CN204679550U - 一种波动负荷下的电能精确计量装置 - Google Patents

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吴章宪
刘笑菲
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Abstract

本实用新型是一种波动负荷下的电能精确计量装置,主CPU单元连接数字信号处理芯片,数字信号处理芯片连接有电流通道AD采样芯片,电流通道AD采样芯片连接有零磁通电流互感器;主CPU单元还连接有显示单元;主CPU单元还连接两路RS485接口;主CPU单元还连接有用于参数保存的两片EEPROM芯片,主CPU单元还连接有用于储存非实时参数的外部FLASH单元。采用本实用新型,在负载电流幅值随时间快速波动的情况下,仍然能够保证精度的电能计量。

Description

-种波动负荷下的电能精确计量装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种波动负荷下的电能计量装置。主要应用于电能表平台,在带 有动态、冲击负荷的电力现场实现电量精确计量。
背景技术
[0002] 随着工业的发展,大量的大功率电力电子设备在钢铁厂、矿场、港口、电气化铁路、 风电场等现场投运,使得多数工业现场电力负荷呈现快速变化和具有冲击性的特点,现场 负载电流幅值随时间快速波动。而实验室电流有效值恒定条件下检定的电能表,在该种波 动负荷下的计量精度将会受到影响,最主要的原因是缺乏针对该种动态负荷设计的电能计 量方法和专用装置。
[0003]目前已公布的电能计量方法主要包括:
[0004] 1、时分割乘法器方法。该是目前电能表普遍采用的计量方法。时分割乘法器按照 固定时间间隔对电压与电流进行乘法运算,得到瞬时功率,并通过单片机的频率计数得到 平均功率W及累计的电能。为达到较好的功率稳定性,一般选取较长的功率积分时间窗口 巧曰1~2s)。该种积分窗口在实验室稳态负荷下能达到很好的误差稳定性,但在负荷快速波 动的现场,电流幅值变化的临界点往往伴随着相位的变化,过长的积分窗口会将相位变化 期间引入的误差纳入到平均功率中。最典型的例子就是当电气化铁路牵引列车进站时,由 于机车制动的影响,会在短时间内引入反向电流,从电流波形上来看,就是在瞬间电流相位 发生了 180度改变,如果用过长的积分窗口,积分窗口内的正反向瞬时有功功率会相互抵 消,导致该段时间内的平均功率变小,造成电量少计。
[0005] 2、采用高阶牛顿-柯特斯数值积分替代点积方式来计算瞬时功率,W及进行瞬时 功率的积分(申请号:201010273234. 5,公开号;101915872A,公开日:2010-12-15,申请国; 中国)。该种方法采用阶数更高的积分方式,从而在电流崎变、波动W及不平衡等非线性负 荷下,比点积运算取得更高的精度。但是该种方法由于积分阶数高,完成一次瞬时功率计算 的时间要远高于点积运算,受限于电能表平台的计算能力,在快速波动的负荷下会容易出 现计量滞后。
[0006] 3、通过综合相位误差校准的方法来提高计量巧片在非线性负载下的计量精度(申 请号:201510068151,公开号;104569906A,公开日:2015-4-29,申请国:中国)。该种方法并 没有改变时分割乘法器的原理,而是根据电压与电流回路相位误差区间,来综合校准计量 结果中的相位误差,从而提高非线性负荷下的计量精度。但该方法并没有根本性地解决快 速波动负荷下的积分时间窗问题,只要电能表仍然采用过长的功率积分时间窗,就依然会 存在波动电流相位变化造成的电能少计问题。 实用新型内容
[0007] 本实用新型所要解决的技术问题是,提供一种波动负荷下的电能精确计量装置, 在负载电流幅值随时间快速波动的情况下,仍然能够保证精度的电能计量。
[0008] 为了解决上述技术问题,本实用新型采用了W下技术方案。
