CN1162120A - 同时计量三相/单相基波电能和谐波电能的方法及其电能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非线性电力用户所用电能的计量。本发明为供电管理部门提供一种既方便又准确可靠的电能计量和电力用户属性判断的方法和设备，其硬件部分包括信号变换电路、模数转换电路、单片机电路和显示电路等主要电路。软件部分包括三相电压、三相电流的基波分量提取算法、准同步算法，滞后累加及异常数据鉴别与处理算法，以及基波电能和谐波电能计量算法等。本发明可以确定某电力用户是否谐波生产者，以及生产多少谐波电能，以便采取相应的惩罚措施，最终提高电网的供电质量。

Description

同时计量三相/单相基波电能和谐波电能的方法及其电能表

本发明属于电力参数的测量技术领域，特别涉及非线性电力用户所用电能的计量。

随着我国国民经济的快速发展，出现了大量的非线性电力用户(如电气化铁路、大型铝治炼厂等)。这些非线性电力用户向电网回馈大量的谐波电能，使电网供电质量下降，线路损耗增加，危及其他电力用户的设备，并使常规电能表不能准确和合理地计量电力用户所实际使用的电能。因此，供电管理部门需要对电力用户进行监督管理，对谐波生产者进行适当的限制或惩罚。目前判断某电力用户是否谐波生产者，一般借助于电力谐波分析仪表，通过对电力用户的负荷电流进行谐波成份的抽测来判断，如果谐波较严重，则判定为谐波生产者。这种方法有局限性。首先，这种方法难以确定谐波能量的流向，因而无法确定某电力用户是否谐波生产者，因为线性用户会受非线性用户影响，使其负荷电流中也会有谐波成份；其次，谐波成份的抽测在短时间内完成，不能反映电力用户的整个用电过程。

目前，通常使用的电能表有感应式和电子式两种。感应式电能表对高次谐波反应不灵敏，不能准确地计量谐波电能。另外，感应式电能表很难将基波电能和谐波电能区分开来，它只能计量总电能，并且准确度较低。而电子式电能表一般具有较好的频率响应特性，目前有些电子式电能表可以较准确地计量电力用户所用的总电能，但目前尚未发现能准确可靠同时分别计量基波电能和谐波电能的电子式电能表。

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，为供电管理部门提供一种既方便又准确可靠的电能计量和电力用户属性判断的方法和设备，以确定某电力用户是否谐波生产者，以及生产多少谐波电能，以便采取相应的惩罚措施，最终提高电网的供电质量。

本发明提出一种同时计量三相/单相基波电能和谐波电能的方法，包括预处理阶段、采样阶段及计算阶段三大步骤。

所说的预处理阶段包括：

11)设定每周期的采样点数N+1、信号的采样周期T_s和准同步算法阶次h，

12)根据上述参数计算准同步算法的系数α(h，k)，β_a(h，k)和β_b(h，k)，并将它们以表格的形式分别固化在EPROM中。

13)将掉电保护存贮器(为E²PROM、FLASHLRAM等)作清零处理；

所说的采样阶段包括：

21)采用同时采样分时转换技术采集三相/单相电压和电流数据，

22)采用准同步算法计算总功率P，

23)采用准同步算法和付立叶级数理论计算基波功率P₁；

其中：21、22、23步是同时进行的；

所说的计算阶段包括：

31)根据总功率P和基波功率P₁，计算谐波功率P_h；

32)计算当前工作周期t_ω大小；

33)根据P₁、P_n和t_ω计算当前工作周期的基波电能W₁和谐波电能W_h；

34)累加基波电能和谐波电能；

35)显示基波电能和谐波电能；

36)返回到采样阶段。

本发明采用上述方法设计出一种电能表，其特征在于包括将来自电网的三相电压和三相电流变换成适合于后续电子电路处理的模拟信号的信号变换电路，将所说模拟信号进行同时采样分时转换成适合微处理器处理的数字信号的模拟转换电路，对所说数字信号进行计算与处理得到基波电能和谐波电能的单片机电路，将基波电能和谐波电能进行显示的显示电路，以及预先固化在贮存器中的计算程序。

