CN212160061U - 非线性负荷标准电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及非线性负荷标准电能表，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元、模拟采样单元、电气隔离单元、卫星授时模块和计量子系统；信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元和模拟采样单元依次连接，模拟采样单元通过电气隔离单元与计量子系统连接；计量子系统用于控制多个量程开关中的一个导通，在每次采样获得一采样信号时，检测采样信号的值是否在当前量程范围内，当采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，控制另一量程开关导通。通过在每次采样的时候都对采样信号进行测量，进行量程范围的调整，使得量程能够实时匹配采样信号，使得采样数据更为精确。

Description

非线性负荷标准电能表

技术领域

本实用新型涉及非线性测量技术领域，特别是涉及非线性负荷标准电能表。

背景技术

线性功率指的是输入的电流或者电压均为连续的、线性的量值，而非线性功率指的是输入的电流或者电压的量值是非线性的或动态变化的。

为了对非线性功率和电能测量设备进行检定，需要用到非线性负荷标准电能表。电流或电压在输入时，其值是不断变化的，这样，非线性负荷标准电能表需要实时调整量程。传统的标准电能表在量程控制中采用周期性调整的过程，即在采样后，周期性对测量的有效值进行判断，在每个测量周期对量程进行调整，因此，因此无法适时的响应非线性负荷的快速变化。

实用新型内容

基于此，有必要针对性地提供一种非线性负荷标准电能表。

一种非线性负荷标准电能表，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元、模拟采样单元、电气隔离单元、卫星授时模块和计量子系统；

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程控制单元和所述模拟采样单元依次连接，所述模拟采样单元通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述计量子系统与所述卫星授时模块连接；

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程控制单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模拟采样单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接。

在一个实施例中，所述计量子系统用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并通过所述信号取样电路进行采样，在每次采样获得一采样信号时，检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通；

所述卫星授时系统用于为计量子系统提供授时信号，以使得计量子系统控制计量子系统根据所述授时信号输出每一次测量的值，并在输出的测量的值上携带授时信号对应的时间戳。

在一个实施例中，每一所述信号取样电路连接一取样电阻，所述取样电阻为开尔文四端精密电阻。

在一个实施例中，所述量程开关为模拟开关。

在一个实施例中，所述电气隔离单元包括电容式或电感式数字隔离器。

在一个实施例中，所述信号调理电路包括仪表放大器。

在一个实施例中，还包括主控处理模块，所述主控处理模块与所述计量子系统连接。

在一个实施例中，所述主控处理模块包括数据处理单元和用户交互界面单元，所述数据处理单元与所述计量子系统连接，所述用户交互界面单元与所述数据处理单元连接。

本实用新型的有益效果是：通过在每次采样的时候都对采样信号进行测量，检测采样信号是否在量程范围内，从而进行量程范围的调整，从而使得量程能够实时匹配采样信号的大小，能够适应非线性负荷的变化，使得采样数据更为精确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1一实施例的非线性负荷标准电能表的原理框图；

图2A另一实施例的基于单相控制的非线性负荷标准电能表的原理框图；

图2B另一实施例的非线性负荷标准电能表的计量子系统和数据处理单元的连接框图；

图3为一实施例的应用于电流采样的非线性负荷标准电能表的量程控制电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应该理解的是，非线性负荷标准电能表既可对电流信号进行测量，也可对电压信号进行测量。进一步地，非线性负荷标准电能表还测量和记录功率、非线性度，同时还分类累积电能数据。

如图1所示，在一个实施例中，一种非线性负荷标准电能表，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元、模拟采样单元、电气隔离单元、卫星授时模块和计量子系统；

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程控制单元和所述模拟采样单元依次连接，所述模拟采样单元通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述计量子系统与所述卫星授时模块连接；

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程控制单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模拟采样单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接；

所述计量子系统用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并通过所述信号取样电路进行采样，在每次采样获得一采样信号时，检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通；

