CN113341218A - 一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法，直流电能表包括：电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块；电信号依次在电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块中传输；直流电能表控制模块用于接收A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电流检测值，并判断电流检测值是否满足A/D转换模块的输出信号电流阈值，继而根据判断结果，生成反馈信号，将反馈信号发送至电流档位切换模块。本发明提供的直流电能表实现量程自适应调节，减小直流电能表对直流电流输入信号的测量误差。

Description

一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法

技术领域

本发明涉及电能表技术领域，特别是涉及一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法。

背景技术

新能源轨道交通、电动汽车充电和光伏等产业的发展带动了直流电能的推广应用。由此可以预见，电能计量将由传统的交流电能计量向直流电能计量转变，未来直流计量装置需求量会大大增加。

现有直流计量装置采用在直流电流超过测量量程的时候用电流档位切换继电器切换电流档位，在直流电压超过测量量程的时候通过改变直流电压采样模块中的精密分压电阻串的连接改变量程，但是这种直流计量装置的精度较差，测量结果往往不准确。

发明内容

为解决以上现有技术问题，本发明提供一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法，实现量程自适应调节的直流电能表。

本发明第一方面提供一种量程自适应调节的直流电能表，包括：

电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块；其中，所述电流档位切换模块与所述零磁通电流互感器组的输入端电连接，所述零磁通电流互感器组的输出端与所述信号调理模块电连接，所述信号调理模块与所述A/D转换模块电连接，所述A/D转换模块与所述直流电能表控制模块的输入端电连接，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电流档位切换模块电连接；

所述零磁通电流互感器组包括至少两个变比不同的零磁通电流互感器，且所有零磁通电流互感器并联连接；

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电流检测值，并判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，继而根据判断结果，生成反馈信号，将所述反馈信号发送至所述电流档位切换模块；

所述电流档位切换模块用于根据所述反馈信号调整接入电路的零磁通电流互感器；其中，所述反馈信号包括：需要调整接入电路的零磁通电流互感器的第一反馈信号及无需调整接入电路的零磁通电流互感器的第二反馈信号。

进一步地，所述判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，包括：

判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值；若是，则通过所述电流档位切换模块控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值；若否，则根据所述电流检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

进一步地，所述的一种量程自适应调节的直流电能表，还包括：电压档位切换模块及分压电阻模块，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电压档位切换模块电连接，所述电压档位切换模块与所述分压电阻模块的输入端电连接，所述分压电阻模块的输出端与所述信号调理模块电连接；

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电压检测值，并判断所述电压检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若否，则根据所述电压检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

进一步地，所述的一种量程自适应调节的直流电能表，还包括：

多路模拟开关，所述零磁通电流互感器组通过所述多路模拟开关与所述信号调理模块电连接；

隔离模块，所述A/D转换模块通过所述隔离模块与所述直流电能表控制模块电连接。

进一步地，所述直流电能表控制模块包括：第一I/O接口、第二I/O接口及串行外设接口；

所述第一I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第一传输信号通过所述隔离模块发送至所述多路模拟开关；

所述第二I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第二传输信号通过所述隔离模块发送至所述电压档位切换模块及所述电流档位切换模块；

所述串行外设接口用于将所述直流电能表控制模块的第三传输信号通过所述隔离模块发送至所述A/D转换模块。

进一步地，所述的一种量程自适应调节的直流电能表，还包括：

电能脉冲模块、通信模块及显示模块；所述电能脉冲模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述通信模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述显示模块与所述直流电能表控制模块电连接。

本发明第二方面提供一种直流电能表的控制方法，应用于如上述任一所述的量程自适应调节的直流电能表；所述控制方法包括：

获取直流电流输入信号，并对所述直流电流输入信号进行电流检测，判断所述直流电流输入信号对应的电流检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电流阈值；

若是，则控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述直流电流输入信号对应的电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值；

若否，则根据所述电流检测值，计算并显示直流电流输入信号的电能值。

进一步地，所述获取直流电流输入信号之后，还包括：

对所述直流电流输入信号进行电压检测，判断所述直流电流输入信号对应的电压检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块输出信号电压阈值；

若否，则根据所述电压检测值，计算并显示电流输入信号的电能值。

进一步地，所述对所述直流电流输入信号进行电流检测之前，包括：

通过零磁通电流互感器组调整所述直流电流输入信号的电流值大小，使得调整后的直流电流输入信号的电流值满足零磁通电流互感器组的变比。

进一步地，所述通过零磁通电流互感器组调整所述直流电流输入信号的电流值大小之后，包括：

对通过零磁通电流互感器组调整电流值大小的直流电流输入信号进行信号放大及滤波。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

