CN117907924A - 一种具有自校准功能的广域计量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于广域计量技术领域，具体涉及一种具有自校准功能的广域计量装置及其测量方法，包括CPU模块、信号切换模块、信号调理模块、A/D采集模块、脉冲捕捉模块、自校准模块、人机交互模块、通信接口、校验脉冲输出接口和RAM模块，CPU模块通过A/D采集模块与信号调理模块电性连接，信号调理模块与信号切换模块电性连接，脉冲捕捉模块和自校准模块均电性连接在信号切换模块上，人机交互模块、通信接口和校验脉冲输出接口均电性连接在CPU模块上。本发明通过模块化设计，赋予了广域计量装置高度的灵活性和扩展性。本发明可同时对N个关口电能表进行在线校准，并可实现电能质量在线监测和多路高频同步采集。
Description
技术领域
本发明属于广域计量技术领域，具体涉及一种具有自校准功能的广域计量装置及其测量方法。
背景技术
关口电能表是指安装运行在发电企业上网、跨区联络线、省网联络线及省内供电等关口的电能表，用于贸易结算和内部经济指标的考核，在整个电网的电能计量中起着重要作用，有必要保障关口电能表运行状态的正常、稳定。
现有技术中，对于电能表的校验，通常采用离线方式进行，无法实时监测和校验，且操作复杂，效率低下。同时，对于电能质量的监测，也缺乏有效的在线监测手段。此外，缺乏一种能够实现多路高频同步采集的装置，无法满足大规模、高效率的电能管理需求。
发明内容
针对上述对于电能表的校验无法实时监测和校验，且操作复杂，效率低下的技术问题，本发明提供了一种具有自校准功能的广域计量装置及其测量方法，可同步对N个关口电能表进行在线校验，并可实现电能质量在线监测和多路高频同步采集。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种具有自校准功能的广域计量装置，包括CPU模块、信号切换模块、信号调理模块、A/D采集模块、脉冲捕捉模块、自校准模块、人机交互模块、通信接口、校验脉冲输出接口和RAM模块，所述CPU模块通过A/D采集模块与信号调理模块电性连接，所述信号调理模块与信号切换模块电性连接，所述脉冲捕捉模块电性连接在CPU模块上，所述自校准模块电性连接在信号切换模块上，所述人机交互模块、通信接口和校验脉冲输出接口均电性连接在CPU模块上，所述RAM模块与CPU模块电性连接。
所述CPU模块包括第一CPU处理单元和第二CPU处理单元，所述A/D采集模块的输出端通过数据总线与第一CPU处理单元电性连接，所述脉冲捕捉模块与第一CPU处理单元电性连接，所述第一CPU处理单元通过RAM模块与第二CPU处理单元电性连接，所述第二CPU处理单元分别与人机交互模块、通信接口、校验脉冲输出接口电性连接，所述第二CPU处理单元与信号切换模块电性连接。
所述通信接口与远程主站通信连接，所述校验脉冲输出接口输出标准电能脉冲的接口，用于校准用途。
一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，包括下列步骤：
S1、信号切换模块通过电压测试线和电流钳采集互感器二次侧接入电能表的电压信号和电流信号，将电压电流信号通过信号调理模块和A/D采集模块的处理转换成弱电压弱电流信号；同时脉冲捕捉模块采集关口电能表输出的电能脉冲信号，所述电能脉冲信号发送至第一CPU处理单元；第一CPU处理单元将采集的电压信号和电流信号计算出标准的电能脉冲信号，对输出的电能脉冲信号进行对比计算；
S2、第一CPU处理单元通过电压信号和电流信号计算实时电能信号和标准的电能脉冲信号，并存入RAM模块中，第一CPU处理单元通过脉冲捕捉模块采集关口电能表输出的电能脉冲信号，并存入RAM模块中，同时第二CPU处理单元通过读取RAM模块的值，对标准的电能脉冲信号和采集的关口电能表输出的电能脉冲信号进行对比计算；同时第二CPU处理单元控制信号切换模块的开启；
S3、广域计量装置上电时自动唤醒自校准模块，进行自校准检查，自校准确认无误，装置进行电能表的实时在线监测，此后第二CPU处理单元按照预先设定的时间间隔T启动自校准模块，自校准模块内置标准信号源产生标准的电压电流信号，信号切换模块采集标准的电压电流信号和接入电能表的N路电压电流信号，信号混合输出至信号调理模块进行噪声过滤及增益放大处理，对处理后的信号进行A/D采集，第一CPU处理单元将采样的A/D数据存入RAM模块中，第二CPU处理单元读取RAM模块的值运行自校准算法进行计算，从而实现实时自校准。