所述卫星授时系统用于为计量子系统提供授时信号，以使得计量子系统控制计量子系统根据所述授时信号输出每一次测量的值，并在输出的测量的值上携带授时信号对应的时间戳。

具体地，所述信号取样单元与所述信号调理单元连接，所述信号调理单元与所述量程控制单元连接，所述量程控制单元与所述模拟采样单元连接，所述模拟采样单元通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接。

本实施例中，当量程开关导通时，与量程开关对应的信号取样电路的采样信号将依次通过信号条例电路和量程开关传输至计量子系统，计量子系统对采样信号进行测量，检测该采样信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内，当该采样信号的值在量程开关对应的量程范围内时，保持该量程开关的导通，当该采样信号的值不在量程开关对应的量程范围内时，则控制该量程开关截止，并控制另一量程开关导通，从而实现量程范围的调节，以适应采样信号的大小，使得采样信号能够在适当的量程范围内测量，能够适应非线性负荷的变化，使得对电能的测量更为精确。

具体地，通过在每次采样的时候都对采样信号进行测量，检测采样信号是否在量程范围内，从而进行量程范围的调整，从而使得量程能够实时匹配采样信号的大小，而无需周期性地进行量程的调整，避免周期性的量程调整的滞后性，使得采样数据更为精确。

此外，卫星授时系统用于连接卫星，获得卫星的授时信号，并将授时信号发送至计量子系统。所述卫星授时系统用于根据授时信号输出每次测量的值，并对输出的测量的值加上时间标或时间戳，这样，使得计量子系统每次输出测量值都能够与实际时间精确匹配，使得测量精度更高。

本实施例中，非线性负荷标准电能表可以对电压信号进行采样和测量，也可是电流信号进行采样和测量，因此，还可以对三相的电压信号(Ua、Ub和Uc) 或者三相的电流信号(Ia、Ib和Ic)进行测量，因此，该信号取样单元包括对三相的电压信号(Ua、Ub和Uc)进行采样的电压采样单元，以及对三相的电流信号(Ia、Ib和Ic)进行采样的电流采样单元。

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程控制单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模拟采样单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接。

本实施例中，该计量子系统用于对采样信号进行测量，获得该采样信号的值，并将该采样信号的值输出至数据处理单元。具体地，该计量子系统对采样信号进行测量，从而能够获得该采样信号相对于当前量程的大小，值得一提的是，计量子系统各对应量程测量获得的值不一定全部为准确的数值。当采样信号的值在当前量程范围内时，则仅该量程采样信号的值为最准确的值；当采样的信号不在当前量程范围内时，该量程采样信号的值为一个非最准确范围值，比如大于当前量程的最大测量值，或者小于当前量程的最小测量值。

该计量子系统用于在任一时刻，控制多个所述量程开关中的一个导通，且该计量子系统还用于检测该采样信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内，当采样信号的值在该量程开关对应的量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。应该理解的是，该采样信号为模拟的采样信号经过放大并经模数转换的信号，也就是说，该计量子系统测量的采样信号为数字信号。该采样信号可以是电流信号，也可以是电压信号。

在一个实施例中，每一所述信号取样电路连接一取样电阻，所述取样电阻为开尔文四端精密电阻。

在一个实施例中，每一信号取样电路的输入连接到一取样电阻。例如，进一步地，各所述取样电阻的阻值相异。这样，对于不同量程范围，不同的信号取样电路连接不同阻值的取样电阻，能够有效地适应不同的量程。本实施例中，每一信号取样电路中串接一取样电阻，具体地，该取样电阻为开尔文四端精密电阻，开尔文四端精密电阻具有比差和相差存在线性度高、频域宽的特点，传统的采样元件为磁性传感器或者霍尔传感器，其比差和相差存在线性度低，频域窄的缺点，无法满足高精度采样的需求，因此，本实施例中，采用开尔文四端精密电阻作为取样电阻，频域范围为0～110k，比差为1:10，比差和相差的线性度高，能够有效保证一种频率特性的线性度，以减少相移对测量的精度的影响。

