CN115078824A - 一种动态电能表设计方案 - Google Patents

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CN115078824A CN202210496091.7A CN202210496091A CN115078824A CN 115078824 A CN115078824 A CN 115078824A CN 202210496091 A CN202210496091 A CN 202210496091A CN 115078824 A CN115078824 A CN 115078824A
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张旭俊
马建
邓高峰
陈克绪
俞林刚
赵燕
熊志凌
刘仕萍
郭雪薇
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Abstract

本发明公开了一种动态电能表设计方案，包括：DA乘法器、AD采样器、数据锁存器、加法器、RC积分器、V/F变换器、运放1、运放2、触发器、或门、非门；AD采样器采集的电压二进制结果控制DA乘法器放大倍数；把电流交流模拟量接到DA乘法器Vref端，使DA乘法器输出正比于瞬时功率。由触发器启动AD采样器，采样完成后触发器翻转，将采集的二进制结果送到DA乘法器，并通过触发器启动下一次AD采样，确保AD采样器和DA转换器自动进行。DA乘法器输出信号由运放1、运放2处理得到瞬时功率，再经RC积分器和V/F变换器得到电能值。本发明在动态变化的负荷电流下测量电能误差最小，且触发器电路能实现自动触发采样，使采样点数尽可能密集，进一步提高电能计量准确性。

