CN1888917A - 数值电能表的采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仪器仪表技术领域的数值电能表的采样方法，采用具有8个通道A/D转换的微处理器，电压互感器和电流互感器拾取的信号为交流电信号，交流电信号经过运算放大电路转化成0－5V的直流信号直接送往微处理器的A/D转换接口，其中，采用微处理器A/D转换器的直接存储器存取采样模式对电压信号和电流信号进行采样。本发明由于A/D转换造成的电压信号和电流信号之间的相位偏移极小，仅为2.57分，能够保证有用功率具有较高的精度。当采样三相三线电路时，DMA模式采样的顺序为u_AB、i_A、u_CB、i_C。本发明所采用的采样方法取代相关的硬件电路，使得成本降低。

Description

数值电能表的采样方法

技术领域

本发明涉及一种仪器仪表技术领域的方法，具体是一种降低电能表的硬件成本的数值电能表的采样方法。

背景技术

与机械式感应电能表相比，数字电能表具有精度高、使用方便、能够工作在恶劣的环境中、能与计算机远程通讯、便于管理等优点，逐渐代替机械式感应电能表。数字电能表以微处理器为核心，把电压信号和电流信号离散化，计算有用功率。无论对于单相电路还是三相电路，在计算功率时都要求不能改变电压信号与电流信号之间的相位关系，否则会造成功率计算的误差。而现有的A/D转换器和带有A/D转换的微处理器虽然有多个通道的A/D转换，但是实质上都只有一个A/D转换，由软件控制通过模拟开关在各个通道之间进行切换，分时转换。如果不采取适当的措施，A/D的转化时间(几十微妙到几百微妙)和转换结果的读取时间会造成电压信号与电流信号之间的相位偏移。

为了保证电压信号与电流信号的同步性，从现有的专利资料和文献看，主要通过硬件来解决这个问题。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为97100552.4的专利，该专利采用采样保持器LF398保证电流信号与电压信号的同步，由微处理器的I/O口(输入/输出口)控制LF398保持电流信号和电压信号在同一个时刻的值，用一个A/D转换器分时对保持的信号进行采样。这种方法能够保证电压和电流信号的完全同步，但是采样保持芯片LF398的成本相当高，对于低成本的电能表是不现实的，尤其对于实现多通道的数字电能表。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种降低数字电能表成本的数值电能表的采样方法，使其不需要采用背景技术中所提及的保证电压信号与电流信号之间相位关系所需要的硬件，而保证电压信号与电流信号的相位关系基本不变，以确保有用功率计算的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用具有8个通道A/D转换的微处理器，电压互感器和电流互感器拾取的信号为交流电信号，交流电信号经过运算放大电路转化成0-5V的直流信号直接送往微处理器的A/D转换接口，其中，采用微处理器A/D转换器的直接存储器存取采样模式对电压信号和电流信号进行采样。

为了保证电压信号与电流信号之间的相位关系，采用微处理器的DMA采样模式。微处理器的DMA采样模式在启动采样后不受CPU的控制，微处理器的A/D采样模块自动完成事前设定通道的采样，A/D转换的结果自动保存到外部数据存储器空间，不需要CPU花时间读取采样结果，从而可以消除由于读取采样结果产生的电压信号与电流信号之间的相位偏移。微处理器DMA采样模式的A/D转换率为420K，也就是A/D转换时间为2.38us。对于50Hz的工频电，A/D转换时间造成电压信号与电流信号的相位偏移极小，仅为2.57分，由于该方法消除了读取采样结果所花费的时间，所以此相位偏移值即为总的相位偏移值。

本发明的方法不需要更多的硬件资源，通过直接存储器存取采样方法和合理的采样顺序来保证电流和电压信号的同步。在保证电能测量精度的情况下，降低了数字电能表的成本，尤其是对于多通道的数字电能表。

附图说明

图1 DMA模式下外部数据存储器的初始化。

图2单相两线硬件框图，图中，1---电压互感器，2---电流互感器。

图3三相三线硬件框图，图中，3---电压互感器，4---电流互感器。

图4单相两线采样示意图，图中，5，5a---电压信号；6，6a---电流信号。

图5三相三线采样示意图，图中，7，7a----线A、线B之间的线电压信号uAB；8，8a---线A电流信号iA；9，9a----线C、线B之间的线电压信号uCB；10，10a---线C电流信号iC。

具体实施方式

下面以单相两线电路和三相三线电路为例，介绍本发明的具体实施过程。

目前，数字功率表计算功率，主要通过以下两个公式。

对于单相两线电路，有用功率的计算公式如下：

$P=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i*i_i$

式中u_i----电压信号瞬时值

    i_i----电流信号瞬时值

    N----一个周期内的采样点数

对于三相三线电路，当采用两瓦法测量功率时，有用计算功率如下：

$P=P1+P2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ABi}}{i}_{\mathrm{Ai}}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{CBi}}{i}_{\mathrm{Ci}}$

