CN201191306Y

CN201191306Y - 采用频率跟踪采样电路的高精度电能表

Info

Publication number: CN201191306Y
Application number: CNU2008200631475U
Authority: CN
Inventors: 姜君; 黄恭亮
Original assignee: Sichuan Aostar Shuda Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Aostar Shuda Electric Co Ltd
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-04-25

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n×N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进行通讯和数据交换，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f_c＝80Hz，滤波器的参数为R27＝1MΩ，C7＝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τ，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T＝m×τ，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U1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0.0625μS，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/T17883-1999《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1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U1采用型号为AD73360LAR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；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τ，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T＝m×τ。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_c＝80Hz，滤波器的参数为R＝1MΩ，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＝0.0610μS，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t₀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t₁＝T/N。

c)以t₁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)(Y1-Y0)/(x1-x0)

式中Y为我们需要的等角度采样数据，Y0、Y1为相邻的固定时间间隔采样数据，x0、x1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

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U1采用型号为AD73360LAR的AD采样芯片。