Description

一种动态电能表设计方案
技术领域
本发明属于电能计量技术领域，具体而言，涉及一种动态电能计量的动态电能表设计方案。
背景技术
随着风电、光伏等多变不稳定的分布式电源并入电网，由直流输电换相逆变三相交流电源，也包括电炉炼钢，逆变中频电炉，变频调速等，使电力系统负荷电流出现很多高频分次谐波和高频脉冲，动态负荷的电能计量出现了新的问题，即使用AD采样或时分隔原理构成的标准电能表，都可能产生很大的误差。
目前电能表计量电能是通过AD采样，将模拟量的电压、电流进行数字化，然后用数字化的量值计算瞬时功率和累计电能量。然而，受AD采集器采样率和分辨力的制约，现有的电能表在将模拟量转化到数字量时，存在转化误差。特别是当负载电流快速变化时，电流AD采样存在漏采电流波形尖峰值的可能。通过给正弦电流波形施加分次谐波和脉冲干扰测试，发现电能表计量误差将严重超过其允许的限值；表明了现有电能表设计方案，在计量动态电能时，将不符合其准确度等级要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服了现有技术的不足，提供一种动态电能表设计方案，确保在常规电能计量环境和动态电能计量环境下，电能表均能准确计量。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种动态电能表设计方案，主要包括：DA乘法器、AD采样器、触发器、数据锁存器、加法器、RC积分器、V/F变换器、运放1、运放2；由四象限DA乘法器将电压数字量和电流模拟量相乘，构成瞬时功率，再经过RC积分器和V/F变换器得到电能值，并且整个电路由触发器自动触发控制。首先，交流电压量用加法器转成正数模拟量，经过AD采样后，将其二进制采样结果输到DA乘法器，用于控制DA乘法器的放大倍数；其次，交流的电流模拟量i(t)直接接到DA乘法器的Vref端，使得DA乘法器的输出结果正比于瞬时功率；最后，再配合运放1、运放2、RC积分电路和V/F变换控制电路，得到单相动态电能计量的设计方案，它有利于对动态不稳且包含谐波和高频脉冲负荷电能的准确计量。
由于电压波形相对平稳，可用数字化采样的办法测量，而电流直接采用模拟量本身，即采用DA乘法器。用电压数字化采样的二进制数字量，去控制DA乘法器的放大倍数，而把电流的模拟量接到DA乘法器的基准电压Vref端。为了使交流电压先变成正数，用加法器给交流电压加上M，M取1.1Um。经过加法器后的电压v(t)为：
v(t)＝M+Um sinωt
上式中，Um为正弦波电压u(t)有效值的
Figure BDA0003633227740000021
倍，ω为工频角频率，t为时间。
AD采样器的位数为N，其最大的二进制采样值为2N-1，为了书写和图示的简化，以6位AD采样器和6级DA电阻网络为例，用最大二进制采样值表示2M，即2M＝111111B。当AD采样器的二进制结果为：v(t)＝M+Umsinωt＝101011B时，则流向DA乘法器的out1的电流为：
Figure BDA0003633227740000022
上式中，i(t)为用电负荷形成的交流电流。
此时，互补电压二进制采样值是：vB(t)＝2M-v(t)＝M-Um sinωt＝010100B，则流向DA乘法器的out2的电流为：
Figure BDA0003633227740000023
由于v(t)和vB(t)互补，则有v(t)+vB(t)＝111111B＝2M，从而
Figure BDA0003633227740000031
在运放1的正端流入i2(t)，由于运放1其正负两侧电阻R相同，所以i2(t)＝i3(t)，而流入运放2的负端电流为：
Figure BDA0003633227740000032
由于运放2输出的电压正比于瞬时功率，考虑电流、电压输入变比，就可由瞬时功率，积分求和后可获得电能值。当AD采样器分辨力为N位时，可得到计算动态电能的一般公式为：
Figure BDA0003633227740000033
其中，KU，KI分别为电压互感器、电流互感器的变比。
本发明使用触发器电路，可实现电能的自动触发计量。其中，或门、非门接到AD采样器的
Figure BDA0003633227740000034
端，启动AD采样器；当AD采样器采集完成后，将AD采样器采集的二进制数据经过数据锁存器送到DA乘法器的数据端，同时由AD采样器采集完成信号的
Figure BDA0003633227740000035
端接到触发器A端，使触发器翻转；触发器的Q端接到DA乘法器的
Figure BDA0003633227740000036
端，去启动DA乘法器转换；此外，触发器的Q端也接到或门、非门电路，用于进行下一次AD采样的自动触发控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种动态电能表设计方案。在计算电能时，电压使用数字量，电流直接使用模拟量本身，通过DA乘法器将数字化的电压量与模拟电流量相乘得到正比于瞬时功率的数值；采用该方案设计的动态电能表，在动态变化的负荷电流下，其测量电能误差最小；同时专门设计触发器电路，能实现自动触发采样，还可使采样点数尽可能的密集，进一步提高电能计量准确性。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明动态电能表设计方案的电路原理图；
图2是电压波形和电流波形图；
图3是本发明DA乘法器实现瞬时功率变换的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种动态电能表设计方案，主要包括：DA乘法器、AD采样器、触发器、数据锁存器、加法器、RC积分器、V/F变换器、运放1、运放2；由四象限DA乘法器将电压数字量和电流模拟量相乘，构成瞬时功率，再经过RC积分器和V/F变换器得到电能值，并且整个电路由触发器自动触发控制。首先，交流电压量用加法器转成正数模拟量，经过AD采样后，将其二进制采样结果输到DA乘法器，用于控制DA乘法器的放大倍数；其次，交流的电流模拟量i(t)直接接到DA乘法器的Vref端，使得DA乘法器的输出结果正比于瞬时功率；最后，再配合运放1、运放2、RC积分电路和V/F变换控制电路，得到单相动态电能计量的设计方案，它有利于对动态不稳且包含谐波和高频脉冲负荷电能的准确计量。
首先通过电流互感器和调节电路，将电流转为电压，接到DA乘法器的Vref端，将电压互感器二次电压u(t)＝Um sinωt，通过加法器变成正数电压v(t)＝M+Um sinωt，接到AD采样器的模拟量输入端，AD采样器启动由启动按钮控制，经过或门、非门，接到AD采样器的
