CN201191306Y - 采用频率跟踪采样电路的高精度电能表 - Google Patents

采用频率跟踪采样电路的高精度电能表 Download PDF

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CN201191306Y CNU2008200631475U CN200820063147U CN201191306Y CN 201191306 Y CN201191306 Y CN 201191306Y CN U2008200631475 U CNU2008200631475 U CN U2008200631475U CN 200820063147 U CN200820063147 U CN 200820063147U CN 201191306 Y CN201191306 Y CN 201191306Y
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Abstract

本实用新型采用频率跟踪采样电路的高精度电能表,包括带微处理器的功能处理电路,分别与功能处理电路连接的时钟电路、存储电路、显示电路、通讯电路,其特征是有与功能处理电路连接的频率跟踪采样电路,频率跟踪采样电路中有过零信号采样电路,AD采样电路,分别与过零信号采样电路、AD采样电路、功能处理电路连接的信号处理与电信号周期测量电路。本实用新型高性能(特别是误差性能)、多功能(实现谐波分析、无功的Hilbert变换算法等)、低成本。

Description

采用频率跟踪采样电路的高精度电能表
技术领域:
本实用新型与高精度电能表有关,特别与采用频率跟踪采样电路的 高精度电能表有关。 背景技术:
由于高精度电能表对测量误差性能的要求特别高,特殊的采样技术 和信号处理技术在设计中显得十分重要。
高精度电能表频率跟踪采样技术是针对0.2S级及以上的安装式高 精度电能表采用的信号采集技术,这些信号包括电压信号和电流信号, 而且这种电能表除了具有测量基本电气参数如电能、功率、电压、电流 等外,还应具有谐波分析功能。所以它们对信号采集技术的要求很高, 例如要求进行高速高分辨率采样,而且还要求是频率跟踪同步采样。
由于电能表需要采集的电压、电流信号的频率是变化的,为了满足 电信号处理算法的需要,采样不应是等时间间隔采样(等时间间隔采样 在频率变化时会产生同步误差),而是等角度采样(电信号是频率在变 化的周期信号,为了提高离散数据处理的计算精度,需要每周期的采样 点数相同,都为N。如果把一个周期分成360度,那么采样间隔就是 360/N,尽管信号的周期在变化,但采样间隔的角度是不变的,所以是 等角度采样),我们称为频率跟踪采样或同步采样。在设计高精度电能 表时,除了要采用高速高分辨率采样芯片外,为了实现等角度采样,还 需要精确地同步测量到信号的周期,而且还要求A/D采样的频率能控制,
如果直接采用高速高分辨率且采样间隔可控的AD采样芯片,则价格十 分昂贵,这在硬件上就有比较大的开销。
目前出现了一种准同步算法。准同步算法使用的是等时间间隔采 样,即准同步采样,这样就避开了同步采样的硬件开销,但是准同步采 样算法的计算量约为同步采样算法的nxN倍,而且采样数据的存储量也 是同步采样算法的n倍(n为准同步算法的迭代次数,N为每周期的采 样点数),这样就限制了电能表功能的开发。 实用新型内容:
本实用新型的目的是为了克服以上不足,提供一种高性能(特别是 误差性能)、多功能(实现谐波分析、无功的Hilbert变换算法等)、低 成本的采用频率跟踪采样电路的高精度电能表。
本实用新型的目的是这样来实现的:
本实用新型采用频率跟踪采样电路的高精度电能表,包括功能处理 电路,分别与功能处理电路连接的时钟电路、存储电路、显示电路、通 讯电路,其特征在于有与功能处理电路连接的频率跟踪采样电路,频率 跟踪采样电路中有过零信号采样电路,AD采样电路,分别与过零信号采 样电路、AD采样电路、功能处理电路连接的信号处理与电信号周期测量 电路,AD采样电路的前端有信号调理电路对电能表的输入信号(电压信 号)和电流信号进行调理,使之满足采样电路对输入信号的要求;采样 电路完成信号采样;信号处理与电信号周期测量电路(DSP)完成采样 数据处理与电量参数计算,并与过零信号采样电路一起完成电信号周期 的测量以实现频率跟踪,计量电路之处理结果(有功电能、无功电能、 电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、谐波分析等)通过串 口通讯线TXD、 RXD送往功能处理电路使用,微处理器是功能处理电路 的核心器件,它的主要作用是完成电能表控制软件的运行,并与外部设 备和其它器件迸行通讯和数据交换,存储电路是计算数据的存储的地 方,显示电路是用于显示各种数据的人机交互的界面,时钟电路是电能 表的时间来源,通讯电路用以实现电能表与外部的数据通讯。