本发明所说的信号变换电路，可包括电压互感器、电流互感器及运算放大器，所说的模数转换电路可包括采样保持器，模拟开关、模数转换器；所说的单片机电路可包括CPU微处理器、掉电保护存贮器，程序存贮器，数据存贮器，译码器，锁存器，A/D接口电路、掉电检测电路以及复位电路、所说的显示电路可包括显示控制器、段驱动器、位扫描电路、位驱动器和数码管。

所说的模拟转换电路，可包括分别与三相电压、三相电流信号相连的六个采样保持器，与这些采样保持器相连的一个模拟开关，与模拟开关相连的一个模数转换器。

所说的模数转换电路也可包括与三相电压信号和三相电流信号相连的两个模拟开关，二个采样保持器，同时与二个采样保持器相连的第三个模拟开关，和与第三个模拟开关相连的模数转换器。

所说的电能表，其特征在于所说的单片机电路可包括多锁位数据保护电路，它包括产生三个锁位信号(HSO.0、HSO.1、HSO.2)和锁位清除功能的电路(使用单片机中的高速输出电路HSO)，与三个锁位信号和地址线A14相连的两个或门，与写总线 WR、62257片选信号相连的一个或门以及与前述或门相连的两个或门，最后一个或门的输出62256_ WE作为数据存贮器62256的写使能信号。

所说的电能表，还可包括抗干扰电路，它包括对电源线进行滤波，对电能表进行屏蔽，对电能表进行良好的接地，以及采用“看门狗”技术。

所说的电能表，它的程序包括同时采样分时转换三相电压/电流信号及其基波分量的计算和总功率计算子程序，工作周期计算和基波、谐波电能计算子程序，异常数据的鉴别和处理子程序，滞后累加基波和谐波电能子程序，基波、谐波电能显示子程序等。

本发明所述方法中：

.每周采样点数(N+1)的确定：每周采样点数的选择受制于模数转换器速率、微处理器的速度以及对电能计量准确度的要求等因素，一般可取20～100。

采样周期T_s应取尽量接近

的值，其中T为信号周期。为了减低系统的复杂度，本方法中将采样周期T_s固定。T_s的确定除了与T和N+1有关外，还与系统的时间分辨率有关。T_s只能取系统的最小时间分辨率的整数倍。

.由于电网频率较稳定，本方法中不测信号的周期T，认为T＝20ms固定不变，实测中因信号周期的微小变化而引起的电能计量误差通过准同步算法来减小，因此本方法无需周期测量电路，测量时无需计算采样周期，使得硬软件都得以简化。

.本发明准同步算法阶次h的选择取决于计算量和测量准确度的要求，一般h取3～5即可。

.有了每周采样点数N+1和准同步算法的阶次h，就可以事先计算准同步算法系数α(h，k)、β_a(h，k)、β_b(h，k)，并将它们固化在EPROM中，以减小测量过程中的计算工作量。

.除了最后的电能累加计算外，其它的计算尽量采用整型计算，以使“计算阶段”尽量缩短，实时性尽量提高。

本发明应用了以下原理：

①利用付立叶级数理论提取基波电压、电流分量

根据付立叶级数理论，电压U(t)可以展开成下列级数： $u\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{an}}\mathrm{Cosn\ωt}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{bn}}\mathrm{Sin}\left(\mathrm{n\ωt}\right)---\left(1\right)$

其中U_a1、U_b1为u(t)的基波分量系数： $U_{a1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$ $U_{b1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

(式中 $T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}$ )

由此可得基波电压为：

U₁(t)＝U_a1Cos(ωt)+U_b1Sin(ωt)    (4)

同样电流i(t)的基波分量系数为： $I_{a1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$ $I_{b1}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}---\left(6\right)$

