电能计量和分析系统、方法和模数转换电路的制作方法

专利名称：电能计量和分析系统、方法和模数转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及智能电网领域，特别涉及智能电网中电能计量和分次谐波分析技术。
技术背景
近年来随着智能电网的大力发展，人们越来越关注电网实时运行的质量问题，进 而对分次谐波分析的呼声也越来越高。
本发明中所称的分次谐波是谐波的一种，其频率是基频的N，N为整数。
目前，对分次谐波分析的多数方案选择主流的傅立叶频谱分析，但在现实应用中 存在着难以解决的采样速率无法与电网频率同步的问题。
中国的电网工作频率是50Hz，然而实际运行中的电网频率通常在标准工频的附近 有所波动，正是这一点点的频率波动让固定采样系统力不从心，如不采取措施而直接用于 分次谐波分析，将造成非常大的误差而无法正常使用。
部分方案采用搭建外围硬件的方式，用比较器获取波形的过零点信息，通过硬件 锁相环(Phase Lock Loop，简称“PLL”)把频率倍升到足够的高速率，再去驱动模数转换器 (Analog Digital Converter，简称“ADC”)采样时钟，进而达到了同步化采样的实际效果。
当外部电网频率发生偏移，比较器发觉过零点的变化，PLL也就会重新进行一次锁 频的稳定过程，之后ADC的数据才是真正同步过的有效数据，每当频率发生波动，上面所描 述的过程会重新跑一次。缺点是此类方案的实时同步效果并不够理想，在频率经常波动的 场合会出现错误跟踪，同时，系统硬件依赖性较大、结构复杂度大、产品成本过高，不适合在 电能表等的低成本应用领域中推广。发明内容
本发明的目的在于提供一种电能计量和分析系统、方法和模数转换电路，以较少 的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定性，又保证了电能计量的准确性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种模数转换电路，包括
Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；
第一抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；
第二抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；
其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率。
本发明的实施方式还提供了一种电能计量和分析系统，包括模数转换电路、电能 计量单元和分次谐波分析单元，其中，
模数转换电路包括
Σ "Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；
第一抽样单元，用于对Σ "Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；
第二抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；
其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率；
电能计量单元用于根据第一抽样单元输出的数字信号进行电能计量；
分次谐波分析单元用于根据第二抽样单元输出的数字信号进行分次谐波分析。
本发明的实施方式还提供了一种电能计量和分析方法，包括以下步骤
步骤A，对输入的模拟信号进行单比特采样，得到单比特采样信号；
步骤B，对单比特采样信号进行D值固定的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行供电能计量；
步骤C，对单比特采样信号进行D值可变的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行分次谐波分析；
步骤B和步骤C在步骤A之后并行执行。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于
在一个Σ-Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中一个D值固定以供电能计量， 另一个D值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定 性，又保证了电能计量的准确性。
进一步地，在电网频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的D值，可以自适应 地调整，使分次谐波监测始终保持稳定。
进一步地，在第二抽样单元中对谐波分量进行系数补偿，可以弥补因使用3阶CIC 滤波器而导致的中高频部分过渡带衰减。该方案的实际测试效果良好，对电网的电压电流 信号，可以满足在2至21次谐波范围内，达到5%的分次谐波分析精度，同时也可推算出波 形畸变率等有用参数。
进一步地，在D值发生变化时，丢弃前N个尚未稳定的数据，可以使分次谐波监测 的结果更为准确。经反复实验，N = 4时既可以保证分次谐波监测结果的稳定性，又可以使 分次谐波监测的中断时间最短。


图1是本发明第一实施方式中一种模数转换电路的结构示意图2是本发明第二实施方式中一种模数转换电路的结构示意图3是本发明第五实施方式中一种电能计量和分析系统的结构示意图4是本发明第五实施方式中另一种电能计量和分析系统的结构示意图5是本发明第六实施方式中一种电能计量和分析方法的流程示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本 领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化 和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种模数转换电路。图1是该模数转换电路的结构示意 图。该模数转换电路包括
Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样。
第一抽样(Decimation)单元，用于对Σ-Δ调制单元输出的单比特采样信号进行 降速抽取和低通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变。
第二抽样单元，用于对Σ "Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变。
