CN116953347A - 一种提高基波计量精度的方法及装置 - Google Patents

一种提高基波计量精度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种提高基波计量精度的方法及装置，其中，所述装置包括：UART模块，用于将发送一个码元所需的时钟数baud_cnt，发送至计算模块和控制模块；计算模块，用于计算RCH的频偏值，并根据RCH的频偏值，采用流水线方式，计算所述基波计量装置中的带通滤波器系数b，根据所述带通滤波器系数b调整带通滤波器；控制模块，用于所述流水线方式的流程控制；寄存器，用于接收并保存UART模块、计算模块和控制模块运行过程中的相关数据。所述方法采用上述提高基波计量精度的装置，对带通滤波器系数b进行计算，并据此调整该带通滤波器。

Description

一种提高基波计量精度的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种提高计量精度的方法及装置，一种提高基波计量精度的方法及装置。
背景技术
随着电网的智能化，智能电网的相关业务展现出了对电力计量功能的需求。电力网络中呈周期性变化的电压或电流的最小频率即为基波，我国电网规定基波频率是50Hz，而其他非基波整数倍频率的信号均称为谐波。谐波对电能表的准确计量会产生很大影响，因此在对基波计量时需要过滤掉谐波。为了过滤掉谐波，最常用的方法是将全波输入到中心频率为50Hz的BPF(Band Pass Filter，带通滤波器)上，过滤后得到的信号即为基波。BPF的系数与系统时钟有关，当采用无外部晶振设计时，通常采用RCH(内部高速RC时钟，Resistance Capacitance High Speed Internal Clock Signal)作为系统时钟，由于RCH会受到外界温度的影响，因此其频率也会发生改变，如果BPF的系数不随着系统时钟的变化而变化，那么通过BPF得到的基波信号就会存在一定程度的失真。
现有技术在对上述问题的解决过程中，依然存在缺陷，例如：
专利文件1：具有基波计量功能的智能电表及其测量方法，CN103852637B，该文件为了滤除电网中有害的谐波，通过低通滤波器处理电压与电流信号，这样能够降低谐波对基波计量的干扰。但是只采用低通滤波器的话，无法滤除电网中频率小于基波的一些干扰信号。并且没有考虑到采样频率频偏对滤波器幅频特性的影响。
专利文件2：一种输入信号的频率测量方法及相关组件，CN110007144A，该文件通过MCU发出的通信帧确定RCH时钟频率，进而已知RCH时钟频率来计算输入信号的频率。此外还能够根据真实RCH时钟频率进行补偿无功功率。其计算得到的输入信号频率只能是全波频率，无法得到基波的频率，并且也无法补偿基波的其他特征参数、例如RMS、相位等。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种提高基波计量精度的方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种提高基波计量精度的方法及装置。其中，一种提高基波计量精度的装置，包括：
UART模块，用于将发送一个码元所需的时钟数baud_cnt，发送至计算模块和控制模块；
计算模块，用于计算RCH的频偏值，并根据RCH的频偏值，采用流水线方式，计算所述基波计量装置中的带通滤波器系数b，根据所述带通滤波器系数b调整带通滤波器；
控制模块，用于所述流水线方式的流程控制；
寄存器，用于接收并保存UART模块、计算模块和控制模块运行过程中的相关数据。
进一步的，所述的计算RCH的频偏值bias，即根据UART模块发送的时钟数baud_cnt进行进行计算，具体方法包括：
其中，baud_rate为预设的波特率，fs为系统频率。
进一步的，所述带通滤波器系数b的计算方法包括：
其中，f0为带通滤波器的中心频率，a为另一个系数，a＝1-2-8；
当RCH存在频偏时，所述带通滤波器系数b的计算方法如下：
经过简化和一阶线性拟合方法，最终得到带通滤波器系数b，如下：
b＝m+(b0-m)×(-2.005×bias_avg+3.005)
其中，m是－(1+a)，b0表示当前寄存器中保存的系数b的值，bias_avg表示为平均频偏。
进一步的，所述计算模块中仅包括乘法器和加法器。
进一步的，所述计算模块采用流水线方式计算带通滤波器系数b，具体方法如下：
