力载波实现电能表与集中器主站的数据交互。电源模块采用开关电源方案，选用内置高压MOS电源芯片搭建反激式开关电源设计，为系统可靠运行提供稳定电源。
附图2所述实验室校准环境误差自修正初始化流程，其需在电能表校准环境下进行，具体步骤如下：(1)电能表收到误差自修正初始化命令；(2)校准电能表电压电流，记录存储相关校准参数；(3)计量芯片内部各通道基准电流源输出特定误差自修正信号；(4)周期性采样测量此误差自修正信号，获得各采样通道硬件电路传递参数标定值；(5)计量芯片各通道基准电流源信号输出关闭；(6)误差自修正初始化完成。
附图3所述现场实负载环境误差在线自修正流程，其是在电能表挂网后的现场实负载环境下进行的，具体步骤如下：(1)电能表收到集中器主站下发的误差自修正命令；(2)计量芯片内部各通道基准电流源输出特定误差自修正信号；(3)周期性采样测量此误差自修正信号，获得现场实负载环境下各采样通道硬件电路传递参数测量值；(4)读取校表环境下误差自修正初始化相关标定参数；(5)计算误差自修正参数，包括电压增益Gainu及电流增益Gaini；(6)计量芯片各采样通道基准电流源信号输出关闭(7)误差在线自修正完成。
综上，本发明的一种误差在线自修正方法及其电能表，在电能表计量相关硬件电路注入特定高频信号，通过采样测量该信号，获知硬件电路网络传递函数变化，进一步修正各采样通道增益实现误差自修正。供电企业通过集中器主站对在网准确度超差电能表进行批量误差自修正操作，实现远程误差在线自修正。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种电能表误差在线自修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实验室校准环境，电能表电压电流校准参数标定，包括电压采样值regSu、电流采样值regSi、电压增益GainSu及电流增益GainSi；
S2：实验室校准环境，误差自修正信号传递参数标定，包括电压幅值AmpSu及电流幅值AmpSi；
S3：现场实负载环境，误差自修正信号传递参数测量，包括电压幅值测量及电流幅值测量；
S4：现场实负载环境，误差自修正信号传递参数数据采集及滤波处理，获得电压幅值Ampu及电流幅值Ampi；
S5：现场实负载环境，误差自修正参数合成运算，包括电压增益Gainu及电流增益Gaini；
S1：实验室校准环境，电能表电压电流校准参数标定；实验室校准环境下，电能表施加参比电压、参比电流、参比频率，根据式(1)、(2)，通过调整电压增益GainSu、电流增益Gaini，使电压Un、电流Ib与校准值相同实现电压电流校准；
Un＝regSu*(1+GainSu) (1)
Ib＝regSi*(1+GainSi) (2)
其中，regSu通过读取计量芯片电压采样寄存器获得、regSi通过读取计量芯片电流采样寄存器获得，电压电流校准完成后，regSu、regSi、GainSu、GainSi作为标定参数记录存储；
S5：现场实负载环境，误差自修正参数合成运算；误差自修正信号与计量采样信号通过的硬件电路网络是一致的，当硬件电路中部分元器件参数发生变化时，认为误差自修正信号幅值与计量采样信号幅值是同比例变化的，即式(6)、式(7)成立：
Ku＝regSu/AmpSu＝regu/Ampu (6)
Ki＝regSi/AmpSi＝regi/Ampi (7)
其中，regSu、regSi、AmpSu、AmpSi为校准环境下的标定值，Ampu、Ampi为现场实负载环境下的测量值；
联立式(1)、(2)、(6)、(7)，获得校准环境下基于标定值的Un、Ib：
Un标定值＝regSu*(1+GainSu)＝Ku*AmpSu*(1+GainSu) (8)
Ib标定值＝regSi*(1+GainSi)＝Ki*AmpSi*(1+GainSi) (9)
联立式(1)、(2)、(6)、(7)，获得现场实负载环境下基于测量值的Un、Ib：
Un测量值＝regu*(1+Gainu)＝Ku*Ampu*(1+Gainu) (10)
Ib测量值＝regi*(1+Gaini)＝Ki*Ampi*(1+Gaini) (11)
电能表误差正确的情况下，Un、Ib标定值与测量值相同，且为固定值，见式(11)、(12)；
Un＝Ku*AmpSu*(1+GainSu)＝Ku*Ampu*(1+Gainu) (11)
