CN116559766A - 一种减小智能电能表动态测量误差的方法 - Google Patents

一种减小智能电能表动态测量误差的方法 Download PDF

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陈景霞
刘琨
王廷梅
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Abstract

本发明提供了一种减小智能电能表动态测量误差的方法，将数字信号is(n)输入PGA增益反馈控制单元，经过采样点分析算法模块及电流增益控制算法模块后可计算得出下一周期的PGA模块增益放大倍数ki，并将ki反馈至电流采样单元的PGA模块，提高电流采样单元中ADC模块的采样精度。

Description

一种减小智能电能表动态测量误差的方法
技术领域
本发明涉及智能电能表动态误差测量领域，具体涉及到一种减小智能电能表动态测量误差的方法。
背景技术
随着越来越多的动态负载引入到智能电网，例如炼钢电弧炉、轧钢机、中频感应加热炉、高铁电力机车等，使得用电负荷的电流信号幅值大范围波动，负荷功率呈现出频繁随机动态变化特性。而当前智能电能表主要针对稳态电流设计，在测量动态波动电流负荷过程中，不可避免出现动态测量误差。
图1为现有电能表计量模块系统框图，包括信号电压/电流采样单元、功率测量单元、电能测量单元等，其中PGA为可编程增益放大器。实际电网动态负荷条件下，电流信号幅值变化范围大，为了减小输入信号范围不同引起的计量误差，PGA内部固化算法通常在电流采样单元加入增益反馈控制以切换到合适的PGA量程。而现有技术中，通常采用电流有效值的方式控制PGA增益，即计算当前采样电流的有效值，如果超出当前量程范围则反馈至PGA单元进行增益切换，从而完成量程切换，而电流有效值的测量通常至少需要一个工频周期。另外，电网信号中的周期干扰也容易引起电流信号幅值大范围变化。综合考虑，现有技术通常会将PGA增益切换时间滞后2个周期以上。这样，有可能造成PGA增益倍数与当前电流信号幅值不匹配，从而造成测量误差。例如，给原本大电流信号选择一个大增益倍数，使得待测信号超出ADC(模数转换器)的测量范围，或者给小电流信号选择一个小增益倍数，即PGA增益不够，从而使ADC偏离了最佳采样范围。信号超出ADC测量范围或ADC偏离了最佳采样范围，都将给电能表的ADC采样带来不可忽视的测量误差。
发明内容
针对目前智能电能表中的ADC采样幅值大范围动态变化的电流时引起的采样误差，本发明提出一种减小智能电能表动态测量误差的方法，其基于采样点分析的方法，能大大提高ADC针对动态电流负荷的采样精度，同时也可减少量程误切换。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种减小智能电能表动态测量误差的方法，其包括电压采样单元、电流采样单元、有功功率测量单元、PGA(可编程增益放大器)增益反馈控制单元和电能测量单元；所述的电流采样单元包括PGA模块和ADC(模拟数字转换器)模块，所述的PGA增益反馈控制单元包括采样点分析算法模块；模拟电压信号us(t)经电压采样单元后转变为数字信号us(n)，模拟电流信号is(s)经电流采样单元中的PGA模块和ADC模块后转变为数字信号is(n)，数字信号us(n)与is(n)经过有功功率测量单元可获得有功功率信号po(n)，有功功率信号po(n)经过电能测量单元累加计算可得电能信号eo(n)；其中，数字信号is(n)还经过PGA增益反馈控制单元中的采样点分析算法模块运算得出PGA模块增益放大倍数ki，并将ki反馈输入至电流采样单元中的PGA模块；
其中，
其中，Im(t)为随时间变化的电流信号幅值，f0为电网基波频率(通常为50Hz)，为电流信号相位值(通常为固定值)，t为时间，Im(n)为随采样点变化的电流信号幅值，Fs为ADC模块采样频率，n为自然数；
所述采样点分析算法模块工作步骤如下：
(1)首先根据当前的采样频率Fs和基波频率f0，测算出电流信号幅值为IM整数倍时对应的采样点个数：N2，N4，N8，N16；其中N2表示当实际电流信号幅值为IM的2倍时受限幅的采样点个数，N4表示当实际电流信号幅值为IM的4倍时受限幅的采样点个数，N8表示当实际电流信号幅值为IM的8倍时受限幅的采样点个数，N16表示当实际电流信号幅值为IM的16倍时受限幅的采样点个数；其中，IM为ADC模块当前量程最大值。
(2)实际采样过程中，累加计算当前电网基波周期T0内共有多少个采样点等于ADC模块当前量程最大值IM，并用NC表示；