[0009] -种波动负荷下的电能精确计量装置,包括主CPU单元,其特征在于;主CPU单元 通过SPI总线连接DSP高速=十二位数字信号处理巧片,所述数字信号处理巧片连接有电 压通道AD采样巧片,所述电压通道AD采样巧片连接有电压取样电路;所述数字信号处理巧 片还直接连接有电流通道AD采样巧片,该电流通道AD采样巧片连接有零磁通电流互感器; 所述主CPU单元还通过I2C总线连接有显示单元;所述主CPU单元还通过串行总线连接两 路RS485接口;所述主CPU单元还通过I2C总线连接有用于参数保存的两片邸PROM巧片, 所述主CPU单元还通过SPI总线连接有用于储存非实时参数的外部FLA甜单元。
[0010] 主CPU单元包含有200M监ARMCotex处理器。
[0011] 所述显示单元包括分别与所述主CPU单元连接的点阵液晶屏和功能按键。
[0012] 本实用新型的积极效果在于:
[0013] 第一、通过将功率积分时间窗口缩短至一个工频周期,即每个工频周期可W累加 一次正反电能,而当前普通采用1~2s的时间累加一次正反向电能,因此本实用新型比传统 方式缩短了幅度达98~99%的时间窗口,降低了时间窗内因电流相位突变而造成正反向有 功电能抵消的事件概率,即使发生了抵消,也只影响一个工频周期的电量,对整体走字误差 影响很小。
[0014] 第二、利用FIR滤波器线性相位的特点,实现电流互感器角差的实时补偿,瞬时功 率的实时计算与单周期功率的计算都在优先级最高的中断函数中完成,确保了计量的实时 性,降低了在负荷快速波动下因计量过程滞后而造成的精度误差。
[0015] 第S、将信号采样率提高到16K监W上,使一个工频周期内的电压与电流信号具 有足够的分辨率,确保了稳态情况下单周期平均功率的精度与稳定性不受影响。同时,瞬时 功率在一个工频周期内进行平均处理,相当于一个低通滤波器环节,能够抑制稳态负荷情 况下的功率脉冲跳动,同时不再需要单独设计低通滤波器,避免了因负荷快速变化引起的 低通滤波器输出过冲现象。
[0016] 第四、一个工频周期的积分时间窗,使平均功率具有足够的分辨率,从而电能脉冲 的输出能够及时反映负荷的变化,电能脉冲发送器具有正向电能累加器与反向电能累加 器,根据单周期平均功率的符号方向来分别累加,从而避免了当电流相位快速变化时,正反 电能相互抵消而造成的脉冲少发,或者不输出脉冲的现象。
[0017] 第五、电能累计器将实时计算的单周期平均功率存于输出缓存区中,并将缓存区 写入地址输出,使得实时计算完成的单周期电能能够在非实时环节中完成累加及后续处 理,提高了实时环节的计算效率,同时保证了电能正确累加。
[0018] 例如,当本实用新型应用于嵌入式CPU平台时,可W在CPU优先级最高的中断函数 中实现,W最大程度提升功率计量对负荷变化的响应速度,而CPU可W在非实时的主循环 函数中,根据电能累计器输出的单周期平均功率缓存数据W及缓存地址,提取单周期平均 功率数据,完成计算量较大的电能分类统计及扩展应用工作。
附图说明
[0019] 图1是本实用新型的实现方法流程图。
[0020] 图2是本实用新型的单周期时间窗积分器工作流程图。
[0021] 图3是本实用新型的脉冲发送器工作流程图。
[0022] 图4是本实用新型的电能累计器工作流程图。
[0023] 图5是本实用新型的结构示意图。
[0024] 图6是本实用新型计量装置显示单元的示意图。
具体实施方式
[00巧]下面结合附图和具体实施方式详细说明本实用新型。
[0026] 参照图5和图6,本实用新型的实施例包括主CPU单元1,主CPU单元1包含一块 200MHZARMCotex处理器。主CPU单元1通过SPI总线连接DSP高速S十二位数字信号处 理巧片2,所述数字信号处理巧片2连接有电压通道AD采样巧片3。所述电压通道AD采样 巧片3连接有电压取样电路5。所述数字信号处理巧片2还直接连接有电流通道AD采样巧 片4,该电流通道AD采样巧片4连接有零磁通电流互感器6。
[0027] 所述主CPU单元1还通过I2C总线连接有显示单元8。如图6所示,所述显示单元 8包括分别与所述主CPU单元1连接的点阵液晶屏8-1和两个功能按键8-2。
[0028] 所述主CPU单元1还通过串行总线连接两路RS485接口 7。所述主CPU单元1还 通过I2C总线连接有用于重要参数保存的两片EEPROM巧片10,W及通过SPI总线连接有储 存非实时参数的外部FLA甜单元9。