本发明提供一种量程自适应调节的直流电能表及其控制方法，其中直流电能表包括：电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块；其中，所述电流档位切换模块与所述零磁通电流互感器组的输入端电连接，所述零磁通电流互感器组的输出端与所述信号调理模块电连接，所述信号调理模块与所述A/D转换模块电连接，所述A/D转换模块与所述直流电能表控制模块的输入端电连接，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电流档位切换模块电连接；所述零磁通电流互感器组包括至少两个变比不同的零磁通电流互感器，且所有零磁通电流互感器并联连接；所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电流检测值，并判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，继而根据判断结果，生成反馈信号，将所述反馈信号发送至所述电流档位切换模块；所述电流档位切换模块用于根据所述反馈信号调整接入电路的零磁通电流互感器；其中，所述反馈信号包括：需要调整接入电路的零磁通电流互感器的第一反馈信号及无需调整接入电路的零磁通电流互感器的第二反馈信号。本发明提供的直流电能表根据直流电流输入信号的电流大小选择对应量程的零磁通电流互感器实现量程自适应调节，减小直流电能表对直流电流输入信号的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的一种量程自适应调节的直流电能表的结构图；

图2是本发明另一实施例提供的一种量程自适应调节的直流电能表的结构图；

图3是本发明某一实施例提供的多路模拟开关的示意图；

图4是本发明某一实施例提供的一种量程自适应调节的直流电能表的控制方法的流程图；

图5是本发明另一实施例提供的一种量程自适应调节的直流电能表的控制方法的流程图；

图6是本发明又一实施例提供的一种量程自适应调节的直流电能表的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明就低压直流网络直流电压、电流虽然范围较宽但是完全可以用仪表互感器进行测量的特点，以及鉴于仪表类的零磁通电流互感器体积比较小的特点。本专利提出一种量程自适应调节的直流电能表，可以避开工程实际中还无法使用有载调节的调零磁通电流互感器的问题，并且实现量程自适应调节的直流电能表。

第一方面。

请参阅图1-2，本发明一实施例提供一种量程自适应调节的直流电能表，包括：电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块；其中，所述电流档位切换模块与所述零磁通电流互感器组的输入端电连接，所述零磁通电流互感器组的输出端与所述信号调理模块电连接，所述信号调理模块与所述A/D转换模块电连接，所述A/D转换模块与所述直流电能表控制模块的输入端电连接，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电流档位切换模块电连接。

所述零磁通电流互感器组包括至少两个变比不同的零磁通电流互感器，且所有零磁通电流互感器并联连接。

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电流检测值，并判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，继而根据判断结果，生成反馈信号，将所述反馈信号发送至所述电流档位切换模块。

所述电流档位切换模块用于根据所述反馈信号调整接入电路的零磁通电流互感器；其中，所述反馈信号包括：需要调整接入电路的零磁通电流互感器的第一反馈信号及无需调整接入电路的零磁通电流互感器的第二反馈信号。

需要说明的是，通过电流档位切换模块，将适合量程的零磁通电流互感器一次侧接到直流电流输入端子上。由于零磁通电流互感器的一次侧是较大的直流电流，因此电流档位切换模块，是由若干个继电器组成，继电器的控制由直流电能表控制单元的第二I/O口通过三极管增加驱动能力后进行通断控制。

信号调理模块用于对零磁通电流互感器输出信号进行放大滤波，并将调理之后的信号送入A/D转换模块。

在某一具体实施方式中，所述判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，包括：

判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值；若是，则通过所述电流档位切换模块控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值；若否，则根据所述电流检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

需要说明的是，在电流检测环节，当A/D转换模块的输入信号大于其最大测量值的时候，输出会饱和，具体表现为A/D转换模块输出的数字量为其可测量值的上限且不变化。当直流电能表控制模块在读取A/D转换模块的输出数据的时候，首先判断是否测量值在A/D转换模块的输出上限附近，如果是，则通过第二I/O口控制电流档位切换模块和通过第一I/O口控制多路模拟开关，以用于将不适合测量的零磁通电流互感器彻底的从测量回路切出，即使用一次二次侧变比大的零磁通电流互感器，这时A/D转换模块的输出数据应该变小，如果仍是饱和数据，则还需要更换一次二次侧变比更大的零磁通电流互感器，直到A/D转换模块的输出不是饱和值，并且有合理的变化的时候，才开始计算测量结果，在显示模块上显示测量结果。