其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率。 两个抽样单元进行降速抽取和低通滤波，获得较低采样速率但更高精度的ADC数据，其本 质上是充分利用平均效应，以速度来换精度。
在一个Σ-Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中一个D值固定以供电能计量， 另一个D值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定 性，又保证了电能计量的准确性。
调制器的高速采样时钟FS，一般由晶振电路提供，比如由5. 5296MHz晶体三分频 得到的1. 8432MHz来提供，本发明实施方式中记高速位流速率FS和低速抽取速率fs之比 D = FS/fs，在电能计量部分要求的固定采样率通路上，D值设计选定后固定不变，为方便应 用一般取2的幂次(如32，64，1观等)；而为了跟踪外部电网频率fin的变化，在保留正 常能量计量的基础上，我们为每个调制器的后端并行增加第二个抽样单元，同时将其D值 设计为软件可调，目的是希望在电网正弦信号频率波动时，每个周波内总能保持64个采集 点，那么必须满足关系式fs = 64 * fin,由上面两个式子可得到D = FS/(64 fin)，当然 还需要对D值取四舍五入，因为它代表抽取率所以必然是整数。从这里可以看出，只要通过 简单地调整D值，即可以与外部电网频率实现同步，得到每周波固定64点的采样数据，同步 后的数据可放心去做快速傅里叶变换(Fast Fourier "Transform，简称“FFT”)变换，便获 得电网信号的真实频谱，上面所述的同步过程大大减少了傅立叶谐波分析所产生的频谱泄 漏效应，从而也提高了分次谐波的检测精度。
本技术方案在保证电能计量不受影响的前提下，通过简单改动就提供了同步 化数据，在电网频率波动情况下，提高了分次谐波监测稳定性。并且有效利用了已有的 sigma-delta ADC的结构特点(即Σ -Δ调制单元+第一抽样单元)，仅增加了易于实现的 抽样单元(即DEC滤波器)，与现有技术的PLL+ADC方案相比，大大减少了硬件开销降低了 成本。
本发明所称的第一抽样单元、第二抽样单元中第一、第二并没有次序、先后或等级 的含义，只是表示这是两个不同的抽样单元。
本发明第二实施方式涉及一种模数转换电路。图2是该模数转换电路的结构示意 图。
第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于在电网 频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的D值，从而可以实现自适应调整，使分次谐波 监测始终保持稳定。具体地说，第二实施方式相对于第一实施方式增加了电网频率检测单 元和D值计算单元，其中
电网频率检测单元，用于实时检测当前的电网频率(fin)。可以有多种方法实现电 网频率的检测，例如多周期过零点计数平均法，利用相邻采样点的符号变化来检测过零点， 然后通过测得多次过零时间的平均间隔，便可推得电网信号频率。又如，让取样信号通过模 拟比较器得到方波信号，用方波信号做时窗使能计数器，由计数值也可推得频率。等等。
D值计算单元，用于计算FS/(Y女fin)的值，将计算结果取整，得到D值，设置到第 二抽样单元，其中Y是2的P次幂，P为预先设定的大于3的整数，fin是电网频率检测单元 检测到的电网频率。优选地，可以采用四舍五入的方式取整，也可以使用其它方式取整，如 截断、进一等等。
可以周期性对将D值计算单元所得的D值设置到第二抽样单元，也可以仅在电网 频率检测单元检测到当前的电网频率发生变化后，再将D值计算单元所得的D值设置到第 二抽样单元。本发明各实施方式中，电网频率发生变化是指电网频率的变化达到预先设定 的门限，如果变化小于门限，则认为没有变化，这是因为系统本身可能存在误差，过于微小 的波动可以忽略。
在本发明的某些其它实施方式中，第二抽样单元的D值也可以手动变化，也就是 在需要时输入一个值给第二抽样单元，这比较适合电网频率的变化很少，或是人为控制的 情况。操作员可以在电网频率变化后，给第二抽样单元人工设置一个合适的值。
本发明第三实施方式涉及一种模数转换电路。
第三实施方式在第一或第二实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在 于在第二抽样单元中对谐波分量进行系数补偿，可以弥补因使用3阶级联积分梳状 (Cascade-integrator-Comb,简称“CIC”)滤波器而导致的中高频部分过渡带衰减。具体地 说
第二抽样单元中包括
3阶CIC滤波器，用于实现抽取滤波。
补偿单元，用于对3阶CIC滤波器输出的各谐波分量作系数相乘补偿。采用3阶 CIC滤波器的好处在于不需乘法器实现简单，但会对中高频部分产生过渡带衰减，频谱上将 看到谐波部分的幅值受到一定程度的跌落影响，所以需要对由同步化的数据做Flourier 变换得到频谱进行后补偿操作。首先忽略无意义的直流分量，然后依据下面的公式对谐波 分量做系数相乘补偿(将H(K)与第K次谐波的系数相乘)，例如可选定fin = 50Hz这一频 点算得各次谐波(如2至21次)对应的计算值，取其倒数存成固定表格当做补偿值，
H(K) = {sin(D * Ji * fin * K/FS)/sin(Ji * fin * K/FS)/D}"3
sin()代表正弦三角函数，η代表圆周率，“代表幂次运算，fin为电网频率，K为 大于1的正整数，K代表fin的第K次谐波，H(K)是对第K次谐波的补偿系数。
该方案的实际测试效果良好，对电网的电压电流信号，可以满足在2至21次谐波 范围内，达到5%的分次谐波分析精度，同时也可推算出波形畸变率等有用参数。
本技术方案针对抽样单元的中高频衰减跌落，提供了简单的软件补偿方法，使高 次谐波的检测精度获得保证。
本发明第四实施方式涉及一种模数转换电路。
第四实施方式在第一、第二或第三实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处 在于第二抽样单元在所设置的D值变化时，丢弃前N个待输出的数据，N为预先设定的正整数。这里D值的变化可以是自动设置引发的(如第二实施方式)，也可以是手动设置引发 的。
在D值发生变化时，丢弃前N个尚未稳定的原本要供分次谐波分析使用的数据，可 以使分次谐波监测的结果更为准确。