在一个实施例中，所述量程开关为模拟开关。应该理解的是，量程开关也可称为电子开关，为了实现量程开关的导通和关闭，在一个实施例中，所述量程开关为SPST(single-pole single-throw，单刀单掷)模拟开关，该SPST模拟开关的控制极为控制端，这样，计量子系统向量程开关的控制极输入控制信号，即可实现对量程开关的通断的控制。

一个实施例中，该量程开关的型号为TI(Texas Instruments，德州仪器) 公司的TMUX1104。值得一提的是，传统标准电能表的量程开关采用的是继电器，通过控制继电器的通断实现信号取样电路与计量子系统之间的连接通断，然而，继电器存在响应速度慢的缺点，本实施例中，模拟开关具有响应速度快，无滞后的特点，能够适应非线性负荷的快速变化，进而使得每一次量程的变化的控制更为快速，更为及时，进而使得量程范围能够及时调节，进而使得采样信号的测量更为精准。

在一个实施例中，非线性负荷标准电能表还包括卫星授时模块，所述计量子系统与所述卫星授时模块连接。本实施例中，卫星授时模块为北斗卫星授时模块或者GPS(Global Positioning System，全球定位系统)卫星授时模块，通过该卫星授时模块，能够获得授时信号，使得计量子系统每次输出测量值都能够与实际时间精确匹配，从而进一步提高对电能的测量精度。

在一个实施例中，所述电气隔离单元包括电容式或电感式数字隔离器。本实施例中，电容式或电感式数字隔离器具有对磁场干扰不敏感的特点，能够对计量子系统接收的采样信号以及计量子系统向量程开关控制信号进行电气隔离，采样信号与控制信号进行电气隔离，使得采样信号更为准确，且使得控制信号不容易受到干扰。

具体地，所述电气隔离单元用于将信号隔离，例如，所述电气隔离单元用于采样信号与控制信号隔离。该采样信号由模拟采样单元的数字接口信号端输入至计量子系统，该控制信号由计量子系统输入至量程开关的控制端或者模拟采样单元的使能端。该电气隔离单元可采用ADI公司的ADuM4400_4401_4402或者荣湃半导体的π120A4/π121A4/π122A4实现，本实施例中不对此进行限制。

在一个实施例中，非线性负荷标准电能表还包括主控处理模块，所述主控处理模块与所述计量子系统连接。

在一个实施例中，所述主控处理模块包括数据处理单元和用户交互界面单元，所述数据处理单元与所述计量子系统连接，所述用户交互界面单元与所述数据处理单元连接。

本实施例中，主控处理模块还包括板级通信接口，计量子系统与板级通信接口连接，板级通信接口与数据处理单元连接。具体地，非线性负荷标准电能表还包括板级通信电缆，计量子系统通过板级通信电缆与板级通信接口连接。

本实施例中，数据处理单元用于存储计量子系统发送的数据，并用于获取用户指令，根据用户指令将控制参数发送至计量子系统，计量子系统用于根据控制参数设置量程范围和对量程开关的控制机制。数据处理单元存储的计量子系统发送的数据包括采样信号的值。本实施例中，该数据处理单元具有数据处理和贮存功能，可通过通信接口供用户作进一步的分析。进一步地，数据处理单元用于还将用户设置的各种采样控制参数下发到计量子系统，由计量子系统实施对量程切换和模数转换电路的采样进行控制。

如图2A所示，电气隔离单元包括电气隔离SPI总线接口和电气隔离量程控制接口，电气隔离SPI总线接口用于将模拟采样单元的数字信号传输至计量子系统的数字信号，电气隔离量程控制接口用于将计量子系统的控制信号传输至量程开关的控制端。

本实施例中，所述量程开关的控制端用于经电气隔离后与计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端用于经电气隔离与计量子系统连接。具体地，所述模拟采样单元包括使能端和数字接口信号端，所述模拟采样单元的使能端和数字接口信号端经电气隔离后与计量子系统连接，即所述模拟采样单元的使能端和数字接口信号端通过所述电气隔离单元连接至计量子系统。通过将采样信号与控制信号进行电气隔离，使得采样信号更为准确，且使得控制信号不容易受到干扰。