所述S3中自校准模块的自校准方法为：
S3.1、标准信号源产生标准电压电流信号：自校准模块内部配置了一个标准信号源，该信号源能够产生标准的电压和电流信号，所述电压和电流信号的幅度、频率和波形的参数都是已知和可控的；
S3.2、信号切换模块采集信号：信号切换模块具有多个输入通道，采集的信号为标准的电压电流信号以及接入电能表的N路电压电流信号之和，所述标准的电压电流信号为第一参考信号，所述N路电压电流信号为第一负载信号；
S3.3、信号调理模块处理信号：信号调理模块对采集的混合信号进行处理，包括噪声过滤和增益放大；
S3.4、A/D采集与处理；
S3.5、第二CPU处理单元进行自校准算法计算；
S3.6、进行实时自校准。
所述S3.4中A/D采集与处理的方法为：A/D采集模块将经过调理的模拟信号转换为数字信号；第一CPU处理单元接收所述数字信号，并将所述数字信号存储在RAM模块中。
所述S3.5中第二CPU处理单元进行自校准算法计算的方法为：
第二CPU处理单元从RAM中读取数字信号，并进行信号分离处理，获取第二参考信号和第二负载信号；信号分离处理包括：
在时域上，在开始接入第一负载信号之前，利用标准信号源首先向采样通道输入第一参考信号，控制调节标准信号源可以获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，通道中第一参考信号经过AD采样并存储在寄存器后得到一串数字信号序列，所述数字信号序列为第二参考信号对应的序列；当正常测量采样第一负载信号时，在规定时刻启动注入第一参考信号，通过输出的包括叠加信号的数字信号的每个信号量减去对应的储存值，得到第二负载信号；或在频域上，将这些数字信号进行带阻滤波处理，并对经过带阻滤波滤处理后输出的信号进行移相，以获取第二负载信号；
通过在接入第一负载信号之前，利用标准信号源向采样通道注入第一参考信号，控制调节标准信号源获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，设计带通滤波器的系数，对数字信号进行信号分离处理、卷积运算，获取第二参考信号；
根据第一参考信号和第二参考信号确定测量回路的整体增益，并根据测量回路的整体增益和第二负载信号进行第一负载信号的还原；
根据测量回路的整体增益确定广域计量装置的实时误差，根据测量回路的整体增益对广域计量装置进行自校准。
所述S3.6中进行实时自校准的方法为：完成自校准算法计算，第二CPU处理单元将结果存储在RAM模块中，并实时更新显示界面，告知用户当前的自校准状态和误差值；如果发现误差超出了预设的阈值，装置会发出报警，提醒用户对装置进行必要的调整或维修。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明通过模块化设计，赋予了广域计量装置高度的灵活性和扩展性。本发明可同时对N个关口电能表进行在线校准，并可实现电能质量在线监测和多路高频同步采集。同时本发明的自校准方法集成在广域计量装置中，将已知的参考信号注入装置，并确保该参考信号与被检测的负载信号沿着相同的路径传播。通过持续监控该信号路径的反馈，系统能够实时了解信号的变化。根据测量回路的整体增益对广域计量装置进行自校准。自校准功能提升了装置的精度，极大减少了人工干预和误差的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的结构框图。
其中：1为CPU模块，101为第一CPU处理单元，102为第二CPU处理单元，2为信号切换模块，3为信号调理模块，4为A/D采集模块，5为脉冲捕捉模块，6为自校准模块，7为人机交互模块，8为通信接口，9为校验脉冲输出接口，10为RAM模块。
