CN115078823A - 一种提高电能计量精度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高电能计量精度的方法和装置，涉及半导体器件，包括：通过电压跟随保护器以及电阻分压网络获取源电压的电压模拟信号；通过分流器获取源电流的电流模拟信号；通过模拟乘法器处理电压模拟信号和电流模拟信号，得到与功率大小呈线性相关的乘积模拟信号；通过模拟积分器处理乘积模拟信号得到电能模拟信号；通过V‑F转换器处理电压模拟信号、电流模拟信号、乘积模拟信号和电能模拟信号，得到电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波和电能信号方波；根据上述方波信号计算出精确的电压值、电流值、功率值和电能示数。本发明在V‑F转换器之前未对源信号进行模数转换保留了更多原始信号的细节，提高了监测精度。

Description

一种提高电能计量精度的方法和装置

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种提高电能计量精度的方法和提高电能计量精度的装置。

背景技术

随着当前社会节能需求的加大，电能计量装置种类也越来越多，不仅限制于电表，也衍生出很多的电参模组，这些模块应用于智能灯杆、智能充电桩等领域。这些装置虽形态不同，但其对于电能参数的获取方法基本是一致的。目前对于交流电的电能参数，如电压、电流和功率的采集，常用的采集方法是直接对交流电的电压和电流进行交流采样，再通过软件编程相应的算法计算出所需的电压、电流、功率及电能数据。上述采集方法存在以下缺点：

首先，存在采样精度的问题。由于用电器会对电网产生影响，交流电的电压、电流信号中往往含有较多的高次谐波，若采样过程中的频率不够高，则容易造成高低频混叠，严重影响测量的精度。由于采样前一般需要对大电压及大电流进行等比例缩小转换，若采样过程中的模数转换器（ADC）位数不够大，则分辨率会降低，按比例计算放大后会造成更大的计量误差。解决此类问题的最有效的方法是选用一款高位数、低温漂、高速度的A/D转换芯片，此类芯片价格昂贵，还要同时配备高精度的参考电压源，造成进一步的成本增加。其次，存在小信号误差问题。由于系统存在一定的动态范围和电磁干扰，当电网的电流值很小时，其非线性度将显著增加，甚至无法触发采样电路工作，也就是常说的“微小电流电表不走字”现象。这是误差的另一个来源。再次，该采集方法计算量大，对数字信号处理器的能力有一定的要求，不仅会带来额外功耗，也会使得嵌入式软件设计变得繁琐。

综上，在电力监测，低压配电系统领域中，交流电的参数分为两大类，一类是瞬时值，如电压、电流、有功功率；另一类是累加值，如有功电能计量。目前，对于交流电各项参数的获取技术手段，或多或少都会存在精度偏差（不准确）问题。

因此，如何设计一种低成本高精度的电能计量系统成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，公开了一种提高电能计量精度的方法和装置，相比目前市面上同价格产品（如电能计量模块或电能表），能够大大提高瞬时电参和电能计量的测量精度，其测量动态范围广，尤其是在小电流计量方面精度提升更明显。

本发明的第一方面公开了一种提高电能计量精度的方法，包括：通过电压跟随保护器对输入的源电压的部分能量进行屏蔽，读取电压值信息；通过精密电阻分压网络将电压值信息等比例缩小，输出为电压采样信号，其中，电压采样信号为模拟信号；判断输入的源电流的电流大小，根据电流大小选择对应的分流器对源电流进行分流以扩大源电流的线性动态范围，分流器输出的电流信号经过I-V转换器后，输出为电流采样信号，其中，电流采样信号为模拟信号；通过第一V-F转换器处理电压采样信号，得到电压信号方波；通过第二V-F转换器处理电流采样信号，得到电流信号方波；通过模拟乘法器处理电压采样信号和电流采样信号，得到与功率大小呈线性相关的乘积模拟信号；通过第三V-F转换器处理乘积模拟信号，得到功率信号方波；通过模拟积分器以乘积模拟信号的功率波形为被积函数，对时间进行积分，得到电能模拟信号；通过第四V-F转换器处理电能模拟信号，得到电能信号方波；对电压信号方波进行频率转换，结合预设的电压比例参数，计算出电压精确值；对电流信号方波进行频率转换，结合分流器参数以及电流比例参数，计算出电流精确值；对功率信号方波进行频率转换，结合功率比例参数，计算出功率精确值；对电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值；根据电能计数值和预设的电计量常数，计算得到电能示数。

在该技术方案中，源电压和源电流即通常电表上所说的电压输入线和电流输入线。I-V转换器即电流/电压转换电路。V-F转换器即电压/频率转换电路。模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件。

