CN103852637B - 具有基波计量功能的智能电表及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能电表及其测量方法，具体是一种具有基波计量功能的智能电表及其测量方法。所述智能电表包括电压变换器、电流变换器、DSP数字信号处理器、LCD显示屏和通讯芯片。利用DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器将被测模拟电压信号和电流信号转换为数字信号，DSP数字信号处理器中的CPU分别对数字电压信号和数字电流信号进行低通滤波处理，提取基波电压值和基波电流值；然后对基波电压值和基波电流值相乘再求和，得到功率测量值。该智能电表结构简单，节省了计量芯片并降低整体成本，同时可实现复杂的计量和管理功能。该测量方法能滤除掉谐波电量，只计量基波电能，可消除谐波电能对电能计量精确度带来的严重影响。

Description

具有基波计量功能的智能电表及其测量方法

技术领域

本发明涉及智能电表及其测量方法，具体是一种具有基波计量功能的智能电表及其测量方法。

背景技术

智能电表是一种以计算机技术和通讯技术为基础，对电能信息进行数据采集、处理和管理的计量装置。由于智能电表具有电能计量、信息存储、网络通讯、实时监测、自动控制和信息交互等功能，可实现电网与用户之间的“电力流、信息流、业务流”双向互动，从而提高用电效率，是构建智能电网的基础设备之一。

现有智能电表的原理框图如图1所示，由计量芯片、微控制器、通讯芯片和LCD显示屏等四部分组成。其中的计量芯片原理框图如图2所示，由电压变换器、电流变换器、乘法器和电压/频率变换器四部分组成。计量芯片中的电压变换器和电流变换器分别将被测电压u和被测电流i转换成相应的低电压和小电流送到乘法器中，乘法器完成电压和电流的瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压，然后再通过电压/频率变换器，将乘法器输出的直流电压转换成相应的脉冲频率信号。微控制器对计量芯片输出的脉冲频率信号计数，并通过LCD显示屏显示相应的电能。通讯芯片用来与其它设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等。

现有的智能电表在实际应用中存在下述的缺点：

（1）没有滤除电网中有害的谐波。直接对被测电压和被测电流的瞬时值直接相乘，得到的是基波电能和谐波电能之和，使非谐波用户的电能计量数据增加，谐波用户的电能计量数据反而减少。

（2）电能计量的准确度难以提高。计量芯片中的乘法器和电压/频率变换器的运算、转换的准确度和稳定性直接影响智能电表电能计量的准确度。

（3）计量芯片增加了智能电表系统的复杂性和硬件成本。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种结构简单、测量精准的智能电表，及其测量方法，具体的技术方案是：

一种具有基波计量功能的智能电表，包括，

电压变换器，用于将220V交流电压分压成适合DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器所需的输入电压；

电流变换器，用于将相线交流电流转换为适合DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器所需的输入电压；

DSP数字信号处理器，用于将电压变换器和电流变换器输出的模拟电压信号转换为离散数字信号；并对离散数字信号进行低通滤波处理，提取基波电压值和基波电流值；最后对基波电压值和基波电流值相乘再求和，得到功率测量值；

LCD显示屏，用于显示DSP数字信号处理器输出的功率、电压、电流、时间、剩余金额各类数值；

通讯芯片，用于DSP数字信号处理器与其它设备通讯。

其中，DSP（Digital Singnal Processor）数字信号处理器片内集成的A/D模数转换器首先将被测模拟电压和被测模拟电流转换为数字电压信号和数字电流信号，DSP数字信号处理器中的CPU对数字电压信号和数字电流信号分别进行低通滤波，提取被测电压信号和被测电流信号中的基波信号，然后再对被测电压基波信号和被测电流基波信号进行乘法运算处理，从而实现功率的准确测量。

本发明提出的具有基波计量功能的智能电表测量方法，包括以下步骤：

（1）对被测模拟电压u和被测模拟电流i进行采样，得到离散的数字电压信号U（t）和数字电流信号I（t），t为采样时刻，t=1、2、3…；

（2）对离散数字电压信号U（t）和离散数字电流信号I（t）分别进行低通滤波处理，按下述计算公式分别计算离散数字电压信号U（t）和离散数字电流信号I（t）的算数移动平均值U _ma （t）和I _ma （t）：

                      （1）

                       （2）

式（1）和式（2）中：U _ma (t)为第t期的数字电压信号U（t）的算数移动平均值，U(t-i+1)为第t-i+1期的数字电压信号值；I _ma (t)为第t期的数字电流信号I（t）的算数移动平均值，I(t-i+1)为第t-i+1期的数字电流信号值；t为采样时刻，M为算数移动平均值的计算周期数，M的取值一般为被测信号基波周期T的1/4；

（3）将同一时刻的数字电压信号U（t）的算数移动平均值U _ma (t)、数字电流信号I（t）的算数移动平均值I _ma (t)相乘再求和，可得到一个周期内有功功率的平均值P（t），即

                       （3）

式（3）中N为被测信号基波周期T内的采样点数量。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

智能电表使用DSP数字信号处理器进行模数转换、低通滤波处理和乘法运算，不仅简化了智能电表结构，而且节省了计量芯片并降低装置整体成本，同时可实现复杂的计量和管理功能。本发明提出的具有基波计量功能的智能电表测量方法，首先对被测模拟信号进行数字采样和低通滤波处理，滤掉谐波电量，根据从被测信号中提取出的基波分量信号进行功率计算，从而消除了谐波电能严重影响电能计量精确度的问题。

