一種寬量程電能計量裝置的製作方法
2023-04-23 19:45:03
本實用新型涉及一種寬量程電能計量裝置。
背景技術：
2009年以來隨著我國的智能電網建設工作大面積開展，在低壓側的電能表需求在逐步加大，而一般電能表規格是根據標定電流的6～12倍來決定，由此產生多種電流規格的電能表，如有1.5(6)A、1(10)A、5(60)A、10(100)A等多種規格。由於電流規格較多，無可避免的給電力用戶在檢表、配送、安裝維護帶了較大的多餘的工作量，同時也給惡意偷竊電帶來了便利。同時生產廠家為了匹配設計生產多種電流規格的電能表加大了採購、庫存、供貨周期等難度，對產品質量也會造成一定的影響。
並且現在由於用電情況複雜，設備多樣，在不同負載時有很大的不同，如果使用現在單一電流規格的電能表時，選用的電能表額定電流大，當用電很小時，低於電能表額定電流的5％計量準確精度不夠高；如果選用電能表額定電流小，一旦用電量很大時，電能表就可能因過負荷造成計量失準甚至於燒毀。因此研究一種寬量程電能計量裝置對產品質量提高、防止竊電、提高計量準確度、減少計量故障有著十分重要的意義。
現有提高計量量程的方法主要有如下三種方案：
1、採用分段採樣電流的高精度電能表，其原理是：將輸入的電流分別通過電流分流器得到電壓信號，電壓信號通過信號處理器分成二路或多路且分別送到模數轉換器，經模數轉換器數據轉換後、送到微控制器對數據進行處理。這種方法是通過將被測量信號用多路方式送入模數轉換器，以換取更高的量程。由於要實現100倍的寬量程，各路信號大小必須拉開距離，這種電路複雜而且昂貴。
2、採用外部放大電路，放大電路的放大係數可以有微控制器控制，從而實現寬量程，該方案電路同樣也是非常複雜而且成本很高。
3、採用計量晶片實現寬量程電能計量。這個方案是基於現有的電能計量晶片實現的，受限於計量晶片的功能和性能，無法實現100倍的超寬量程和滿足用戶一些定製性的要求。
4、採用混合信號處理器，內含微控制器和模數轉換器，通過採樣電流信號，並根據電流信號的大小自動切換量程，經過一系列的電能計算算法實現寬量程電能計量，其核心在於自動量程切換，該算法在切換量程過程中必然產生電能計算的跳躍式波動，同時需要在多個量程下進行數字校準，同樣存在實現複雜和成本高的問題。
技術實現要素：
本實用新型目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種寬量程電能計量裝置，其在原有的計量基礎上，在精度不降低的前提下，只需增加少量的硬體資源就實現了計量的寬量程功能，方便易行。
本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案：一種寬量程電能計量裝置，包括：
電流通道，所述電流通道包括依次電連接的第一∑△ADC轉換器、第一SINC濾波器、電流量程轉換器和電流高通濾波器；和
電壓通道，所述電壓通道包括依次電連接的第二∑△ADC轉換器、第二SINC濾波器、電壓量程轉換器和電壓高通濾波器；還包括：
功能實現模塊，其第一輸入端分別與所述電流量程轉換器和電流高通濾波器連接，其第二輸入端分別與所述電壓量程轉換器和電壓高通濾波器連接。
本實用新型的有益效果：本實用新型寬量程電能計量裝置通過對SINC濾波器輸出的信號進行量程轉換，將超過基本量程範圍內的大信號轉換到基本量程範圍內，並將折算係數疊加到最終結果上，從而用非常簡便的方法實現了大信號的測量，所以本實用新型在基本量程範圍內精度不改變的前提下，只增加了少量的硬體資源就實現了計量的寬量程功能，可擴展性好，操作性強。
附圖說明
圖1本實用新型的功能原理示意圖。
具體實施方式
本實施例給出了一種電流規格為1(100)A的寬量程電能表，能實現100倍量程，基本可以滿足各種場合的需求，具體參數如下：
額定電壓：Un＝220V，額定頻率:Fb＝50Hz，基本電流：Ib＝1A，最大電流：Imax＝100A,準確計量範圍：1％Ib～1.2Imax,即：10mA～120A,啟動電流：0.2％Ib即2mA，ADC位數至少22bit，這裡採用24bit∑△ADC。
本實施例的1(100)A電流規格寬量程電能表是基於5(30)A電流規格的電能表實現的。
圖1中，本實用新型的寬量程電能計量裝置，具體包括如下：
電流通道，所述電流通道包括依次電連接的第一∑△ADC轉換器1、第一SINC濾波器2、電流量程轉換器3和電流高通濾波器4；電壓通道，所述電壓通道包括依次電連接的第二∑△ADC轉換器5、第二SINC濾波器6、電壓量程轉換器7和電壓高通濾波器8；還包括：
功能實現模塊9，其第一輸入端分別與所述電流量程轉換器3和電流高通濾波器4連接，其第二輸入端分別與所述電壓量程轉換器7和電壓高通濾波器8連接。
本實用新型公開的一種寬量程電能計量方法，具體包括如下步驟：