具体地，该信号取样单元包括多路的信号取样电路，每一路的信号取样电路用于与信号采样的输入端连接，该信号取样电路用于对电流信号或者电压信号进行取样，例如，每一所述信号取样电路连接一取样电阻，例如，该输入端即为测量输入端，用于向非线性负荷标准电能表输入取样信号。

该信号调理电路用于将信号取样电路的输入信号放大，以匹配不同阻值的取样电阻的阻抗，并通过量程开关传输至模拟采样单元。例如，在一个实施例中，所述信号调理电路包括仪表放大器。例如，信号调理电路包括仪表放大器和与该仪表放大器连接的电阻和电容，电阻和电容与该仪表放大器连接可采用现有技术实现，例如，该信号调理电路可采用ADI公司的AD8237实现，本实施例中不对此限制。

该模拟采样单元也可称为模数转换单元(ADC，analog to digital converter)，该模拟采样单元用于将模拟的采样信号转换为数字信号并经电气隔离后输出至计量子系统。具体地，所述模拟采样单元可采用ADI公司的AD7687 实现，本实施例中不对此进行限制。

本实施例中，多个量程开关对应非线性负荷标准电能表的多个量程，也就是一个量程开关与非线性负荷标准电能表的一个量程对应。每一信号取样电路与一信号调理电路对应，且每一信号取样电路与一量程开关对应，也就是说，每一信号取样电路与一信号调理电路以及一量程开关对应连接。

各所述量程开关用于在计量子系统的控制下，在任一时刻有且仅有一个导通，具体地，各所述量程开关在任一时刻有且仅有一个接收到计量子系统的导通信号并使得该量程开关导通，也就是说，在任一时刻，多个量程开关有且仅有一个导通，使得该非线性负荷标准电能表在任一时刻的量程仅有一个，且该量程是可通过导通任一量程开关实现选择的。

在任一时刻，该量程开关中的一个导通，对于该导通的量程开关的选择导通，可以是基于计量子系统的内部算法。该量程开关导通，使得对应的信号取样电路导通，并接收到的采样信号，采样信号能够通过信号调理电路的放大，经模拟采样单元转换成数字信号后经电气隔离后输出至计量子系统，计量子系统对该数字信号测量，获得采样信号的值，计量子系统检测该采样信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内。在当前测量的信号的值处于测量范围内时，保持当前的量程开关导通，即计量子系统向当前的量程开关的控制端继续发送导通信号，使得该量程开关对应的量程能够继续对输入信号进行测量。

例如，计量子系统用于在每一次接收采样信号后，测量该采样信号的值，检测该采样信号的值是否在当前量程范围内，当采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，当采样信号的值不在当前量程范围内时，控制当前的量程开关关闭，检测采样信号的值是否大于当前量程，在该采样信号的值大于当前量程时，则控制另一较大量程对应的量程开关开启，在该采样信号的值小于当前量程时，则控制另一较小量程对应的量程开关开启。

具体地，在采样信号的信号的值大于该量程开关对应的量程范围时，计量子系统则向该量程开关的控制端发送关闭信号，使得该量程开关关闭，并向另一较大量程对应的量程开关的控制端发送导通信号，使得较大量程对应的量程开关导通，这样，能够使得计量子系统能够准确测量较大的信号的值；在当前测量的信号的值小于该量程开关对应的量程范围时，则计量子系统向该量程开关的控制端发送关闭信号，使得该量程开关关闭，并向另一较小量程对应的量程开关的控制端发送导通信号，使得较小量程对应的量程开关导通，这样，能够准确测量较小的信号的值。通过对量程开关的导通的选择，能够使得计量子系统的量程能够快速对应采样信号的值，使得输入的采样信号的值始终处于该计量子系统测量的线性范围内，从而有效提高测量精度。

这样，使得量程范围的调整可以在每次采样后进行，而无需采用传统的周期性调整，有效降低了量程调整的滞后性，提高了量程测量的精度。

值得一提的是，上述对采样信号的测量，计量子系统可以基于FPGA(Field －Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片实现，这样可通过设计多套并行处理硬件和软件，大大提升运算速度。