通常，电网工频50Hz存在不超过10 %的波动，当然对于一些国家采用的60Hz，该 法也同样适用，这样频率变化范围最大在45至66Hz，每当监测到外部频率发生偏移时，可 通过自动方式(公式关联)或手动方式(用户设定)，使抽取率D值发生跟踪性的变化，此 时第二抽样单元需要一定的稳定时间，推荐丢弃前4个尚未稳定的数据，既可以保证分次 谐波监测结果的稳定性，又可以使分次谐波监测的中断时间最短。
第二抽样单元中还可以包括一缓存器，用于缓存待输出的数据，该缓存器的缓存 量达到预定门限后再以批处理方式输出数据。
当然，第二抽样单元中也可以不包含缓存器，不对待输出数据进行缓存，一有符合 要求的待输出数据就实时输出，这种方案的好处在于时延最小。
本发明第五实施方式涉及一种电能计量和分析系统。
该系统包括
如第一至第四实施方式中任一项所述的模数转换电路；
电能计量单元，用于根据模数转换电路中第一抽样单元输出的数字信号进行电能计量。
分次谐波分析单元，用于根据模数转换电路中第二抽样单元输出的数字信号进行 分次谐波分析。
图3、图4是该电能计量和分析系统的两个实例的结构示意图，其中图3中的模数 转换单元采用了第一实施方式的结构，图4中的模数转换单元采用了第二实施方式中的结 构。
可以理解，整个系统可以在一个芯片中实现，也可以分在多块芯片中实现。
本发明第六实施方式涉及一种电能计量和分析方法。图5是该电能计量和分析方 法的流程示意图。
在步骤501中，对输入的模拟信号进行单比特采样，得到单比特采样信号。此后进 入并行的步骤502和504。
在步骤502中，对单比特采样信号进行D值固定的降速抽取和低通滤波，得到数字信号。
此后进入步骤503，使用步骤502得到的数字信号进行供电能计量。
在步骤504中，对单比特采样信号进行D值可变的降速抽取和低通滤波，得到数字信号。
此后进入步骤505，使用步骤504得到的数字信号进行分次谐波分析。
本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施 方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了 减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施 方式中。
本发明第七实施方式涉及一种电能计量和分析方法。
第七实施方式在第六实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于在电网 频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的D值，从而可以实现自适应调整，使分次谐波 监测始终保持稳定。
具体地说，还存在与图5中的流程并行的以下步骤
实时检测当前的电网频率fin。
计算FS/ (Y * fin)后取整，得到D值，该D值供步骤504中降速抽取和低通滤波 使用，其中Y是2的P次幂，P为预先设定的大于3的整数，fin是电网频率检测单元检测到 的电网频率。
本实施方式是与第二实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施 方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了 减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施 方式中。
本发明第八实施方式涉及一种电能计量和分析方法。
第八实施方式在第六或第七实施方式的基础上进行改进，主要改进之处在于，对 步骤504降速抽取和低通滤波处理中的谐波分量进行系数补偿。具体地说，在步骤504的 降速抽取和低通滤波过程中，还包括以下子步骤
对降速抽取和低通滤波所得的数据进行快速傅利叶变换得到频谱，将频谱中各谐 波分量的系数分别与如下公式计算所得的补偿系统相乘
H(K) = {sin(D * Ji * fin * K/FS)/sin(Ji * fin * K/FS)/D}"3
sin()代表正弦三角函数，η代表圆周率，“代表幂次运算，fin为电网频率，K为 大于1的正整数，K代表fin的第K次谐波，H(K)是对第K次谐波的补偿系数。为了加快运 算速度，各种H(K)的值可以预先计算出来，存在一个表中，需要时直接使用。
本实施方式是与第三实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第三实施 方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了 减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施 方式中。
本发明第九实施方式涉及一种电能计量和分析方法。
第九实施方式在第六、第七或第八实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处 在于，步骤504的降速抽取和低通滤波过程中，如果D值发生变化，则丢弃前N个供分次谐 波分析使用的数据，N为预先设定的正整数。
优选地，N= 4。
本实施方式是与第四实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第四实施 方式互相配合实施。第四实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了 减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第四实施 方式中。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是 以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储 器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的 或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存 储器(Programmable Read Only Memory，简称 “PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory, 简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简 称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但 本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发 明的精神和范围。