根据本发明公开的提高电能计量精度的方法，优选地，还包括：若源电压过大而触发了电压跟随保护器的保护动作，则通过电压测控电路报告给处理器，以便于处理器调整精密电阻分压网络的分压比例，从而使得电压采样信号不会发生较大改变，尽量满足满量程输出。

根据本发明公开的提高电能计量精度的方法，优选地，对电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值的步骤，具体包括：每5秒一次，对电能信号方波进行脉冲计数统计，将电能计数值累加写入到非易失性存储器中。

根据本发明公开的提高电能计量精度的方法，优选地，还包括：存储、发送或显示电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波、电能信号方波、电流精确值、电压精确值、功率精确值以及电能示数。

本发明的第二方面公开了一种提高电能计量精度的装置，包括：电压保护采样单元，输入端连接源电压，输出端连接电参计量处理单元，用于获取源电压的电压模拟信号；电流多分路采样单元，输入端连接源电流，输出端连接电参计量处理单元，用于获取源电流的电流模拟信号；电参计量处理单元，用于根据电压模拟信号和电流模拟信号计算得到电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波和电能信号方波；处理器，连接电压保护采样单元、电流多分路采样单元、电参计量处理单元和存储器，用于向电压保护采样单元和电流多分路采样单元发送控制指令，以及接收电参计量处理单元的处理结果，处理器中预设计算电参数和电能示数的程序以及针对方波信号的频率转换程序；存储器，用于存储电压比例参数、电流比例参数和功率比例参数，以及处理器的计算结果。

根据本发明公开的提高电能计量精度的装置，优选地，电压保护采样单元具体包括：电压跟随保护器和精密电阻分压网络，电压跟随保护器和精密电阻分压网络通过电压测控总线与处理器连接；其中，电压跟随保护器用于屏蔽源电压的一部分能量并减少异常电压对后级电路的破坏，精密电阻分压网络根据处理器的控制信号提供适当的分压比例，以输出电压模拟信号。

根据本发明公开的提高电能计量精度的装置，优选地，电流多分路采样单元具体包括：前置采样单元、路径选择开关、多个并联的分流器以及I-V转换器，前置采样单元、路径选择开关和分流器通过电流测控总线连接处理器；其中，处理器通过前置采样单元获取电流值并通过路径选择开关选择适当的分流器接通电路，分流后的源电流经I-V转换器被转换为电压信号，输出为电流模拟信号。

根据本发明公开的提高电能计量精度的装置，优选地，电参计量处理单元具体包括：第一V-F转换器、第二V-F转换器、第三V-F转换器、第四V-F转换器、模拟乘法器和模拟积分器；其中，第一V-F转换器处理电压模拟信号，向处理器输出电压信号方波；第二V-F转换器处理电流模拟信号，向处理器输出电流信号方波；模拟乘法器计算电压模拟信号和电流模拟信号的乘积，输出至第三V-F转换器和模拟积分器；第三V-F转换器处理乘积信号，向处理器输出功率信号方波；模拟积分器根据乘积信号，计算出电能模拟信号，输出至第四V-F转换器；第四V-F转换器处理电能模拟信号，向处理器输出电能信号方波。

本发明的有益效果至少包括：通过对不同大小电流经过不同比例的分流器，来降低I-V转换器前级信号的输入范围，这样可将这个信号维持在一个较大值，以提高电流获取精度。使用模拟乘法器，而不是传统的数字信号处理，使得输出的功率信号进入V-F转换器前也是模拟信号（由于不经过模数转换器ADC，模拟信号能够保留更多原始信号的细节）。在监测电参数的过程中，直到V-F转换器前都没有使用模数转换器，这就保留了更多原始信号的细节，这是与目前已有的电子式电能计量方案最大的区别（目前已有的电子式电能计量方案在一开始信号采集阶段就使用了模数转换器），本发明基于上述原理能够大大提高瞬时电参和电能计量的测量精度，其测量动态范围广，尤其是在小电流计量方面精度提升更明显。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的提高电能计量精度的装置的系统框图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的提高电能计量精度的装置的电压保护采样单元示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的提高电能计量精度的装置的电流多分路采样单元示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的提高电能计量精度的装置的电参计量处理单元示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明的实施例之一公开了提高电能计量精度的方法，该方法包括：通过电压跟随保护器对输入的源电压的部分能量进行屏蔽，读取电压值信息；通过精密电阻分压网络将电压值信息等比例缩小，输出为电压采样信号，其中，电压采样信号为模拟信号；判断输入的源电流的电流大小，根据电流大小选择对应的分流器对源电流进行分流以扩大源电流的线性动态范围，分流器输出的电流信号经过I-V转换器后，输出为电流采样信号，其中，电流采样信号为模拟信号；通过第一V-F转换器处理电压采样信号，得到电压信号方波；通过第二V-F转换器处理电流采样信号，得到电流信号方波；通过模拟乘法器处理电压采样信号和电流采样信号，得到与功率大小呈线性相关的乘积模拟信号；通过第三V-F转换器处理乘积模拟信号，得到功率信号方波；通过模拟积分器以乘积模拟信号的功率波形为被积函数，对时间进行积分，得到电能模拟信号；通过第四V-F转换器处理电能模拟信号，得到电能信号方波；对电压信号方波进行频率转换，结合预设的电压比例参数，计算出电压精确值；对电流信号方波进行频率转换，结合分流器参数以及电流比例参数，计算出电流精确值；对功率信号方波进行频率转换，结合功率比例参数，计算出功率精确值；对电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值；根据电能计数值和预设的电计量常数，计算得到电能示数。

