CN115407122A - 电能计量装置和电能计量方法 - Google Patents

电能计量装置和电能计量方法 Download PDF

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CN115407122A CN202110594141.0A CN202110594141A CN115407122A CN 115407122 A CN115407122 A CN 115407122A CN 202110594141 A CN202110594141 A CN 202110594141A CN 115407122 A CN115407122 A CN 115407122A
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张幸幸
周云超
崔洪霞
冶小刚
孟祥旺
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    • G01R21/001—Measuring real or reactive component; Measuring apparent energy

Abstract

本发明提供一种电能计量装置和电能计量方法。该电能计量装置包括：采样模块，用以采集关于待计量值的第一关联信号；第一处理模块，用以对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；过零检测模块，用以检测第一关联信号在单周期内的采样点数；第二处理模块，用以基于采样点数确定窗口长度；滑动平均模块，用以基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值；第三处理模块，用以基于算术平均值得到待计量值的有效值。采用本发明，不但可以基于采样点数调节滑动平均的窗口长度，而且可以兼顾计量时长和计量结果的准确率。

Description

电能计量装置和电能计量方法
技术领域
本发明涉及电量计量技术领域，尤其涉及一种电能计量装置和电能计量方法。
背景技术
在目前的电能计量方案中，通常采用级联积分梳状滤波器(Cascade IntegratorComb Filter,简称CIC)加周期平均的方式计算有功功率、无功功率和有效值，或采用无限长单位冲激响应滤波器(Infinite Impulse Response Filter，简称IIR)滤掉高频噪声而得到直流值。然而，这些方案的实用效果均不理想。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改进的电能计量装置和电能计量方法。
本发明实施例提供的一种电能计量装置，包括：采样模块，用以采集关于待计量值的第一关联信号；第一处理模块，用以对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；过零检测模块，用以检测第一关联信号在单周期内的采样点数；第二处理模块，用以基于采样点数确定窗口长度；滑动平均模块，用以基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值；第三处理模块，用以基于算术平均值得到待计量值的有效值。
可选地，第一关联信号为数字信号；采样模块包括模数转换器；模数转换器用以采集关于待计量值的模拟信号、并且将模拟信号转换为第一关联信号。
可选地，包括连接于采样模块和第一处理模块之间的滤波模块，滤波模块用以对第一关联信号进行滤波降噪处理、并且将滤波降噪处理后的第一关联信号输出至第一处理模块，第一处理模块用以对滤波降噪处理后的第一关联信号进行处理以得到第二关联信号。
可选地，过零检测模块与滤波模块连接，用以检测滤波降噪处理后的第一关联信号在单周期内的采样点数。
可选地，第二处理模块用以将采样点数的倍数确定为窗口长度。
可选地，窗口长度包括最小窗口长度；第二处理模块用以识别采样点数的数值类型，并且在采样点数的数值类型为偶数时确定采样点数的一半为最小窗口长度、在采样点数的数值类型为奇数时确定采样点数的一倍为最小窗口长度、以及在采样点数的数值类型为非整数时确定采样点数的整数倍数中的最小整数值为最小窗口长度。
可选地，第二处理模块用以预设点数阈值，并且判断采样点数是否大于或者等于点数阈值，以及在采样点数大于或者等于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少一倍、以及在采样点数小于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少二倍。
可选地，点数阈值包括4或者5。
可选地，待计量值包括电流信号的有效值或者电压信号的有效值；第一关联信号包括电流信号或者电压信号；第二关联信号包括电流平方信号或者电压平方信号；第一处理模块用以对电流信号或者电压信号进行平方处理以得到电流平方信号或者电压平方信号；滑动平均模块用以基于窗口长度对电流平方信号或者电压平方信号进行滑动平均处理以得到电流平方信号的算术平均值或者电压平方信号的算术平均值；第三处理模块用以对电流平方信号的算术平均值或者电压平方信号的算术平均值进行开方而得到电流信号的有效值或者电压信号的有效值。
可选地，待计量值包括有功功率；第一关联信号包括电压信号和电流信号；第二关联信号包括电压信号与电流信号相乘而得到的有功功率信号；第一处理模块用以将电压信号和电流信号相乘以得到有功功率信号；滑动平均模块用以基于窗口长度对有功功率信号进行滑动平均处理以得到有功功率信号的算术平均值；第三处理模块用以将有功功率信号的算术平均值作为有功功率。
可选地，待计量值包括无功功率；第一关联信号包括电压信号和电流信号；电能计量装置包括分别与采样模块和第一处理模块连接的第四处理模块，用以对电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号；第二关联信号包括电压信号与正交电流信号相乘而得到的无功功率信号；第一处理模块用以将电压信号与正交电流信号相乘以得到无功功率信号；滑动平均模块用以基于窗口长度对无功功率信号进行滑动平均处理以得到无功功率信号的算术平均值；第三处理模块用以将无功功率信号的算术平均值作为无功功率。