上述的信号处理与电信号周期测量电路中有有选通信号SFA、 SFB、 SFC的信号处理与电信号周期测量芯片DSP,信号处理与电信号周期测 量芯片DSP的81、 82脚分别与功能处理电路中的微处理器的31、 32脚 连接,过零信号采样电路中有分别对A、 B、 C三相电压分压的A相分压 器,B相分压器、C相分压器,分别与A、 B、 C相分压器连接的A相低 通滤波器、B相低通滤波器、C相低通滤波器,分别与A、 B、 C相低通 滤波器连接的A相比较器U2A、 B相比较器U2B、 C相比较器U2C,分别 与A、 B、 C相比较器连接的A相选通门U3A、 B相选通门U3B、 C相选通 门U3C, A、 B、 C相选通门分别通过选通控制信号SFA、 FSB、 SFC与信 号处理与电信号周期测量电路的35、 36、 37脚连接,AD采样电路中有 对A、 B、 C三相电压和三相电流信号采样的6通道采样芯片U1。
上述的A相分压器由依次串联的电阻R14、 R16、 R18、 R24组成,B 相分压器由依次串联的电阻R15、 R17、 R19、 R25组成,C相分压器由依 次串联的电阻R21、 R22、 R23、 R26组成,A相低通滤波器由并联的R27、 C7组成,B相低通滤波器由并联的、R28、 C8组成,C相低通滤波器由 并联的R29、 C9组成,电信号过零信号采样使用的是电压信号,因为电 压信号中高频成分少,对过零信号的提取干扰较小,而且在A、 B、 C相 电压中同时提取,以便在三相电压中的一相或两相断电时仍能测量。图 中R14、 R16、 R18和R24组成A相分压器对A相电压分压,从R24上取 电压后经一 RC低通滤波器(R27和C7)送至比较器(运算放大器TL064) 来提取电信号的过零信号,比较器输入端前面的RC低通滤波器是为了 防止电压信号中的高频分量干扰过零信号的提取,滤波器的截止频率 fc=80Hz,滤波器的参数为R27二1MQ, C7二2nF;同样在B相电压和C相 电压中也提取了电信号的过零信号,A、 B、 C三相的过零信号通过选通 门74HC125选择其中没有断电的一个,选通控制信号SFA、 FSB、 SFC由 DSP芯片给出,最后输出过零信号FREQ送至DSP芯片(BF532)的计时 器,用来控制计时器(实际为计数器)对脉冲发生器送来的脉沖个数的 计数开始和结束。脉冲发生器用来产生高频脉冲,脉冲的频率越高,脉 冲间隔就越小,那么测量的电信号周期就越精确,当计时器在过零信号 的控制下记录下两个过零信号间的脉冲个数,这个脉冲个数就代表了电 压信号的周期。即,设脉冲间隔为T,计时器测得两个过零信号间的脉 冲个数为m,那么电信号的周期为7 =附",使用的是16.384MHz的脉冲 发生器,32位的计时器,AD采样电路是一个6通道的AD采样芯片,用 以对A、 B、 C三相电压和三相电流信号采样,采样控制信号来自DSP芯 片,采样结果也送至DSP芯片进行处理。
上述的A、 B、 C相比较器U2A、 U2B、 U2C分别采用型号为TL064的 运算放大器,A、 B、 C相选通门U3A、 U3B、 U3C分别采用型号为74HC125 的选通门,信号处理与电信号周期测量芯片DSP采用型号为BF532的计 时器,6通道采样芯片Ul采用型号为AD73360LAR的AD采样芯片,电能 表主要完成单相用户的用电量参数计量,并具有分时计量、显示、通讯、 存储、时钟等功能,而最关键的工作是准确计量,有功用电量计量的输 入信号是进入用户的电压信号u和电流信号i,电能表通过信号调理电 路对输入信号进行调理,使之转换成采样芯片要求的形式,然后送至以
采样电路进行采样,采样结果送至数据处理电路(DSP)进行处理和电
量参数计算,采样芯片AD73360LAR和DSP芯片BF532是采样和计量电 路的核心,计量电路的计量结果是各种电量参数,输出至以微处理器 (CPU)为核心的功能处理电路,功能处理电路在时钟电路、数据存储 电路、LCD显示电路、和通讯电路等的支持下完成分时计量、显示、通 讯、存储等功能。
本实用新型高精度电能表,其测得的周期最大误差为0.0625uS, 电压、电流、和有功功率的相对误差均小于0.05%,有功功率测量跳差 小于0. 015%,同时,在使用与普通0. 5级多功能电能表相似的硬件资源 条件下,实现了全部多功能电能表的功能和谐波分析功能,并且可使用 Hilbert变换计算无功功率。这些功能是采用准同步采样算法的高精度 电能表无法实现的,本实用新型电能表的其它性能全部满足国标GB/T 17883-1999《0. 2S级和0. 5S级静止式交流有功电度表》的要求。 附图说明-
图l为本实新用型电路框图。
图2为过零信号采样电路图。
图3为信号处理与电信号周期测量电路图。
图4为AD采样电路图。
图5为采样数据对比图。 具体实施方式:
