專利名稱：一種電能的計算方法、系統(tǒng)及電能表的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于能源領域，尤其涉及一種電能的計算方法、系統(tǒng)及電能表。
背景技術：
電能計量裝置(以下簡稱電能表)分為單相電能表和多相電能表，單相用電方式 的電能計量采用單相電能表，如居民用電，多相用電方式的如工廠使用三相電用電則使用 三相電能表計量。電能表通過采集交流電壓和交流電能信號計算電能。當前市場上使用的各種電能表的電壓計量規(guī)格(Un)有58V、100V、220V三種，電 流計量規(guī)格有1. 5 (6) A、5 (20) A、10 (60) A、20 (80) A、30 (100) A等等，電流規(guī)格的表示方式為 Ib (Imax) A，這里Ib稱為基本電流，Imax稱為最大電流。電壓的計量范圍為-20 % Un +20 % Un,電流的準確計量范圍為2% Ib Imax。由于電壓和電流的多種規(guī)格，在使用電能表時，必須根據用戶的特定環(huán)境選擇不 同的電能表規(guī)格，這將導致電能表的生產、采購、校驗的復雜性。隨著用電負荷的快速增長， 電力用戶被要求使用大電流規(guī)格的電能表來計量電費，但是傳統(tǒng)電能表的計量范圍不夠 寬，從而導致小電流不能準確計量。例如30 (IOO)A的規(guī)格，其基本電流Ib為30A，最大電流Imax為100A，最小計量電 流為2% Ib即0. 6A，也就是說當用電電流在0. 6A以下時電能表就不能保證其準確度，而且 在電流小于0. 2% Ib即0. 06A時根本就不計量，出現這個問題的根本原因在于計量的動態(tài) 范圍太小，因而導致電能計量不準確。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種電能的計算方法，旨在解決現有技術中由于電 能計量的動態(tài)范圍太小而導致的電能計量不準確的問題。本發(fā)明實施例是這樣實現的，本發(fā)明提供一種電能的計算方法，所述方法包括接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣得到該電壓電流信號 的采樣點集合；對該采樣點集合進行直流濾波處理；將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；所述將直流濾波處理后的 電壓電流信號進行量程切換處理的步驟具體包括當電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數減少，如電 壓電流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數提高；對量程切換后的電流信號進行相位校正；對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能功率；在計算的電能累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累計值減去 單個脈沖的電能值。本發(fā)明還提供一種電能的計算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
4
信號采樣單元，用于接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣 得到該電壓電流信號的采樣點集合；濾波單元，用于對該采樣點集合進行直流濾波處理；量程切換單元，用于將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；所述 量程切換單元具體包括判斷模塊，用于判斷電壓電流信號是否大于溢出設定值，以及判斷電壓電流信號 是否小于增益設定值，其中增益設定值小于溢出設定值；倍數調整單元，用于電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大器的放 大倍數減少，電壓電流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數提高；相位校正單元，用于對量程切換后的電流信號進行相位校正；功率計算單元，用于對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能功率；脈沖生成單元，用于在電能累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能 累計值減去單個脈沖的電能值。本發(fā)明又提供一種電能表，該電能表包括上述電能的計算系統(tǒng)。