式中u_ABi----线A、线B之间的线电压

    u_CBi----线C、线B之间的线电压

    i_Ai----流过线A的电流

    i_Ci----流过线C的电流

从以上有用功率计算公式看，对于单相两线电路，要求电压信号与电流信号为同一时刻的瞬时值。对于三相三线电路，只需要求u_ABi和i_Ai、u_CBi和i_Ci为同一时刻的瞬时值即可，不需四个电信号为同一时刻。

对于三相三线电路，只要求u_ABi和i_Ai、u_CBi和i_Ci为同一时刻的瞬时值即可，所以在设定直接存储器存取采样顺序时，采样顺序为u_ABi、i_Ai、u_CBi、i_Ci。这样误差只来源于u_ABi和i_Ai、u_CBi和i_Ci之间的相位偏移。

在启动DMA采样前，必须要先对外部数据存储器进行初始化，装载电压信号和电流信号所在的A/D转换通道到外部数据存储器。图1(a)和图1(b)分别表示单相两线电路和三相三线电路时外部数据存储器的初始化。外部数据存储器奇数地址的高四位初始化为电压信号和电流信号所在的A/D转换通道。同时初始化DMA模式地址指针指向外部数据存储器空间。启动A/D转换后，转换的结果自动存放到外部数据存储器偶数地址和奇数地址的低四位。

如图2为单相两线的硬件框图，电压和电流信号分别经过电压互感器1和电流互感器2拾取后，送到由运算放大器组成的电压信号处理电路和电流信号处理电路，把交流信号变换成0-5V的直流信号。该直流信号不需采样保持电路，直接送到微处理器的A/D转换器。远程网络接口是电能表通过Internet和外界交换信息的接口电路。

图3为三相三线的硬件框图，采用两瓦法计算三相三线的有用功率。所以通过电压互感器3和电流互感器4分别拾取线A与线B之间电压信号u_AB、线A与线B之间u_CB、线A电流信号i_A和线C电流信号i_C，同样把转化后0-5V的直流信号直接送到微处理器的A/D转换器。

图4为硬件电路处理后单相两线电路的电压信号和电流信号，图4(b)为图4(a)中第一周波的放大。以电压信号5为基准，在电压信号5的第一个周波采样电压信号5和电流信号6的瞬时值，并保存采样的瞬时值到外部SRAM空间。在电压信号5的第二个周波到第N个周波之间根据采样的瞬时值计算有用功率并处理电能表与远程的通讯。整个的采样处理过程如下：

(1)初始化外部中断，硬件电路在电压信号过零(从负到正)时刻触发微处理器的外部中断，计数周波数；初始化微处理器的定时器，定时时间为图3中的ΔT时间，为自动重装载模式，定时到产生定时器中断；初始化微处理器的A/D转换，设定A/D转换为DMA模式，DMA模式下转换的顺序为电压信号5和电流信号6对应的A/D通道。

(2)当判断为第一个周波时，启动微处理器的定时器。定时时间到产生中断，定时器中断程序中启动DMA采样，对电压信号和电流信号进行采样，并自动保存采样值到外部SRAM空间。定时器重装载模式在第一个周波重复启动定时器，从而连续对电压和电流进行采样。

(3)当判断不是第一个周波时，根据采样的电压信号和电流信号瞬时值计算有用功率。

(4)重复上面的步骤(2)、(3)，循环计算有用功率，刷新有用功率显示。

图5为硬件处理后三相三线电路的电压信号和电流信号，图5(b)为图5(a)中第一周波的放大。与图4中的单相两线相比，由于三相三线采样两瓦法计算功率，所以多采样两个信号：线C和线B之间电压信号9、线C电流信号10。以线A和线B之间电压信号7为基准计算周波数。在设定A/D的DMA采样时，采样的顺序为线A和线B之间电压信号7、线A电流信号8、线C和线B之间电压信号9、线C电流信号10。

以上所述的微处理器，可以采用微处理器ADuC841，是美国Analog Device公司生产的8051内核的单片机，和普通的具有8051内核的微处理器相比，其具有以下特点：单周期指令，提高数据处理的速度；8路A/D转换具有DMA(直接存储器存取)采样模式。

所述的运算放大电路，可以采用TLC2274芯片，该芯片TI公司生产的四路高性能轨对轨运算放大器，具有低噪声、高输入阻抗，尤其适合处理电压互感器和电流互感器输出的小信号。

Claims (3)

1、一种数值电能表的采样方法，其特征在于：采用具有8个通道A/D转换的微处理器，电压互感器和电流互感器拾取的信号为交流电信号，交流电信号经过运算放大电路转化成0-5V的直流信号直接送往微处理器的A/D转换接口，其中，采用微处理器A/D转换器的直接存储器存取采样模式对电压信号和电流信号进行采样。

2、如权利要求1所述的数值电能表的采样方法，其特征是：所述的微处理器A/D转换器的直接存储器存取采样模式中，A/D采样模块自动完成事前设定通道的采样，A/D转换的结果自动保存到外部数据存储器空间，微处理器DMA采样模式的A/D转换率为420K。

3、如权利要求1或者2所述的数值电能表的采样方法，其特征是：当采样三相三线电流时，直接存储器存取模式采样的顺序为线A和线B之间的电压、线A的电流、线C和线B之间的电压、线C的电流。

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