在某一具体实施方式中，一种量程自适应调节的直流电能表还包括：电压档位切换模块及分压电阻模块，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电压档位切换模块电连接，所述电压档位切换模块与所述分压电阻模块的输入端电连接，所述分压电阻模块的输出端与所述信号调理模块电连接。

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电压检测值，并判断所述电压检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电压阈值。若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电压阈值；若否，则根据所述电压检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

需要说明的是，在直流电压超过测量量程的时候通过分压电阻模块连接改变量程，由电压档位切换模块来实现信号传输，电压档位切换模块由继电器组成。

在某一具体实施方式中，一种量程自适应调节的直流电能表还包括：

多路模拟开关，所述零磁通电流互感器组通过所述多路模拟开关与所述信号调理模块电连接。

需要说明的是，由于零磁通电流互感器的输出信号比较小，为了保证小信号在切换过程中尽可能的不受影响，通过多路模拟开关将适合量程的零磁通电流互感器的输出信号接入信号调理模块。

多路模拟开关由直流电能表控制单元的第一I/O口控制，图3中SINGNAL1～7可以是零磁通电流互感器组中多个零磁通电流互感器输出信号。图3选用的多路模拟开关型号是TMUX1308，TMUX1308的9～11管脚为选通端，由直流电能表控制单元的3个I/O控制，TMUX1308输出端是管脚3的D，接信号调理模块。TMUX1308输入是8路，如果输入路数不够可以增加TMUX1308数量。由此可以将零磁通电流互感器组中比例合适的零磁通电流互感器投入直流电能表控制模块中，将零磁通电流互感器组中不合适的其他零磁通电流互感器彻底切出直流电能表控制模块。

隔离模块，所述A/D转换模块通过所述隔离模块与所述直流电能表控制模块电连接。

需要说明的是，在直流电能表控制模块和与外围强电相关的电路连接时，需要设计隔离模块保护直流电能表控制模块。

在某一具体实施方式中，所述直流电能表控制模块包括：第一I/O接口、第二I/O接口及串行外设接口；

所述第一I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第一传输信号通过所述隔离模块发送至所述多路模拟开关；

所述第二I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第二传输信号通过所述隔离模块发送至所述电压档位切换模块及所述电流档位切换模块；

所述串行外设接口用于将所述直流电能表控制模块的第三传输信号通过所述隔离模块发送至所述A/D转换模块。

在某一具体实施方式中，一种量程自适应调节的直流电能表还包括：

电能脉冲模块、通信模块及显示模块；所述电能脉冲模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述通信模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述显示模块与所述直流电能表控制模块电连接。

本发明提供的一种量程自适应调节的直流电能表根据直流电流输入信号的电流大小选择对应量程的零磁通电流互感器实现量程自适应调节，减小直流电能表对直流电流输入信号的测量误差。

第二方面。

请参阅图4-6，本发明一实施例提供一种直流电能表的控制方法，用于控制如上述第一方面提供的量程自适应调节的直流电能表，所述控制方法包括：

S10、获取直流电流输入信号。

S20、对所述直流电流输入信号进行电流检测，判断所述直流电流输入信号对应的电流检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电流阈值。

S21、若是，则控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述直流电流输入信号对应的电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值。

S22、若否，则根据所述电流检测值，计算并显示直流电流输入信号的电能值。

在某一具体实施方式中，所述步骤S10之后还包括：

S30、对所述直流电流输入信号进行电压检测，判断所述直流电流输入信号对应的电压检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电压阈值。

S31、若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块输出信号电压阈值。

S32、若否，则根据所述电压检测值，计算并显示电流输入信号的电能值。

在某一具体实施方式中，所述步骤S10之后还包括：

S11、通过零磁通电流互感器组调整所述直流电流输入信号的电流值大小，使得调整后的直流电流输入信号的电流值满足零磁通电流互感器组的变比。

S12、对通过零磁通电流互感器组调整电流值大小的直流电流输入信号进行信号放大及滤波。

本发明提供的一种量程自适应调节的直流电能表的控制方法根据直流电流输入信号的电流大小选择对应量程的零磁通电流互感器实现量程自适应调节，减小直流电能表对直流电流输入信号的测量误差。

Claims (10)