可选地，第一处理模块包括乘法器，用以执行相乘的操作。
本发明实施例提供的一种电能计量方法，包括：采集关于待计量值的第一关联信号；对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；检测第一关联信号在单周期内的采样点数；基于采样点数确定窗口长度；基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值；基于算术平均值得到待计量值的有效值。
可选地，第一关联信号为数字信号，电能计量方法包括：采集关于待计量值的模拟信号、并且将模拟信号转换为第一关联信号。
可选地，该电能计量方法包括：对第一关联信号进行滤波降噪处理，以对滤波降噪处理后的第一关联信号进行处理而得到第二关联信号。
可选地，检测第一关联信号在单周期内的采样点数包括：检测滤波降噪处理后的第一关联信号在单周期内的采样点数。
可选地，基于采样点数确定窗口长度包括：将采样点数的倍数确定为窗口长度。
可选地，窗口长度包括最小窗口长度；电能计量方法包括：识别采样点数的数值类型，并且在采样点数的数值类型为偶数时确定采样点数的一半为最小窗口长度、在采样点数的数值类型为奇数时确定采样点数的一倍为最小窗口长度、以及在采样点数的数值类型为非整数时确定采样点数的整数倍数中的最小整数值为最小窗口长度。
可选地，该电能计量方法包括：预设点数阈值；判断采样点数是否大于或者等于点数阈值，并且在采样点数大于或者等于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少一倍、以及在采样点数小于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少二倍。
可选地，点数阈值包括4或者5。
可选地，待计量值包括电流信号的有效值或者电压信号的有效值；第一关联信号包括电流信号或者电压信号；第二关联信号包括电流平方信号或者电压平方信号；对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：对电流信号或者电压信号进行平方处理以得到电流平方信号或者电压平方信号；基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：基于窗口长度对电流平方信号或者电压平方信号进行滑动平均处理以得到电流平方信号的算术平均值或者电压平方信号的算术平均值；基于算术平均值得到待计量值的有效值包括：对电流平方信号的算术平均值或者电压平方信号的算术平均值进行开方而得到电流信号的有效值或者电压信号的有效值。
可选地，待计量值包括有功功率；第一关联信号包括电压信号和电流信号；第二关联信号包括电压信号与电流信号相乘而得到的有功功率信号；对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：将电压信号和电流信号相乘以得到有功功率信号；基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：基于窗口长度对有功功率信号进行滑动平均处理以得到有功功率信号的算术平均值；基于算术平均值得到待计量值的有效值包括：将有功功率信号的算术平均值作为有功功率。
可选地，待计量值包括无功功率；第一关联信号包括电压信号和电流信号；电能计量方法包括：对电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号；第二关联信号包括电压信号和正交电流信号相乘而得到的无功功率信号；对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：将电压信号和正交电流信号相乘以得到无功功率信号；基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：基于窗口长度对无功功率信号进行滑动平均处理以得到无功功率信号的算术平均值；基于算术平均值得到待计量值的有效值包括：将无功功率信号的算术平均值作为无功功率。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有有益效果。
例如，本发明实施例提供的技术方案通过过零检测模块检测与待计量值相关的第一关联信号在基波周期内的采样点数，并且基于该采样点数而确定窗口长度以对与待计量值相关的第二关联信号进行滑动平均而得到待计量值的有效值，不但可以基于采样点数调节滑动平均的窗口长度，而且可以兼顾计量时长和计量结果的准确率。
又例如，本发明实施例提供的技术方案可以用于计量不同的有效值，包括电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率。
又例如，对于计量电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率，在采样点数不太小的情形下，将滑动平均的窗口长度确定为最小窗口长度就可以在计量时长较短的情形下达到较高的计量准确率。
又例如，对于计量电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率，在采样点数为偶数的情形下，将滑动平均的窗口长度确定为采样点数的一半就可以在计量时长较短的情形下达到较高的计量准确率。
本发明的另外的特征将从权利要求、附图以及附图的描述中呈现。上述说明中所说明的特征和特征组合以及下述附图的描述中所说明的和/或附图中简单示出的特征和特征组合不仅可以分别以所描述的组合的方式呈现，还可以以其它组合或单独地呈现，而不会脱离本发明的范围。本发明的未描述和在附图中未具体示出但是可以从详细说明的实施例想到以及可以从各特征的组合得到的实施例由此应当被视为被包括和披露。
附图说明
图1是本发明实施例中电能计量装置的一种原理框图；
图2是本发明实施例中电能计量装置的另一种原理框图；
图3是本发明实施例中通过电能计量装置计量电流信号的有效值或者电压信号的有效值的原理示意图；
图4是本发明实施例中通过电能计量装置计量有功功率的原理示意图；
图5是本发明实施例中通过电能计量装置计量无功功率的原理示意图；
