CN116008655A - 一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，涉及电能计量技术领域，包括：电流采样模块、电压采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片、积分模块和微处理器，采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片和微处理器依次连接，能够对输入的电压、电流进行监测，对输入电压、电流进行比差处理提高计量精度，能够对变换器原边侧和副边侧的电压、电流、功率和电能进行实时监测，通过测得的数据对瞬时功率、平均功率进行实时监测，根据电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，确定变换器的运行状态并且计算出变换器的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，更具体的说是涉及一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置。
背景技术
目前，微电网是电力系统发展趋势之一，在微电网系统能量转换过程中，起极其关键作用的是电力电子设备，直流变换器也是其中的一种。具有双向功率流动功能的直流变换器在微电网并网运行时可对蓄电池进行充电，一旦孤网运行，该变换器可将蓄电池储存的电能输送至负荷，满足电网应急供电。
但是，当负载状态发生变化时，直流变换器的运行状态以及转换效率也会随之变化，因此对变换器电能计量的要求也要相应的发生改变，传统的电能计量装置是在交流条件下进行电能计量，测量精度低，无法适用于双向大电流直流变换器的电能计量。
因此，提出一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，提高双向大电流直流电能计量的准确性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，能够提高电能计量的精度，降低装置的损坏风险，实现测量双向大直流电源的电能计量，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，包括：电流采样模块、电压采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片、积分模块和微处理器，所述电压采样模块和电流采样模块的输出端均与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与比差校正模块的输入端连接，所述比差校正模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波模块的输出端与所述隔离模块的输入端连接，所述隔离模块的输出端与电能计算芯片的输入端连接，所述电能计算芯片的输出端一端与积分模块的输入端连接，另一端与微处理器的输入端连接，所述积分模块的输出端与微处理器的输入端连接。
可选的，所述微处理器的输出端与数字－频率转换模块的输入端连接，所述数字－频率转换模块的输出端与输出模块连接，将微处理器的输出信号转换成电子脉冲输出信号。
可选的，所述电流采样模块包括直流电流分流器和绝缘监测单元，所述直流电流分流器采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测。
可选的，所述电压采样模块包括直流电压分压器和绝缘监测单元，所述直流电压分压器采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测。
可选的，所述比差校正模块接收来自模数转换模块的直流电压、电流，通过设置比差校正模块参数校准直流电压、电流的误差。
可选的，所述隔离模块为光耦隔离电路，将收到的模拟电压、电流信号进行隔离再输送至电能计量芯片。
可选的，所述电能计量芯片对收到来自隔离模块的电压信号和电流信号进行计算，得出变换器原边侧和副边侧的直流电压、电流、功率和电能，并将其传输至微处理器以及积分模块。
可选的，所述积分模块通过将功率信号对时间进行积分计算以及通过计时器对功率进行累积计算，得到变换器原边侧和副边侧的瞬时功率和平均功率。
可选的，所述微处理器根据电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，确定变换器的运行状态并且计算出变换器的转换效率。
可选的，所述微处理器为MCU微处理器，所述MCU微处理器连接有显示模块、计数模块、通信模块、按键模块、电源模块、存储模块、积分模块、数字－频率转换模块。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种用于测量双向直流变换器的电能计量方法，具有如下有益效果：
能够对输入的电压、电流进行监测，对输入电压、电流进行比差处理提高计量精度，能够对变换器原边侧和副边侧的电压、电流、功率和电能进行实时监测，通过测得的数据对瞬时功率、平均功率进行实时监测，根据电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，确定变换器的运行状态并且计算出变换器的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的结构示意图。
图2为本发明提供的一种实施例结构示意图。
图3为电流采样模块的结构示意图。
图4为电压采样模块的结构示意图。
图5为微处理器的结构示意图。
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做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。