本發(fā)明實施例與現有技術相比，有益效果在于本發(fā)明的技術方案對直流濾波處 理的電壓電流信號進行量程切換后可以增加可測量的電能信號的范圍，所以本發(fā)明的技術 方案具有提高電能計量的準確度的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明提供的電能表中電能計量模塊的結構圖；圖2是本發(fā)明提供的一種電能的計算方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實施例一提供的一種電能的計算方法的流程圖；圖4為本發(fā)明實施例二提供的一種電能的計算方法的結構圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供一種電能的計算方法，該方法由電能表中的電能計量模塊完成，該電 能計量模塊如圖1所示，包括電壓傳感器、低通濾波、電流傳感器和混合信號微處理器，該 方法如圖2所示，包括如下步驟S21、接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣得到該電壓電流 信號的采樣點集合；S22、對該采樣點集合進行直流濾波處理；S23、將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；實現S23的方法可以為當電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大 器的放大倍數減少，如電壓電流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數 提尚；S24、對量程切換后的電流信號進行相位校正；
S25、對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能；S26、電能累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累計值減去單個 脈沖的電能值。本發(fā)明提供的方法對直流濾波處理的電壓電流信號進行量程切換后可以增加可 測量的電能信號的范圍，提高電能計量的準確度。實施例一本實施例提供一種電能的計算方法，本實施例提供的方法由電能表中的電能計量 模塊完成，該電能計量模塊的電路和現有的電能計量電路完全一樣，具體結構如圖1所示， 該方法如圖3所示，包括如下步驟S31、，對電壓電流信號進行波形采樣得到該電壓電流信號的采樣點集合；S32、對上述采樣點集合進行直流濾波處理；需要說明的是，假設采樣點集合C= {X(i)，X(i+l)，...，X(i+a-l)}，其中α為
集合窗口大小(α是2的冪)，x(i)、x(i+l).....x(i+a-l)為采樣點；集合C包含相鄰連
續(xù)的α個采樣點；實現S32的方法具體可以為對集合C進行直流濾波處理，其中直流濾波處理的濾
波因子r = /(C) = (C+ X{l + a)~ X{l))；這樣調整集合窗口 a的大小即可改善直流濾波的
a效果。采用S32中提供的方法進行濾波處理能比現有的1階IIR數字濾波器減少計算 量，現有的1階UR數字濾波器需要執(zhí)行3次16位X 16位乘法和2次32位加法；而S32 中濾波的算法只需要執(zhí)行2次32位加(減)法和1次32位移位，計算量大大降低。S33、對直流濾波后的電能信號進行量程切換；實現S33的具體方法可以為當采樣數據溢出或接近溢出，將PGA(可編程增益放大器)的放大倍數減少，如采 樣數據太小，將PGA的放大倍數提高。具體算法如下集合C = {χ (0)，χ (1)，........}，χ⑴為采樣數據集合C的第一子集D(O) = {叉(1)，1(丨+1)，...，乂丨+111-1)}，包含連續(xù)1個周波的 m 個采樣點，Dmax (0) = max (D (0))集合C 的第二子集 D (1) = {x (i+m)，χ (i+m+1), ... , χ (i+2*m_l)}，包含連續(xù) 1 個 周波的m個采樣點，Dmax(I) = max (D(I))集合C 的第 η 子集 D (n_l) = {χ (i+ (n_l) *m)，χ (i+ (η_1) *m+l)，· · ·，χ (i+n*m_l)}， 包含連續(xù)1個周波的m個采樣點，Dmax (n-1) = max (D (n_l))計數值Ta = ( Σ ((x(i) > Li) ？ 1 :0))*((Dmax(j)彡 Li) ？ 0 1), i = 0, 1，......, j = 0,1, n-1計數值Tb = ( Σ ((Dmax(j) < L2) ？ 1 :0))*((C⑴彡 L2) ？ 0:1),1=0, 1，......, j = 0,1, n-1當Ta > Qa時，切換至大量程。當Tb < Qb時，切換至小量程。其中1^1丄2、0￡1、013可以為用戶可調整的常量，調整1^1丄2、0￡1、013可以改變量程切換的靈敏度和穩(wěn)定性。Ll越小L2越大Qa、Qb越小量程切換越靈敏，反之越穩(wěn)定。其中，Qa 可以為溢出設定值，Qb為增益設定值，且Qa > Qb。PGA的檔位越多我們可測量的信號的范圍就越寬，例如，為了實現5000 1的電流 測量范圍，PGA使用2級即可PGA = UPGA = 32。