CN102128976B - 电能表的能量脉冲输出方法、装置及电能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子领域，公开了一种电能表的能量脉冲输出方法、装置及电能表。本发明中，设计两个不同性能的低通滤波器，当电流有效值小于或等于预置门限时，选择阶跃响应时间较长但对非直流低频部分的衰减程度更大的低通滤波器，使得对瞬时功率的非直流低频噪声部分衰减更好，从而改善小信号输入时的能量脉冲的跳动。当电流有效值大于预置门限时，选择对非直流低频部分的衰减程度较低但阶跃响应时间较短的低通滤波器，以免影响到能量脉冲输出的即时性。

Description

电能表的能量脉冲输出方法、装置及电能表

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及电子领域中的电能表。

背景技术

电能表是通过Sigma-delta模数转换器(∑-ΔADC)对模拟电压和电流采样并转换成它们的数字形式，以便后面的计量电路来计算电能、功率和有效值等数据。

现有的电能表的基本结构如图1所示，电压值U和电流值I分别经过∑-Δ模数转换器变成相应的数字信号u和i，分别代表电压值和电流值的数字信号，u和i相乘后得到瞬时功率p(t)，瞬时功率经过一个低通滤波器LPF1后得到滤后瞬时功率P1，滤后瞬时功率经过数字频率转换器得到能量脉冲CF。

具体地说，假设电压u和电流i的表达式分别为：

$u=U\cos (2\mathrm{\π}\×50)+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{u}_k\cos \left({\mathrm{\ω}}_k\right)---\left(1\right)$

$i=I\cos (2\mathrm{\π}\×50)+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{i}_j\cos \left({\mathrm{\ω}}_j\right)---\left(2\right)$

其中，ω表示噪声的频率，u和i的表达式中的后一项表示电压和电流信号中的各种noise(噪声)之和。

瞬时功率p(t)通过电压和电流相乘可得：

$p\left(t\right)=u\×i=\frac{1}{2}\mathrm{UI}+\frac{1}{2}\mathrm{UI}\cos (2\mathrm{\π}\×100)+I\cos (2\mathrm{\π}\×50)\×\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{u}_k\cos \left({\mathrm{\ω}}_k\right)---\left(3\right)$

$+U\cos (2\mathrm{\π}\×50)\×\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{i}_j\cos \left({\mathrm{\ω}}_j\right)+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{u}_k\cos \left({\mathrm{\ω}}_k\right)\×\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{i}_j\cos \left({\mathrm{\ω}}_j\right)$

其中，第一项为有用功率

其余项为功率噪声。

低通滤波器LPF1的作用是滤掉瞬时功率p(t)中的非直流部分，得到滤后瞬时功率。数字频率转换器是对滤后瞬时功率累加到某一定值就输出一个能量脉冲CF，故能量脉冲的输出频率和滤后瞬时功率成正比。如果滤后的瞬时功率是某一常数，则数字频率转换器输出的频率就为某一单一频率，而如果滤后的瞬时功率含有比较多的功率噪声，则数字频率转换器的脉冲输出就会产生跳动(jitter)。

本发明的发明人发现，在单相锰铜应用中，由于电流信号输入值很小，因此在小信号输入时电能表的精度跳动比较大。这是因为，在电能表实际应用中，电压值不变，电流值随着负载的变化而变化。当电流值比较小时，式2中的I值比较小，而噪声不变，这样电流信号的信噪比就比较低，瞬时功率的信噪比也相应比较低，滤后的瞬时功率也就含有比较多的噪声，因此，小信号时能量脉冲的输出频率的跳动值比较大。而如果选用对非直流低频部分的衰减程度较大的低通滤波器，固然能改善小信号的跳动情况，但是，LPF1对非直流低频部分的衰减越大，则LPF1的阶跃响应时间越长，如果LPF1的阶跃响应时间和能量脉冲CF的输出脉冲间隔差不多，则会影响能量脉冲CF输出。由于大信号时的能量脉冲输出间隔小，这决定了LPF1的阶跃响应时间要比较短，因此，在现有的电能表结构中，通常选用阶跃响应时间较短但对非直流低频部分的衰减不够好的低通滤波器，从而导致了在小信号输入时电能表的精度跳动比较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电能表的能量脉冲输出方法、装置及电能表，在保证不影响大信号的能量脉冲输出即时性的情况下，可以有效改善电能表小信号时的精度跳动情况。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电能表的能量脉冲输出方法，包含以下步骤：