图6是本发明实施例中电能计量方法的流程示意图。
具体实施方式
如前所述，在目前的电能计量方案中，通常采用级联积分梳状滤波器加周期平均的方式计算有功功率、无功功率和有效值，或者采用无限长单位冲激响应滤波器滤掉高频噪声而得到直流值。然而，这些方案的实用效果均不理想。
不同于现有技术，本发明提供一种改进的电能计量装置和电能计量方法。
本发明实施例提供的一种电能计量装置，包括：采样模块，用以采集关于待计量值的第一关联信号；第一处理模块，用以对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；过零检测模块，用以检测第一关联信号在单周期内的采样点数；第二处理模块，用以基于采样点数确定窗口长度；滑动平均模块，用以基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值；第三处理模块，用以基于算术平均值得到待计量值的有效值。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有有益效果。
例如，本发明实施例提供的技术方案通过过零检测模块检测与待计量值相关的第一关联信号在基波周期内的采样点数，并且基于该采样点数而确定窗口长度以对与待计量值相关的第二关联信号进行滑动平均而得到待计量值的有效值，不但可以基于采样点数调节滑动平均的窗口长度，而且可以兼顾计量时长和计量结果的准确率。
为使本发明的目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。可以理解的是，以下所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非是对本发明的限定。此外，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例中电能计量装置的一种原理框图。
参照图1，该电能计量装置10包括采样模块11、第一处理模块12、过零检测模块13、第二处理模块14、滑动平均模块15和第三处理模块16。
具体而言，采样模块11用以采集关于待计量值的第一关联信号。第一处理模块12与采样模块11连接，用以对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号。过零检测模块13与采样模块11连接，用以检测第一关联信号在单周期内的采样点数。第二处理模块14与过零检测模块13连接，用以基于采样点数确定窗口长度。滑动平均模块15分别与第一处理模块12和第二处理模块14连接，用以基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值。第三处理模块16与滑动平均模块15连接，用以基于算术平均值得到待计量值的有效值。
在具体实施中，关于待计量值的第一关联信号为数字信号。
在一些实施例中，采样模块11可以包括模数转换器。模数转换器用以采集关于待计量值的模拟信号、并且将采集的模拟信号转换为数字信号以作为第一关联信号。
在具体实施中，待计量值可以包括电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率。
当待计量值包括电流信号的有效值时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号。模数转换器用以采集模拟电流信号、并且将该模拟电流信号转换为数字电流信号。
当待计量值包括电压信号的有效值时，关于待计量值的第一关联信号包括电压信号。模数转换器用以采集模拟电压信号、并且将该模拟电压信号转换为数字电压信号。
当待计量值包括有功功率或者无功功率时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号和电压信号。模数转换器用以采集模拟电流信号、并且将该模拟电流信号转换为数字电流信号，以及采集模拟电压信号、并且将该模拟电压信号转换为数字电压信号。
在一些实施例中，模数转换器可以包括第一模数转换器和第二模数转换器。其中，第一模数转换器用以采集模拟电流信号、并且将该模拟电流信号转换为数字电流信号。第二模数转换器用以采集模拟电压信号、并且将该模拟电压信号转换为数字电压信号。
在具体实施中，该电能计量装置10还包括连接于采样模块11和第一处理模块12之间的滤波模块17。滤波模块17用以对第一关联信号进行滤波降噪处理、并且将滤波降噪处理后的第一关联信号输出至第一处理模块12。第一处理模块12用以对滤波降噪处理后的第一关联信号进行处理以得到第二关联信号。
如前所述，待计量值可以包括电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率。
当待计量值包括电流信号的有效值时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号。在此情形下，第一处理模块12可以对电流信号进行平方处理以得到电流平方信号作为第二关联信号。
当待计量值包括电压信号的有效值时，关于待计量值的第一关联信号包括电压信号。在此情形下，第一处理模块12可以对电压信号进行平方处理以得到电压平方信号作为第二关联信号。
当待计量值包括有功功率时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号和电压信号。通常，在计量有功功率时，电流信号和电压信号同形、同步。在此情形下，第一处理模块12可以将电流信号和电压信号相乘以得到有功功率信号作为第二关联信号。
当待计量值包括无功功率时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号和电压信号。
通常，在计量无功功率时，电流信号和电压信号正交。
图2是本发明实施例中电能计量装置的另一种原理框图。
参照图2，在计量无功功率时，电能计量装置10还可以包括分别与采样模块11和第一处理模块12连接的第四处理模块18。第四处理模块18用以对电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号。第一处理模块12用以将正交电流信号和电压信号相乘以得到无功功率信号作为第二关联信号。