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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1所示，包括CPU模块1、信号切换模块2、信号调理模块3、A/D采集模块4、脉冲捕捉模块5、自校准模块6、人机交互模块7、通信接口8、校验脉冲输出接口9和RAM模块10，CPU模块1通过A/D采集模块4与信号调理模块3电性连接，信号调理模块3与信号切换模块2电性连接，脉冲捕捉模块5电性连接在CPU模块1上，所述自校准模块6电性连接在信号切换模块2上，人机交互模块7、通信接口8和校验脉冲输出接口9均电性连接在CPU模块1上，RAM模块10与CPU模块1电性连接。
进一步，CPU模块1包括第一CPU处理单元101和第二CPU处理单元102，A/D采集模块4的输出端通过数据总线与第一CPU处理单元101电性连接，脉冲捕捉模块5与第一CPU处理单元101电性连接，第一CPU处理单元101通过RAM模块10与第二CPU处理单元102电性连接，第二CPU处理单元102分别与人机交互模块7、通信接口8、校验脉冲输出接口9电性连接，第二CPU处理单元102与信号切换模块2电性连接。
进一步，通信接口8与远程主站通信连接，校验脉冲输出接口9输出标准电能脉冲的接口，用于校准用途。
广域计量装置可同步对N个关口电能表进行在线校验。工作原理如下：信号切换模块通过电压测试线和电流钳采集互感器二次侧接入电能表的电压信号和电流信号，将采集的电压电流信号通过信号调理模块和A/D采集模块的处理转换成符合电路要求的弱电压弱电流信号。同时，广域计量装置的脉冲捕捉模块还采集关口电能表输出的电能脉冲信号。采集的信号发送至CPU处理单元1。处理CPU单元1将采集的电压信号和电流信号计算出标准的电能脉冲信号，对标准的电能脉冲信号和采集的关口电能表输出的电能脉冲信号进行对比计算，得出一个百分数形式的瞬时电能误差值并进行存储和显示，实现多路电能表在线校验。
第一CPU处理单元101通过AD采集模块4将采集的电压信号和电流信号计算实时电能信号和标准的电能脉冲信号存入RAM模块10中，CPU处理单元1通过脉冲捕捉模块5采集关口电能表输出的电能脉冲信号存入RAM模块10中，同时，第二CPU处理单元102通过读取RAM模块10的值，对标准的电能脉冲信号和采集的关口电能表输出的电能脉冲信号进行对比计算，得出一个百分数形式的瞬时电能误差值并进行存储和显示，实现多路电能表在线校验。同时第二CPU处理单元102控制信号切换模块的开启。
广域计量装置上电时自动唤醒自校准模块6，进行自校准检查，自校准确认无误，装置进行电能表的实时在线监测，此后装置的第二CPU处理单元102按照预先设定的时间间隔T启动自校准模块6，自校准模块6内置标准信号源产生标准的电压电流信号，信号切换模块2同时采集标准的电压电流信号和接入电能表的N路电压电流信号，信号混合输出至信号调理模块3进行噪声过滤及增益放大处理，以及对处理后的信号进行A/D采集，第一CPU处理单元101通过AD采集模块4将采样的A/D数据存入RAM模块10中，第二CPU处理单元102读取RAM模块10的值运行自校准算法进行计算，从而实现实时自校准。
自校准过程是广域计量装置的一个重要组成部分，用于确保装置的准确性和可靠性。自校准模块6的实现过程：
1、标准信号源产生标准电压电流信号：
自校准模块6内部配置了一个标准信号源，该信号源能够产生标准的电压和电流信号。这些信号的幅度、频率和波形等参数都是已知和可控的，以确保其准确性。
2、信号切换模块2采集信号：
信号切换模块2具有多个输入通道，采集的信号为标准的电压电流信号(第一参考信号)以及接入电能表的N路电压电流信号(第一负载信号)之和。
3、信号调理模块3处理信号：
信号调理模块3对采集的混合信号进行必要的处理，包括噪声过滤和增益放大，确保采集的信号质量，减少外部干扰和其他不利因素的影响。
4、A/D采集与处理：
A/D采集模块4将经过调理的模拟信号转换为数字信号，供后续处理使用。
第一CPU处理单元101通过AD采集模块4接收这些数字信号，并将它们存储在RAM模块10中。这样做的目的是为了快速读取和处理这些数据。
5、第二CPU处理单元102进行自校准算法计算：
第二CPU处理单元102从RAM模块10中读取这些数字信号，并进行信号分离处理，获取第二参考信号和第二负载信号。信号分离处理包括：