本发明实施例公开了一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，包括：电流采样模块、电压采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片、积分模块和微处理器，所述电压采样模块和电流采样模块的输出端均与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与比差校正模块的输入端连接，所述比差校正模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波模块的输出端与所述隔离模块的输入端连接，所述隔离模块的输出端与电能计算芯片的输入端连接，所述电能计算芯片的输出端一端与积分模块的输入端连接，另一端与微处理器的输入端连接，所述积分模块的输出端与微处理器的输入端连接。
进一步的，所述微处理器的输出端与数字－频率转换模块的输入端连接，所述数字－频率转换模块的输出端与输出模块连接，将微处理器的输出信号进行数字－频率转换成电子脉冲输出信号，通过数字—频率转换模块将瞬时功率根据要求作长时或短时的积分，即累加计数，转换成周期性的脉冲信号，输出的脉冲信号的频率与能量消耗的大小成正比，将输出脉冲输送到输出模块进行外部展示。
进一步的，所述电流采样模块包括直流电流分流器和绝缘监测单元，所述直流电流分流器采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测，所述电流采样模块为两路直流电流分流器，用于采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号，所述绝缘监测单元负责测量母线对地电压及各支路对地绝缘电阻，当有监测到支路绝缘不良时，将信息上传给微处理器，绝缘监测单元通过RS485通信总线与微处理器进行通信。
进一步的，所述电压采样模块包括直流电压分压器和绝缘监测单元，所述直流电压分压器采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测，所述电压采样模块为两路直流电压分压器，分别用于采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号，所述绝缘监测单元负责测量母线对地电压及各支路对地绝缘电阻，当有监测到支路绝缘不良时，将信息上传给微处理器，绝缘监测单元通过RS485通信总线与微处理器进行通信。
进一步的，所述比差校正模块接收来自模数转换模块的直流电压、电流，通过设置比差校正模块参数校准直流电压、电流的误差。输入标准直流电压、电流，使其交流分量为零，通过设置比差校正模块参数校准系统内平均电压和平均电流模块测量得到的平均电压和平均电流的误差。
进一步的，所述隔离模块为光耦隔离电路，将收到的模拟电压、电流信号进行隔离再输送至电能计量芯片；所述隔离模块为HCNR200线性隔离光耦，其隔离电压峰值达到8000V，输出跟随输入变化，线性度达0.01％。
进一步的，所述电能计量芯片对收到来自隔离模块的电压信号和电流信号进行计算，得出变换器原边侧和副边侧的直流电压、电流、功率和电能，并将其传输至微处理器以及积分模块，所述电能计量芯片的计算方法为：
所述电能计量芯片计算瞬时功率的公式为：
P(ts)＝u(ts)*i(ts)；
式中，P(ts)为ts时刻的瞬时功率，u(ts)为ts时刻的电压，i(ts)为ts时刻的电流。
采样间隔T为一个周期的时间，单位周期中采样N次，平均功率表达式为：
因此单位周期内的电能为：
进一步的，所述积分模块通过将功率信号对时间进行积分计算以及通过计时器对功率进行抽样累积计算，得到变换器原边侧和副边侧的瞬时功率和平均功率，积分模块的计算步骤为，
P(tx)＝u(tx)*i(tx)；
式中，P(tx)为tx时刻的瞬时功率，u(tx)为tx时刻的电压，i(tx)为tx时刻的电流，
采样总时间S，采样次数M次，平均功率表达式为：
进一步的，所述微处理器根据电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，确定变换器的运行状态并且计算出变换器的转换效率，所述微处理器内置优化模型，对电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，得出最优电能计量结果。
所述微处理器对数据的分析计算方法为：
式中，η为变换器的转换效率，W1为变换器原边侧的电能，W2为变换器副边侧的电能。当W1，W2＞0时，变换器处于传输电网电能的状态；当W1，W2＜0时，变换器处于向电网反馈电能的状态。
进一步的，所述微处理器为MCU微处理器，所述MCU微处理器连接有显示模块、计数模块、通信模块、按键模块、电源模块、存储模块、积分模块、数字-频率转换模块。微控制单元(MicrocontrollerUnit；MCU)，又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)或者单片机，是把中央处理器(CentralProcessUnit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
实施例一，一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，包括：电流采样模块、电压采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片、积分模块和微处理器，所述电压采样模块和电流采样模块的输出端均与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与比差校正模块的输入端连接，所述比差校正模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波模块的输出端与所述隔离模块的输入端连接，所述隔离模块的输出端与电能计算芯片的输入端连接，所述电能计算芯片的输出端与微处理器的输入端连接。
