CN113176531A - 一种智能电表的无源校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能电表的无源校准方法，包括：通过稳压源生成电压输入指定功率因子的负载；分别使用标准商用电表和待校准电表测量所述负载的电能数据；根据所述电能数据计算待校准电表与标准商用电表的误差，作为增益值。校准所述电表的计量芯片，包括：参数设置，包括模式配置、通道增益配置、EMU单元配置、高频脉冲输出配置、失压阈值设置、启动阈值设置；A相校正，包括功率增益校正、电压校正、电流校正；B相校正和C相校正。相对于传统校准，本发明采用的无源校准方式成本更低，且电流、电压、功率均可达到2级电能表要求。
Description
技术领域
本发明涉及智能电表技术领域，具体涉及一种智能电表的无源校准方法。
背景技术
电能质量采集终端的采样电路由电流互感器、采样电阻、计量芯片ADC模块组成，组成这些部分的元器件有精度等级和离散性。此外，PCB阻抗、计量芯片自身误差均会导致精度差异。电网数据的测量结果会因这些因素的存在，受到一定的影响而使得采样数据不准确，通过对每一个终端进行校准可以解决这个问题。
目前电能质量终端的校准主要是有源校准。有源校准借助三相标准源输出指定电流电压、相位等。通过三相标准源可以对电能质量采集终端进行精确的校准，但三相标准源的造价较高，间接提高了开发成本。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明使用无源校准，配合校准程序，可以弥补无源校准效率低下的缺点，进一步提高校准精度。
本发明提供一种智能电表的无源校准方法，包括：
通过稳压源生成电压输入指定功率因子的负载；
分别使用标准商用电表和待校准电表测量所述负载的电能数据；
根据所述电能数据计算待校准电表与标准商用电表的误差，作为增益值。
将所述增益值写入所述待校准电表的MCU指定扇区，完成校准。
进一步地，所述电能数据包括：电压、电流、功率、频率、和/或谐波。
进一步地，所述待校准电表使用HT7036计量芯片。
进一步地，所述方法进一步包括校准所述计量芯片，包括：
参数设置，包括模式配置、通道增益配置、EMU单元配置、高频脉冲输出配置、失压阈值设置、启动阈值设置；
A相校正，包括功率增益校正、电压校正、电流校正；
B相校正和C相校正。
进一步地，当所述电能数据为电压时，假设标准商用电表电压有效值为Ur，待校准电表测量电压为Urms，电压校准系数为Ugain，INT为取整函数，电压校准系数计算公式如下所示：
进一步地，当所述电能数据为电流时，假设标准商用电表电流有效值为Ir，待校准电表测量电流为Irms，电流校准系数为Igain，电流校准系数计算公式如下所示：
进一步地，当所述电能数据为功率时，设商用电表有功功率值为Preal，待校准电表功率值为DataP，功率校准系数为Pgain，功率校准系数计算公式如下所示：
进一步地，Ugain’与Igain’、Pgain’之间存在如下式2-9所示的关系，公式2-9中用到的HFconst为高频脉冲常数，计算公式如式2-7所示；公式2-7中Un为电表终端实际接入电压，Ib为实际接入电流，Vu、Vi分别为计量芯片电压通道、电流通道的输入电压；公式2-9中用到的N为比例系数，计算公式如下公式2-8所示；公式2-8中的TA为电流互感器变比，R为电流采样电路电阻；
N＝TA/R (2-8)
进一步地，所述待校准电表测量所述负载的电能数据时，使用中位均值滤波算法。
进一步地，所述计量芯片的寄存器分为两部分，分别是计量参数寄存器和校表参数寄存器。
本发明的优点在于：相对于传统校准，本发明采用的无源校准方式成本更低，且电流、电压、功率均可达到2级电能表要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的无源校准原理示意图。
附图2示出了根据本发明实施方式的计量芯片校准过程示意图。
附图3示出了根据本发明实施方式的单相数据校准界面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提出无源校准方式，使用ACR330ELH型商用电表与指定功率因子负载实现电表校准。校准过程结合专用校表软件，计算增益系数，串口写入，提高开发效率。相对于传统校准，无源校准方式成本更低，且电流、电压、功率均可达到2级电能表要求。
图1展示了校准原理，具体包括如下步骤：
S1、通过稳压源生成电压输入指定功率因子的负载。