在时域上，在开始接入第一负载信号之前，利用标准信号源首先向采样通道输入第一参考信号，控制调节标准信号源可以获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，通道中第一参考信号经过AD采样并存储在寄存器后即可以得到一串数字信号序列(即第二参考信号对应的序列)。当正常测量采样第一负载信号时，在规定时刻启动注入第一参考信号，通过输出的包括叠加信号的数字信号的每个信号量减去对应的储存值，即可得到第二负载信号。或在频域上，将这些数字信号进行带阻滤波处理，并对经过带阻滤波滤处理后输出的信号进行移相，以获取第二负载信号；
通过在接入第一负载信号之前，利用标准信号源向采样通道注入第一参考信号，控制调节标准信号源获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，设计带通滤波器的系数，对这些数字信号进行信号分离处理，卷积运算，获取第二参考信号；
根据第一参考信号和第二参考信号确定测量回路的整体增益，并根据测量回路的整体增益和第二负载信号进行第一负载信号的还原。
根据测量回路的整体增益确定广域计量装置的实时误差，根据测量回路的整体增益对广域计量装置进行自校准。
6、实时自校准的实现：
一旦完成计算，第二CPU处理单元102将结果存储在RAM模块10中，并实时更新显示界面，告知用户当前的自校准状态和误差值。
如果发现误差超出了预设的阈值，装置会发出报警，提醒用户对装置进行必要的调整或维修。
通过上述的自校准过程，广域计量装置能够确保自身的准确性和可靠性，为多路电能表的在线校验提供有力的支持。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有自校准功能的广域计量装置，其特征在于：包括CPU模块(1)、信号切换模块(2)、信号调理模块(3)、A/D采集模块(4)、脉冲捕捉模块(5)、自校准模块(6)、人机交互模块(7)、通信接口(8)、校验脉冲输出接口(9)和RAM模块(10)，所述CPU模块(1)通过A/D采集模块(4)与信号调理模块(3)电性连接，所述信号调理模块(3)与信号切换模块(2)电性连接，所述脉冲捕捉模块(5)电性连接在CPU模块(1)上，所述自校准模块(6)电性连接在信号切换模块(2)上，所述人机交互模块(7)、通信接口(8)和校验脉冲输出接口(9)均电性连接在CPU模块(1)上，所述RAM模块(10)与CPU模块(1)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的广域计量装置，其特征在于：所述CPU模块(1)包括第一CPU处理单元(101)和第二CPU处理单元(102)，所述A/D采集模块(4)的输出端通过数据总线与第一CPU处理单元(101)电性连接，所述脉冲捕捉模块(5)与第一CPU处理单元(101)电性连接，所述第一CPU处理单元(101)通过RAM模块(10)与第二CPU处理单元(102)电性连接，所述第二CPU处理单元(102)分别与人机交互模块(7)、通信接口(8)、校验脉冲输出接口(9)电性连接，所述第二CPU处理单元(102)与信号切换模块(2)电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的广域计量装置，其特征在于：所述通信接口(8)与远程主站通信连接，所述校验脉冲输出接口(9)输出标准电能脉冲的接口，用于校准用途。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、信号切换模块通过电压测试线和电流钳采集互感器二次侧接入电能表的电压信号和电流信号，将电压电流信号通过信号调理模块和A/D采集模块的处理转换成弱电压弱电流信号；同时脉冲捕捉模块采集关口电能表输出的电能脉冲信号，所述电能脉冲信号发送至第一CPU处理单元；第一CPU处理单元将采集的电压信号和电流信号计算出标准的电能脉冲信号，对输出的电能脉冲信号进行对比计算；
S2、第一CPU处理单元通过电压信号和电流信号计算实时电能信号和标准的电能脉冲信号，并存入RAM模块中，第一CPU处理单元通过脉冲捕捉模块采集关口电能表输出的电能脉冲信号，并存入RAM模块中，同时第二CPU处理单元通过读取RAM模块的值，对标准的电能脉冲信号和采集的关口电能表输出的电能脉冲信号进行对比计算；同时第二CPU处理单元控制信号切换模块的开启；