在具体实施中，第四处理模块18可以通过滤波模块17与采样模块11连接，以对经过滤波降噪处理的电流信号进行90度的相位旋转而得到正交电流信号。
在具体实施中，滤波模块17还与过零检测模块13连接，并且将滤波降噪处理后的第一关联信号输出至过零检测模块13。过零检测模块13用以检测滤波降噪处理后的第一关联信号在单周期内的采样点数。
在一些实施例中，滤波模块17可以采用有限长单位冲激响应滤波器(FiniteImpulse Response Filter，简称FIR)或者无限长单位冲激响应滤波器。
在另一些实施例中，滤波模块17还可以采用级联积分梳状滤波器。由于，级联积分梳状滤波器的面积小，可以有效节省电能计量装置10的占用空间和成本。
在具体实施中，过零检测模块13可以采用现有技术中任意已知的过零检测电路实现。
在具体实施中，过零检测模块13用以检测第一关联信号在单周期内的过零点数，并且将该过零点数作为第一关联信号在单周期内的采样点数。
在具体实施中，使过零检测模块13检测滤波降噪处理后的第一关联信号在单周期内的采样点数，可以避免噪声对过零检测的影响，以有效排除第一关联信号在单周期内的异常过零点，从而使得过零检测模块13检测到的第一关联信号在单周期内的采样点数更加准确。
在具体实施中，第二处理模块14用以将第一关联信号在单周期内的采样点数的倍数确定为滑动平均模块15的窗口长度。
在一些实施例中，窗口长度可以包括最小窗口长度。
在具体实施中，第一关联信号在单周期内的采样点数的数值类型可以是整数，也可以是非整数。当第一关联信号在单周期内的采样点数的数值类型为整数时，采样点数的数值类型还可以是偶数或者奇数。
在具体实施中，对于基于第一关联信号在单周期内的采样点数而确定的滑动平均模块15的窗口长度应为整数。
在具体实施中，第二处理模块14还可以用以识别采样点数的数值类型，并且在采样点数的数值类型为偶数时确定采样点数的一半为最小窗口长度、以及在采样点数的数值类型为奇数时确定采样点数的一倍为最小窗口长度、以及在采样点数的数值类型为非整数时确定采样点数的整数倍数中的最小整数值为最小窗口长度。
例如，第二处理模块14可以在采样点数为80时，确定采样点数的一半，即40，为最小窗口长度。
又例如，第二处理模块14可以在采样点数为55时确定采样点数的一倍，即55，为最小窗口长度。
再例如，第二处理模块14可以在采样点数为35.5时，确定采样点数的整数倍数中的最小整数值，即71，为最小窗口长度。其中，采样点数35.5的整数倍数包括35.5(1倍)、71(2倍)、106.5(3倍)……，采样点数35.5的整数倍数中的最小整数值为71。
可以理解的是，对于电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率中的任意一者，第一处理模块12均是将二个第一关联信号进行相乘而得到第二关联信号，由此使得第二关联信号的周期均为相应的第一关联信号的周期的一半。
而滑动平均模块15是基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值。为了确保滑动平均模块15滑动的窗口长度能够包含第二关联信号的至少一个完整的采样周期，滑动平均模块15滑动的最小窗口长度不能小于第一关联信号的采样点数的一半。
在一些实施例中，第一关联信号在单周期内的采样点数可能较小。在此情形下，如果将滑动平均模块15的窗口长度确定为最小窗口长度，则滑动平均模块15基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理而得到第二关联信号的算术平均值可能会不够准确。由此，还可以基于第一关联信号在单周期内的采样点数的大小来进一步确定滑动平均模块15的窗口长度。
在具体实施中，第二处理模块14还可以用以预设点数阈值，并且判断第一关联信号在单周期内的采样点数是否大于或者等于点数阈值，以及在采样点数大于或者等于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少一倍、以及在采样点数小于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少二倍。
在一些实施例中，点数阈值可以包括4或者5。
例如，点数阈值包括4，而第一关联信号在单周期内的采样点数为35.5，则第二处理模块14可以基于该采样点数35.5确定滑动平均模块15的窗口长度为最小窗口长度的至少一倍，即至少为71。
又例如，点数阈值包括4，而第一关联信号在单周期内的采样点数为3，则第二处理模块14可以基于该采样点数3确定滑动平均模块15的窗口长度为最小窗口长度的至少二倍。其中，采样点数3为奇数，基于该采样点数3确定的最小窗口长度可以为该采样点数3的一倍，即3。而滑动平均模块15的窗口长度可以为该最小窗口长度3的至少二倍，即至少为6。
在具体实施中，虽然滑动平均模块15的窗口长度越大，电能计量装置10的计量结果越准确，但是滑动平均模块15的窗口长度的增加会导致计量时长的延长，并且随着滑动平均模块15的窗口长度的增大，电能计量装置10的计量结果的准确率的增加会逐渐变缓。由此，可以综合考虑计量时长和计量结果的准确率来确定滑动平均模块15的窗口长度。
通常，对于计量电流的有效值、电压的有效值、有功功率和无功功率。在采样点数不小于点数阈值的情形下，将滑动平均模块15的窗口长度确定为最小窗口长度就可以在计量时长较短的情形下达到较高的计量准确率。
图3是本发明实施例中通过电能计量装置计量电流信号的有效值或者电压信号的有效值的原理示意图。
如前所述，当待计量值包括电流信号的有效值时，关于待计量值的第一关联信号包括电流信号。
参照图3，在具体实施中，采样模块11用以采集电流信号，并且将电流信号输出至滤波模块17。
滤波模块17用以对电流信号进行滤波降噪处理，并且将滤波降噪处理后的电流信号分别输出至第一处理模块12和过零检测模块13。
第一处理模块12用以对滤波降噪处理后的电流信号进行平方处理以得到第二关联信号，即电流平方信号，并且将该电流平方信号输出至滑动平均模块15。
过零检测模块13用以检测滤波降噪处理后的电流信号在单周期内的采样点数，并且将该采用点数输出至第二处理模块14。