根据输入的电流信号的有效电流值选择对应的低通滤波器对瞬时功率进行滤波，之后根据滤波后的滤后瞬时功率，输出能量脉冲；

当有效电流值大于预置门限时选择的低通滤波器的阶跃响应时间比有效电流值小于或等于所述预置门限时选择的低通滤波器的阶跃响应时间短。

本发明还提供了一种能量脉冲输出装置，包含：

第一低通滤波器和第二低通滤波器，分别用于对输入信号进行低通滤波；其中，第一低通滤波器的阶跃响应时间比第二低通滤波器的阶跃响应时间短；

电流有效值计算模块，用于计算输入的电流信号的有效电流值；

选择模块，用于根据电流有效值计算模块计算的有效电流值，选择对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器，其中，当计算的有效电流值大于预置门限时，选择第一低通滤波器；当计算的有效电流值小于或等于预置门限时，选择第二低通滤波器；

数字频率转换器，用于根据滤后瞬时功率，输出能量脉冲，其中，滤后瞬时功率为以选择模块选择的低通滤波器对瞬时功率进行低通滤波后，得到的滤后瞬时功率。

本发明还提供了一种电能表，包含上述能量脉冲输出装置。

进一步地，既可以先进行低通滤波器的选择，通过使能选择的低通滤波器，得到滤后瞬时功率；也可以先由第一低通滤波器和第二低通滤波器分别对瞬时功率进行低通滤波，通过将经选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率，得到滤后瞬时功率。使得本发明可灵活多变地实现。

进一步地，预置门限可为一固定值或根据电能表典型应用时的电流值得到，为输入的电流值属于大信号或小信号的判断，提供了一个合理的判断标准，从而保证了选择的通滤波器的准确性。

本发明与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

设计两个不同性能的低通滤波器，根据计算的电流有效值选择对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器，将经选择的低通滤波器滤波后的滤后瞬时功率作为数字频率转换器的输入信号。其中，第一低通滤波器的阶跃响应时间比第二低通滤波器的阶跃响应时间短，第二低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度大于第一低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度。由于当电流有效值小于或等于预置门限时，说明输入的电流值属于小信号，此时可以选择阶跃响应时间较长但对非直流低频部分的衰减程度更大的低通滤波器，使得对瞬时功率的非直流低频噪声部分衰减更好，从而改善小信号输入时的能量脉冲的跳动。当电流有效值大于预置门限时，说明输入的电流值属于大信号，此时可以选择对非直流低频部分的衰减程度较低但阶跃响应时间较短的低通滤波器，以免影响到能量脉冲输出的即时性。因此，在保证不影响大信号的能量脉冲输出即时性的情况下，可以有效改善电能表小信号时的精度跳动情况。

附图说明

图1是根据现有技术中的电能表的基本结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的电能表的能量脉冲输出方法流程图；

图3是根据本发明第一实施例的电能表的基本结构示意图；

图4是根据本发明第一实施例中的LPF1和LPF2的幅频响应示意图；

图5是根据本发明第一实施例中的LPF1和LPF2的阶跃响应示意图；

图6是根据本发明第二实施例的电能表的基本结构示意图；

图7是根据本发明第三实施例的能量脉冲输出装置的结构示意图；

图8是根据本发明第四实施例的能量脉冲输出装置的结构示意图。

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例的种种变化和修改，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例作进一步地详细描述。

本发明提供一种电能表的能量脉冲输出方法及电能表，根据输入的电流信号的有效电流值选择对应的低通滤波器对瞬时功率进行滤波，当有效电流值大于预置门限时选择阶跃响应时间较短的低通滤波器。