权利要求
1.一种模数转换电路，其特征在于，包括Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；第一抽样单元，用于对所述Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；第二抽样单元，用于对所述Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；其中，D = FS/fs, FS为所述Σ -Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率。
2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，还包括 电网频率检测单元，用于实时检测当前的电网频率；D值计算单元，用于计算FS/(Y女fin)后取整，得到D值，设置到所述第二抽样单元，其 中Y是2的P次幂，P为预先设定的大于3的整数，fin是所述电网频率检测单元检测到的 电网频率。
3.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述第二抽样单元中包括 3阶级联积分梳状滤波器，用于实现抽取滤波；补偿单元，用于依据下面的公式对所述3阶级联积分梳状滤波器输出的各谐波分量作 系数相乘补偿H(K) = {sin(D * Ji * fin * K/FS)/sin(Ji * fin * K/FS)/D}"3 sin()代表正弦三角函数，η代表圆周率厂代表幂次运算，fin为电网频率，K为大于 1的正整数，K代表fin的第K次谐波，H(K)是对第K次谐波的补偿系数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模数转换电路，其特征在于，所述第二抽样单元 在所设置的D值变化时，丢弃前N个待输出的数据，N为预先设定的正整数。
5.根据权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述N= 4。
6.根据权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述第二抽样单元中还包括一 缓存器，用于缓存待输出的数据，该缓存器的缓存量达到预定门限后再以批处理方式输出 数据。
7.一种电能计量和分析系统，其特征在于，包括模数转换电路、电能计量单元和分次谐 波分析单元，其中，所述模数转换电路包括Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；第一抽样单元，用于对所述Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；第二抽样单元，用于对所述Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；其中，D = FS/fs，FS为所述Σ -Δ调制单元的采样速率，fs为所述抽样单元的抽取速率；所述电能计量单元用于根据所述第一抽样单元输出的数字信号进行电能计量； 所述分次谐波分析单元用于根据所述第二抽样单元输出的数字信号进行分次谐波分析。
8.一种电能计量和分析方法，其特征在于，包括以下步骤步骤A，对输入的模拟信号进行单比特采样，得到单比特采样信号；步骤B，对所述单比特采样信号进行D值固定的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行供电能计量；步骤C，对所述单比特采样信号进行D值可变的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行分次谐波分析；所述步骤B和步骤C在步骤A之后并行执行。
9.根据权利要求8所述的电能计量和分析方法，其特征在于，还包括与所述步骤C并行 的以下步骤实时检测当前的电网频率；计算FS/(Y女fin)后取整，得到D值，该D值供所述步骤C中的降速抽取和低通滤波 使用，其中Y是2的P次幂，P为预先设定的大于3的整数，fin是所述电网频率检测单元检 测到的电网频率。
10.根据权利要求8所述的电能计量和分析方法，其特征在于，在所述步骤C的降速抽 取和低通滤波过程中，还包括以下子步骤对降速抽取和低通滤波所得的数据进行快速傅利叶变换得到频谱，将频谱中各谐波分 量的系数分别与如下公式计算所得的补偿系统相乘H(K) = {sin(D * Ji * fin * K/FS)/sin(Ji * fin * K/FS)/D}"3sin()代表正弦三角函数，η代表圆周率厂代表幂次运算，fin为电网频率，K为大于 1的正整数，K代表fin的第K次谐波，H(K)是对第K次谐波的补偿系数。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电能计量和分析方法，其特征在于，在所述步 骤C的降速抽取和低通滤波过程中，还包括以下步骤如果D值发生变化，则丢弃前N个供分次谐波分析使用的数据，N为预先设定的正整数。
12.根据权利要求8所述的电能计量和分析方法，其特征在于，所述N= 4。
全文摘要
本发明涉及智能电网领域，公开了一种电能计量和分析系统、方法和模数转换电路。本发明中，在一个∑-Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中第一抽样单元的D值固定以供电能计量，第二抽样单元的D值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定性，又保证了电能计量的准确性。在电网频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的D值，可以实现自适应调整，使分次谐波监测始终保持稳定。在第二抽样单元中对谐波分量进行系数补偿，可以弥补因使用3阶CIC滤波器而导致的中高频部分过渡带衰减。
文档编号H03M1/12GK102035554SQ201010554658
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者张志勇, 张斌阳, 张明雄 申请人:钜泉光电科技(上海)股份有限公司