第二处理模块14用以基于采样点数确定滑动平均模块15的窗口长度，并且将确定的窗口长度输出至滑动平均模块15。
滑动平均模块15用以基于窗口长度对电流平方信号进行滑动平均处理以得到电流平方信号的算术平均值，并且将该电流平方信号的算术平均值输出至第三处理模块16。
第三处理模块16用以对该电流平方信号的算术平均值进行开方而得到电流信号的有效值。
通常，电流信号可以通过公式(1)表示如下：
I(n)＝Imax·sin(2π·50·nts) (1)
其中，I(n)表示电流信号，Imax表示电流信号的最大值，50表示基波信号频率(通常为电网工频)，n表示电流信号在单周期内的采样点数，ts表示采样间隔、并且采样间隔的单位为秒。
而电流信号经过平方处理后得到的电流平方信号可以通过公式(2)表示如下：
Figure BDA0003090338310000121
其中，I(n)表示电流信号，Imax表示电流信号的最大值，100表示基波信号频率50平方后的信号频率，n表示电流信号在单周期内的采样点数，ts表示采样间隔、并且采样间隔的单位为秒。
假设，电流信号在单周期内的采样点数为80，则电流信号经过平方处理后得到的电流平方信号在单周期内的采样点数为40。当电流平方信号在单周期内的采样点数为40时，电流平方信号在连续采样40次时可以包含一个完整的单周期。
由此，可以将最小窗口长度确定为40。并且，滑动平均模块15对电流平方信号进行长度为40的滑动平均就可以将公式(2)中的第二项
Figure BDA0003090338310000122
消去(因为cos(2π·100·nts)在一个周期内的均值为零)，而得到电流平方信号的算术平均值
Figure BDA0003090338310000123
进而通过第三处理模块16对电流平方信号的算术平均值
Figure BDA0003090338310000124
进行开方就可以得到电流信号的有效值
Figure BDA0003090338310000125
基于相同的原理，还可以采用本发明实施例提供的电能计量装置10计量电压信号的有效值。计量电压信号的有效值的具体实施方式可参照上述电流信号的有效值的计量过程，本文不再赘述。
图4是本发明实施例中通过电能计量装置计量有功功率的原理示意图。
如前所示，当待计量值包括有功功率时，关于待计量值的第一关联信号包括电压信号和电流信号。
参照图4，在具体实施中，采样模块11用以采集电流信号和电压信号，并且将电流信号和电压信号输出至滤波模块17。
在一些实施例中，采样模块11可以包括第一模数转换器111和第二模数转换器112。其中，第一模数转换器111用以采集模拟电流信号、并且将该模拟电流信号转换为数字电流信号。第二模数转换器112用以采集模拟电压信号、并且将该模拟电压信号转换为数字电压信号。
在一些实施例中，滤波模块17可以包括第一滤波模块171和第二滤波模块172。其中，第一滤波模块171与第一模数转换器111连接，用以对电流信号进行滤波降噪处理，并且将滤波降噪处理后的电流信号输出至第一处理模块12。第二滤波模块172与第二模数转换器112连接，用以对电压信号进行滤波降噪处理，并且将滤波降噪处理后的电压信号分别输出至第一处理模块12和过零检测模块13。
第一处理模块12用以将滤波降噪处理后的电流信号和电压信号进行相乘以得到有功功率信号作为第二关联信号，并且将该有功功率信号输出至滑动平均模块15。
在具体实施中，第一处理模块12可以包括乘法器，用以将电流信号和电压信号进行相乘处理。
过零检测模块13用以检测滤波降噪处理后的电压信号在单周期内的采样点数，并且将该采用点数输出至第二处理模块14。
第二处理模块14用以基于采样点数确定滑动平均模块15的窗口长度，并且将确定的窗口长度输出至滑动平均模块15。
滑动平均模块15用以基于窗口长度对有功功率信号进行滑动平均处理以得到有功功率信号的算术平均值，并且将该有功功率信号的算术平均值输出至第三处理模块16。
第三处理模块16用以将该有功功率信号作为有功功率而输出。
通常，功率信号可以通过公式(3)和(4)可以表示如下：
Figure BDA0003090338310000141
Figure BDA0003090338310000142
其中，p表示功率信号，u表示电压信号，i表示电流信号，Umax表示电压信号的最大值，50表示基波信号频率(通常为电网工频)，n表示电压信号在单周期内的采样点数，ts表示采样间隔、并且采样间隔的单位为秒，Imax表示电流信号的最大值，
Figure BDA0003090338310000146
表示电压信号与电流信号的相位差。
假设，电压信号在单周期内的采样点数为80，则电压信号和电流信号相乘而得到的有功功率信号在单周期内的采样点数为40。当有功功率信号在单周期内的采样点数为40时，有功功率信号在连续采样40次时可以包含一个完整的单周期。
由此，可以将最小窗口长度确定为40。并且，滑动平均模块15对有功功率信号进行长度为40的滑动平均就可以将公式(4)中的第二项
Figure BDA0003090338310000143
消去(因为公式(4)中的第二项在一个周期内的均值为零)，而得到有功功率信号的算术平均值
Figure BDA0003090338310000144
进而第三处理模块16可以直接将有功功率信号的算术平均值
Figure BDA0003090338310000145
作为有功功率输出。
基于相同的原理，还可以采用本发明实施例提供的电能计量装置10计量无功功率。
图5是本发明实施例中通过电能计量装置计量无功功率的原理示意图。
参照图5，与计量有功功率不同的是，在计量无功功率的情形下，电能计量装置10还包括连接于第一滤波模块171和第一处理模块12之间的第四处理模块18。
第四处理模块18用以对经过滤波降噪处理的电流信号进行90度的相位旋转而得到正交电流信号，并且将正交电流信号输出至第一处理模块12。
第一处理模块12用以将滤波降噪处理后的电压信号和正交电流信号进行相乘以得到无功功率信号作为第二关联信号，并且将该无功功率信号输出至滑动平均模块15。
滑动平均模块15用以基于窗口长度对无功功率信号进行滑动平均处理以得到无功功率信号的算术平均值，并且将该无功功率信号的算术平均值输出至第三处理模块16。
第三处理模块16用以将该无功功率信号作为无功功率而输出。