实施例一

本实施例涉及一种电能表的能量脉冲输出方法，具体流程如图2所示。

在步骤210中，计算输入的电流信号的有效电流值。具体地说，在本实施例中，根据公式：

计算有效电流值I_rms。其中，N表示周期采样点数，i表示由输入的电流信号转换为的数字信号。此外，本领域技术人员可以理解，在实际应用中，也可以根据其他能够表征输入的电流信号大小的公式计算出I_rms，在此不一一赘述。

接着，在步骤220中，根据计算的有效电流值选择低通滤波器，如果计算的有效电流值大于预置门限，则选择第一低通滤波器。如果计算的有效电流值小于或等于预置门限，则选择第二低通滤波器。在本实施例中，电能表中存在2个低通滤波器：第一低通滤波器LPF1和第二低通滤波器LPF2。其中，第一低通滤波器的阶跃响应时间比第二低通滤波器的阶跃响应时间短，第二低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度大于第一低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度。

具体地说，该预置门限可以根据电能表典型应用时的电流值得到。以预置门限为电能表典型应用时的电流值的5％为例，如果计算的有效电流值大于5％lb(lb为电能表典型应用时的电流值)，则认为输入的电流信号属于大信号，能量脉冲CF输出间隔较短，应选用阶跃响应时间较短的LPF1；如果计算的有效电流值小于或等于5％lb，则认为输入的电流信号属于小信号，能量脉冲CF输出间隔较长，应选用阶跃响应时间较长的LPF2。另外，在实际应用中，预置门限也可以是一固定值。

本实施例中，LPF1的幅频响应特性|H_LPF1(f)|为：

LPF2的幅频响应特性|H_LPF2(f)|为：

其中，f表示频率变量。低通滤波器LPF1和LPF2的幅频响应如图4所示，阶跃响应如图5所示，虽然LPF2的阶跃响应更长，但其对低频噪声的衰减更好，能减小瞬时功率的低频功率噪声，从而减小电能表的小信号跳动。

此外，可以理解，本实施例中的第一低通滤波器和第二低通滤波器的幅频响应特性，只是具体的一个实现例子，在实际应用中，还可以采用其他的通滤波器作为第一低通滤波器和第二低通滤波器，在此不一一赘述。

如图3所示，在将电压值和电流值的数字信号u和i相乘得到瞬时功率后，第一低通滤波器LPF1和第二低通滤波器LPF2分别对瞬时功率进行低通滤波。另一方面，将计算的有效电流值与预置门限进行比较，并根据比较结果选择低通滤波器。如果选择的是LPF1，则将经LPF1滤波后的瞬时功率P1作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经LPF2滤波后的瞬时功率P2。如果选择的是LPF2，则将经LPF2滤波后的瞬时功率P2作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经LPF1滤波后的瞬时功率P1。选择P1或P2作为有效的滤后瞬时功率，可通过多路选择器MUX实现。

接着，在步骤230中，由数字频率转换器根据滤后瞬时功率，输出能量脉冲，该滤后瞬时功率为已选择的低通滤波器对瞬时功率进行低通滤波后，得到的滤后瞬时功率。如图3所示，MUX将选择的P1或P2输入到数字频率转换器中，由数字频率转换器根据滤后瞬时功率输出能量脉冲。数字频率转换器输出能量脉冲的具体实现方式与现有技术相同，在此不再赘述。

不难发现，在本实施例中，通过设计两个不同性能低通滤波器LPF1和LPF2，根据电流有效值来判断电流输入值的大小，从而来选择使用哪个低通滤波器。由于当有效电流值小于或等于预置门限(即输入的电流值属于小信号)时，可以选择阶跃响应时间较长但对非直流低频部分的衰减程度更大的低通滤波器，使得对瞬时功率的非直流低频噪声部分衰减更好，从而改善小信号输入时的能量脉冲的跳动。当有效电流值大于预置门限(即输入的电流值属于大信号)时，可以选择对非直流低频部分的衰减程度较低但阶跃响应时间较短的低通滤波器，以免影响到能量脉冲输出的即时性。因此，在保证不影响大信号的能量脉冲输出即时性的情况下，可以有效改善电能表小信号时的精度跳动情况。