基波电流为：

i₁(t)＝I_a1Cos(ωt)+I_b1Sin(ωt)    (7)

有了基波电压u₁(t)、基波电流i₁(t)后，可得基波功率P₁： $P_1=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_1\left(t\right)i_1\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{2}(U_{a1}{I}_{a1}+U_{b1}{I}_{b1})---\left(8\right)$

谐波功率P_b：

P_h＝P-P₁    (9)

式中P为总功率： $P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(10\right)$

根据基波功率和谐波功率可以方便地得到基波电能和谐波电能。

②利用准同步算法提高基波电能和谐波电能的计量准确度。可以证明：若信号y(t)的持续时间(或周期)为T，在T内对y(t)进行等间隔采样得到采样点集{y(k)}_k＝0 ^N，如果采样为同步采样(即(N+1)T_s＝T，T_s为采样周期)，且满足香农采样定理，则下式成立： $Y=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}y\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{N+1}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y\left(k\right)----\left(11\right)$

因此，若对u(t)、i(t)的采样为同步采样，且满足香农采样定理，则U_a1、U_b1、I_a1、I_b1、P的计算都可以转化为简单的求和运算： $U_{a1}=\frac{2}{N+1}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)\mathrm{Cos}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(12\right)$ $U_{b1}=\frac{2}{N+1}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)\mathrm{Sin}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)----\left(13\right)$ $I_{a1}=\frac{2}{N+1}\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\mathrm{Cos}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(14\right)$ $U_{b1}=\frac{2}{N+1}\underset{k=0}{\overset{\text{N}}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\mathrm{Sin}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(15\right)$ $P=\frac{1}{N+1}\underset{k=0}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)i\left(k\right)----\left(16\right)$

但是，在实际测量中，由于电压、电流信号周期T的变化，以及采样周期T_s的量化性，很难做到同步采样而只能是非同步采样(即(N+1)T_s≠T)此时再采用(12)～(16)来计算U_a1、U_b1、I_a1、I_b1、P时会引入误差，这一误差称之为非同步采样误差。

另外，在计算U_a1、U_b1、I_a1、I_b1时需用到正弦和余弦函数，实际中为了减小计算工作量，一般预先将正弦和余弦函数按同步采样方式取值造表，而实际中的电压和电流信号一般是非同步采样得到的，因此，直接运用公式(12)～(15)时，还会因电压、电流信号与正弦、余弦函数的采样方式不一致而引入误差，这一误差称之为异类采样误差。

可以证明：采用准同步算法可以大大减小非同步采样误差和异类采样误差，因此在实际计量基波电能和谐波电能时，可以将采样周期T_s固定，而不管电压电流周期的变化，通过准同步算法来提高基波电能和谐波电能的计量准确度，这样做可以省掉周期测量的硬件和软件，使硬件电路得以简化，但不影响电能计量准确度。

准同步算法叙述如下：

y(t)是一个以T为周期的信号，其均值为Y，若以T_s为采样周期对y(t)进行等间隔采样得采样数值集{y(k)}_k＝0 ^N，则可以用 来近似Y： $\widehat{Y_h}=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)y\left(k\right)---\left(17\right)$

其中： $\mathrm{\α}(h,k)=\frac{1}{N+1}\underset{m=k-N}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h-1,m)---\left(18\right)$

α(h，m)＝0  m＜0或m＞hN时

k＝0，1，……，hN

h＝1，2，…称为准同步算法的阶次

可以证明： $\underset{h\→\∞}{\lim }\widehat{Y_h}=Y---\left(19\right)$

因此，只要阶次h足够高，总可以使非同步采样误差和异类采样误差小于希望值，工程上，选用h＝3～5已基本上能满足要求。采用准同步算法后，U_a1、U_b1、I_a1、I_b1、P、的计算公式如下： $U_{a1}=2\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)u\left(k\right)\mathrm{Cos}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(20\right)$ $U_{b1}=2\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)u\left(k\right)\mathrm{Sin}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(21\right)$ $I_{a1}=2\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)i\left(k\right)\mathrm{Cos}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(22\right)$ $I_{b1}=2\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)i\left(k\right)\mathrm{Sin}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)----\left(23\right)$ $P=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}(h,k)u\left(k\right)i\left(k\right)---\left(24\right)$