S2、分别使用标准商用电表和待校准电表测量所述负载的电能数据；所述电能数据包括：电压、电流、功率、频率、谐波等。
S3、根据所述电能数据计算待校准电表与标准商用电表的误差，作为增益值。
S4、将所述增益值写入所述待校准电表的MCU指定扇区，完成校准。
图1中校准工具为WinForm窗体程序，通过串口与待校准电表通信。根据输入信息，自动确定增益值，并以局部更新方式，直接写入待校准电表MCU指定扇区，提高开发效率。
本发明的待校准电表使用HT7036计量芯片，在正式校准所述待校准电表之前，计量芯片也均需要进行校准。校准过程，主要进行功率、电流、电压校准。对功率进行校准时，只需校准有功功率增益寄存器，无功功率寄存器、视在功率增益寄存器写入相同系数即可。计量芯片校准过程如下图2所示，包括：
参数设置，包括模式配置、通道增益配置、EMU单元配置、高频脉冲输出配置、失压阈值设置、启动阈值设置；
A相校正，包括功率增益校正、电压校正、电流校正；
B相校正和C相校正。
在实际校准时，使用稳压源输出稳定的电压，使用功率因子为1的高功率滑动变阻器进行校准，以设置指定电流、电压、功率参数。实际测量时，根据商用电表、待校准电表数据，使用校准工具，进行误差计算，并更新待校准电表的增益参数。进行无源校准时，假设商用电表电压有效值为Ur，电表测量电压为Urms，电压校准系数为Ugain，INT为取整函数，电压校准系数计算公式如下所示。
假设商用电表电流有效值为Ir，电表测量电流为Irms，电流校准系数为Igain，电流校准系数计算公式如下所示。
设商用电表有功功率值为Preal，功率值为DataP，功率校准系数为Pgain，功率校准系数计算公式如下所示。
此外，Ugain’与Igain’、Pgain’之间还存在如下式2-9所示的关系。公式2-9中用到的HFconst为高频脉冲常数，计算公式如式2-7所示。公式2-7中Un为电表终端实际接入电压，Ib为实际接入电流，Vu、Vi分别为计量芯片电压通道、电流通道的输入电压。公式2-9中用到的N为比例系数，计算公式如下公式2-8所示。公式2-8中的TA为电流互感器变比，R为电流采样电路电阻。
N＝TA/R (2-8)
具体实施例
1准备工作
HT7036计量芯片内部集成多路19位ADC模块，采用双端差分信号输入。在校准时，应将计量芯片电压通道对应的ADC输入选在有效值0.22V左右，电流通道ADC输入选在有效值0.05V左右。这样，可以获得良好的线性特性，保证计量精度。电压采样电路采用串连分压原理，电压采样通道与1.2KΩ电压采样电阻并联，电压采样电路的分压电阻由7个330KΩ的贴片电阻组成，电压通道采样电压数据与通道增益系数正相关。使用市电进行校准时，实际接入电压约为230V，为使电压通道尽可能的接近0.22V，电压通道增益系数应设为2，电压采样通道输入电压约为0.2367V。电流采样通道与7.8Ω的采样电阻并联，输入电流由电流互感器产生，是实际电流的1/1000，为使电流通道采样电压接近0.05V，输入电流设置为3A，电流采样通道增益系数设为2，电流采样通道输入电压为0.0468V。
计量芯片寄存器分为两部分，分别是计量参数寄存器(只读存储器)和校表参数寄存器。校准参数存储在校表参数寄存器中，电网数据存储在计量参数寄存器中。计量参数寄存器的地址范围为0x00～0x7F，校表参数寄存器地址范围为0x00～0x71。计量芯片的SPI通讯格式为8位命令，24位数据，数据发送采用高位优先制。命令的最高位为0，(Bit7：0)表示读命令，用于外部MCU读取计量芯片寄存器数据，低7位(Bit6…0)表示寄存器地址，24位数据为冗余字节(0xFF、0xFF、0xFF)。计量芯片在收到冗余字节后，回复相应数据。若需对校表参数寄存器进行操作，需发送特殊命令，即发送命令0xC6，数据等于0x00005A，选择SPI读出校表数据寄存器的参数，此时不可读出计量参数寄存器的值。发送命令0xC6，数据不等于0x000005A，选择通过SPI读出0x0～0x7F地址的计量数据寄存器的参数。上电复位后默认读出计量数据寄存器的参数。选择读出校表数据寄存器的参数时，从0x00地址读出的值固定为0x00AAAA，否则读取计量参数0x00地址为0x7122A0。
写数据时命令的最高位为1，低7位(Bit6…0)表示寄存器地址，表示向校表寄存器写入数据。用户在通过SPI方式进行通信，配置校表寄存器时，需将校表数据放在3个数据字节的低两个字节。
在正式校表时，需要先向校表参数寄存器写入相应参数，具体命令如下。