由于该计量子系统不间断地接收输入的采样信号，并且不断计算该输入的采样信号的值，且计量子系统实时检测该输入信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内，从而改变或者维持量程开关的导通，使得能够对不同的量程的电流信号或者电压信号进行测量，使得所选择的输入信号始终维持在量程线性范围内，使得测量更为准确，实现对非线性波形的精确测量，使得对电流或者电压进行测量更为准确和更加快速，响应更为及时。

例如，多个信号调理电路分别具有不同的放大幅度或者放大范围，这样，对于处于不同量程范围内的输入信号，不同的信号调理电路通过不同倍数的放大，使得各输入信号得到不同倍数的放大，并且在放大后处于同一合理范围内，从而实现对输入信号的准确测量。

本实施例中，每一信号取样电路、每一信号调理电路以及每一量程开关连接形成一支路，对于更宽量程范围的测量，只需增加量程控制单元的量程开关数量，增加对应的支路的数量、配置相应的取样电阻以及信号调理电路的放大倍数就可容易地实现。

在一个实施例中，如图2B所示，该数据处理单元用于接收计量子系统发送的数据，该数据为计量子系统对采样信号测量获得的样本值或经过加工的电物理量值。该数据处理单元通过板级通信接口与计量子系统连接，例如，计量子系统和数据处理单元分别具有通信接口，计量子系统的通信接口和数据处理单元的通信接口之间通过板极通信线缆连接。该数据处理单元用于接收计量子系统发送的数据并进行进一步的处理和贮存。

例如，该数据处理单元包括处理器、存储器以及显示屏，例如，显示屏为 LCD显示屏，该处理器与存储器连接，处理器通过I2C(Inter－Integrated Circuit，两线式串行总线)总线与显示屏连接，这样，该数据处理单元的能够将数据进行展示，便于用户对采样信号的观看。

例如，该数据处理单元包括处理器、存储器、显示器、4个正交编码器、12 个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN总线、3个UART异步串口、2个SPI (Serial PeripheralInterface，串行外设接口)同步串口、2个SPORT接口、 1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go) 接口以及1个重定向OTG接口。

处理器与4个正交编码器、12个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN 总线、3个UART异步串口、2个SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)同步串口、2个SPORT接口、1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go)接口以及1个重定向OTG接口连接，并且4个正交编码器、12个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN总线、3 个UART异步串口、2个SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口) 同步串口、2个SPORT接口、1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go)接口以及1个重定向OTG接口连接通过若干GPIO 接口(General Purpose InputOutput，通用输入/输出)与外部设备通信连接。

具体地，若干GPIO接口通过RS232、RS485、CAN/USB以及互联网(以太网) 接口与外部设备通信连接，这样，能够使得该非线性负荷标准电能表能够与用户进行交互，便于用户对非线性负荷标准电能表的操作和控制。

例如，该处理器还用于与外部SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存取存储器)连接，这样，能够进一步扩大数据处理单元的存储性能。

如图2A和图2B所示，该计量子系统包括样本数据存储器、电压有效值计算单元、电流有效值计算单元、视在功率计算单元、有功功率计算单元、畸变功率计算单元、电能积算逻辑单元以及子系统存储器，样本数据存储器分别与电压有效值计算单元、电流有效值计算单元、有功功率计算单元以及畸变功率计算单元连接，电压有效值计算单元和电流有效值计算单元均与视在功率计算单元连接，视在功率计算单元、有功功率计算单元和畸变功率计算单元均与电能积算逻辑单元连接，电压有效值计算单元和电流有效值计算单元均与子系统存储器连接。子系统存储器与数据处理单元连接。该计量子系统还包括SPI总线接口，计量子系统通过该SPI总线接口与电气隔离单元连接，并且SPI总线接口通过电气隔离单元分别与量程开关的控制端以及模拟采样单元的数字接口信号端连接。

具体地，样本数据存储器用于存储采样信号，或者说存储采样信号的值。电压有效值计算单元用于测量计算电压信号的值，电流有效值计算单元测量计算电流信号的值。视在功率计算单元用于计算采样信号的视在功率，有功功率计算单元用于计算采样信号的有功功率，畸变功率计算单元用于计算采样信号的畸变功率。

