CN103344825B - 基于交流采样的电能计量*** - Google Patents

Abstract

一种基于交流采样的电能计量***，其包括电压采样部分、用于对接入的来自电网的信号进行采样以获得电压模拟量采样值；电流采样部分；用于对接入的来自电网的信号进行采样以获得电流模拟量采样值；电压信号处理部分；对获得的电压模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电压模拟量采样值；电流信号处理部分；对获得的电流模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电流模拟量采样值；过零信号处理部分，接收来自电压采样部分的电压模拟量采样值，对电压模拟量采样值进行过零比较和整形滤波，获得过零脉冲信号送给处理器部分电压过零检测；还包括带模数转换器的基于ARM的处理器部分。该基于交流采样的电能计量***的优势之一在于响应时间短。

Description

基于交流采样的电能计量***

技术领域

本实用新型属于电能计量采样***，具体的讲，属于基于交流采样的电能计量***。

背景技术

随着电力***自动化水平的日益提高，电力参数的获取和管理变得越来越重要。微机技术在电力***中的普及应用，使电力***的测量和监控技术得到了快速发展。从品种繁多的传统仪表获取电力参数已不能满足***的要求，研制高精度、多参数、多功能、数字化的模块化电力仪表已成为当今的一个热门课题。

现有技术中通常采用电能计量芯片ADE7753作为电力侧控仪方案，ADE7753的推出对电能开发提供了便利，但作为电力测控仪方案，它存在着响应时间和谐波测量及成本方面存在着一定的局限性。

意法半导体推出STM32系列32位的Cortex^TM-M3内核的ARM是意法半导体公司在业界最先推出的基于ARMCortex-M3内核产品，继承了Cortex-M3内核的优良血统，同时增加了ST高性能的外设资源，FLASH、SRAM存储器，丰富的串行通信接口，如IIC、SPI、USART、CAN、USB等，以及12位的ADC和DAC模块，支持外部存储器访问的灵活的静态存储器控制器FSMC。其1M的采样速率，双ADC为实现交流同步采样提供基础。强大的外设功能形成一个稳定可靠的片上***，具有良好性价比，开发出交流采样的电测量仪表平台。

实用新型内容

本实用新型旨在解决前述问题，提供一种基于交流采样的电能计量***，其响应时间短。

本实用新型的一个方面提供了一种基于交流采样的电能计量***，其包括

电压采样部分，用于对接入的来自电网的信号进行采样以获得电压模拟量采样值；

电流采样部分，用于对接入的来自电网的信号进行采样以获得电流模拟量采样值；

电压信号处理部分，对获得的电压模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电压模拟量采样值；

电流信号处理部分，对获得的电流模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电流模拟量采样值；

过零信号处理部分，接收来自电压采样部分的电压模拟量采样值，对电压模拟量采样值进行过零比较和整形滤波，获得过零脉冲信号送给处理器部分电压过零检测；

带模数转换器的基于ARM的处理器部分：包括电压采样值模数转换器、电流采样值模数转换器、过零中断部分以及参数运算部分；其中，电压采样值模数转换器用于由过零脉冲信号启动对来自电压信号处理部分的预设阈值内的电压模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电压采样值保存在一电压值存储部；电流采样值模数转换器用于由过零脉冲信号启动对来自电流信号处理部分的预设阈值内的电流模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电流采样值保存在一电流值存储部；该参数运算部分根据得到的数字化的电压采样值和数字化的电流采样值依据交流采样原理计算出针对该电网的电能计量参数。

该电压采样部分还包括相位补偿部。

该电流采样部分还包括相位补偿部。

本实用新型的的基于ARM处理器的交流采样***和方法，采用了ST公司的ARM处理器STM32F103RC，建立了交流数据采集的公共采样电路，软件算法平台，STM32的强大外设功能和处理速度，可以方便实现电力测控仪，多功能电能表，数字显示仪表及谐波仪表等电测量仪表开发，建立了标准化的采样模块，实现资源重用,提高了产品开发速度和开发质量。