S3、广域计量装置上电时自动唤醒自校准模块，进行自校准检查，自校准确认无误，装置进行电能表的实时在线监测，此后第二CPU处理单元按照预先设定的时间间隔T启动自校准模块，自校准模块内置标准信号源产生标准的电压电流信号，信号切换模块采集标准的电压电流信号和接入电能表的N路电压电流信号，信号混合输出至信号调理模块进行噪声过滤及增益放大处理，对处理后的信号进行A/D采集，第一CPU处理单元将采样的A/D数据存入RAM模块中，第二CPU处理单元读取RAM模块的值运行自校准算法进行计算，从而实现实时自校准。
5.根据权利要求4所述的一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，其特征在于：所述S3中自校准模块的自校准方法为：
S3.1、标准信号源产生标准电压电流信号：自校准模块内部配置了一个标准信号源，该信号源能够产生标准的电压和电流信号，所述电压和电流信号的幅度、频率和波形的参数都是已知和可控的；
S3.2、信号切换模块采集信号：信号切换模块具有多个输入通道，采集的信号为标准的电压电流信号以及接入电能表的N路电压电流信号之和，所述标准的电压电流信号为第一参考信号，所述N路电压电流信号为第一负载信号；
S3.3、信号调理模块处理信号：信号调理模块对采集的混合信号进行处理，包括噪声过滤和增益放大；
S3.4、A/D采集与处理；
S3.5、第二CPU处理单元进行自校准算法计算；
S3.6、进行实时自校准。
6.根据权利要求5所述的一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，其特征在于：所述S3.4中A/D采集与处理的方法为：A/D采集模块将经过调理的模拟信号转换为数字信号；第一CPU处理单元接收所述数字信号，并将所述数字信号存储在RAM模块中。
7.根据权利要求5所述的一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，其特征在于：所述S3.5中第二CPU处理单元进行自校准算法计算的方法为：
第二CPU处理单元从RAM中读取数字信号，并进行信号分离处理，获取第二参考信号和第二负载信号；信号分离处理包括：
在时域上，在开始接入第一负载信号之前，利用标准信号源首先向采样通道输入第一参考信号，控制调节标准信号源可以获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，通道中第一参考信号经过AD采样并存储在寄存器后得到一串数字信号序列，所述数字信号序列为第二参考信号对应的序列；当正常测量采样第一负载信号时，在规定时刻启动注入第一参考信号，通过输出的包括叠加信号的数字信号的每个信号量减去对应的储存值，得到第二负载信号；或在频域上，将这些数字信号进行带阻滤波处理，并对经过带阻滤波滤处理后输出的信号进行移相，以获取第二负载信号；
通过在接入第一负载信号之前，利用标准信号源向采样通道注入第一参考信号，控制调节标准信号源获得第一参考信号的幅值信息、频率信息和相位信息，设计带通滤波器的系数，对数字信号进行信号分离处理、卷积运算，获取第二参考信号；
根据第一参考信号和第二参考信号确定测量回路的整体增益，并根据测量回路的整体增益和第二负载信号进行第一负载信号的还原；
根据测量回路的整体增益确定广域计量装置的实时误差，根据测量回路的整体增益对广域计量装置进行自校准。
8.根据权利要求5所述的一种具有自校准功能的广域计量装置的测量方法，其特征在于：所述S3.6中进行实时自校准的方法为：完成自校准算法计算，第二CPU处理单元将结果存储在RAM模块中，并实时更新显示界面，告知用户当前的自校准状态和误差值；如果发现误差超出了预设的阈值，装置会发出报警，提醒用户对装置进行必要的调整或维修。
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- 2024-01-24 CN CN202410098018.3A patent/CN117907924B/zh active Active
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| CN117907924B (zh) | 2024-07-02 |
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