如图3所示，其为本实用新型一实施例的应用于电流采样的非线性负荷标准电能表，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元330、模拟采样单元350、电气隔离单元和计量子系统370；信号取样单元包括多个信号取样电路310，每一信号取样电路310上连接一取样电阻311，信号调理单元包括多个信号调理电路320，所述量程控制单元330包括多个量程开关331，每一所述信号取样电路310通过一所述信号调理电路320与一所述量程开关331的第一端连接，每一所述量程开关331的第二端与所述模拟采样单元350的输入端连接，所述量程开关的控制端通过电气隔离单元与计量子系统370连接，所述模拟采样单元350的数字接口信号端与通过电气隔离单元与计量子系统370连接。即，所述量程开关的控制端经电气隔离后与计量子系统370连接，所述数字接口信号端以及使能端经电气隔离后与计量子系统370连接。

为了实现电气隔离，具体地，所述量程开关的控制端经电气隔离后与计量子系统370连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端经电气隔离后与计量子系统370连接。在一个实施例中，如图3所示，电气隔离单元包括第一电气隔离单元361和第二电气隔离单元362，即电气隔离单元包括第一电气隔离单元 361和第二电气隔离单元362。例如，所述量程开关的控制端通过所述第一电气隔离单元361与计量子系统370连接，所述模拟采样单元350的数字接口信号端通过所述第二电气隔离单元362与计量子系统370连接。通过采用第一电气隔离单元和第二电气隔离单元的电气隔离，使得采样的电流或者电压信号能够与计量子系统370的信号隔离。值得一提的是，第一电气隔离单元和第二电气隔离单元可以是同一个电路单元，也可以是两个相互独立的电路单元。

一个实施例中，该第一电气隔离单元和第二电气隔离单元可采用ADI公司的ADuM4400_4401_4402或者荣湃半导体的π120A4/π121A4/π122A4实现，本实施例中不对此进行限制。

下面是一个具体的实施例：

本实施例中，如图3所示的基于电流取样的非线性负荷标准电能表包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元、模拟采样单元、第一电气隔离单元和第二电气隔离单元；每一信号取样单元包括四个信号取样电路，每一信号调理单元包括四个信号调理电路，每一所述量程控制单元包括四个量程开关，每一所述信号取样电路与一取样电阻连接，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，所述量程开关的第二端与所述模拟采样单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过第一电气隔离单元与计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端通过第二电气隔离单元与计量子系统连接。

本实施例中，可以对三相的电压信号(Ua、Ub和Uc)和三相的电流信号(Ia、 Ib和Ic)进行测量，下面仅以其中一相电流Ia做进一步阐述，其他相的电压和电流则不累赘描述。

本实施例中，四个信号取样电路分别连接采样电阻，四个信号调理电路为仪表放大器，四个仪表放大器分别为AMP1、AMP2、AMP3和AMP4，四个量程开关的S端分别与四个仪表放大器连接，四个量程开关的D端通过一放大器AMP与模拟采样单元ADC连接，模拟采样单元ADC通过第二电气隔离单元SPI与计量子系统的时钟信号接口CLK以及数据信号接口SDO连接，计量子系统通过数据信号接口SDO接口接收采样信号，时钟信号接口CLK用于输出时钟信号。通信控制信号包括时钟信号和数据信号，用于将模数转换器的数字输出读出。四个量程开关的控制端IN通过第一电气隔离单元SFT与计量子系统的SFT接口连接，计量子系统的SFT接口用于输出档位切换控制信号SFTn，用于量程控制档位的切换。计量子系统用于控制单刀多掷开关的自由端与四个固定端的其中一个连接。