附图说明

图1是现有智能电表的原理框图。

图2是现有智能电表中的计量芯片原理框图。

图3是本发明具有基波计量功能的智能电表原理框图。

图4是本发明具有基波计量功能的智能电表测量方法的测量流程框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好的理解本发明内容。因此，所举之例并非限制本发明的保护范围。

本实施例给出的具有基波计量功能智能电表，其原理框图如图3所示，包括电压变换器、电流变换器、DSP数字信号处理器、LCD显示屏和通讯芯片。

电压变换器，用于将220V交流电压分压成适合A/D模数转换器所需的输入电压。本实施例中，电压变换器的输出端与DSP数字信号处理器的A/D模数转换器输入端相连接；

电流变换器，用于将相线交流电流转换为适合A/D模数转换器所需的输入电压。电流变换器的输出端与DSP数字信号处理器的A/D模数转换器输入端相连接；

DSP数字信号处理器，用于将电压变换器和电流变换器输出的模拟电压信号转换为离散数字信号；并对其进行低通滤波处理，提取基波电压值和基波电流值；最后对基波电压值和基波电流值相乘再求和，得到功率测量值。

LCD显示屏，用于显示DSP数字信号处理器输出的功率、电压、电流、时间、剩余金额等各类数值。LCD显示屏与DSP数字信号处理器的GPIO（General Purpose Input Output）通用输入/输出端口相连接；

通讯芯片，用来与其它设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等。通讯芯片与DSP数字信号处理器的GPIO通用输入/输出端口相连接。

本实施例所述智能电表中，电压变换器采用精密电阻分压电路；电流变换器采用精密电阻分流电路；DSP数字信号处理器采用美国TI公司的TMS320C2802数字信号处理器，片内集成有16通道的12位A/D模数转换器和32位CPU；通讯芯片采用RS485/红外通讯芯片。

本实施例所述智能电表的工作原理如图4所示：

电压变换器和电流变换器分别将被测电压u和被测电流i转换成相应的低电压信号送到DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器输入端；A/D模数转换器将电压变换器和电流变换器输出的模拟电压信号转换为离散数字信号；DSP数字信号处理器中的CPU首先对A/D模数转换器输出的数字信号其进行低通滤波处理，提取基波电压值和基波电流值，然后对基波电压值和基波电流值相乘再求和，得到功率测量值，最后将结果显示出。

本实施例所述智能电表的测量方法，包括以下步骤：

（1）对被测模拟电压u和被测模拟电流i进行采样，将模拟电压u和被测模拟电流i转换为离散数字电压信号U（t）和离散数字电流信号I（t），t为采样时刻，t=1、2、3…；

（2）对数字电压信号U（t）和数字电流信号I（t）分别进行低通滤波处理，按下述计算公式分别计算数字电压信号U（t）和数字电流信号I（t）的算数移动平均值U _ma （t）和I _ma （t）：

式中：U _ma (t)为第t期的数字电压信号U（t）的算数移动平均值，U(t-i+1)为第t-i+1期的数字电压信号值；I _ma (t)为第t期的数字电流信号I（t）的算数移动平均值，I(t-i+1)为第t-i+1期的数字电流信号值；t为采样时刻，M为算数移动平均值的计算周期数，M的取值一般为被测信号基波周期T的1/4；

（3）将同一时刻的数字电压信号U（t）的算数移动平均值U _ma (t)、数字电流信号I（t）的算数移动平均值I _ma (t)相乘再求和，可得到一个周期内有功功率的平均值P（t），即

式中N为被测信号基波周期T内的采样点数量。

Claims (1)

1.一种具有基波计量功能的智能电表的测量方法，所述具有基波计量功能的智能电表包括，电压变换器，用于将220V交流电压分压成适合DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器所需的输入电压；电流变换器，用于将相线交流电流转换为适合DSP数字信号处理器中的A/D模数转换器所需的输入电压；DSP数字信号处理器，用于将电压变换器和电流变换器输出的模拟电压信号转换为离散数字信号；并对离散数字信号进行低通滤波处理，提取基波电压值和基波电流值；最后对基波电压值和基波电流值相乘再求和，得到功率测量值；LCD显示屏，用于显示DSP数字信号处理器输出的功率、电压、电流、时间、剩余金额各类数值；通讯芯片，用于DSP数字信号处理器与其它设备通讯；

其特征在于，所述具有基波计量功能的智能电表的测量方法包括以下步骤，

(1)对被测模拟电压u和被测模拟电流i进行采样，将模拟电压u和被测模拟电流i转换为离散数字电压信号U(t)和离散数字电流信号I(t)，t为采样时刻，t＝1、2、3…；

(2)对数字电压信号U(t)和数字电流信号I(t)分别进行低通滤波处理，按下述计算公式分别计算数字电压信号U(t)和数字电流信号I(t)的算数移动平均值U_ma(t)和I_ma(t)：

$U_{\mathrm{ma}}\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}U(t-i+1)$

$I_{\mathrm{ma}}\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}I(t-i+1)$

式中：U_ma(t)为第t期的数字电压信号U(t)的算数移动平均值，U(t-i+1)为第t-i+1期的数字电压信号值；I_ma(t)为第t期的数字电流信号I(t)的算数移动平均值，I(t-i+1)为第t-i+1期的数字电流信号值；t为采样时刻，M为算数移动平均值的计算周期数，M的取值一般为被测信号基波周期T的1/4；

(3)将同一时刻的数字电压信号U(t)的算数移动平均值U_ma(t)、数字电流信号I(t)的算数移动平均值I_ma(t)相乘再求和，可得到一个周期内有功功率的平均值P(t)，即

$P\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U\left(t\right)*I\left(t\right)$

式中N为被测信号基波周期T内的采样点数量。