(3)对比分析，当N2≤NC＜N4时，证明实际电流信号幅值为ADC模块当前量程最大值IM的2-4倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小4倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围；当N4≤NC＜N8时，证明实际电流信号幅值为IM的4-8倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小8倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围；当N8≤NC＜N16时，证明实际电流信号幅值为IM的8-16倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小16倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围；
(4)将第(3)步分析得到的PGA模块增益放大倍数ki反馈到PGA模块。
本发明的技术方案可以达到以下技术效果：
本发明所提供的减小智能电能表动态测量误差的方法，基于采样点分析，确定实际电流信号幅值处于ADC最佳采样的范围，大大提高了ADC针对动态电流负荷的采样精度，提高了智能电能表的测量精度，并可减少量程误切换，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为现有电能表计量模块系统框图；
图2为改进电能表计量模块系统框图；
图3电流信号幅值超过ADC量程范围示意图；
图4-图7为电流信号幅值超过ADC量程范围整数倍示意图；
图8应用本发明采样点分析算法后的效果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
图2为本发明改进电能表计量模块系统框图，其包括电压采样单元、电流采样单元、有功功率测量单元、PGA(可编程增益放大器)增益反馈控制单元和电能测量单元；所述的电流采样单元包括PGA模块和ADC(模拟数字转换器)模块，所述的PGA增益反馈控制单元包括采样点分析算法模块。来自电压传感器的模拟电压信号us(t)经电压采样单元后转变为数字信号us(n)，来自电流传感器的模拟电流信号is(t)经电流采样单元中的PGA模块和ADC模块后转变为数字信号is(n)，数字信号us(n)与is(n)经过有功功率测量单元可获得有功功率信号po(n)，有功功率信号po(n)经过电能测量单元累加计算可得电能信号eo(n)；其中，数字信号is(n)还经过PGA增益反馈控制单元中的采样点分析算法模块运算得出新的PGA模块增益放大倍数ki，并将ki反馈输入至电流采样单元中的PGA模块。
本发明中，为了提高电流采样单元中ADC模块的采样精度，将数字信号is(n)输入PGA增益反馈控制单元，经过采样点分析算法模块后可计算得出新的PGA模块增益放大倍数ki，并将ki反馈至电流采样单元的PGA模块。下面对采样点分析算法模块工作步骤进行详细说明。
在实际电网中，动态负荷工作情况下，电力用户端口动态负荷电流幅度变化范围大，电流的频率和相位相对稳定。因此，动态模拟电流信号is(t)可用下式(1)表示。
其中，Im(t)为随时间变化的电流信号幅值，f0为电网基波频率(通常为50Hz)，为电流信号相位值(通常为固定值)，t为时间。
模拟信号is(t)经过PGA模块及ADC模块采样后转化为数字信号is(n)，为提高ADC采样精度，通常将小幅值is(t)信号经PGA模块放大。数字信号is(n)可用下式(2)表示。
其中，ki为PGA模块增益放大倍数，通常可取×1，×2，×4，×8，×16等；n为自然数，Im(n)为随采样点变化的电流信号幅值，Fs为ADC模块采样频率。由于动态模拟电流信号幅值变化频繁，现有技术PGA增益倍数切换滞后，导致PGA放大倍数与当前电流信号幅值不匹配，从而出现超出ADC模块当前量程范围的情况，如图3，其中，T0为电网基波周期(通常为0.02秒)，实线代表被限幅的待测量电流信号，虚线表示实际电流信号波形，M为滞后的基波周期个数，通常M＞2。
为解决模拟电流信号is(t)经PGA模块放大后超出ADC模块当前量程范围的技术问题，本发明设计一种采样点分析算法模块。
如图4，IM为ADC模块当前量程的最大值，Ts为ADC模块采样周期。当实际电流信号幅值为IM的2倍时，受限幅的采样点个数为N2个，受限幅间隔时间为N2Ts；如图5，当实际电流信号幅值为IM的4倍时，受限幅采样点个数为N4个，受限幅间隔时间为N4Ts；如图6，当实际电流信号幅值为IM的8倍时，受限幅采样点个数为N8个，受限幅间隔时间为N8Ts；如图7，当实际电流信号幅值为IM的16倍时，受限幅采样点个数为N16个，受限幅间隔时间为N16Ts。
采样点分析算法模块的工作步骤为：
(1)首先根据当前的采样频率Fs和基波频率f0，测算出电流信号幅值为IM整数倍时对应的采样点个数：N2，N4，N8，N16。其中N2表示当实际电流信号幅值为IM的2倍时受限幅的采样点个数，N4表示当实际电流信号幅值为IM的4倍时受限幅的采样点个数，N8表示当实际电流信号幅值为IM的8倍时受限幅的采样点个数，N16表示当实际电流信号幅值为IM的16倍时受限幅的采样点个数。