步骤S1，使用乘法器，将预设的波特率baud_rate乘以时钟数baud_cnt；
步骤S2，使用乘法器，将步骤S1得到的结果乘以RCH理论频率值的倒数，得到了RCH的频偏值bias；
步骤S3，使用乘法器，将步骤S2得到的RCH的频偏值bias乘以常数-2.005；
步骤S4，使用加法器，将步骤S3得到的结果加上常数3.005，并将该结果r0保存到寄存器中；
步骤S5，使用加法器，将前寄存器中保存的系数b0加上-m；
步骤S6，使用乘法器，将r0乘以步骤S5得到的结果；
步骤S7，使用加法器，将m加上步骤S6得到的结果，得到带通滤波器系数b，将系数b存入寄存器取代b0。
进一步的，所述的根据时钟数baud_cnt计算RCH的频偏值bias时，采用滑动平均的方法。
进一步的，所述的采用滑动平均的方法得到平均频偏bias_avg，计算方法如下：
其中，N为滑动窗口的长度，L为滑动窗口当前起始位置的坐标，biasi为滑动窗口内第i个频偏值。
进一步的，所述的表示当前寄存器中保存的系数的值b0，其第一个初始值计算方法如下：
将带通滤波器的中心频率f0与系统频率fs代入到无频偏时的带通滤波器系数b计算公式，得到初始b0的值。
进一步的，所述的带通滤波器的中心频率f0与系统频率fs，根据基波计量的实际环境进行预设。
本发明还提出一种提高基波计量精度的方法，采用上述提高基波计量精度的装置，包括以下步骤：
步骤1，使用UART模块，通过波特率自适应方法，将发送一个码元所需的时钟数baud_cnt，发送给计算模块；
步骤2，计算模块计算所述基波计量装置中的带通滤波器系数b，并将该系数保存至寄存器；
步骤3，根据所述带通滤波器系数b对所述基波计量装置中的带通滤波器进行调整，并进行计量。
有益效果：
1、本本发明提供了一种能够提高基波电流、电压的相位、频率、有效值等计量精度的算法，算法易于用硬件实现，可集成在芯片内部，且能够实时自动进行调节。
2、本发明通过UART波特率自适应模块(UART，Universal Asynchronous Receiverand Transmitter，通用异步接收和发送器)推导出真实的RCH频率，再与理论的RCH频率比较，即能够得到RCH的频偏值，最后根据此频偏值重新计算BPF的系数，即能够更大程度还原出基波信号，从而提取到精确更高的特征参数，例如相位、频率、有效值。
3、本发明通过推导简化上述方法，使其基于硬件成本更低的加法器与乘法器便可实现，并且还采用了流水线的方式复用加法器与乘法器，进一步降低了该算法实现的硬件成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是y＝cos(z)二阶泰勒展开拟合误差曲线示意图。
图2a是一阶线性拟合示意图。
图2b是拟合误差示意图。
图3是本发明整体方案框图。
具体实施方式
本发明提供一种能够提高基波计量精度的方法及装置，具体说是一种应用于无外部晶振，使用内部RCH时钟时，提高基波电流、电压的相位、频率、有效值等计量精度的方法及其硬件实现。
其中，一种能够提高基波计量精度的方法，具体算法推导过程如下：
RCH的频偏值计算公式为：
式中baud_rate为波特率，用户需要先将其配置到寄存器中，baud_cnt为波特率自适应模块得到发送一个码所需的时钟数，fs为系统频率，这里等于RCH频率的理论值。
这里选取二阶椭圆带通滤波器，其原型传递函数为：
式中系数a＝1-2-8，系数b为：
式中f0为带通滤波器的中心频率，这里选取为基波频率。当温度改变时，RCH的频率也会随着响应改变，将RCH的频偏值带入上式，得系数b为：
通过硬件直接实现cos()函数的成本是很大的，因此需要对其进行化简，根据余弦函数的泰勒展开公式有：
选取二阶泰勒展开公式进行带入，得：
温度在-40～125摄氏度变化时，RCH频率受温度影响的偏移范围为±4％，即bias∈[0.96,1.04]，令：
这里以f0＝50Hz，fs＝12.8kHZ为例，得z∈[0.02360,0.02557]，对二阶余弦泰勒展开做误差分析，结果如图1所示。
读图1可知，最大的误差为－1.781×10-6％，选择二阶泰勒展开，带入到带通滤波器系数校准公式中，得：
为了进一步简化计算，将－(1+a)记作m，将记作n，则
将寄存器中b的值记作b0，则：
b0＝m+n
将b0带入到b的表达式中，得：