1.一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，包括：

电流档位切换模块、零磁通电流互感器组、信号调理模块、A/D转换模块及直流电能表控制模块；其中，所述电流档位切换模块与所述零磁通电流互感器组的输入端电连接，所述零磁通电流互感器组的输出端与所述信号调理模块电连接，所述信号调理模块与所述A/D转换模块电连接，所述A/D转换模块与所述直流电能表控制模块的输入端电连接，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电流档位切换模块电连接；

所述零磁通电流互感器组包括至少两个变比不同的零磁通电流互感器，且所有零磁通电流互感器并联连接；

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电流检测值，并判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，继而根据判断结果，生成反馈信号，将所述反馈信号发送至所述电流档位切换模块；

所述电流档位切换模块用于根据所述反馈信号调整接入电路的零磁通电流互感器；其中，所述反馈信号包括：需要调整接入电路的零磁通电流互感器的第一反馈信号及无需调整接入电路的零磁通电流互感器的第二反馈信号。

2.如权利要求1所述的一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，所述判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值，包括：

判断所述电流检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电流阈值；若是，则通过所述电流档位切换模块控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值；若否，则根据所述电流检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

3.如权利要求1所述的一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，还包括：电压档位切换模块及分压电阻模块，所述直流电能表控制模块的输出端与所述电压档位切换模块电连接，所述电压档位切换模块与所述分压电阻模块的输入端电连接，所述分压电阻模块的输出端与所述信号调理模块电连接；

所述直流电能表控制模块用于接收所述A/D转换模块发送的直流电流输入信号对应的电压检测值，并判断所述电压检测值是否满足所述A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若否，则根据所述电压检测值，计算直流电流输入信号的电能值。

4.如权利要求3所述的一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，还包括：

多路模拟开关，所述零磁通电流互感器组通过所述多路模拟开关与所述信号调理模块电连接；

隔离模块，所述A/D转换模块通过所述隔离模块与所述直流电能表控制模块电连接。

5.如权利要求4所述的一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，所述直流电能表控制模块包括：第一I/O接口、第二I/O接口及串行外设接口；

所述第一I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第一传输信号通过所述隔离模块发送至所述多路模拟开关；

所述第二I/O接口用于将所述直流电能表控制模块的第二传输信号通过所述隔离模块发送至所述电压档位切换模块及所述电流档位切换模块；

所述串行外设接口用于将所述直流电能表控制模块的第三传输信号通过所述隔离模块发送至所述A/D转换模块。

6.如权利要求1所述的一种量程自适应调节的直流电能表，其特征在于，还包括：

电能脉冲模块、通信模块及显示模块；所述电能脉冲模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述通信模块与所述直流电能表控制模块电连接，所述显示模块与所述直流电能表控制模块电连接。

7.一种直流电能表的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6中任一所述的量程自适应调节的直流电能表；所述控制方法包括：

获取直流电流输入信号，并对所述直流电流输入信号进行电流检测，判断所述直流电流输入信号对应的电流检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电流阈值；

若是，则控制零磁通电流互感器组进行变比切换，以切换所述零磁通电流互感器组的输出变比，直到所述直流电流输入信号对应的电流检测值小于等于A/D转换模块的输出信号电流阈值；

若否，则根据所述电流检测值，计算并显示直流电流输入信号的电能值。

8.如权利要求7所述的一种直流电能表的控制方法，其特征在于，所述获取直流电流输入信号之后，还包括：

对所述直流电流输入信号进行电压检测，判断所述直流电流输入信号对应的电压检测值是否大于A/D转换模块的输出信号电压阈值；

若是，则通过分压电阻模块对所述直流电流输入信号进行分压处理，以降低所述直流电流输入信号对应的电压值，直到所述电流输入信号对应的电压检测值小于等于A/D转换模块输出信号电压阈值；

若否，则根据所述电压检测值，计算并显示电流输入信号的电能值。

9.如权利要求7所述的一种直流电能表的控制方法，其特征在于，所述对所述直流电流输入信号进行电流检测之前，包括：

通过零磁通电流互感器组调整所述直流电流输入信号的电流值大小，使得调整后的直流电流输入信号的电流值满足零磁通电流互感器组的变比。

10.如权利要求9所述的一种直流电能表的控制方法，其特征在于，所述通过零磁通电流互感器组调整所述直流电流输入信号的电流值大小之后，包括：

对通过零磁通电流互感器组调整电流值大小的直流电流输入信号进行信号放大及滤波。

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