在计量无功功率时，电能计量装置10中的其他模块的工作原理和工作方式可参照上述有功功率的计量过程，本文不再赘述。
在一些实施例中，对于计量电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率中的任意一者，电能计量装置10中的滑动平均模块15均可以采用系数为1的有限长单位冲激响应滤波器。
有限长单位冲激响应滤波器的系数为1表示该有限长单位冲激响应滤波器适于对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值。当有限长单位冲激响应滤波器的系数不为1时，该有限长单位冲激响应滤波器对信号进行滑动平均处理得到就是该信号的加权平均值，而不是该信号的算术平均值。
在一些实施例中，对于计量电流信号的有效值、电压信号的有效值和有功功率中的任意一者，第一处理模块12、第二处理模块14和第三处理模块16均可以集成于一个处理器中。
在一些实施例中，对于计量无功功率，第一处理模块12、第二处理模块14、第三处理模块16和第四处理模块18均可以集成于一个处理器中。
本发明实施例还提供一种基于上述电能计量装置10而实施的电能计量方法。
图6是本发明实施例中电能计量方法的流程示意图。
参照图6，本发明实施例提供的电能计量方法20可以包括：
S21，采集关于待计量值的第一关联信号；
S22，对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；
S23，检测第一关联信号在单周期内的采样点数；
S24，基于采样点数确定窗口长度；
S25，基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值；
S26，基于算术平均值得到待计量值的有效值。
在具体实施中，第一关联信号为数字信号。步骤S21中所述的采集关于待计量值的第一关联信号可以包括采集关于待计量值的模拟信号、并且将模拟信号转换为第一关联信号。
在具体实施中，该电能计量方法20还可以包括：对第一关联信号进行滤波降噪处理。
在具体实施中，步骤S23所述的检测第一关联信号在单周期内的采样点数可以包括：检测滤波降噪处理后的第一关联信号在单周期内的采样点数。
在具体实施中，步骤S24所述的基于采样点数确定窗口长度可以包括：将采样点数的倍数确定为窗口长度。
在一些实施例中，窗口长度可以包括最小窗口长度。
在具体实施中，第一关联信号在单周期内的采样点数的数值类型可以是整数，也可以是非整数。当第一关联信号在单周期内的采样点数的数值类型为整数时，采样点数的数值类型还可以是偶数或者奇数。
在具体实施中，对于基于第一关联信号在单周期内的采样点数而确定的滑动平均的窗口长度应为整数。
在具体实施中，该电能计量方法20还可以包括：
识别采样点数的数值类型，并且在采样点数的数值类型为偶数时确定采样点数的一半为最小窗口长度、在采样点数的数值类型为奇数时确定采样点数的一倍为最小窗口长度、以及在采样点数的数值类型为非整数时确定采样点数的整数倍数中的最小整数值为最小窗口长度。
可以理解的是，对于电流信号的有效值、电压信号的有效值、有功功率和无功功率中的任意一者，均是将二个第一关联信号进行相乘而得到第二关联信号，由此使得第二关联信号的周期均为相应的第一关联信号的周期的一半。
而在步骤S25中则是基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值。为了确保滑动平均的窗口长度能够包含第二关联信号的至少一个完整的采样周期，滑动平均的最小窗口长度不能小于第一关联信号的采样点数的一半。
在一些实施例中，第一关联信号在单周期内的采样点数可能较小。在此情形下，如果将滑动平均的窗口长度确定为最小窗口长度，则基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理而得到第二关联信号的算术平均值可能会不够准确。由此，还可以基于第一关联信号在单周期内的采样点数的大小来进一步确定滑动平均的窗口长度。
在具体实施中，该电能计量方法20还可以包括：
预设点数阈值；
判断采样点数是否大于或者等于点数阈值，以及在采样点数大于或者等于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少一倍、以及在采样点数小于点数阈值时确定窗口长度为最小窗口长度的至少二倍。
在一些实施例中，点数阈值可以包括4或者5。
在具体实施中，虽然滑动平均模块15的窗口长度越大，电能计量装置10的计量结果越准确，但是滑动平均模块15的窗口长度的增加会导致计量时长的延长，并且随着滑动平均模块15的窗口长度的增大，电能计量装置10的计量结果的准确率的增加会逐渐变缓。由此，可以综合考虑计量时长和计量结果的准确率来确定滑动平均模块15的窗口长度。
通常，对于计量电流的有效值、电压的有效值、有功功率和无功功率。在采样点数不小于点数阈值的情形下，将滑动平均模块15的窗口长度确定为最小窗口长度就可以在计量时长较短的情形下达到较高的计量准确率。
在一些实施例中，待计量值包括电流信号的有效值，第一关联信号包括电流信号，第二关联信号包括电流平方信号。
在具体实施中，步骤S22所述的对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号可以包括：对电流信号进行平方处理以得到电流平方信号。
相应地，步骤S25所述的基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：对电流平方信号进行滑动平均处理以得到电流平方信号的算术平均值。
相应地，步骤S26所述的基于算术平均值得到待计量值的有效值可以包括：对电流平方信号的算术平均值进行开方而得到电流信号的有效值。
在一些实施例中，待计量值包括电压信号的有效值，第一关联信号包括电压信号，第二关联信号包括电压平方信号。
在具体实施中，步骤S22所述的对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号可以包括：对电压信号进行平方处理以得到电压平方信号。