根据上述实施例，优选地，还包括：若源电压过大而触发了电压跟随保护器的保护动作，则通过电压测控电路报告给处理器，以便于处理器调整精密电阻分压网络的分压比例，从而使得电压采样信号不会发生较大改变，尽量满足满量程输出。

根据上述实施例，优选地，对电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值的步骤，具体包括：每5秒一次，对电能信号方波进行脉冲计数统计，将电能计数值累加写入到非易失性存储器中。

根据上述实施例，优选地，还包括：存储、发送或显示电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波、电能信号方波、电流精确值、电压精确值、功率精确值以及电能示数。

根据本发明的又一个实施例，还公开了提高电能计量精度的装置，包括：电压保护采样单元，输入端连接源电压，输出端连接电参计量处理单元，用于获取源电压的电压模拟信号；电流多分路采样单元，输入端连接源电流，输出端连接电参计量处理单元，用于获取源电流的电流模拟信号；电参计量处理单元，用于根据电压模拟信号和电流模拟信号计算得到电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波和电能信号方波；处理器，连接电压保护采样单元、电流多分路采样单元、电参计量处理单元和存储器，用于向电压保护采样单元和电流多分路采样单元发送控制指令，以及接收电参计量处理单元的处理结果，处理器中预设计算电参数和电能示数的程序以及针对方波信号的频率转换程序；存储器，用于存储电压比例参数、电流比例参数和功率比例参数，以及处理器的计算结果。

根据上述实施例，优选地，电压保护采样单元具体包括：电压跟随保护器和精密电阻分压网络，电压跟随保护器和精密电阻分压网络通过电压测控总线与处理器连接；其中，电压跟随保护器用于屏蔽源电压的一部分能量并减少异常电压对后级电路的破坏，精密电阻分压网络根据处理器的控制信号提供适当的分压比例，以输出电压模拟信号。

根据上述实施例，优选地，电流多分路采样单元具体包括：前置采样单元、路径选择开关、多个并联的分流器以及I-V转换器，前置采样单元、路径选择开关和分流器通过电流测控总线连接处理器；其中，处理器通过前置采样单元获取电流值并通过路径选择开关选择适当的分流器接通电路，分流后的源电流经I-V转换器被转换为电压信号，输出为电流模拟信号。

根据上述实施例，优选地，电参计量处理单元具体包括：第一V-F转换器、第二V-F转换器、第三V-F转换器、第四V-F转换器、模拟乘法器和模拟积分器；其中，第一V-F转换器处理电压模拟信号，向处理器输出电压信号方波，第二V-F转换器处理电流模拟信号，向处理器输出电流信号方波，模拟乘法器计算电压模拟信号和电流模拟信号的乘积，输出至第三V-F转换器和模拟积分器；第三V-F转换器处理乘积信号，向处理器输出功率信号方波；模拟积分器根据乘积信号，计算出电能模拟信号，输出至第四V-F转换器；第四V-F转换器处理电能模拟信号，向处理器输出电能信号方波。

根据上述实施例中公开的技术方案，本发明公开的提高电能计量精度的装置的具体实施过程如下：

如图1所示，该装置包括：电压保护采样单元，电流多分路采样单元，电参计量处理单元，DSP数字信号处理器和非易失性存储器。电压保护采样单元与电参计量处理单元连接，电流多分路采样单元与电参计量处理单元连接。电参计量处理单元将输出的四种信号方波（电压信号方波VF、电流信号方波IF、功率信号方波CF、电能信号方波CF1）给到DSP处理器。非易失性存储器与DSP处理器连接。DSP处理器还分别通过电压测控总线、电流测控总线与电压保护采样单元、电流保护采样单元连接。