附图说明

图1为根据本实用新型的基于交流采样电能计量***的原理框图；

图2为根据本实用新型的基于交流采样电能计量***的电压采样部分和电压信号处理部分的一种实施例的电路图；

图3为根据本实用新型的基于交流采样电能计量***的电流采样部分和电流信号处理部分的一种实施例的电路图；

图4为过零信号处理部分的一种实施例的电路图；

图5为根据本实用新型的基于交流采样电能计量方法的流程图。

图6为采样方法一实施例的流程图。

具体实施方式

本实用新型的交流采样***的一种实施例如图1所示，其中，该交流采样***的硬件包括电压采样部分、电流采样部分等采样电路；电压信号处理部分、电流信号处理部分、和过零信号处理部分等前端处理电路；以及带模数转换器的基于ARM的处理器部分(MCU)，例如可以是意法半导体(TM)的STM32F103RC的处理器模块。

电压采样可以通过电阻分压获取，如图2所示。其中，以A相电压采样为例，通过电阻R6、R9、R23、R11、R24、R25、R27、R28分压，信号经VREF偏置电压1.65VDC，在R24、R25获得信号变换处理后，再由滤波放大器U4-B滤波放大后，一路传送给处理器运算部分(MCU)的ADC1采样，另一路传给过零信号处理电路(图4)UA_PLUS经U1-B过零比较和整形滤波，获得UA-INT过零脉冲信号送给MCU的外部中断IO口，进行A相电压过零检测。

图3示出了针对某一相，例如A相，的电流采样部分和电流信号处理部分的一种实施例的电路图。其中，以A相电流为例，A相电流经电流互感器T2采样，再通过U4-A滤波放大后，传送给MCU的ADC2采样；

上述以A相电流电压为例，对电压、电流的采样电路进行了描述，B、C相电流电压采样电路原理、实现可与A相完全一致，这里不再赘述。

三相电压和三相电流经信号调理电路和1.65V基准偏置电路转换成为0V～1.65V～3.3V电压，分别送入ADC1和ADC2转换器，实现6路模拟信号同相采样与转换，确保了每相电压、电流检测是同相位，它的精度为12位；为消除互感器与电路所产生的相位延迟，可以在电路设计时提供相位补偿，如图2中的电容C10，如图3中的电容C14。

得到的数据可经DMA队列存贮器转移，对CPU资源占用量少；电压信号经过零比较电路转换成方波送STM32外部中断输入口检测，获得交流信号的周期；

STM32具有强大的外设和运算处理能力，很方便实现仪表实时测量、分析：U、I、P、Q、S、COSΦ、F、kWh、kvarh等电力参数。

***中STM32处理器运行程序完成：控制A/D数据采样、对采样结果进行FFT运算，根据交流采样原理结合***的硬件参数计算电量中所有参数，将结果送入RAM备用。其流程如下图5所示。

该方法包括：对接入的来自电网的信号进行采样以获得电压模拟量采样值；对接入的来自电网的信号进行采样以获得电流模拟量采样值；对获得的电压模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电压模拟量采样值；对获得的电流模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电流模拟量采样值；接收来自电压采样部分的电压模拟量采样值，对电压模拟量采样值进行过零比较和整形滤波，获得过零脉冲信号送给处理器部分电压过零检测；以及由过零脉冲信号启动对来自电压信号处理部分的预设阈值内的电压模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电压采样值保存在一电压值存储部；由过零脉冲信号启动对来自电流信号处理部分的预设阈值内的电流模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电流采样值保存在一电流值存储部；根据得到的数字化的电压采样值和数字化的电流采样值依据交流采样原理计算出针对该电网的电能计量参数。

其中，还包括消除电压采样过程中产生的相位差。

其中，还包括消除电流采样过程中产生的相位差。

其中，还包括对经过数字化的电压和电流采样值进行FFT。

其中，根据实时检测的电网的频率对电压、电流信号的采样频率实时地调整。

具体采样方法为，如图6所示：

首先，通过DMA1不断地将电压、电流的AD值放入一数组AD_Value[7]中S101，然后通过一个UA_INT外部过零中断找到一个启始点，在一个周期内通过一个定时器采128次，并将每一次采样的7个数据放到一个Tmp_AD_Value[128*7]的数组中，在一个周期内的第128次采样时同时启用DMA2将Tmp_AD_Value[128*7]的数组里的数据放到Cal_AD_Value[128*7]中，用于计算时用到，在DMA2完成中断中禁止DMA2且启动计算过程S103.