(1)配置模式寄存器(0x01地址)，写入推荐值0xB9EF。开启vref chopper功能，以获取更稳定的参考电压。开启功率有效值慢速模式，减小跳动；配置仿真器(Emulator，EMU)时钟为921.6kHz，降低功耗；开启A、B、C三相电压、电流通道数据采样功能。
(2)视在功率的计算有两种选择方式，分别是PQS方式，RMS视在方式。令视在功率为S，为有功功率为P，无功功率为Q，测量得到的电压为Urms，电流为Ims，则S计算方式如下所示。向EMU单元配置寄存器(0x03地址)写入0xFD04。关闭基波功能，视在功率能量选择PQS方式。
(3)向模拟模块使能寄存器(0x31地址)写入0x3437，开启高通滤波器；开启欠压复位(Brown-out Reset，BOR)电源监测电路。
(4)向ADC增益配置寄存器(0x02地址)写入0x154，将三相电压，电流通道增益设为2倍增益，使校准时，电流通道输入电压接近0.05V，电压通道输入电压接近0.5V。
(5)向高频脉冲常数寄存器(0x1E地址)写入HFconst。
(6)向算法控制寄存器(0x70地址)写入0x8，芯片启动自动补偿机制，自动计算全部通道的增益值，并写入0x5C地址，将测量模式设为三相四线制。
2校准程序
计量芯片校准时，需要根据标准表的读数，电表终端的测量值，计算计量芯片增益寄存器的校准参数。取得校准参数时，需将校准参数写入终端中。若采用重新烧录的方式，所需时间较长。本发明中所述的终端，将各项校准参数、校表参数寄存器配置数据存储在STM32L431芯片FLASH存储区域的最后一个扇区中。在终端上电或接收到校准指令后，通过读取FLASH扇区信息，将校表相关数据读取到校表结构体中，并通过终端的校准函数进行校准。
校准程序在终端电压通道、电流通道的采样电压达到额定电压时，会获得较好的校准效果。若无法为采样通道提供额定电压，则应修改实际入板电压、实际入板电流和电压、电流通道输入电压。针对上述情况，开发人员可通过改变校准程序界面图中计量参数操作区域的相应参数，以对下位机内存储的参数进行修改。而且，用户在操作时，只需输入入板电压、入板电流，再点选更新按钮，即可自动更新电压、电压通道输入文本框数据。
用户进行计量芯片校准时，需逐相进行校准，需将电网数据测量值、标准表数值输入校表程序指定区域，再点击开始按钮，下位机内存储的增益寄存器校准参数即会自动改变。用户需根据操作后获得的数据进行评估，若与理想数据仍存在较大偏差，则需重复输入电网数据测量值、标准表数值，进行多次校准。在校准过程中若发现校准参数循环出现，但偏差依然存在。应选取误差最小的校准参数写入开发板，调整实验输入电力参数，若误差保持恒定，可使用软件进行弥补；否则，需对开发板进行检修。在校准某相增益寄存器时，若开发板测出的电压、电流数据已经达到要求精度，只需对功率进行校准时，勾选电压、电流校准参数文本框前的按钮，后续的校准过程便只改变功率校准参数。
本发明的上位机校准程序是由Visual Studio 2019(VS)开发的WinForm窗体，上位机通过SCI类与下位机进行通讯。SCI类继承VS的系统类SerialPort，主要函数如下表1所示。上位机程序在连接终端前，无法对终端操作。上位机与下位机握手时，采用单线程，调用SCIReceiveData函数接收握手信息。在连接成功后，上位机通过窗体程序按钮发送读取、修改数据命令，调用SerialDataReceivedEventHandler事件，实现异步接收数据。
表1 SCI类的主要函数
使用本发明中提到的校准程序，在校准过程中，会将新的校准参数存入FLASH指定扇区中，终端再次上电后，该数据依然会存留。相对于手动计算校准参数，重新烧录程序，使用本发明提供的校准程序进行校准，效率、准确性都得到了大幅度提升。校准程序主要集中在单相数据校准界面，具体如下图3所示。
3校准过程
硬件电路搭建完毕，打开交流稳压源开关，输出稳定电压、电流。记录电表终端、标准表读数，将相应参数输入单相数据校准界面指定位置，进行校准，直至电表终端测试数据稳定，且误差较小。然后，重新搭建校准电路，改变电表终端的接入电压、电流，验证是否需要重新校准。
为保证电能数据的稳定性，采用交流稳压源，将电压稳定在220V，电流稳定在2.2A，然后开始校准。初始校准数据如下表2所示。0xD59A、0xE38、0x1312为随机设置的电流、电压、功率初始增益参数，后续校准过程中确认电流增益参数为0xBAAA，有功增益参数为0x13EC，电压增益值为0xD579。其它分相无功功率、视在功率的增益参数，与有功功率增益参数保持一致。