(2)实际采样过程中，累加计算当前电网基波周期T0内共有多少个采样点等于ADC模块当前量程最大值IM，并用NC表示。
(3)对比分析，当N2≤NC＜N4时，证明实际电流信号幅值为ADC模块当前量程最大值IM的2-4倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小4倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围；当N4≤NC＜N8时，证明实际电流信号幅值为IM的4-8倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小8倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围；当N8≤NC＜N16时，证明实际电流信号幅值为IM的8-16倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小16倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC最佳采样范围。
(4)将第(3)步分析得到的PGA模块增益放大倍数ki反馈到PGA模块。
图3和图8对比可得，应用本采样点分析算法后的PGA增益放大倍数切换时间最多滞后1个基波周期T0，而现有技术通常会将PGA增益放大倍数切换时间滞后2个基波周期T0以上，大大提高电能计量精度。
最后应说明的是：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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种减小智能电能表动态测量误差的方法，其包括电压采样单元、电流采样单元、有功功率测量单元、PGA增益反馈控制单元和电能测量单元；所述的电流采样单元包括PGA模块和ADC模块，所述的PGA增益反馈控制单元包括采样点分析算法模块；模拟电压信号us(t)经电压采样单元后转变为数字电压信号us(n)，模拟电流信号is(t)经电流采样单元中的PGA模块和ADC模块后转变为数字电流信号is(n)，数字电压信号us(n)与数字电流信号is(n)经过有功功率测量单元可获得有功功率信号po(n)，有功功率信号po(n)经过电能测量单元累加计算可得电能信号eo(n)；其中，数字电流信号is(n)还经过PGA增益反馈控制单元中的采样点分析算法模块运算得出PGA模块增益放大倍数ki，并将PGA模块增益放大倍数ki反馈输入至电流采样单元中的PGA模块；
其中，
其中，Im(t)为随时间变化的电流信号幅值，f0为电网基波频率，为电流信号相位值，t为时间，Im(n)为随采样点变化的电流信号幅值，Fs为ADC模块采样频率，n为自然数；
所述采样点分析算法模块工作步骤如下：
(1)首先根据当前的采样频率Fs和电网基波频率f0，测算出电流信号幅值为IM整数倍时对应的采样点个数：N2，N4，N8，N16；其中N2表示当电流信号幅值为IM的2倍时受限幅的采样点个数，N4表示当电流信号幅值为IM的4倍时受限幅的采样点个数，N8表示当电流信号幅值为IM的8倍时受限幅的采样点个数，N16表示当电流信号幅值为IM的16倍时受限幅的采样点个数；其中，IM为ADC模块当前量程最大值；
(2)采样过程中，累加计算当前电网基波周期T0内共有多少个采样点等于ADC模块当前量程最大值IM，并用NC表示；
(3)对比分析，当N2≤NC＜N4时，证明电流信号幅值为IM的2-4倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小4倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC模块最佳采样范围；当N4≤NC＜N8时，证明电流信号幅值为IM的4-8倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小8倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC模块最佳采样范围；当N8≤NC＜N16时，证明电流信号幅值为IM的8-16倍，因此PGA模块增益放大倍数ki应该缩小16倍，才能保证实际电流信号幅值处于ADC模块最佳采样范围；
(4)将第(3)步分析得到的PGA模块增益放大倍数ki反馈到PGA模块。
2.根据权利要求1或2所述的减小智能电能表动态测量误差的方法，其中，f0为50Hz。
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