参见图1,本实用新型采用频率跟踪采样电路的高精度电能表,包 括型号为PIC18LF6621的微处理器的功能处理电路,分别与功能处理电 路连接的时钟电路、存储电路、显示电路、通讯电路,有与功能处理电 路连接的频率跟踪采样电路,频率跟踪采样电路中有过零信号采样电路 6。 AD采样电路,分别与过零信号采样电路、AD采样电路、功能处理电 路连接的信号处理与电信号周期测量电路。
参见图2〜图4,信号处理与电信号周期测量电路中有有选通信号 SFA、 SFB、 SFC的信号处理与电信号周期测量芯片DSP。信号处理与电 信号周期测量芯片DSP的81、 82脚分别与功能处理电路中的微处理器 的31、 32脚连接,过零信号采样电路中有分别对A、 B、 C三相电压分 压的A相分压器,B相分压器、C相分压器,分别与A、 B、 C相分压器 连接的A相低通滤波器、B相低通滤波器、C相低通滤波器,分别与A、
B、 C相低通滤波器连接的A相比较器U2A、 B相比较器U2B、 C相比较器 U2C,分别与A、 B、 C相比较器连接的A相选通门U3A、 B相选通门U3B、 C相选通门U3C, A、 B、 C相选通门分别通过选通控制信号SFA、 FSB、 SFC与信号处理与电信号周期测量电路的35、 36、 37脚连接,AD采样 电路中有对A、 B、 C三相电压和相电流信号采样的6通道采样芯片U1。
上述的A相分压器由依次串联的电阻R14、 R16、 R18、 R24组成,B 相分压器由依次串联的电阻R15、 R17、 R19、 R25组成,C相分压器由依 次串联的电阻R21、 R22、 R23、 R26组成,A相低通滤波器由并联的R27、 C7组成,B相低通滤波器由并联的R28、 C8组成,C相低通滤波器由并 联的R29、 C9组成。 '
上述的A、 B、 C相比较器U2A、 U2B、 U2C分别采用型号为TL064的 运算放大器,A、 B、 C相选通门U3A、 U3B、 U3C分别采用型号为74HC125 的选通门,信号处理与电信号周期测量芯片DSP采用型号为BF532的计 时器,6通道采样芯片Ul釆用型号为AD73360L.AR的AD采样芯片。
本实用新型电能表采用的是频率跟踪采样或同步采样,但使用的是 非同步的低成本的频率固定的采样芯片。是在固定频率采样的同时准确 测量电信号周期,之后用二次抽样来实现同步采样,详细描述如下:
1)同步测量电信号的周期(时间)
测量电路如图1和图2。电信号周期的测量是通过提取了电信号的 过零信号来进行。使用的电信号是电压信号,因为电压信号中高频成分 少,对过零信号的提取干扰较小,而且在A、 B、 C相电压中同时提取, 以便在三相电压中的一相或两相断电时仍能测量。图中R14、 R16、 R18 和R24组成一分压器对A相电压分压,从K24上取电压后经-- RC低通 滤波器(R27和C7)送至比较器(运算放大器TL064)来提取电信号的 过零信号;同样在B相电压和C相电压中也提取了电信号的过零信号, A、 B、 C三相的过零信号通过选通门74HC125选择其中没有断电的一个。 过零信号送至计时器用来控制计时器(实际为计数器)对脉冲发生器送 来的脉冲个数的计数开始和结束。脉冲发生器用来产生高频脉冲,脉冲 的频率越高,脉冲间隔就越小,那么测量的电信号周期就越精确。当计 时器在过零信号的控制下记录下两个过零信号间的脉冲个数,这个脉冲 个数就代表了电压信号的周期。即,设脉冲间隔为T,计时器测得两个 过零信号间的脉冲个数为m,那么电信号的周期就为r-附"。我们使用 的是16. 384MHz的脉冲发生器,32位的计时器。
比较器输入端前面的RC低通滤波器是为了防止电压信号中的高频 分量干扰过零信号的提取。滤波器的截止频率f。=80Hz,滤波器的参数 为R-1MQ, C=2nF。这样测量的电信号周期是很精确的,最大误差为1 个脉冲间隔,即1/16384000=0. 0610 uS,相对误差最大为 0. 0610/20000=0. 000305%。
2)等时间间隔采样实现等角度采样
使用价格低廉的采样间隔不可控的A/D采样芯片来实现等角度采样 的原理如下(电路图见图3):
a) 首先用采样时间间隔固定的A/D芯片采样,采得的是一组具有 固定时间间隔t(,的离散数据。
b) 根据频率跟踪测量电路测得的电网周期T和预先设定的每周 期采样点数N计算下一周期应有的采样时间间隔t,二T/N。
c) 以t,为间隔在采得的离散数据中用线性插值的方法进行二次 抽样,得到的数据就是需要的等角度采样数据。
参见图5,用线性插值进行二次抽样的计算式为: Y=Y0+ (x-x0) (Yl-Y0) / (xl-x0)
式中Y为我们需要的等角度采样数据,Y0、 Yl为相邻的固定时间间 隔采样数据,x0、 xl为相邻的固定间隔采样的时间,x为根据测得的电 网周期算出的等角度采样时间。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明,但不应将此理 解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现 的技术均属于本发明的范围。