相应地，步骤S25所述的基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：对电压平方信号进行滑动平均处理以得到电压平方信号的算术平均值。
相应地，步骤S26所述的基于算术平均值得到待计量值的有效值可以包括：对电压平方信号的算术平均值进行开方而得到电压信号的有效值。
在一些实施例中，待计量值包括有功功率，第一关联信号包括电压信号和电流信号，第二关联信号包括电压信号与电流信号相乘而得到的有功功率信号。
在具体实施中，步骤S22所述的对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号可以包括：将电压信号和电流信号相乘以得到有功功率信号。
相应地，步骤S25所述的基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：对有功功率信号进行滑动平均处理以得到有功功率信号的算术平均值。
相应地，步骤S26所述的基于算术平均值得到待计量值的有效值可以包括：将有功功率信号的算术平均值作为有功功率。
在一些实施例中，待计量值包括无功功率，第一关联信号包括电压信号和电流信号，第二关联信号包括电压信号与正交电流信号相乘而得到的无功功率信号。
在具体实施中，该电能计量方法20还可以包括：对所述电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号。
在具体实施中，步骤S22所述的对第一关联信号进行处理以得到第二关联信号可以包括：将电压信号和正交电流信号相乘以得到无功功率信号。
相应地，步骤S25所述的基于窗口长度对第二关联信号进行滑动平均处理以得到第二关联信号的算术平均值包括：对无功功率信号进行滑动平均处理以得到无功功率信号的算术平均值。
相应地，步骤S26所述的基于算术平均值得到待计量值的有效值可以包括：将无功功率信号的算术平均值作为无功功率。
在本发明实施例中，对于步骤S22和步骤S23的实施顺序、以及步骤S22和步骤S24的实施顺序不做限定。
在本发明实施例中，该电能计量方法20所提供的计量方式均可以基于本发明实施例提供的电能计量装置10而实施。
尽管上文已经描述了具体实施方案，但这些实施方案并非要限制本发明公开的范围，即使仅相对于特定特征描述单个实施方案的情况下也是如此。本发明公开中提供的特征示例意在进行例示，而非限制，除非做出不同表述。在具体实施中，可根据实际需求，在技术上可行的情况下，将一项或者多项从属权利要求的技术特征与独立权利要求的技术特征进行组合，并可通过任何适当的方式而不是仅通过权利要求书中所列举的特定组合来组合来自相应独立权利要求的技术特征。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (23)

1.一种电能计量装置，其特征在于，包括：
采样模块，用以采集关于待计量值的第一关联信号；
第一处理模块，用以对所述第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；
过零检测模块，用以检测所述第一关联信号在单周期内的采样点数；
第二处理模块，用以基于所述采样点数确定窗口长度；
滑动平均模块，用以基于所述窗口长度对所述第二关联信号进行滑动平均处理以得到所述第二关联信号的算术平均值；
第三处理模块，用以基于所述算术平均值得到所述待计量值的有效值。
2.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述第一关联信号为数字信号；所述采样模块包括模数转换器；所述模数转换器用以采集关于所述待计量值的模拟信号、并且将所述模拟信号转换为所述第一关联信号。
3.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，包括连接于所述采样模块和所述第一处理模块之间的滤波模块，所述滤波模块用以对所述第一关联信号进行滤波降噪处理、并且将滤波降噪处理后的所述第一关联信号输出至所述第一处理模块，所述第一处理模块用以对滤波降噪处理后的所述第一关联信号进行处理以得到所述第二关联信号。
4.根据权利要求3所述的电能计量装置，其特征在于，所述过零检测模块与所述滤波模块连接，用以检测滤波降噪处理后的所述第一关联信号在单周期内的采样点数。
5.根据权利要求1所述的电能计量装置，其特征在于，所述第二处理模块用以将所述采样点数的倍数确定为所述窗口长度。
6.根据权利要求5所述的电能计量装置，其特征在于，所述窗口长度包括最小窗口长度；所述第二处理模块用以识别所述采样点数的数值类型，并且在所述采样点数的数值类型为偶数时确定所述采样点数的一半为所述最小窗口长度、在所述采样点数的数值类型为奇数时确定所述采样点数的一倍为所述最小窗口长度、以及在所述采样点数的数值类型为非整数时确定所述采样点数的整数倍数中的最小整数值为所述最小窗口长度。
7.根据权利要求6所述的电能计量装置，其特征在于，所述第二处理模块用以预设点数阈值，并且判断所述采样点数是否大于或者等于所述点数阈值，以及在所述采样点数大于或者等于所述点数阈值时确定所述窗口长度为所述最小窗口长度的至少一倍、以及在所述采样点数小于所述点数阈值时确定所述窗口长度为所述最小窗口长度的至少二倍。
8.根据权利要求7所述的电能计量装置，其特征在于，所述点数阈值包括4或者5。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电能计量装置，其特征在于，所述待计量值包括电流信号的有效值或者电压信号的有效值；所述第一关联信号包括所述电流信号或者所述电压信号；所述第二关联信号包括电流平方信号或者电压平方信号；所述第一处理模块用以对所述电流信号或者所述电压信号进行平方处理以得到所述电流平方信号或者所述电压平方信号；所述滑动平均模块用以基于所述窗口长度对所述电流平方信号或者所述电压平方信号进行滑动平均处理以得到所述电流平方信号的算术平均值或者所述电压平方信号的算术平均值；所述第三处理模块用以对所述电流平方信号的算术平均值或者所述电压平方信号的算术平均值进行开方而得到所述电流信号的有效值或者所述电压信号的有效值。