如图1和图2所示，电压保护采样单元具体包括：电压跟随保护器和精密电阻分压网络，输入的源电压进入到电压保护采样单元，信号经过电压保护采样单元内部的电压跟随保护器和精密电阻分压网络后输出为电压采样信号，其中，电压跟随保护器的作用有两个，一是将源电压的“能量”部分屏蔽，仅将“电压值信息”往后传递，二是保护后级电路不被可能输入的高电压或浪涌电压破坏，精密电阻分压网络将电压值信号等比例缩小后，即为电压采样信号输出。如果源电压过大触发了保护器动作，则通过电压测控总线报告给DSP处理器，DSP处理器调整精密电阻分压网络的分压比例，从而使得电压采样信号不会发生大的改变，尽量满量程输出以提高精度。上述步骤中电压采样信号是模拟信号，期间并未进行模数转换处理，以最大程度地保留输入源电压中除了数值外的波形信息。

如图1和图3所示，电流多分路采样单元具体包括：前置采样单元、路径选择开关、多个并联的分流器（分流器1、分流器2、分流器3）以及I-V转换（电路），输入的源电流进入到电流多分路采样单元，信号先经过前置采样单元，前置采样单元的作用是初步判断电流大小，路径选择开关根据电流大小选择开启哪个分流器，3个分流器的比例大小不同，分流器1的变比最大，分流器3的变比最小；如果电流较大就开启分流器1，如果电流适中就开启分流器2，如果电流较小就开启分流器3；这样电流信号经过分流器后的大小范围就不会波动很大，即使源电流很大或很小，从而扩大了的源信号的线性动态范围。路径选择开关的控制和需要选择哪个分流器由DSP处理器通过电流控制总线管理，经过某一个分流器的源电流再通过I-V转换，将电流信号转换为电压信号，输出为电流采样信号。上述步骤中电流采样信号为模拟信号，期间并未进行模数转换处理，以最大程度地保留输入源电流中除了数值外的波形信息。

如图1和图4所示，电参计量处理单元具体包括：模拟乘法器、模拟积分器以及多个V-F转换器（V-F转换器1、V-F转换器2、V-F转换器3、V-F转换器4），由电压保护采样单元输出的电压采样信号以及由电流多分路采样单元输出的电流采样信号进入电参计量处理单元，由其处理后输出四种信号方波。具体过程包括：电压采样信号进入V-F转换器1，输出电压信号方波VF；电流采样信号进入V-F转换器2，输出电流信号方波IF；电压采样信号和电流采样信号共同进入模拟乘法器，输出与功率大小呈线性相关的模拟信号，之后分为两路，一路通过V-F转换器3输出为功率信号方波CF；另一路进入模拟积分器，以功率波形为被积函数，对时间进行积分输出与电能相关的模拟信号，再通过V-F转换器4输出电能信号方波CF1。这四种信号方波通过走线连接到DSP处理器的四个输入捕获信号引脚上。

DSP处理器获取前面输入的四种方波信号。对电压、电流、功率的信号方波进行频率转换，结合电流多分路采样单元选择的分流器，与事先通过校准手段写入到非易失性存储器的电压比例参数、电流比例参数、功率比例参数相乘计算即可得出三种电参；对电能信号方波进行脉冲计数统计，按一定时间（5秒一次）将电能计数值累加写入到非易失性存储器中。

当需要电能数据时，DSP处理器读取非易失性存储器中的电能计数累加值，再除以事先调校好的电计量常数（类似电表的“电表常数”），即得到电能示数。这些电参及电能示数数据可通过串行输出等方式通信接口输入到其它计算机系统。

上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件来完成，该程序可以存储于可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read—OnlyMemory，ROM) 、随机存储器(Random Access Memory， RAM) 、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM) 、可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM) 、一次可编程只读存储器(One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM) 、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM) 、只读光盘(CompactDisc Read—Only Memory，CD-ROM) 或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的可读的任何其他介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高电能计量精度的方法，其特征在于，包括：

通过电压跟随保护器对输入的源电压的部分能量进行屏蔽，读取电压值信息；

通过精密电阻分压网络将所述电压值信息等比例缩小，输出为电压采样信号，其中，所述电压采样信号为模拟信号；

判断输入的源电流的电流大小，根据电流大小选择对应的分流器对所述源电流进行分流以扩大源电流的线性动态范围，分流器输出的电流信号经过I-V转换器后，输出为电流采样信号，其中，所述电流采样信号为模拟信号；