利用上述公式及式(8)和(9)就可以算得基波功率和谐波功率，然后乘以时间就可得到基波电能和谐波电能，实际使用时，(20)～(23)式可以进一步简化。

令： ${\mathrm{\β}}_a(h,k)=2\mathrm{\α}(h,k)\mathrm{Cos}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(25\right)$ ${\mathrm{\β}}_b(h,k)=2\mathrm{\α}(h,k)\mathrm{Sin}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N+1}k\right)---\left(26\right)$

则： $U_{a1}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_a(h,k)u\left(k\right)---\left(27\right)$ $U_b=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_b(h,k)u\left(k\right)---\left(28\right)$ $I_{a1}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_a(h,k)i\left(k\right)---\left(29\right)$ $I_{b1}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{hN}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_b(h,k)i\left(k\right)---\left(30\right)$

实际使用时，先确定阶次h，每周采样点数N+1，则α(h，k)、P_a(h，k)、β_a(1，k)都可以确定，可以事先计算造表，便于实时使用，减小实时计算工作量。

③伪实时电能计量技术

按照定义，总电能W、基波电能W₁、谐波电能W_h计算公式如下： $W\left(t\right)={\∫}_0^{t}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(31\right)$ $W_1\left(t\right)={\∫}_0^t{u}_1\left(t\right)i_1\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(32\right)$

W_h(t)＝W(t)-W₁(t)    (33)

由于u₁(+)、i₁(t)需要经过一定的计算才能得到(也可以通过硬件滤波得到)，因此在采用普通微处理器(单片机)的情况下很难实现实时计量基波电能和谐波电能，本发明采用伪实时电能计量法，可以大大减低对微处器的要求，同时还可以使软件功能大大加强，从而使电能计量的准确性、可靠性得以提高，成本得以减低。

所谓伪实时电能计量法是一种“采样.计算”交替进行的电能计量法，在“采样”时，采样若干周期的数据，同时边采样边进行一些计算工作，但不能完成全部的计算工作，而把剩余的计算工作放到“计算”阶段来完成。在“计算”阶段仅作一些计算，而不进行采样工作。若定义工作周期为“采样阶段”和“计算阶段”组成，则一个工作周期的电能等于“采样阶段”得到平均功率乘以“采样阶段”与“计算阶段”的时间和如图1所示：

W＝Pt_W      (34)

W₁＝P₁t_ω    (35)

W_h＝W-W₁＝(P-P₁)t_ω＝P_ht_ω    (36)

其中：t_ω＝t₂-t₁

图中：t₁表示本工作周期的起始时刻，同时也是上一个工作周期的结束时刻。

t₂表示本工作周期的结束时刻，同时也是下一个工作周期的开始时刻。

t′₁表示本工作周期第一个采样点的采样时刻。t₁～t′₁：为“计算阶段”，利用公式(8)、(9)、(35)、(36)进行计算

t′₁～t₂：为“采样阶段”，进行信号的采样，同时进行公式(24)、(27)、(28)、(29)、(30)的计算。

t₁、t₂从硬件定时电路中读取，t′₁实际中不需要，此处仅为了便于说明方法。由于“计算阶段”的计算工作量较小，并且电网电能在短时间内相对稳定，因此采用伪实时电能计量法是可行的。

④利用电压、电流同时采样分时转换技术提高电能计量准确度，减低电能表成本。

所谓电压电流同时采样分时转换技术是指对电压和电流信号的采样在同一时刻进行，并将它们分别保持在相应的保持电容中，然后通过模拟开关和模数转换器逐个地将保持电容中的信号转换成数字信号，这样既达到了同时采样的目的，又只需一个模数转换器，使得电路得以大大简化，成本下降、可靠性提高。