其中，通过一个UA_INT外部过零中断找出周期时间T,则频率就是F＝1/T；

通过另一下外部中断UC-INT的过零中断找出UA与UC的相角；

通过另一下外部中断IA-INT的过零中断找出U与I的相角；

交流周期检测，电压转换成的方波信号送入STM32的外部硬件中断，在中断服务程序中读取定时器的计数值，转换成周期(频率)，根据周期调整***采样的周期。

采用交流采样在硬件电路基础上，通过1-15公式非常方便获得U、I、P、Q、S、COSΦ、F、kWh、kvarh等电力参数

交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，相对于经过直流整流后再进行采样测量的直流采样更精确。

在本实用新型中，可以应用STM32F103RC为仪表智能核心部件，采用该芯片内部的A/D变换器作为数据采集器，对接入的电网中的电信号进行逐点瞬间采样，再由单片机计算出电压、电流有效值，有功功率，无功功率，视在功率，功率因数，信号频率，有功电能，无功电能及谐波分析等。

其中，电压有效值的计算步骤如下：

首先，将电压有效值公式

$U=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}^2\left(t\right)dt}---\left(1\right)$

离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则得到

$U_c\≈\sqrt{\frac{1}{T}\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_m^2{\mathrm{\ΔT}}_m}---\left(2\right)$

式中：ΔTm为相邻两次采样的时间间隔；u_m为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数。令相邻两采样的时间间隔相等，即ΔTm为常数ΔT，考虑到N＝(T/ΔT)+1，则有

$U_c=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_m^2}---\left(3\right)$

式(3)就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。

同理，电流有效值计算公式如下：

$I_c=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{i}_m^2}---\left(4\right)$

式(1)就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。

计算某一相有功功率，功率的计算从连续周期信号有效值的定义和功率的定义出发，用数值积分近似代替连续积分。有功功率的计算公式如式(5)

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}iudt---\left(5\right)$

离散化后为

$P=\frac{1}{N-1}\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{i}_m{u}_m---\left(6\right)$

式中：im、um为同一时刻的电流、电压采样值。

视在功率：S＝UI

式中U，I为电压和电流的有效值；

功率因数可由下式求得：

cosφ＝P/S＝P/UI

计算无功功率有多种算法，采用数字移相法微机计算量较小，数据处理实时性好。因为有功功率P和无功功率Q仅在电压和电流相位上差90°，所以将无功功率写成

$Q=\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\Σ}}(u_K\×i_{\left(K+\frac{N}{4}\right)})---\left(7\right)$

式中i_(k+N/4)表示第(k+N/4)次的电流采样值(移相90°后的采样值)，当(k+N/4)大于N时，(k+N/4)取为(k-3N/4)。

在三相四线制中用三元法，离散后求功率的表达式如下：

$P=\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(u_{UK}\×i_{UK}+u_{VK}\×i_{VK}+u_{WK}\×i_{WK}\right)---\left(8\right)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(u_{UK}\×i_{U\left(K+\frac{N}{4}\right)}\right)+u_{VK}\×i_{V\left(K+\frac{N}{4}\right)}+u_{WK}\×i_{W\left(K+\frac{N}{4}\right)}---\left(9\right)$

式中Uuk，Uvk，Uwk表示一个周期内三个相电压的第k次采样值；i_UK，i_VK，i_WK表示一个周期内三个相电流的第k次采样值。

在三相三线制中用两元法，离散化后求功率的公式如下：

$P=\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(u_{UVK}\×i_{UK}+u_{VWK}\×i_{WK}\right)---\left(10\right)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(u_{UVK}\×i_{\text{U}\left(K+\frac{N}{4}\right)}+u_{VWK}\×i_{W\left(K+\frac{N}{4}\right)}\right)---\left(11\right)$

式中u_uvk,u_vwk分别表示1个周期内两个线电压的第k次采样值。

视在功率S及功率因数cosφ可以用以下公式求出：

$S=\sqrt{P^2+Q^2}---\left(12\right)$

将有功功率和无功功率分别对时间积分就可以求出有功电能和无功电能。

FFT运算：

电力输电线路中的电压和电流的余弦信号，受非线性负载的影响，电网的波形会发生畸变，畸变后仍然为周期函数，且满足狄里赫利条件，可以用傅立叶级数分解法把电压和电流分解成基波和一系列谐波的叠加，即

$u\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_n\cos \left(n\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\α}}_n\right)---\left(14\right)$

$i\left(t\right)=I_0+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{I}_{n}cos(n\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\β}}_n)---\left(15\right)$