而且，预置门限可根据电能表典型应用时的电流值得到或设置为一固定值，为输入的电流值属于大信号或小信号的判断，提供了一个合理的判断标准，从而保证了选择的低通滤波器的准确性。此外，可以理解，本实施例中虽然以预置门限为电能表典型应用时的电流值的5％为例进行说明，但在实际应用中，预置门限也可以取为电能表典型应用时的电流值的其他百分比。

实施例二

本实施例涉及一种电能表的能量脉冲输出方法。第二实施例与第一实施例基本相同，区别主要在于：在第一实施例中，通过将经选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率，得到滤后瞬时功率。

然而在第二实施例中，通过以下方式，得到滤后瞬时功率：使能选择的低通滤波器，去使能未被选择的低通滤波器。选择的低通滤波器在被使能后，对瞬时功率进行低通滤波。

如图6所示，在将电压值和电流值的数字信号u和i相乘得到瞬时功率P(t)后，根据计算的有效电流值与预置门限的比较结果，选择对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器。如果选择的是LPF1(即计算的有效电流值大于预置门限)，则使能LPF1，由LPF1对瞬时功率进行低通滤波，得到滤后瞬时功率；如果选择的是LPF2(即计算的有效电流值小于或等于预置门限)，则使能LPF2，由LPF2对瞬时功率进行低通滤波，得到滤后瞬时功率。经LPF1或LPF2滤波后得到的滤后瞬时功率输入到数字频率转换器中，由数字频率转换器根据滤后瞬时功率输出能量脉冲。

由于既可以先进行低通滤波器的选择，通过使能选择的低通滤波器，得到滤后瞬时功率。也可以先由第一低通滤波器和第二低通滤波器分别对瞬时功率进行低通滤波，通过将经选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率，得到滤后瞬时功率。使得本发明的实施例可灵活多变地实现。

本发明的各方法实施例均可以以软件、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 Array Logic，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。

实施例三

本实施例涉及一种能量脉冲输出装置。图7是该能量脉冲输出装置的结构示意图。该能量脉冲输出装置包含：

第一低通滤波器和第二低通滤波器，分别用于对输入信号进行低通滤波。其中，第一低通滤波器的阶跃响应时间比第二低通滤波器的阶跃响应时间短，第二低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度大于第一低通滤波器的对非直流低频部分的衰减程度。

电流有效值计算模块，用于计算输入的电流信号的有效电流值。

选择模块，用于根据电流有效值计算模块计算的有效电流值，选择对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器，其中，当计算的有效电流值大于预置门限时，选择第一低通滤波器。当计算的有效电流值小于或等于预置门限时，选择第二低通滤波器。该预置门限可根据电能表典型应用时的电流值得到，如为电能表典型应用时的电流值的5％，也可以是一固定值。

数字频率转换器，用于根据滤后瞬时功率，输出能量脉冲，其中，滤后瞬时功率为以选择模块选择的低通滤波器对瞬时功率进行低通滤波后，得到的滤后瞬时功率。

具体地说，电流有效值计算模块可根据公式

计算有效电流值I_rms，其中，N表示周期采样点数，i表示由输入的电流信号转换为的数字信号。

选择模块通过在第一低通滤波器和第二低通滤波器分别对瞬时功率进行低通滤波后，将经选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率发送至数字频率转换器，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率，得到待输入到数字频率转换器的滤后瞬时功率。本实施例中，第一低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF1(f)|为：

第二低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF2(f)|为：

其中，f表示频率变量。

不难发现，第一实施例是与本实施例相对应的方法实施例，本实施例可与第一实施例互相配合实施。第一实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在第一实施例中。

实施例四

本实施例涉及一种能量脉冲输出装置。第四实施例与第三实施例基本相同，区别主要在于：在第三实施例中，选择模块通过在第一低通滤波器和第二低通滤波器分别对瞬时功率进行低通滤波后，将经选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率，得到待输入到数字频率转换器的滤后瞬时功率。

