一种高精度交流电能计量方法

1.本发明属于电力系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种高精度交流电能计量方法。


背景技术：

2.对于电能的准确计量是电力系统的重要保障，亦是促进新能源市场推广的必要技术。对于交流用电场合，较为典型的电能计量方法为瞬时功率积分法：先计算电流瞬时值及电压瞬时值的乘积，再结合两者的相位差进行校正，最后累加计算电能值。其中，电流信号及电压信号计量的准确性依赖于采集通道的精度；相位差的准确计量则依赖于系统计时器的精度，当采用过零点检测方法时，信号噪声波动亦会对相位判断造成影响。基于以上原理设计的电子式电能计量装置对于动态畸变的抗扰度较差，计量精度有待进一步提高。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度交流电能计量方法，在指定测试时间段，通过点积和方法计计算单次采样过程瞬时功率，周期累加作为有功电能值。
4.为实现上述发明目的，本发明一种高精度交流电能计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.(1)、通过控制单元提供采样时钟及采样通道的量程范围，并通过实时反馈的方式将采样通道量程设定为当前信号幅值的1.5倍至3倍以保证较高分辨率，然后以高采样率采集电压数据及电流数据；
6.(2)、通过低通滤波器与高通滤波器级联方式对采集的电压数据及电流数据进行滤波处理；
7.(3)、将滤波处理后的电压数据及电流数据由过零点比较器计算相位差及频率值；
8.(4)、将过零点比较器计算得到相位差用于校正瞬时功率，将频率值用于动态设定系统采样频率；
9.(5)、通过点积和累加公式计算单次采样过程的有功电能值。
10.本发明的发明目的是这样实现的：
11.本发明一种高精度交流电能计量方法，在较高的采样频率下，通过定频采样方式获取电压信号及电流信号的原始数据；在谐波环境下，通过数字滤波及软件过零点判断的方式获取电压信号与电流信号的相位差；在特定的测试时间段，通过点积和方法计计算单次采样过程瞬时功率，周期累加作为有功电能值。在引入了滤波环节的情况下可提高过零点判断的精确度，进而提高有功电能的计量精度。
附图说明
12.图1是本发明一种高精度交流电能计量方法流程图；
13.图2是本发明系统结构用于具体实施例示意图；
14.图3是数字滤波器组运算前后的波形效果。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
16.实施例
17.图1是本发明一种高精度交流电能计量方法流程图。
18.在本实施例中，请参阅图2，一种高精度交流电能计量方法用于三相四线制大功率回路的计量测试案例，图中由电压调理通道、adc采样电路、电流调理通道实现采样过程；由dsp单元实现数字滤波环节及过零点判断并累加电能值；由控制单元实现采样率实时设置及通道量程设置；由系统程序输出电能数据并控制电能计量试验进程。
19.如图1所示，本发明一种高精度交流电能计量方法，包括以下步骤：
20.(1)、对于采样过程，误差的主要来源为：信号频率波动导致的频谱泄露、电压传感器与电流传感器相位响应不一致引入的系统误差。为解决信号频率波动问题，采样时钟由控制单元提供，设定为实测频率的250倍；由传感器相位延迟引起的系统误差则通过dsp处理环节进行同步修正。为提升信号的量化精度，采样通道的量程范围由控制单元提供，通过实时反馈的方式将通道量程设定为当前信号幅值的1.5倍至3倍以保证较高分辨率。
21.在本实施例中，采样频率设置为基波信号的200倍以上，且为基波信号的整数倍，电压数据及电流数据的量化幅值保持在模数转换器的1/3至2/3量程段。
22.(2)、通过低通滤波器与高通滤波器级联方式对采集的电压数据及电流数据进行滤波处理；
23.在本实施例中，所述低通滤波器的截止频率应低于49.75hz，所述高通滤波器的截止频率应高于50.25hz。
24.(3)、将滤波处理后的电压数据及电流数据由过零点比较器计算相位差及频率值；
25.在本实施例中，过零点比较器通过软件方法实现，由多个测试点求平均值计算得出。对于dsp处理环节，误差来源主要为：由被测信号直流成分及谐波成分导致的波形畸变、由波形数据的非连续性导致的零点量化误差。为解决波形畸变问题，通过低通滤波器与高通滤波器级联方式进行信号调理，得出基波成分后再判断过零点。为减小离散波形数据零点判断的量化误差，采用等比例换算方式得出零点位置提升过零点的测量精度，具体计算方法如下：记录信号正负两端的幅值，设其坐标位置为(x0,y0)、(x1,y1)，将两点之间的信号波形视为直线，则零点坐标可表示为：t＝x
0-(x
0-x1)/(y
0-y1)
×
y0。
26.通过simulink平台下的仿真试验可分析上述交流计量模型的实际效果。设定被测信号模型为：u(t)＝220
·
sin(ωt)+4
·
sin(3ωt)+4
·
sin(5ωt)+3
·
sin(7ωt)该信号经由数字滤波器组运算前后的波形效果见图3所示。图中白色信号为原始输入信号，在夹杂谐波及直流偏置的情况下产生了一定的波形畸变；灰色信号为滤波完成后的波形效果，去除谐波干扰后表现为标准的基波正弦。由滤波环节引起信号相位偏移约0.1rad，不影响后续过零点相位判断的实时性。假设被测交流负载回路为纯阻性，与u(t)对应的电流信号模型
设为：
27.i(t)＝30
·
sin(ωt)+0.5
·
sin(3ωt)+0.5
·
sin(5ωt)+0.4
·
sin(7ωt)
28.将电压调理通道及电流调理通道引入的相位误差设为π/12，经上述过零点判断环节直接得出的相位差结果为0.234947，经由滤波环节处理后进行零点判断所得相位差为0.261721，相位差的相对误差由10.3％降至0.03％，由此可见，滤波环节对于相位差及信号频率精度有显著的改善效果。
29.选取不同测试时长执行电能走字仿真试验，每次试验均设定不同的电压电流信号相位差，由初始信号的电流电压信号计算得出标准电能值；由信号基波分量的相位差测量值对电能实测值进行校正以得出电能修正值，所得数据记录于表1。可看出，伴随测试时长的增加，修正后的电能值相对误差逐渐减小，由于信号畸变及系统相位偏差经过dsp环节修正后的电能计量误差最终稳定在0.002％附近，具备较高精度。
30.测试时长(min)12468标准电能值(kwh)0.0550.110.220.330.44电能修正值(kwh)0.054980.109980.219990.330010.44002相对误差(％)-0.0545-0.0364-0.0182-0.0045-0.0020
31.表1
32.(4)、将过零点比较器计算得到相位差用于校正瞬时功率，将频率值用于动态设定系统采样频率；
33.(5)、通过点积和累加公式计算单次采样过程的有功电能值。
34.有功电能值的计量方法为其中，n为单次采样过程记录的总点数，δt为采样时间间隔，u(ti)、i(ti)分别为原始电压数据点及原始电流数据点，k为误差修正系数。
35.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。