通过上式转换，系数b的表达式中没有频率值f0与fs，便于扩展其应用，例如有些国家的基波频率为60Hz，而fs的频率也是可以由用户自定义的。以上表达式需要使用到除法器，而硬件直接实现除法器的成本也很高。这里采用一阶线性拟合的方式(参考：https://baike.baidu.com/item/％E7％BA％BF％E6％80％A7％E6％8B％9F％E5％90％88/5511930？fr＝aladdin)去逼近这个函数，并使其经过(1,1)这个点，即没有发生频偏时，b＝b0。其拟合直线如图2a所示，图2b为误差分析，由图2中可知其最大误差为-0.5％，在bias＝1.04时取得。
最终b的表达式为：
b＝m+(b0-m)×(-2.005×bias_avg+3.005)
由该表达式可知，带通滤波器的系数b能够根据系统频率的频偏值实时矫正，因此通过矫正后的带通滤波器得到的基波信号，其精度更高。以有效值为例，连续n个信号的有效值计算公式为：
其中xi为经过带通滤波器得到的信号幅度，由于本发明设计的带通滤波器能够自适应系统频率，因此其幅频特性要更好，信号幅度的精度更高，所以得到的有效值精度也会更高。
上述方案基于UART波特率自适应模块得到当前时钟的频偏值，然后将该频偏值反映到带通滤波器的系数中，这样能够更大程度还原出基波信号，从而提高频率、相位、有效值等计量精度。但是直接实现该算法的硬件成本很高，本发明通过推导简化该算法，使其基于硬件成本更低的加法器与乘法器便可实现，并且还采用了流水线的方式复用加法器与乘法器，进一步降低了该算法实现的硬件成本。
本发明还提出了一种能够提高基波计量精度的装置，其整体方案如下：
如图3所示，整体方案一共分为4个部分：
1、UART模块(参考：https://www.tw.studiodahu.com/baike-UART)，该模块通过波特率自适应，能够将baud_cnt，即发送一个码元所需的时钟数发送到计算模块中，同时也会发送一个有效信号到控制模块中。
2、计算模块，根据b的表达式可知，计算出b需要使用的硬件资源有加法器(减法由加法实现)与乘法器。计算模块即完成加法与乘法的计算，得到最终的b，并发送到寄存器中。
3、寄存器，寄存器一方面会将b0与baud_rate发送到计算模块中，一方面会接收计算模块得到的b。
4、控制模块，为了节省硬件资源，加法器与乘法器采用流水线的方式(参考：https://blog.csdn.net/weixin_45614076/article/details/126432252)，控制模块用于流水线的控制，当UART发送有效信号到控制模块时，流水线启动。控制模块也会产生一个写寄存器的信号，用于指示b何时写入到寄存器中。
其中，计算模块采用流水线设计，具体如下：
第一步，使用乘法器，将baud_rate乘以baud_cnt。
第二步，使用乘法器，将第一步得到的结果乘以RCH理论频率值的倒数，这一步得到了频偏值bias。
第三步，使用乘法器，将第二步得到的bias乘以常数-2.005。
第四步，使用加法器，将第三步得到的结果加上常数3.005，并将该结果保存到寄存器r0中。
第五步，使用加法器，将b0加上-m。
第六步，使用乘法器，将r0乘以第五步得到的结果。
第七步，使用加法器，将m加上第六步得到的结果，这一步得到了最终的系数b。
如表1所示，为控制模块的流水线设计，复用了加法器和乘法器。
表1流水线设计
此外，在一些实施例中，还可以采用如下方法：
1、在计算RCH频偏值时，可以采用滑动平均(参考：https://www.zhihu.com/question/577769924/answer/2859349950？utm_id＝0)的方式减小UART波特率自适应带来的误差，从而进一步提高基波计量精度。
2、除了使用UART波特率自适应模块得到RCH频偏值外，也可以通过温度传感器得到温度的变化，然后转换成RCH频偏值。
3、算法中采用了一阶线性拟合去实现除法，此外还可以通过多阶线性拟合的方式去实现除法，这样的精确度会更高，但流水线会更复杂，实现成本会更高。
4、除了流水线的方式复用加法器与乘法器外，加法器与乘法器本身也可以通过流水线的方式由单周期运算转换为多周期运算，从而进一步降低实现成本。
具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种提高基波计量精度的方法及装置的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本发明提供了一种提高基波计量精度的方法及装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种提高基波计量精度的装置，其特征在于，包括：