然而在第四实施例中，选择模块在选择出对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器后，使能选择的低通滤波器，去使能未被选择的低通滤波器，并指示使能的低通滤波器对瞬时功率进行低通滤波，得到待输入到数字频率转换器的滤后瞬时功率，如图8所示。

不难发现，第二实施例是与本实施例相对应的方法实施例，本实施例可与第二实施例互相配合实施。第二实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在第二实施例中。

实施例五

本实施例涉及一种电能表，本实施例中的电能表包含上述实施例三中的能量脉冲输出装置，或者，包含上述实施例四中的能量脉冲输出装置。

需要说明的是，本发明各设备实施例中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施例并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施例并不存在其它的单元。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，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。

Claims (13)

1.一种电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，包含以下步骤：

根据输入的电流信号的有效电流值选择对应的低通滤波器对瞬时功率进行滤波，之后根据滤波后的滤后瞬时功率，输出能量脉冲；

当有效电流值大于预置门限时选择的低通滤波器的阶跃响应时间比有效电流值小于或等于所述预置门限时选择的低通滤波器的阶跃响应时间短。

2.根据权利要求1所述的电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，通过以下方式，得到所述滤后瞬时功率：

使能所述选择的低通滤波器，去使能未被选择的低通滤波器；

选择的低通滤波器在被使能后，对所述瞬时功率进行低通滤波。

3.根据权利要求1所述的电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，通过以下方式，得到所述滤后瞬时功率：

将阶跃响应时间较短的低通滤波器记为第一低通滤波器，将阶跃响应时间较长的低通滤波器记为第二低通滤波器；

所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器分别对所述瞬时功率进行低通滤波；

将经所述选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率。

4.根据权利要求3所述的电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，所述第一低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF1(f)|为：

所述第二低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF2(f)|为：

其中，f表示频率变量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，所述预置门限为一固定值或根据电能表典型应用时的电流值得到。

6.根据权利要求5所述的电能表的能量脉冲输出方法，其特征在于，所述预置门限为电能表典型应用时的电流值的5％。

7.一种能量脉冲输出装置，其特征在于，包含：

第一低通滤波器和第二低通滤波器，分别用于对输入信号进行低通滤波；其中，所述第一低通滤波器的阶跃响应时间比所述第二低通滤波器的阶跃响应时间短；

电流有效值计算模块，用于计算输入的电流信号的有效电流值；

选择模块，用于根据所述电流有效值计算模块计算的有效电流值，选择对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器，其中，当计算的所述有效电流值大于预置门限时，选择所述第一低通滤波器；当计算的所述有效电流值小于或等于所述预置门限时，选择所述第二低通滤波器；

数字频率转换器，用于根据滤后瞬时功率，输出能量脉冲，其中，所述滤后瞬时功率为以所述选择模块选择的低通滤波器对瞬时功率进行低通滤波后，得到的滤后瞬时功率。

8.根据权利要求7所述的能量脉冲输出装置，其特征在于，所述选择模块还用于在选择出对瞬时功率进行低通滤波的低通滤波器后，使能所述选择的低通滤波器，去使能未被选择的低通滤波器，并指示使能的低通滤波器对所述瞬时功率进行低通滤波。

9.根据权利要求7所述的能量脉冲输出装置，其特征在于，所述选择模块还用于在所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器分别对瞬时功率进行低通滤波后，将经所述选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率作为有效的滤后瞬时功率发送至所述数字频率转换器，丢弃经未被选择的低通滤波器滤波后的瞬时功率。

10.根据权利要求7所述的能量脉冲输出装置，其特征在于，所述第一低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF1(f)|为：

所述第二低通滤波器的幅频响应特性|H_LPF2(f)|为：

其中，f表示频率变量。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的能量脉冲输出装置，其特征在于，所述预置门限为一固定值或根据电能表典型应用时的电流值得到。

12.根据权利要求11所述的能量脉冲输出装置，其特征在于，所述预置门限为电能表典型应用时的电流值的5％。

13.一种电能表，其特征在于，所述电能表包含权利要求7至10中任一项所述的能量脉冲输出装置。

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