如果对电压u(t)、电流i(t)的采样为非同时采样，而有一个时间差τ，即采样电压u(t)后经过时间τ再采样电流i(t)，则会引入非同时采样误差δ_t：

δ₁＝|ωτtg|×100％

式中为功率因素角，ω为电压、电流信号的角频率，由上式可知，非同时采样误差随功率因素的减小(增大→tg增大)而急剧增大，因此在功率因素较小的场合计量电能时，应采用电压电流同时采样技术来避免非同时采样误差，以提高电能计量的准确度。

⑤多锁位数据保护技术：

有许多数字式仪器仪表都有图2所示的程序结构，其主体是一个循环，其中有一段是更新重要数据的程序段，当程序运行过程中受到外界电磁干扰而引起程序失控时，可能会非法执行该段程序或误运行到重要数据区，从而使重要数据遭到破坏。为了避免或减少这种现象的发生，本发明在硬件上设计一把数据写保护锁，该锁由锁存器和或逻辑电路组成。如图2所示。该锁具有多个锁位(LOCK1，LOCK2，......LOCkn)，只有当所有这些锁位均处于打开状态(逻辑“0”)时，该数据写保护锁才可能打开，此时才允许更新重要数据，否则重要数据将受到保护。另外，该数据写保护锁的各锁位由软件在程序的适当位置上通过执行开锁命令来打开，图2中，A1，A2，…An处设置有这些开锁命令，分别用于打开LOCK1，LICK2，…LOCKn诸锁位这样，只有当程序按图2所示的流程正确运行时，才能更新重要数据，否则更新该重要数据的可能性很小，从而有效地保护了该重要数据免遭程序失控的影响。

⑥电能数据的滞后累加及异常数据鉴别与处理技术

该技术作为多锁位数据保护技术的补充，可以进一步提高电能数据的可靠性，由于在多锁位数据保护技术中，锁位的设置是有限的，在两个开锁命令之间一般来说存在一段程序，程序的失控与恢复有可能会出现在这同一段程序中。在这种情况下，多锁位数据保护按术不起作用，这种局部程序的失控不会影响对数据写保护锁的正常打开，但由于可能会影响当前工作周期电能的计算，从而影响总电能(总电能等于当前工作周期的电能加上以前总电能)。为了减小这种影响，开发了滞后累加及异常数据鉴别与处理技术，包括以下步骤：

.得到的当前工作周期的电能不马上累加到总电能上，而是先存入一个队列中，作为队列的队尾元素。

.判断队列中的中间元素的合理性，若该中间元素比其前后元素都相差很大，则认为该中间元素为异常元素，并用其前后两元素的平均值代替该元素的值。

将队首元素出列并累加到总电能上。由于该队首元素是以前工作周期的电能，直到当前工作周期才累加到总电能上，故称之为滞后累加。

本发明的特点与效果：

①首次提出了通过计量总电能和基波电能的方法来计量电力用户所生产或吸收的谐波电能(谐波电能等于总电能减去基波电能)，根据谐波电能的符号(正/负)，可以方便地判断某电力用户是否谐波生产者。另外，基波电能和谐波电能的数据可以为合理的电能收费提供依据，使电能收费更加合理。

②首次提出了综合利用付立叶级数理论、准同步算法和电压电流同时采样分时转换技术计量三相或单相总电能、基波电能和谐波电能，使得电能计量准确度高、硬件简单、成本较低。

③首次提出并利用“伪实时电能计量方法”，使得利用普通的微处理器进行三相总电能、基波电能和谐波电能的同时、准确、可靠地计量成为可能。

④首次提出了基波电能计算中的异类采样误差的概念，并发现可用准同步算法大大减小异类采样误差，从而使得在不用测量信号周期或频率的情况下准确地计量基波电能和谐波电能成为可能，并使得硬件电路进一步简化、计算工作量得以减小、系统复杂度得以减低。