[0029] 本实用新型主要通过电压取样电路5进行电压取样,所述电压取样电路包含高精 度电压分压电阻,用于将输入电压转换为AD采样巧片支持的稳定小电压信号,电压通道AD 采样巧片3将小信号电压转换为数字信号,通过SPI总线传输到数字信号处理巧片2中。零 磁通电流互感器6可实现宽范围内高线性度的电流取样,并通过配套的高精密电阻转换为 弱电压信号,接入电流通道AD采样巧片4转换为电流的数字交采值,通过SPI总线传输到 数字信号处理巧片2中。数字信号处理巧片2中进行瞬时量及电量计算,并进行电能脉冲 的发送。
[0030] 主CPU单元1通过SPI总线接收DSP处理器中电量计算结果,并进行电能量数据 处理、存储、显示W及规约通信操作。主CPU单元1通过显示单元8将电能计量结果进行显 示,并通过监视显示单元8中的功能键8-2进行参数设置及轮显等工作。主CPU单元1通 过两路RS485接口 7完成电量数据的上传工作。主CPU单元1负责在掉电时接管整个表计 工作,通过监视显示单元8中的功能键8-2完成停电唤醒,停电抄表等一系列工作。
[0031] 所述主CPU单元1采用STM32巧07ARMCotex巧片,所述数字信号处理巧片2采 用400MHZADSB巧16DSP。电压与电流AD采样巧片采用TI的ADS131E08巧片,按照本实用 新型需要,将该采样巧片的采样率设定为16KHZ,由于本实用新型对实时性要求高,因此选 择运行在数字信号处理巧片2的AD通道SPI数据接收中断,即当电压和电流通道AD采样 巧片完成一次模拟量采样,数字信号处理巧片2接收到AD巧片的数字信号后,引发中断。
[0032] 在中断函数中,首先通过校验系数将无量纲的AD采样数据转换成有量纲的瞬时 电压与瞬时电流值,瞬时电流值接入如图1所示的移相滤波器单元2,补偿后的瞬时电流与 电压输入到瞬时功率计算器函数中,按照式6进行瞬时功率计算。瞬时功率计算完毕后,输 入到单周期时间窗积分器函数中,按照图2所示流程,计算得到单周期平均功率,此时,程 序一方面将单周期平均功率输入到脉冲发送器函数中,按照图3所示流程进行脉冲发送判 断,直接在中断函数中完成脉冲发送操作;另一方面,将单周期平均功率按照图4所示流程 存于一个公共缓存中,并将最新的缓存写入地址指针输出。
[0033] 在数字信号处理巧片2的主循环函数中,循环监测公共缓存中单周期平均功率写 入指针的变化,当该指针出现变动,主循环函数即提取当前写指针之前所有缓存的单周期 平均功率数据,根据功率方向,依次累加正向有、无功电能,W及反向有、无功电能,并根据 有功功率大小及方向,进行防潜动、无功电能象限判断等多种操作。
[0034] 本实用新型在数字信号处理巧片2的AD采样中断中执行,拥有最高优先级,当负 荷快速变化时,可W达到最高的响应速度,同时本实用新型计算量小,占用数字信号处理巧 片2很少的中断资源,通过公共缓存的方法将后续的复杂处理过程放在非实时的主循环函 数中,提高了实时环节的效率。16KHZ的AD采样速率,使本实用新型单周期平均功率可W达 到与多个周期平均功率相同的误差稳定性,在适应波动负荷计量同时,确保了稳态负荷下 的计量稳定性。
[00巧]本实用新型的实现方法是;如图1,通过AD模数转换巧片对电压与电流模拟量输 入信号进行采样后,电流输出信号接入移相滤波器进行角差补偿,该滤波器采用FIR-阶 滤波器设计,利用FIR滤波器线性相位的特点,对电流的相位进行改变,从而补偿互感器引 起的角差,达到互感器角差实时补偿的效果,确保后续实时功率计算的精度。
[0036] 所述FIR-阶滤波器如下式所示:
[0037] y脚=^4' (X识 + 矿x(Ar-n);
[0038] 式中,0和A该两个参数按照TI说明文档中方法整定,本实用新型省略整定过程。
[0039] 电压信号与经过角差补偿后的电流信号在瞬时功率计算器中进行点乘运算,得到 k时刻的瞬时功率P(k),如下式;
[0040]取巧) =u{k')-i賊。
[0041] 点乘运算具有简单、计算速度快的特点,可W在较短的时间内得到瞬时功率的结 果,并输入单周期时间窗积分器计算单周期平均功率。单周期时间窗积分器采用如图2所 示的工作步骤:当瞬时功率P(k)输入后,累加器对P(k)进行累加,若累加的个数大于等 于一个时间窗口T,则将累加器中的数值除W时间窗口T,积分器输出更新后的平均功率P,, 并清空累加器;若累加的个数仍然小于一个时间窗口T,积分器保持输出上一个时间窗口T 的平均功率;