具体地，四个量程开关的控制端IN通过一单刀多掷开关与第一电气隔离单元SFT连接，该单刀多掷开关具有四个固定端和一个自由端，四个量程开关的控制端IN分别与单刀多掷开关的四个固定端一一对应连接，单刀多掷开关的自由端与第一电气隔离单元SFT，本实施例中，四个固定端分别为S1、S2、S3、和S4，当单刀多掷开关的自由端与固定端S1连接时，AMP1对应的量程开关导通，当单刀多掷开关的自由端与固定端S2连接时，AMP2对应的量程开关导通，以此类推。这样，通过对该单刀多掷开关的自由端与固定端的连接或断开，即可分别控制四个量程开关导通或截止，从而实现量程范围的选择控制。

比如，AMP1对应的信号取样电路对应的量程为0至1mA，AMP2对应的信号取样电路对应的量程为1至10mA，AMP3对应的信号取样电路对应的量程为10 至100mA，AMP4对应的信号取样电路对应的量程为100至1000mA。

测量时，输入的采样信号为200mA，其中一个量程开关导通，比如，当前单刀多掷开关的自由端与固定端S1连接，导通的量程开关为AMP1对应的量程开关，计量子系统测量到当前电流值大于1mA，则控制单刀多掷开关的自由端与固定端S2连接，使得导通的量程开关为AMP2对应的量程开关，计量子系统测量到当前电流值大于10mA，则继续控制单刀多掷开关的自由端与固定端S3连接，直至控制单刀多掷开关的自由端与固定端S4连接，AMP4对应的信号取样电路对应的量程为100至1000mA，这样，采样信号的值在量程范围内，使得计量子系统能够精确测量得到采样信号为200mA。

例如，随后，当输入信号的值改变为20mA，由于此时单刀多掷开关的自由端与固定端S4连接，导通的量程开关为AMP4对应的量程开关，AMP4对应的信号取样电路对应的量程为100至1000mA，计量子系统测量到输入信号的值小于 100mA，并且检测到该值小于AMP4对应的信号取样电路对应的量程为100至 1000mA，因此，控制单刀多掷开关的自由端与固定端S3连接，选择较小的量程范围，由于AMP3对应的信号取样电路对应的量程为10至100mA，采样信号的值在该量程范围内，因此，计量子系统能够精确检测到输入信号为60mA。

通过上述过程对量程开关的选择通断，从而实现量程的快速选择切换，使得量程能够更好地匹配当前的输入信号的值，进而实现对输入信号的精确测量。此外，由于计量子系统对每一个采样值进行实时测量，并且实时获得该测量的值并进行检测，通过内部的算法判断输入信号的值是否在量程范围内，从而实现量程的实时调整，而不是传统的对多个周波的有效值进行判断，使得量程能够实时根据测量的波形进行调整，并且能够有效适应适应非线性波形快速变化的测量，使得对电流或者电压进行测量更为准确。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种非线性负荷标准电能表，其特征在于，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程控制单元、模拟采样单元、电气隔离单元、卫星授时模块和计量子系统；

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程控制单元和所述模拟采样单元依次连接，所述模拟采样单元通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述计量子系统与所述卫星授时模块连接；

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程控制单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模拟采样单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，所述模拟采样单元的数字接口信号端通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接。

2.根据权利要求1所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，所述计量子系统用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并通过所述信号取样电路进行采样，在每次采样获得一采样信号时，检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通；

所述卫星授时系统用于为计量子系统提供授时信号，以使得计量子系统控制计量子系统根据所述授时信号输出每一次测量的值，并在输出的测量的值上携带授时信号对应的时间戳。

3.根据权利要求1所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，每一所述信号取样电路连接一取样电阻，所述取样电阻为开尔文四端精密电阻。

4.根据权利要求1所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，所述量程开关为模拟开关。

5.根据权利要求1所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，所述电气隔离单元包括电容式或电感式数字隔离器。

6.根据权利要求1所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，所述信号调理电路包括仪表放大器。

7.根据权利要求1-6任一项中所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，还包括主控处理模块，所述主控处理模块与所述计量子系统连接。

8.根据权利要求7所述的非线性负荷标准电能表，其特征在于，所述主控处理模块包括数据处理单元和用户交互界面单元，所述数据处理单元与所述计量子系统连接，所述用户交互界面单元与所述数据处理单元连接。

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