⑤首次提出了多锁位数据保护技术、电能数据滞后累加及异常数据鉴别和处理技术，使得电能数据可以得到可靠地保护。

⑥首次提出综合利用多锁位数据保护技术、电能数据滞后累加及异常数据鉴别和处理技术、电能数据掉电保护技术、防死机看门狗技术和电源滤波、机壳屏蔽、正确接地等软硬件抗干扰技术，极大地提高了电能表的抗干扰能力和电能数据的可靠性。

附图简要说明：

图1为本发明方法工作周期定义示意图。

图2为数据写保护锁原理示意图。

图3为本发明实施例方法工作原理流程图。

图4为本发明实施例硬件总体结构示意图。

图5为本实施例信号变换电路结构图。

图6为本实施例模数转换电路示意图。

图7为本实施例模数转换电路原理图。

图8为本实施例模数转换电路工作流程图。

图9为本实施例单片机电路结构示意图。

图10为本实施例显示电路结构示意图。

图11为本实施例多锁位数据保护电路示意图。

本发明提出一种同时计量三相/单相基波电能和谐波电能的方法及其装置的实施例，结合附图说明如下：

本实施例根据前述方法研制成功了一种高准确度、高可靠性三相基波电能和谐波电能表，该表的硬件部分包括信号变换电路、模数转换电路、单片机电路和显示电路等主要电路。软件部分包括三相电压、三相电流的基波分量提取算法、准同步算法、滞后累加及异常数据鉴别与处理算法以及基波电能和谐波电能计量算法等，其主要参数的选择如下：

.准同步算法的阶次h＝3

.每周采样点数N+1＝50

.采样周期T_s＝400ms，其工作原理流程如图3所示。

本实施例硬件总体结构如图4所示，其原理为：

来自电网的三相电压和三相电流信号经过电压互感器(PT₁、PT₂、PT₃)、电流互感器(CT₁、CT₂、CT₃)变换成适合电子电路处理的信号，在单片机8098的控制下，这些信号被采样/保持电路(S/H₁～S/H₆)同时采样并保持，并由模拟开关M数模转换电路A/D分时转换成适合计算机处理的数字信号，在单片机中对这些信号进行计算，最终算得基波电能和谐波电能，并分别在基波电能显示器D1SP1和谐波电能显示器D1SP2上显示出来。

本实施例信号变换电路如图5所示

信号变换电路的功能是将电网中的较高的电压和较大的电流信号线性地转换成较低的电压信号，便于后续的电子电路对其进行处理。其中电压信号变换电路主要由SPT 204超小精密交流电压互感器和LF356运算放大器组成。该电路将0～100V的交流电压变换成0～2.5V的交流电压。电流信号变换电路主要由SCT254超小精密电流互感器和LF356运算放大器组成，该电路将0～5A的交流电流变换成0～1.7V的交流电压信号。

本实施模数转换电路如图6所示

主要器件有：采样保持器LF398，模拟开关AD7501，A/D转换器AD574。本模数转换电路的原理如图7所示，采用三相电压、三相电流共六路信号同时采样分时转换技术，其工作流程参见图8。

本实施单片机电路如图9所示

单片机电路是该电能表的核心电路，由它控制和协调模数转换电路，并从中取得所需的三相电压和三相电流的数字信号，在单片机中实现对这些信号的基波分量提取计算、准同步算法计算、滞后累加及异常数据鉴别与处理，最终算出基波电能和谐波电能，并送显示电路同时显示。该部分电路主要由8098或80C196单片机、2764程序存贮器、62256数据存贮器，2864E²PROM掉电保护存贮器以及一些辅助电路组成。

本实施例显示电路如图9和图10所示

显示电路用于显示基波电能和谐波电能，它由8279显示和键盘控制器，74LS154显示扫描译码器。74LS244段驱动器、75451位驱动器和共阴极LED数码管组成。