S34、對電能信號進行相位校正；實現S44的方法具體可以為I (i)，= I (i-1) *M+I (i) * (I-M)；；其中0彡M彡1調整M的大小即決定了相位調整的大小，具體調整弧度可以為2*M*Ji/m弧度。即 M = 0時不調整，M = 1時，將電流相位提前至2* π /m弧度，其中m為一個周期波里的采樣 點數量；I (i)為電能信號中第i個電流采樣數據，I (i)’為調整相位后的電流數據。S35、累加電能以秒為時間間隔對功率進行累加得到每秒鐘的電能，表示為Energy (k)Energy(O) = 0 即初值Energy(I)即第1秒內的電能Energy (2)即第2秒內的電能... Energy (k)即第k秒內的電能以采樣點為單位對功率進行累加得到電能輸出值，表示為ESum(j)ESum(O)=O 即初值ESum(I)即第1個采樣點的電能輸出值ESum⑵即第2個采樣點的電能輸出值...ESum(j)即第j個采樣點的電能輸出值在第k秒結束時，令Ev (k) = Energy (k) \bEy (k) = Energy (k) % b ；其中b為每秒采樣點的個數，這里令每一秒采樣點的個 數均為b個，那么在K秒內最后一個采樣點的電能可以為=ESum(I^b-I)；其中Energy (k)\b 表示除以b以后取整，Energy (k)% b表示除以b以后的余數。那么，在第(k+Ι)秒里的每個采樣點累計的電能值可以為第一采樣點ESum (k*b) = ESum (k*b_l) +Ey (k) +Ev (k)第二采樣點ESum (k*b+l) = ESum (k*b) +Ev (k)第三采樣點ESum(k*b+2) = ESum(k*b+l) +Ev (k)...最后一次采樣點ESum(k*b+b_l) = ESum(k*b+b_2) +Ev (k)。其中(k+Ι)秒總第d 采樣點 ESum (d) = ESum(d-l)+Ev (k)；其中 (k*b+l) ^ d ^ (k*b+b-l)由于該方法在進行電能累計量計算時，增加的Ev為平均后的取整值，所以該計算 方法可以減少脈沖輸出所產生的輕微波紋，同時取整后的余數也被累計到電能累計值中，所以也不會丟失電能。S36、當計算的電能累計值大于單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累 計值減去單個脈沖的電能值。對每個采樣點上的ESum(j)判斷，在ESum(j). > = (1/X)時，輸出脈沖，且 ESum(j)，= ESum(j)-(l/X)，其中X是脈沖常數，即每kWh電能發(fā)出的脈沖數目。本實施例提供的方法在量程切換時PGA的放大倍數是可以根據采樣信號進行調 整的，所以該方法可以通過增加PGA的檔位來增加可測量的電能信號的范圍，例如，當PGA =32時，可以實現5000 1的電流測量范圍，提高計量范圍，提高電能計算的準確性。另 外，該方法在進行功率計算時采用如S35的方法，所以其具有減少脈沖輸出所產生的輕微 波紋的優(yōu)點，另外，本實施例采用的方法采用新的直流濾波算法能減少直流濾波的計算量， 減少MCU(微處理器)的資源消耗。另外，采用本實施例提供的方法進行電能計算能夠整合電能表的規(guī)格，例如，可以將現有的單相電能表合并成成一種規(guī)格220V1(100)A，即額定電壓為 220V，基本電流為1A，最大電流為100A。其電壓測量范圍為176V 480V，電流測量范圍從 0. 02A 到 IOOA0將現有各種規(guī)格的直接接入式的三相電能表合并成一種規(guī)格3X220V5(400)A， 額定電壓為220V，基本電流為5A，最大電流為500A。其電壓測量范圍為176V 480V，電流 測量范圍從0. IA到500A。將現有各種規(guī)格的互感器接入式的三相電能表合并為一種規(guī)格3X100V0. 5Q5) Α。其電壓測量范圍為40V 480V，電流測量范圍從0. 005A到25A。所以本實施例提供的方法還具有減少電能表規(guī)格，提高電能表標準化的優(yōu)點。實施例二本實施例提供一種電能的計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖4所示，包括信號采樣單元41，用于接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采 樣得到該電壓電流信號的采樣點集合；濾波單元42，用于對該采樣點集合進行直流濾波處理；量程切換單元43，用于將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；相位校正單元44，用于對量程切換后的電流信號進行相位校正；功率計算單元45，用于對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能功率；脈沖生成單元46，用于在電能功率累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并 將電能累計值減去單個脈沖的電能值?？蛇x的，量程切換單元43具體包括判斷模塊431，用于判斷電壓電流信號是否大于溢出設定值，以及判斷電壓電流信 號是否小于增益設定值，其中增益設定值小于溢出設定值；倍數調整模塊432，用于電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大器的 放大倍數減少，電壓電流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數提高?？蛇x的，濾波單元42具體用于對集合進行直流濾波處理，其中直流濾波處理的濾