Claims (4)

1、采用频率跟踪采样电路的高精度电能表,包括带微处理器的功能处理电路,分别与功能处理电路连接的时钟电路、存储电路、显示电路、通讯电路,其特征在于有与功能处理电路连接的频率跟踪采样电路,频率跟踪采样电路中有过零信号采样电路,AD采样电路,分别与过零信号采样电路、AD采样电路、功能处理电路连接的信号处理与电信号周期测量电路。
2、 如权利要求1所述的采用频率跟踪采样电路的高精度电能表, 其特征在于信号处理与电信号周期测量电路中有有选通信号SFA、 SFB、 SFC的信号处理与电信号周期测量芯片DSP,信号处理与电信号周期测 量芯片DSP的81、 82脚分别与功能处理电路中的微处理器的31、 32脚 连接,过零信号采样电路中有分别对A、 B、 C三相电压分压的A相分压 器、B相分压器、C相分压器,分别与A、 B、 C相分压器连接的A相低 通滤波器、B相低通滤波器、C相低通滤波器,分别与A、 B、 C相低通 滤波器连接的A相比较器U2A、 B相比较器U2B、 C相比较器U2C,分别 与A、 B、 C相比较器连接的A相选通门U3A、 B相选通门U3B、 C相选通 门U3C, A、 B、 C相选通门分别通过选通控制信号SFA、 FSB、 SFC与信 号处理与电信号周期测量电路的35、 36、 37脚连接,AD采样电路中有 对A、 B、 C三相电压和三相电流信号采样的6通道采样芯片U1。
3、 如权利要求2所述的采用频率跟踪采样电路的高精度电能表, 其特征在于A相分压器由依次串联的电阻R14、 R16、 R18、 R24组成,B 相分压器由依次串联的电阻R15、 R17、 R19、 R25组成,C相分压器由依 次串联的电阻R21、 R22、 R23、 R26组成,A相低通滤波器由并联的R27、 C7组成,B相低通滤波器由并联的R28、 C8组成,C相低通滤波器由并 联的R29、 C9组成。
4、 如权利要求2或3所述的采用频率跟踪采样电路的高精度电能 表,其特征在于A、 B、 C相比较器U2A、 U2B、 U2C分别采用型号为TL064 的运算放大器,A、 B、 C相选通门U3A、 U3B、 U3C分别采用型号为74HC125 的选通门,信号处理与电信号周期测量芯片DSP采用型号为BF532的计 时器,6通道采样芯片Ul采用型号为AD73360LAR的AD采样芯片。
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