表2单相增益数据记录表
电压测量误差较大，根据公式2-9重新计算后，写入0xB4B1。保持电流为2.1A，调整负载两端电压测得的数据如下表3所示。电压的测量误差小于2％，测量精度达到2级标准。
表3电压数据对比表
调整点电表终端输入电流参数，观察计量芯片测得的电流、功率的变化规律。功率误差集中在8％左右，电流功率误差在10％～15％之间，具体数据如下表4所示。
表4未使用软件弥补的实验对比数据
确定增益值后，使用稳压源将电压保持在220V，反复调整滑动变阻器的阻值，使电流逐渐升高，功率也随之增大。通过反复实验，有功功率误差在8％左右，电流误差在9％～15％之间。电网数据采样时，均使用了中位均值滤波算法。为确定采样次数，改变电流、功率数据的连续读取采样次数，发现数据规律如下表5所示。30次效果最差，50、100次效果一致，为降低能量消耗，将连续采样次数确定为50次。
表5连续多次读取采样数据对比
确定采样次数后，对电流测量、功率测量进行软件弥补，所得的具体数据如下表6所示。经软件弥补后电流误差小于5％，功率误差小于2％，有功功率测量达到2级要求。
表6使用软件弥补后的对比数据
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，包括：
通过稳压源生成电压输入指定功率因子的负载；
分别使用标准商用电表和待校准电表测量所述负载的电能数据；
根据所述电能数据计算待校准电表与标准商用电表的误差，作为增益值。
将所述增益值写入所述待校准电表的MCU指定扇区，完成校准。
2.根据权利要求1所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
所述电能数据包括：电压、电流、功率、频率、和/或谐波。
3.根据权利要求1所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
所述待校准电表使用HT7036计量芯片。
4.根据权利要求3所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
所述方法进一步包括校准所述计量芯片，包括：
参数设置，包括模式配置、通道增益配置、EMU单元配置、高频脉冲输出配置、失压阈值设置、启动阈值设置；
A相校正，包括功率增益校正、电压校正、电流校正；
B相校正和C相校正。
5.根据权利要求2所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
当所述电能数据为电压时，假设标准商用电表电压有效值为Ur，待校准电表测量电压为Urms，电压校准系数为Ugain，INT为取整函数，电压校准系数计算公式如下所示：
6.根据权利要求5所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
当所述电能数据为电流时，假设标准商用电表电流有效值为Ir，待校准电表测量电流为Irms，电流校准系数为Igain，电流校准系数计算公式如下所示：
7.根据权利要求6所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
当所述电能数据为功率时，设商用电表有功功率值为Preal，待校准电表功率值为DataP，功率校准系数为Pgain，功率校准系数计算公式如下所示：
8.根据权利要求7所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
Ugain’与Igain’、Pgain’之间存在如下式2-9所示的关系，公式2-9中用到的HFconst为高频脉冲常数，计算公式如式2-7所示；公式2-7中Un为电表终端实际接入电压，Ib为实际接入电流，Vu、Vi分别为计量芯片电压通道、电流通道的输入电压；公式2-9中用到的N为比例系数，计算公式如下公式2-8所示；公式2-8中的TA为电流互感器变比，R为电流采样电路电阻；
N＝TA/R (2-8)
9.根据权利要求7所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
所述待校准电表测量所述负载的电能数据时，使用中位均值滤波算法。
10.根据权利要求3所述的一种智能电表的无源校准方法，其特征在于，
所述计量芯片的寄存器分为两部分，分别是计量参数寄存器和校表参数寄存器。
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