实施例二，一种电流采样模块，所述电流采样模块包括直流电流分流器和绝缘监测单元，所述直流电流分流器采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测，所述电流采样模块为两路直流电流分流器，用于采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号，所述直流电流分流器为锰铜分流器，将获取的大电流信号转换为小电流信号，并将所述小电流信号发送至绝缘监测单元所述绝缘监测单元负责测量母线对地电压及各支路对地绝缘电阻，当有监测到支路绝缘不良时，将信息上传给微处理器，绝缘监测单元通过RS485通信总线与微处理器进行通信。
实施例三，一种电压采样模块，所述电压采样模块包括直流电压分压器和绝缘监测单元，所述直流电压分压器采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测，所述电压采样模块为两路直流电压分压器，分用于采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号，电压采样单元包括第一分压电阻、第二分压电阻，将获取的大电压信号转换为小电压信号，并将所述小电压信号发送至绝缘监测单元，所述绝缘监测单元负责测量母线对地电压及各支路对地绝缘电阻，当有监测到支路绝缘不良时，将信息上传给微处理器，绝缘监测单元通过RS485通信总线与微处理器进行通信。
实施例四，一种微处理器，所述微处理器为MCU微处理器，所述MCU微处理器连接有显示模块、计数模块、通信模块、按键模块、电源模块、存储模块、积分模块、数字－频率转换模块。所述数字－频率转换模块与输出模块连接。所述显示模块为LED显示屏；所述计数模块为脉冲时间发生器；所述通信模块为RS485无线通讯模块；所述电源模块为装置提供+5V和+3.3V的电源；所述按键模块为三个功能按键，用于切换显示内容；所述存储模块为EEPROM存储器；所述积分模块为积分器，用于对功率进行时间积分；所述数字－频率转换模块为数字－频率转换器，用于将数字信号转换成脉冲信号。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，包括：电流采样模块、电压采样模块、模数转换模块、比差校正模块、低通滤波模块、隔离模块、电能计量芯片、积分模块和微处理器，所述电压采样模块和电流采样模块的输出端均与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与比差校正模块的输入端连接，所述比差校正模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波模块的输出端与所述隔离模块的输入端连接，所述隔离模块的输出端与电能计算芯片的输入端连接，所述电能计算芯片的输出端一端与积分模块的输入端连接，另一端与微处理器的输入端连接，所述积分模块的输出端与微处理器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述微处理器的输出端与数字－频率转换模块的输入端连接，所述数字－频率转换模块的输出端与输出模块连接，将微处理器的输出信号转换成电子脉冲输出信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述电流采样模块包括直流电流分流器和绝缘监测单元，所述直流电流分流器采集变换器原边侧和副边侧的直流电流信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述电压采样模块包括直流电压分压器和绝缘监测单元，所述直流电压分压器采集变换器原边侧和副边侧的直流电压信号并将其传输给绝缘监测单元进行监测。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述比差校正模块接收来自模数转换模块的直流电压、电流，通过设置比差校正模块参数校准直流电压、电流的误差。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述隔离模块为光耦隔离电路，将收到的模拟电压、电流信号进行隔离再输送至电能计量芯片。
7.根据权利要求6所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述电能计量芯片对收到来自隔离模块的电压信号和电流信号进行计算，得出变换器原边侧和副边侧的直流电压、电流、功率和电能，并将其传输至微处理器以及积分模块。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述积分模块通过将功率信号对时间进行积分计算以及通过计时器对功率进行累积计算，得到变换器原边侧和副边侧的瞬时功率和平均功率。
9.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述微处理器根据电能计量模块计算结果以及积分模块的计算结果进行分析计算，确定变换器的运行状态并且计算出变换器的转换效率。
10.根据权利要求1所述的一种用于测量双向直流变换器的电能计量装置，其特征在于，所述微处理器为MCU微处理器，所述MCU微处理器连接有显示模块、计数模块、通信模块、按键模块、电源模块、存储模块、积分模块、数字－频率转换模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230425 |