第一步，電流通道的處理步驟：首先，第一∑△ADC轉換器1將接收到的模擬電流信號轉換成數字電流PDM數據流，並傳輸至第一SINC濾波器2；其次，第一SINC濾波器2將輸入的數字電流PDM數據流降採樣成低速電流波形預處理信號，並傳輸至所述電流量程轉換器3；然後，電流量程轉換器3把超過基本量程的電流信號轉換到基本量程範圍內，並將轉換後的電流波形傳輸至電流高通濾波器4，同時將轉換後的電流轉換係數輸出至功能實現模塊9；最後，由電流高通濾波器4濾除電流波形中的直流成分，並輸出不含直流分量的電流波形給所述功能實現模塊9。
第二步，電壓通道的處理步驟：首先，第二∑△ADC轉換器5將接收到的模擬電壓信號轉換成數字電壓PDM數據流，並傳輸至第二SINC濾波器6；其次，第二SINC濾波器6將輸入的數字電壓PDM數據流降採樣成低速電壓波形預處理信號，並傳輸至所述電壓量程轉換器7；然後，電壓量程轉換器7把超過基本量程的電壓信號轉換到基本量程範圍內，並將轉換後的電流波形傳輸至所述電流高通濾波器8，同時將轉換後的電流轉換係數輸出至功能實現模塊9；最後，由電流高通濾波器8濾除電壓波形中的直流成分，並輸出不含直流分量的電壓波形給所述功能實現模塊9。
第三步，寬量程的計算步驟：功能實現模塊9根據所接收到的電流波形、電流轉換係數、電壓波形和電壓轉換係數以及系統所要求的功能，完成基波/全波電流有效值、基波/全波電壓有效值、全波有功功率、基波有功功率、基波/全波無功功率、全波有功能量脈衝、基波有功能量脈衝、基波/全波無功能量脈衝以及電能質量等相關的計算。
在上述第一步中，所述電流量程轉換器3把超過基本量程的電流信號轉換到基本量程範圍內的具體步驟如下：
輸入電流信號的峰值與基本信號的上限值比較，若大於上限值，右移位輸入電流信號，直到輸入電流信號的峰值不大於基本信號的上限值，移位後的電流信號保持與基本信號相同的位寬輸出給所述電流高通濾波器，並將右移位的位數作為電流轉換係數輸出給功能實現模塊，待功能實現模塊在進行計算時，將計算結果左移位相應的位數；
若輸入電流信號的峰值不大於基本信號的上限值，電流信號保持與基本信號相同的位寬直接輸出給電流高通濾波器，並將電流轉換係數輸出為0給功能實現模塊，待功能實現模塊在進行計算時，最終結果不再移位，直接輸出；
在上述第一步中，所述電壓量程轉換器7把超過基本量程的電壓信號轉換到基本量程範圍內的具體步驟如下：
輸入電壓信號的峰值與基本信號的上限值比較，若大於上限值，右移位輸入電壓信號，直到輸入電壓信號的峰值不大於基本信號的上限值，移位後的電壓信號保持與基本信號相同的位寬輸出給電壓高通濾波器，並將右移位的位數作為電壓轉換係數輸出給功能實現模塊，待功能實現模塊在進行計算時，將計算結果左移位相應的位數；
若輸入電壓信號的峰值不大於基本信號的上限值，電壓信號保持與基本信號相同的位寬直接輸出給所述電壓高通濾波器，並將電壓轉換係數輸出為0給功能實現模塊，待功能實現模塊在進行計算時，最終結果不再移位，直接輸出。
在本實施例中，第一SINC濾波器2的輸出是24bit的波形信號，電流高通濾波器4是18bit的波形信號，電流量程轉換器3需要將超過基本量程[-2^17，2^17-1]的信號轉換到基本量程內，即若第一SINC濾波器2輸出的數據第23位和第22位為符號位，其他為有效數據，則需要將數據左移位5bit，輸出低18bit給電流高通濾波器4，並輸出轉換係數5給功能實現模塊9，功能實現模塊9在進行相關功能計算時，需要對最終的計算結果右移5bit輸出。
傳統的寬量程實現方法要麼在∑△ADC轉換器前端模擬信號上進行處理，進行多路輸入的方式，從輸入信號的源頭把大信號和小信號分開，這種電路複雜而且昂貴，同時由於模擬採樣器件增多，降低了裝置的可靠性。要麼就是在外部增加放大電路，根據信號輸入的大小進行信號的放大、這種方式同樣電路複雜而且昂貴，並且由於採用這種方式必須要把輸入的模擬信號按照量程要求進行縮小，在小信號測量上存在不準確的問題。
或者也有在∑△ADC轉換器上進行處理，讓輸入的最大的模擬信號不超過∑△ADC轉換器量程，在∑△ADC轉換器上根據電流信號的大小進行自動量程切換，此種方法存在的問題就是在切換量過程中必然產生電能計算的跳躍式波動，從而導致計量存在不準確性。
和傳統的寬量程電能計量實現方法相比較，本實用新型通過擴展了相應的SINC濾波器的位數和增加了量程轉換模塊，通過移位把超過基本量程的信號壓縮，把信號和係數一起傳遞給了後續模塊，實現了寬量程算法，這種方法的優點在於增加硬體資源很少，並且也不存在由於計量算法的漏洞導致電能計量不準確，也能在全量程範圍內的計量準確度都能保證。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。