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电能计量装置，其特征在于，所述待计量值包括有功功率；所述第一关联信号包括电压信号和电流信号；所述第二关联信号包括所述电压信号与所述电流信号相乘而得到的有功功率信号；所述第一处理模块用以将所述电压信号和所述电流信号相乘以得到所述有功功率信号；所述滑动平均模块用以基于所述窗口长度对所述有功功率信号进行滑动平均处理以得到所述有功功率信号的算术平均值；所述第三处理模块用以将所述有功功率信号的算术平均值作为所述有功功率。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的电能计量装置，其特征在于，所述待计量值包括无功功率；所述第一关联信号包括电压信号和电流信号；所述电能计量装置包括分别与所述采样模块和所述第一处理模块连接的第四处理模块，用以对所述电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号；所述第二关联信号包括所述电压信号与所述正交电流信号相乘而得到的无功功率信号；所述第一处理模块用以将所述电压信号与所述正交电流信号相乘以得到所述无功功率信号；所述滑动平均模块用以基于所述窗口长度对所述无功功率信号进行滑动平均处理以得到所述无功功率信号的算术平均值；所述第三处理模块用以将所述无功功率信号的算术平均值作为所述无功功率。
12.根据权利要求10或11所述的电能计量装置，其特征在于，所述第一处理模块包括乘法器，用以执行所述相乘的操作。
13.一种电能计量方法，其特征在于，包括：
采集关于待计量值的第一关联信号；
对所述第一关联信号进行处理以得到第二关联信号；
检测所述第一关联信号在单周期内的采样点数；
基于所述采样点数确定窗口长度；
基于所述窗口长度对所述第二关联信号进行滑动平均处理以得到所述第二关联信号的算术平均值；
基于所述算术平均值得到所述待计量值的有效值。
14.根据权利要求13所述的电能计量方法，其特征在于，所述第一关联信号为数字信号，所述电能计量方法包括：采集关于所述待计量值的模拟信号、并且将所述模拟信号转换为所述第一关联信号。
15.根据权利要求13所述的电能计量方法，其特征在于，包括：对所述第一关联信号进行滤波降噪处理，以对滤波降噪处理后的所述第一关联信号进行处理而得到所述第二关联信号。
16.根据权利要求15所述的电能计量方法，其特征在于，所述检测所述第一关联信号在单周期内的采样点数包括：检测滤波降噪处理后的所述第一关联信号在单周期内的采样点数。
17.根据权利要求13所述的电能计量方法，其特征在于，所述基于所述采样点数确定窗口长度包括：将所述采样点数的倍数确定为所述窗口长度。
18.根据权利要求17所述的电能计量方法，其特征在于，所述窗口长度包括最小窗口长度；所述电能计量方法包括：识别所述采样点数的数值类型，并且在所述采样点数的数值类型为偶数时确定所述采样点数的一半为所述最小窗口长度、在所述采样点数的数值类型为奇数时确定所述采样点数的一倍为所述最小窗口长度、以及在所述采样点数的数值类型为非整数时确定所述采样点数的整数倍数中的最小整数值为所述最小窗口长度。
19.根据权利要求18所述的电能计量方法，其特征在于，包括：
预设点数阈值；
判断所述采样点数是否大于或者等于所述点数阈值，并且在所述采样点数大于或者等于所述点数阈值时确定所述窗口长度为所述最小窗口长度的至少一倍、以及在所述采样点数小于所述点数阈值时确定所述窗口长度为所述最小窗口长度的至少二倍。
20.根据权利要求19所述的电能计量方法，其特征在于，所述点数阈值包括4或者5。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的电能计量方法，其特征在于，所述待计量值包括电流信号的有效值或者电压信号的有效值；所述第一关联信号包括所述电流信号或者所述电压信号；所述第二关联信号包括电流平方信号或者电压平方信号；所述对所述第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：对所述电流信号或者所述电压信号进行平方处理以得到所述电流平方信号或者所述电压平方信号；所述基于所述窗口长度对所述第二关联信号进行滑动平均处理以得到所述第二关联信号的算术平均值包括：基于所述窗口长度对所述电流平方信号或者所述电压平方信号进行滑动平均处理以得到所述电流平方信号的算术平均值或者所述电压平方信号的算术平均值；所述基于算术平均值得到所述待计量值的有效值包括：对所述电流平方信号的算术平均值或者所述电压平方信号的算术平均值进行开方而得到所述电流信号的有效值或者所述电压信号的有效值。
22.根据权利要求13至20中任一项所述的电能计量方法，其特征在于，所述待计量值包括有功功率；所述第一关联信号包括电压信号和电流信号；所述第二关联信号包括所述电压信号与所述电流信号相乘而得到的有功功率信号；所述对所述第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：将所述电压信号和所述电流信号相乘以得到所述有功功率信号；所述基于所述窗口长度对所述第二关联信号进行滑动平均处理以得到所述第二关联信号的算术平均值包括：基于所述窗口长度对所述有功功率信号进行滑动平均处理以得到所述有功功率信号的算术平均值；所述基于算术平均值得到所述待计量值的有效值包括：将所述有功功率信号的算术平均值作为所述有功功率。
23.根据权利要求13至20中任一项所述的电能计量方法，其特征在于，所述待计量值包括无功功率；所述第一关联信号包括电压信号和电流信号；所述电能计量方法包括：对所述电流信号进行90度的相位旋转以得到正交电流信号；所述第二关联信号包括所述电压信号和所述正交电流信号相乘而得到的无功功率信号；所述对所述第一关联信号进行处理以得到第二关联信号包括：将所述电压信号和所述正交电流信号相乘以得到所述无功功率信号；所述基于所述窗口长度对所述第二关联信号进行滑动平均处理以得到所述第二关联信号的算术平均值包括：基于所述窗口长度对所述无功功率信号进行滑动平均处理以得到所述无功功率信号的算术平均值；所述基于算术平均值得到所述待计量值的有效值包括：将所述无功功率信号的算术平均值作为所述无功功率。
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