[0042]
Figure CN204679550UD00061
[0043] 时间窗口T为一个工频周期时间内的最大瞬时功率个数,当电网频率f变化时,时 间窗口T必须根据AD模数转换巧片1采样率f;按如下公式进行实时调整:
[0044] 了 =/;//。
[0045] 单周期时间窗积分器将功率积分时间缩短为一个工频周期,从而可W每个工频周 期累加一次正反向电能,使电能的累加可W跟踪负荷的快速变化。脉冲发送器的工作原理 如图3所示,该环节首先判断单周期平均功率的符号方向,若该值大于等于0,则累加入正 向电能寄存器,若该值小于0,则累加入反向电能寄存器,当正向电能寄存器与反向电能寄 存器其中任意一个大于一个脉冲常数C的电量阀值E时,脉冲发送器输出一个脉冲,并且清 零该寄存器。其中,脉冲常数C指一个千瓦时电量需要发送C个脉冲,则电量阀值E按下式 计算:
[0046] 忍=3如0000/C。
[0047] 电能累计器负责将单周期平均功率的结果输出,电能累计器按照图4所示流程工 作,将单周期平均功率存于输出缓存队列中,并输出缓存地址指针,非实时环节可根据缓存 地址指针读取整个缓存队列中的单周期平均功率数据,从而后续的电能累加、潜动判断、无 功电能象限判断等耗时的应用操作可W在非实时环节中完成,提高了运行效率。
[0048] 较长的功率积分周期可W有效降低非同步误差对平均功率的影响,使功率在稳态 负荷下具有较高的准确度与稳定性,采用一个工频周期的积分时间窗口则会明显放大非同 步误差,使平均功率出现跳动。本实用新型将AD模数转换巧片的采样率提高到16K监W上, 用于降低单周期平均功率的非同步误差影响,确保上述实施过程在稳态负荷下计量的准确 性和稳定性。

Claims (3)

1. 一种波动负荷下的电能精确计量装置,包括主CPU单元(I ),其特征在于:主CPU单 元(1)通过SPI总线连接DSP高速三十二位数字信号处理芯片(2),所述数字信号处理芯片 (2 )连接有电压通道AD采样芯片(3 ),所述电压通道AD采样芯片(3 )连接有电压取样电路 (5 );所述数字信号处理芯片(2 )还直接连接有电流通道AD采样芯片(4),该电流通道AD采 样芯片(4)连接有零磁通电流互感器(6);所述主CPU单元(1)还通过I2C总线连接有显示 单元(8);所述主CPU单元(1)还通过串行总线连接两路RS485接口(7);所述主CPU单元 (1)还通过I2C总线连接有用于参数保存的两片EEPROM芯片(10),所述主CPU单元(1)还 通过SPI总线连接有用于储存非实时参数的外部FLASH单元(9)。
2. 如权利要求1所述的波动负荷下的电能精确计量装置,其特征在于:主CPU单元(1) 包含有200MHZ ARM Cotex处理器。
3. 如权利要求1或2所述的波动负荷下的电能精确计量装置,其特征在于:所述显示 单元(8)包括分别与所述主CPU单元(1)连接的点阵液晶屏(8-1)和功能按键(8-2)。
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CN104914304A (zh) * 2015-06-25 2015-09-16 烟台东方威思顿电气股份有限公司 一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置
CN109085425A (zh) * 2018-07-20 2018-12-25 国网湖南省电力有限公司 一种冲击负荷计算方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104914304A (zh) * 2015-06-25 2015-09-16 烟台东方威思顿电气股份有限公司 一种波动负荷下的电能精确计量方法及计量装置
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CN109085425A (zh) * 2018-07-20 2018-12-25 国网湖南省电力有限公司 一种冲击负荷计算方法
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