UART模块，用于将发送一个码元所需的时钟数baud_cnt，发送至计算模块和控制模块；
计算模块，用于计算RCH的频偏值，并根据RCH的频偏值，采用流水线方式，计算所述基波计量装置中的带通滤波器系数b，根据所述带通滤波器系数b调整带通滤波器；
控制模块，用于所述流水线方式的流程控制；
寄存器，用于接收并保存UART模块、计算模块和控制模块运行过程中的相关数据。
2.根据权利要求1所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述的计算RCH的频偏值bias，即根据UART模块发送的时钟数baud_cnt进行进行计算，具体方法包括：
其中，baud_rate为预设的波特率，fs为系统频率。
3.根据权利要求1所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述带通滤波器系数b的计算方法包括：
其中，f0为带通滤波器的中心频率，a为另一个系数，a＝1-2-8；
当RCH存在频偏时，所述带通滤波器系数b的计算方法如下：
经过简化和一阶线性拟合方法，最终得到带通滤波器系数b，如下：
b＝m+(b0-m)×(-2.005×bias_avg+3.005)
其中，m是－(1+a)，b0表示当前寄存器中保存的系数b的值，bias_avg表示为平均频偏。
4.根据权利要求3所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述计算模块中仅包括乘法器和加法器。
5.根据权利要求4所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述计算模块采用流水线方式计算带通滤波器系数b，具体方法如下：
步骤S1，使用乘法器，将预设的波特率baud_rate乘以时钟数baud_cnt；
步骤S2，使用乘法器，将步骤S1得到的结果乘以RCH理论频率值的倒数，得到了RCH的频偏值bias；
步骤S3，使用乘法器，将步骤S2得到的RCH的频偏值bias乘以常数-2.005；
步骤S4，使用加法器，将步骤S3得到的结果加上常数3.005，并将该结果r0保存到寄存器中；
步骤S5，使用加法器，将前寄存器中保存的系数b0加上-m；
步骤S6，使用乘法器，将r0乘以步骤S5得到的结果；
步骤S7，使用加法器，将m加上步骤S6得到的结果，得到带通滤波器系数b，将系数b存入寄存器取代b0。
6.根据权利要求2所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述的根据时钟数baud_cnt计算RCH的频偏值bias时，采用滑动平均的方法。
7.根据权利要求6所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述的采用滑动平均的方法得到平均频偏bias_avg，计算方法如下：
其中，N为滑动窗口的长度，L为滑动窗口当前起始位置的坐标，biasi为滑动窗口内第i个频偏值。
8.根据权利要求3所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述的表示当前寄存器中保存的系数的值b0，其第一个初始值计算方法如下：
将带通滤波器的中心频率f0与系统频率fs代入到无频偏时的带通滤波器系数b计算公式，得到初始b0的值。
9.根据权利要求8所述的提高基波计量精度的装置，其特征在于，所述的带通滤波器的中心频率f0与系统频率fs，根据基波计量的实际环境进行预设。
10.一种提高基波计量精度的方法，采用上述提高基波计量精度的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用UART模块，通过波特率自适应方法，将发送一个码元所需的时钟数baud_cnt，发送给计算模块；
步骤2，计算模块计算所述基波计量装置中的带通滤波器系数b，并将该系数保存至寄存器；
步骤3，根据所述带通滤波器系数b对所述基波计量装置中的带通滤波器进行调整，并进行计量。
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