式中U₀、I₀－电压、电流的直流分量；

U_n、I_n－各次谐波幅度的峰值；α_n、β_n之差为谐波相位差。

对电网的连续时间信号进行实时采样得到离散的采样序列，用FFT算法对其进行时频域转换，可以分析基波和各次谐波的幅度和相位情况，以实现谐波的监控。另外，电网中每一路的相电压和相电流之间存在相位差，对电压和电流信号同步采样并进行FFT变换，就可以算出各次谐波的相位差，准确地测出各次谐波的有功和无功功率。

而对于FFT计算来说，如果采样数据集的端点不连续，就需要引入窗函数，从而增加了计算的繁琐程度。而在满足相关采样原理，采样的数据点集正好为整周期的情况下，采样数据集两端点连续，就可以把采样信号序列近似看成无穷的周期信号，从而使FFT计算量减少。

采样点数的确定：

根据时域取样定理本***要求分析出63次谐波，因此在一个周期内最少的采样点数为78点，FFT蝶形算法本身要求采样点数为2的幂时，计算速度最快，装置的采样频率为基波频率的256倍。由于电网频率，会在50Hz左右上下波动，因此在硬件实现上，不可以用固定频率对电压、电流信号进行采样，而要根据电网的频率，实时地调整采样频率。

本***采用128点FFT算法，即在采样两个周期后完成一次FFT运算，其中有一个周期为上次采样的结果；完成一次128点FFT运算的时间约为0.5ms，因而能满足仪器在线检测与分析。

交流电网的频率确定，确定的方法也比较多，本***采用由硬件的方法来测量周期，即将交流电压经调理与整形以后送STM32F103RC进行定时，从而得到交流电网的频率；由于电网的频率变化具有较大的惯性，因而可以采用软件低通滤波器对所测量的数据进行处理。

Claims (6)

1.一种基于交流采样的电能计量***，其特征在于：该***包括

电压采样部分，用于对接入的来自电网的信号以可变的电压采样频率进行采样以获得电压模拟量采样值；

电流采样部分，用于对接入的来自电网的信号以可变的电流采样频率进行采样以获得电流模拟量采样值；

电压信号处理部分，对获得的电压模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电压模拟量采样值；

电流信号处理部分，对获得的电流模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电流模拟量采样值；

过零信号处理部分，接收来自电压采样部分的电压模拟量采样值，对电压模拟量采样值进行过零比较和整形滤波，获得过零脉冲信号送给处理器部分电压过零检测；以及

带模数转换器的基于ARM的处理器部分：包括电压采样值模数转换器、电流采样值模数转换器、过零中断部分以及参数运算部分；其中，电压采样值模数转换器用于由过零脉冲信号启动对来自电压信号处理部分的预设阈值内的电压模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电压采样值保存在一电压值存储部；电流采样值模数转换器用于由过零脉冲信号启动对来自电流信号处理部分的预设阈值内的电流模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电流采样值保存在一电流值存储部；该参数运算部分根据得到的数字化的电压采样值和数字化的电流采样值依据交流采样原理计算出针对该电网的电能计量参数。

2.根据权利要求1的基于交流采样的电能计量***，其特征在于：该电压采样部分还包括相位补偿部用于消除采样过程中产生的相位差。

3.根据权利要求1的基于交流采样的电能计量***，其特征在于：该电流采样部分还包括相位补偿部用于消除采样过程中产生的相位差。

4.根据权利要求1的基于交流采样的电能计量***，其特征在于：采样频率调整部，用于实时检测电网的频率，并根据测得的电网的频率对电压、电流的采样频率进行调整。

5.根据权利要求1的基于交流采样的电能计量***，其特征在于：该存储部是RAM。

6.一种基于交流采样的电能计量方法，其特征在于：包括

对接入的来自电网的信号以可变的电压采样频率进行采样以获得电压模拟量采样值；

对接入的来自电网的信号以可变的电流采样频率进行采样以获得电流模拟量采样值；

对获得的电压模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电压模拟量采样值；

对获得的电流模拟量采样值进行调理并偏置为预设阈值内的电流模拟量采样值；

接收来自电压采样部分的电压模拟量采样值，对电压模拟量采样值进行过零比较和整形滤波，获得过零脉冲信号送给处理器部分电压过零检测；以及

由过零脉冲信号启动对来自电压信号处理部分的预设阈值内的电压模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电压采样值保存在一电压值存储部；

由过零脉冲信号启动对来自电流信号处理部分的预设阈值内的电流模拟量采样值进行模数转换并将数字化的电流采样值保存在一电流值存储部；以及

根据得到的数字化的电压采样值和数字化的电流采样值依据交流采样原理计算出针对该电网的电能计量参数。