mw = f(c) = (c+x(l+a)-x(l))；
8
其中C為集合；α為集合窗口大小，且α是2的冪，χ (i)、x (i+1).....x(i+a-l)
為C的采樣點?？蛇x的，相位校正單元44具體包括電流相位調整模塊441，用于根據I (i)’ = I(i-l)*M+I(i)*(l_M)調整電流相位；其中0彡M彡1 ；M為調整系數，I (i)為電能信號中第i個電流采樣數據；可選的，功率計算單元45具體用于根據ESum (k*b) = ESum(k*b_l)+Ey (k)+Ev (k)計算 K+1 秒第一個采樣點的電能值；根據ESum(d) = ESum(d-l)+Ev (k)計算K+1秒內總第d采樣點的電能值；其中 (k*b+l) ^ d ^ (k*b+b-l)；其中，b為每秒內采樣點的個數，Ev (k) = Energy (k) \b ；Ey(k) = Energy (k) % b ； Energy (k)為K秒內電能值；。本實施例提供的系統(tǒng)在量程切換時PGA的放大倍數是可以根據采樣信號進行調 整的，所以該系統(tǒng)可以通過增加PGA的檔位來增加可測量的電壓電流信號的范圍，例如，當 PGA = 32時，可以實現5000 1的電流測量范圍，提高計量范圍，提高電能計算的準確性。 另外，該系統(tǒng)在進行功率計算時具有減少脈沖輸出所產生的輕微波紋的優(yōu)點，另外，本實施 例采用的直流濾波算法能減少直流濾波的計算量，減少MCU (微處理器)的資源消耗。并且 本實施例提供的系統(tǒng)還能減少電能表的規(guī)格，具有提高電能表標準化的優(yōu)點。實施例三本實施例提供一種電能表，該電能表包括上述實施例二提供的一種電能表的計算 系統(tǒng)。另外，該電能表具體可以為220V1(100)A、3X220V5(400)A或3X100V0. 5Q5)A電
能表°值得注意的是，上述實施例二中的系統(tǒng)，所包括的各個單元只是按照功能邏輯進 行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠實現相應的功能即可；另外，各功能單元的 具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。另外，本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是 可以通過程序來指令相關的硬件完成，相應的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質 中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。綜上所述，本發(fā)明提供的技術方案具有提高電能計算的準確率，減少直流濾波的 計算量，提高電能表標準化，減少脈沖輸出所產生的輕微波紋的優(yōu)點。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電能的計算方法，其特征在于，所述方法包括接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣得到該電壓電流信號的采 樣點集合；對該采樣點集合進行直流濾波處理；將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；所述將直流濾波處理后的電壓 電流信號進行量程切換處理的步驟具體包括當電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數減少，如電壓電 流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數提高； 對量程切換后的電流信號進行相位校正； 對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能功率；在計算的電能累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累計值減去單個 脈沖的電能值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采樣點集合進行直流濾波處理的步 驟具體包括對集合進行直流濾波處理，其中直流濾波處理的濾波因子 Y = ,(c) = {C+x{i + a)-x{i)).a‘其中C為集合；α為集合窗口大小，且α是2的冪，x(i)、x(i+l).....x(i+a-l)為C的采樣點。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對量程切換后的電流信號進行相位 校正的步驟具體包括I(i) = I(i-1)*M+I(i)*(l-M)；其中0彡M彡1 ;M為調整系數，I⑴為電能信號中第i個電流采樣數據。