通过第一V-F转换器处理所述电压采样信号，得到电压信号方波；

通过第二V-F转换器处理所述电流采样信号，得到电流信号方波；

通过模拟乘法器处理所述电压采样信号和所述电流采样信号，得到与功率大小呈线性相关的乘积模拟信号；

通过第三V-F转换器处理所述乘积模拟信号，得到功率信号方波；

通过模拟积分器以所述乘积模拟信号的功率波形为被积函数，对时间进行积分，得到电能模拟信号；

通过第四V-F转换器处理所述电能模拟信号，得到电能信号方波；

对所述电压信号方波进行频率转换，结合预设的电压比例参数，计算出电压精确值；

对所述电流信号方波进行频率转换，结合分流器参数以及电流比例参数，计算出电流精确值；

对所述功率信号方波进行频率转换，结合功率比例参数，计算出功率精确值；

对所述电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值；

根据电能计数值和预设的电计量常数，计算得到电能示数。

2.根据权利要求1所述的提高电能计量精度的方法，其特征在于，还包括：

若所述源电压过大而触发了电压跟随保护器的保护动作，则通过电压测控电路报告给处理器，以便于所述处理器调整所述精密电阻分压网络的分压比例，从而使得电压采样信号不会发生较大改变，尽量满足满量程输出。

3.根据权利要求1所述的提高电能计量精度的方法，其特征在于，所述对所述电能信号方波进行脉冲计数统计，记录并累加电能计数值的步骤，具体包括：

每5秒一次，对所述电能信号方波进行脉冲计数统计，将电能计数值累加写入到非易失性存储器中。

4.根据权利要求1所述的提高电能计量精度的方法，其特征在于，还包括：

存储、发送或显示所述电压信号方波、所述电流信号方波、所述功率信号方波、所述电能信号方波、所述电流精确值、所述电压精确值、所述功率精确值以及所述电能示数。

5.一种提高电能计量精度的装置，其特征在于，包括：

电压保护采样单元，输入端连接源电压，输出端连接电参计量处理单元，用于获取源电压的电压模拟信号；

电流多分路采样单元，输入端连接源电流，输出端连接所述电参计量处理单元，用于获取源电流的电流模拟信号；

所述电参计量处理单元，用于根据所述电压模拟信号和所述电流模拟信号计算得到电压信号方波、电流信号方波、功率信号方波和电能信号方波；

处理器，连接所述电压保护采样单元、所述电流多分路采样单元、所述电参计量处理单元和存储器，用于向所述电压保护采样单元和所述电流多分路采样单元发送控制指令，以及接收所述电参计量处理单元的处理结果，所述处理器中预设计算电参数和电能示数的程序以及针对方波信号的频率转换程序；

所述存储器，用于存储电压比例参数、电流比例参数和功率比例参数，以及所述处理器的计算结果。

6.根据权利要求5所述的提高电能计量精度的装置，其特征在于，所述电压保护采样单元具体包括：电压跟随保护器和精密电阻分压网络，所述电压跟随保护器和所述精密电阻分压网络通过电压测控总线与所述处理器连接；其中，所述电压跟随保护器用于屏蔽所述源电压的一部分能量并减少异常电压对后级电路的破坏，所述精密电阻分压网络根据所述处理器的控制信号提供适当的分压比例，以输出电压模拟信号。

7.根据权利要求5所述的提高电能计量精度的装置，其特征在于，所述电流多分路采样单元具体包括：前置采样单元、路径选择开关、多个并联的分流器以及I-V转换器，所述前置采样单元、所述路径选择开关和所述分流器通过电流测控总线连接所述处理器；其中，所述处理器通过前置采样单元获取电流值并通过路径选择开关选择适当的分流器接通电路，分流后的源电流经所述I-V转换器被转换为电压信号，输出为电流模拟信号。

8.根据权利要求5所述的提高电能计量精度的装置，其特征在于，所述电参计量处理单元具体包括：第一V-F转换器、第二V-F转换器、第三V-F转换器、第四V-F转换器、模拟乘法器和模拟积分器；其中，

所述第一V-F转换器处理所述电压模拟信号，向所述处理器输出电压信号方波，

所述第二V-F转换器处理所述电流模拟信号，向所述处理器输出电流信号方波，

所述模拟乘法器计算所述电压模拟信号和所述电流模拟信号的乘积，输出至所述第三V-F转换器和所述模拟积分器；

所述第三V-F转换器处理乘积信号，向所述处理器输出功率信号方波；

所述模拟积分器根据乘积信号，计算出电能模拟信号，输出至第四V-F转换器；

所述第四V-F转换器处理所述电能模拟信号，向所述处理器输出电能信号方波。

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