Ib＝Ki*AmpSi*(1+GainSi)＝Ki*Ampi*(1+Gaini) (12)
当电能表计量采样相关硬件电路元器件参数发生变化时，AmpSu≠Ampu，AmpSi≠Ampi，误差也同样发生了改变，为了使电能表误差恢复正常，可通过调整电压增益Gainu、电流增益Gaini使式(11)、(12)成立；
基于式(11)、(12),得出：
Gainu＝AmpSu*(1+GainSu)/Ampu-1 (13)
Gaini＝AmpSi*(1+GainSi)/Ampi-1 (14)
则，现场实负载环境下，根据式(13)、(14)计算电压增益Gainu、电流增益Gaini，实现电能表误差自修正；所述的步骤S2中：电能表在实验室校准环境下，电能表施加参比电压、参比电流、参比频率，计量芯片内部电压通道基准电流源输出特定误差自修正信号从电压采样电路电阻分压网络最后一级电阻位置注入，计量芯片内部电流通道基准电流源输出特定误差自修正信号经RC阻容网络从锰铜分流器位置注入；计量芯片周期性地采样测量各采样通道ADC引脚输入的误差自修正信号与计量采样信号叠加形成的混合信号，经芯片内部DSP模块对输入的混合信号解析运算后，获得实验室校准环境下误差自修正信号的电压幅值AmpSu及电流幅值AmpSi，实现误差自修正信号传递参数标定；所述的步骤S3中：电能表在现场实负载环境下，计量芯片内部电压通道基准电流源输出特定误差自修正信号从电压采样电路电阻分压网络最后一级电阻位置注入，计量芯片内部电流通道基准电流源输出特定误差自修正信号经RC阻容网络从锰铜分流器位置注入；计量芯片周期性地采样测量各采样通道ADC引脚输入的误差自修正信号与计量采样信号叠加形成的混合信号，经芯片内部DSP模块对输入的混合信号解析运算后，获得现场实负载环境下误差自修正信号的电压幅值及电流幅值。
2.根据权利要求1所述的一种电能表误差在线自修正方法，其特征在于所述的步骤S4中：连续采样185点数据，考虑误差自修正信号注入初始阶段信号幅值数据可能不够稳定，前5个数据舍弃，余下的180个点分成3组数据，分别为：
Amp1u0......Amp1u59、Amp2u0......Amp2u59、Amp3u0......Amp3u59
对上述3组采集数据分别按照其中N＝1、2、3；及其中N＝1、2、3；求方差SN；
选择3组数据中方差最小的一组数据作为有效数据，进一步进行排列滤波处理，具体方法如下：
将该组数据按从小到大顺序排列，重新排列后的数据为Ampup0......Ampup59；
取出最小幅值Ampup0和最大幅值Ampup59做如下判断，若Ampup59＜＝(Ampup0+Ampup0*5％)，最大值与最小值在5％范围内波动，则认为所有数据都在波动范围内，这60个数据都可接受；
若Ampup59＞(Ampup0+Ampup0*5％)，则Ampup0和Ampup59认为是波动较大的数据，不可接受舍弃，取次小的Ampup1和次大的Ampup58做比较；
若Ampup58＜＝(Ampup1+Ampup1*5％)，Ampup1与Ampup58在5％范围内波动，则认为余下的58个数据Ampup1......Ampup58是可接受的；
若Ampup58＞(Ampup1+Ampup1*5％)，则Ampup1和Ampup58认为是波动较大的数据，不可接受舍弃；依此类推，再取Ampup2和Ampup57做比较；
若连续6次比较数据都不在5％范围内，即Ampup54＞(Ampup5+Ampup5*5％)，则认为该组60点数据波动较大，都不可接受，需重新采集185点数据重新比较；
若6次比较数据有一次比较在5％范围内，即Ampup(59-k)＜＝(Ampupk+Ampupk*5％)，其中：k＝0、1、2、3、4、5；则认为该组数据可用，取余下可用数据根据：
其中：k＝0、1、2、3、4、5；
求其均方根值作为电压幅值Ampu，电流幅值Ampi相关数据采集与滤波处理方法同电压幅值Ampu类似。
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- 2020-12-16 CN CN202011483853.7A patent/CN112630721B/zh active Active
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