4.根據權利要求1所述的方法，其特則在于，所述對相位校正后的電流信號計算電能 功率的步驟具體包括K+1 秒第一個采樣點的電能值 ESum(I^b) = ESum(k*b-l)+Ey(k)+Ev(k)； K+1秒內總第d采樣點的電能值為=ESum (d) = ESum(d-l)+Ev(k)； 其中，b 為每秒內采樣點的個數，Ev(k) = Energy (k) \b ；Ey(k) = Energy (k) % b ； Energy (k)為 K 秒內電能值；(k*b+l)彡 d 彡(k*b+b_l)。
5.一種電能的計算系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括信號采樣單元，用于接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣得到 電壓電流信號的采樣點集合；濾波單元，用于對該采樣點集合進行直流濾波處理；量程切換單元，用于將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；所述量程 切換單元具體包括判斷模塊，用于判斷電壓電流信號是否大于溢出設定值，以及判斷電壓電流信號是否 小于增益設定值，其中增益設定值小于溢出設定值；倍數調整模塊，用于電壓電流信號大于溢出設定值時，將可編程增益放大器的放大倍 數減少，電壓電流信號小于增益設定值時，將可編程增益放大器的放大倍數提高；相位校正單元，用于對量程切換后的電能信號進行相位校正； 功率計算單元，用于對相位校正后的電能信號計算電能功率； 脈沖生成單元，用于在電能累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累計 值減去單個脈沖的電能值。
6.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波單元具體用于對集合進行直流濾波處理，其中直流濾波處理的濾波因子r = /(C) = (c+x(/+a)~x(/))；a其中C為集合；α為集合窗口大小，且α是2的冪，x(i)、x(i+l).....x(i+a-l)為C的采樣點。
7.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述相位校正單元具體包括電流相位調整模塊，用于根據I (i)’ = I(i-1)*M+I(i)*(l-M)調整電流相位； 其中0 < M < 1 ;M為調整系數，I (i)為電能信號中第i個電流采樣數據。
8.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率計算單元具體用于根據 ESum(k*b) = ESum(k*b-l)+Ey(k)+Ev(k)計算 K+1 秒第一個采樣點的電能值；根據ESum (d) = ESum (d_l) +Ev (k)計算K+1秒內總第d個采樣點的電能值，其中 (k*b+l) ^ d ^ (k*b+b-l)；其中，b 為每秒內采樣點的個數，Ev(k) = Energy (k) \b ；Ey(k) = Energy (k) % b ； Energy (k)為第K秒內電能值。
9.一種電能表，其特征在于，所述電能表包括如權利要求6-8任一所述的電能的計算 系統(tǒng)。
10.根據權利要求9所述的電能表，其特征在于，所述電能表為220V1(100)A、 3X220V5(400)A 或 3X100V0. 5Q5)A 電能表。
全文摘要
本發(fā)明適用于能源領域，本發(fā)明提供了一種電能的計算方法、系統(tǒng)及電能表，該方法包括接收輸入的電壓電流信號，對該電壓電流信號進行波形采樣得到該電壓電流信號的采樣點集合；對該采樣點集合進行直流濾波處理；將直流濾波處理后的電壓電流信號進行量程切換處理；對量程切換后的電流信號進行相位校正；對電壓信號和相位校正后的電流信號計算電能功率；在計算的電能功率累計到單個脈沖的電能值時，生成輸出脈沖，并將電能累計值減去單個脈沖的電能值。本發(fā)明提供的技術方案具有提高電能計量范圍的優(yōu)點。
文檔編號G01R21/06GK102135563SQ20111004428
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權日2011年2月23日
發(fā)明者干體兵 申請人:深圳科瑞格電子有限公司