本实施例多锁位数据保护电路如图11所示。

多锁位数据保护电路用于保护基波电能和谐波电能不受程序失控的破坏，它由单片机中的高速输出电路(用于输出锁位信号HSO.0、HSO.1和HSO.2)和两片74LS32组成。

本实施例的程序流程图如图3所示，它主要由同时采样分时转换三相/单相电压电流信号和总功率、电压电流基波分量计算子程序、工作周期计算子程序、基波电能和谐波电能计算子程序、异常数据鉴别和处理子程序、滞后累加基波电能和谐波电能子程序和显示子程序等组成。图A1，A2，A3处设有开锁命令，B处设有复位锁命令，这些命令与图11所示的电路结合实现多锁位数据保护功能。

Claims (7)

1、本发明提出一种同时计量三相/单相基波电能和谐波电能的方法，包括预处理阶段、采样阶段及计算阶段三大步骤。

所说的预处理阶段包括：

11)设定每周期的采样点数N+1、信号的采样周期T_s和准同步算法阶次h，

12)根据上述参数计算准同步算法的系数α(h，k)，β_a(h，k)和β_b(h，k)，并将它们以表格的形式分别固化在EPROM中。

13)将掉电保护存贮器(为E²PROM、FLASHLRAM等)作清零处理；

所说的采样阶段包括：

21)采用同时采样分时转换技术采集三相/单相电压和电流数据，

22)采用准同步算法计算总功率P，

23)采用准同步算法和付立叶级数理论计算基波功率P₁；

注：21)、22)、23)步是同时进行的。

所说的计算阶段包括：

31)根据总功率P和基波功率P₁，计算谐波功率P_h

32)计算当前工作周期t_ω大小

33)根据P₁、P_n和t_ω计算当前工作周期的基波电能W₁和谐波电能W_h，

34)累加基波电能和谐波电能。

35)显示基波电能和谐波电能。

36)返回到采样阶段。

2、一种采用如权利要求1所述方法的电能表，其特征在于包括将来自电网的三相电压和三相电流变换成适合于后续电子电路处理的模拟信号的信号变换电路，将所说模拟信号进行同时采样分时转换的适合微处理器处理成数字信号的模拟转换电路，对所说数字信号进行计算与处理得基波电能和谐波电能的单片机电路，将基波电能和谐波电能进行显示的显示电路以及预先固化在贮存器中的计算程序。

3、如权利要求2所述的电能表，其特征在于，所说的信号变换电路，包括电压互感器、电流互感器及运算放大器，所说的模数转换电路包括采样保持器，模拟开关、模数转换器；所说的单片机电路包括CPU微处理器8098或80C196单片机、掉电保护存贮器，程序存贮器，数据存贮器，译码器，锁存器，A/D接口电路、掉电检测电路，多锁位数据保护电路以及复位电路组成、所说的显示电路包括显示控制器、段驱动器、位扫描电路、位驱动器如数码管。

4.如权利要求3所说的电能表，其特征在于，所说的模拟转换电路，包括分别与三相电压、三相电流信号相连六个采样保持器，与采样保持器相连的一个模拟开关，与模拟开关相连的一个模数转换器。

5.如权利要求3所说的电能表，其特征在于所说的模数转换电路包括与三相电压信号和三相电流信号相连的两个模拟开关，二个采样保持器，同时与二个采样保持器相连的第三个模拟开关，和与第三个模拟开关相连的模数转换器。

6.如权利要求2所说的电能表，其特征在于还包括对基波电能和谐波电能进行多锁位数据保护电路和抗干扰电路。

7.如权利要求6所说的电能表，其特征在于所说的多锁位数据保护电路包括产生三个锁位信号(HSO.0、HSO.1、HSO.2)和锁位清除功能的电路(使用单片机中的高速输出电路HSO)，与三个锁位信号和地址线A14相连的两个或门，与写总线WR、62257片选信号相连的一个或门以及与前述或门相连的两个或门，最后一个或门的输出62256WE作为数据存贮器62256的写使能信号。

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