Figure BDA0003633227740000041
端，低电平启动AD转换，AD转换完成后由
Figure BDA0003633227740000042
端发出AD采样完成信号，同时将采样数据二进制的结果，经过数据锁存器保持，并送到DA乘法器的数据端。此时AD采样完成的脉冲也送到触发器的A端，使触发器翻转，由触发器的Q端分两路送出脉冲信号，一路送到DA乘法器的
Figure BDA0003633227740000043
端，启动DA乘法器转换，实现电压数字量和电流模拟量的相乘。由四象限DA乘法器输出量，它正比于瞬时功率p(t)＝k×i(t)×Umsinωt，经过RC积分电路和V/F变换，从而得到W(t)电能值。另一路由触发器的Q端，通过或门和非门变换后，用于启动下一次AD采样。通过这种触发控制方式，可以使整个采样点数尽可能的密集，有利于提高动态电能计量准确度。
如图2所示，在实际电网环境中，电压波形相对稳定，电流波形动态变化幅度大。
由于电压波形相对平稳，可用数字化采样的办法测量，而电流直接采用模拟量本身，即采用DA乘法器。用电压数字化采样的二进制数字量，去控制DA乘法器的放大倍数，而把电流的模拟量接到DA乘法器的基准电压Vref端。为了使交流电压先变成正数，用加法器给交流电压加上M，M取1.1Um。经过加法器后的电压v(t)为：
v(t)＝M+Um sinωt
上式中，Um为正弦波电压u(t)有效值的
Figure BDA0003633227740000051
倍，ω为工频角频率，t为时间。
如图3所示，以6位AD采样器和6级DA电阻网络为例，用最大二进制采样值表示2M，即2M＝111111B。当AD采样器的二进制结果为：v(t)＝M+Umsinωt＝101011B，则流向DA乘法器的out1的电流为：
Figure BDA0003633227740000052
上式中，i(t)为用电负荷形成的交流电流。
此时，互补电压二进制采样值是：vB(t)＝2M-v(t)＝M-Um sinωt＝010100B，则流向DA乘法器的out2的电流为：
Figure BDA0003633227740000053
由于v(t)和vB(t)互补，则有v(t)+vB(t)＝111111B＝2M，从而
Figure BDA0003633227740000054
在运放1的正端流入i2(t)，由于运放1其正负两侧电阻R相同，所以i2(t)＝i3(t)，而流入运放2的负端电流为：
Figure BDA0003633227740000055
由运放2输出的电压正比于瞬时功率，考虑电流、电压输入变比，就可由瞬时功率，积分求和后可获得电能值。
当AD采样器分辨力为N位时，可得到计算动态电能的一般公式为
Figure BDA0003633227740000061
其中，KU，KI分别为电压互感器、电流互感器的变比。
如图1所示，在确定电压互感器、电流互感器变比时，考虑电网系统的电压和电流的波动，电压裕度取1.1倍，电流裕度取1.5倍，则电压互感器变比为：
Figure BDA0003633227740000062
其中，UZ为一次侧输入基波电压有效值，Vrev为电压互感器二次侧允许输出的最大峰值电压；电流互感器变比为：
Figure BDA0003633227740000063
其中，IZ为一次输入基波电流有效值，RZ为电流互感器器一次侧等效阻值，Vrei为电流互感器二次侧允许输出的最大峰值电压。
如图1所示，本发明使用触发器电路，可实现电能的自动触发计量。其中，或门、非门接到AD采样器的
Figure BDA0003633227740000064
端，启动AD采样器；当AD采样器采集完成后，将AD采样器采集的二进制数据经过数据锁存器送到DA乘法器的数据端，同时由AD采样器采集完成信号的
Figure BDA0003633227740000065
端接到触发器A端，使触发器翻转；触发器的Q端接到DA乘法器的
Figure BDA0003633227740000066
端，去启动DA乘法器转换；此外，触发器的Q端也接到或门、非门电路，用于进行下一次AD采样的自动触发控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种动态电能表设计方案，其特征在于，包括：DA乘法器、AD采样器、触发器、数据锁存器、加法器、RC积分器、V/F变换器、运放1、运放2；采用四象限的DA乘法器计算瞬时功率；在电能计量过程中，电压波形用AD采样的方法测量，电流直接用模拟量本身；用AD采样器采集的电压二进制数字量去控制DA乘法器的放大倍数，把电流的交流量接到DA乘法器的Vref端，最后得到正比于瞬时功率的结果。
2.根据权利要求1的动态电能表设计方案，其特征在于，由四象限的DA乘法器将电压数字量和电流模拟量相乘，构成瞬时功率；其中，交流电压量用加法器转成正的模拟量v(t)＝M+Umsinωt，其中M≥Um，ω为角频率，t为时间，Um为正弦波交流电压量有效值的
Figure FDA0003633227730000011
倍；v(t)由AD采样，其二进制采样结果输到DA乘法器，用于控制DA乘法器的放大倍数；交流的电流模拟量直接接到DA乘法器的Vref端，DA乘法器的输出由运放1、运放2处理后得到正比于瞬时功率的结果，最后由RC积分器和V/F变换器，实现单相动态电能的计量。
3.根据权利要求1的动态电能表设计方案，其特征在于，配合触发器，或门、非门接到AD采样器的
Figure FDA0003633227730000012
端，启动AD采样器，当AD采样器采集完成后，将AD采样器采集的二进制数据经过数据锁存器送到DA乘法器的数据端，同时由AD采样器采集完成信号的
Figure FDA0003633227730000013
端接到触发器的A端，使触发器翻转，同时触发器的Q端接到DA乘法器的
Figure FDA0003633227730000014
端，去启动DA乘法器转换，同时触发器的Q端也接到或门、非门，以进行下一次AD采样的自动触发控制。
4.根据权利要求1的动态电能表设计方案，其特征在于，可构成三相的两元件电能表，或三相的三元件电能表。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116338302A (zh) * 2023-04-27 2023-06-27 深圳市锐能微科技有限公司 一种电能计量方法、装置、电子设备及介质

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