一種提高電能計(jì)量精度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種提高電能計(jì)量采樣精度的方法；包括以下步驟：對(duì)交流電壓電流信號(hào)進(jìn)行多周波采樣累加求其平均，根據(jù)采樣平均值進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，計(jì)算出電壓、電流相量的實(shí)部、虛部值，然后將相量實(shí)部、虛部值平方相加，再進(jìn)行軟件增益倍數(shù)放大開(kāi)方得Um和Im值，連續(xù)采樣4(n+2)個(gè)Um和Im，將4(n+2)個(gè)Um和Im值分別從大到小泡冒排序求其4n個(gè)值，累加4n個(gè)值右移n位得M位過(guò)采樣值，提高AD采樣分辨率精度。本發(fā)明不需要采用昂貴的ADC，硬件成本低，可以提高ADC采樣分辨率位數(shù)；系統(tǒng)的抗干擾性能強(qiáng)，測(cè)量精度高；實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠，能滿(mǎn)足工業(yè)電能表的需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種提高電能計(jì)量精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種提高電能計(jì)量精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電力行業(yè)領(lǐng)域，很多設(shè)備產(chǎn)品為了滿(mǎn)足行業(yè)的誤差標(biāo)準(zhǔn)，常采用較高位數(shù)的片 外或片內(nèi)ADC進(jìn)行采樣及轉(zhuǎn)換電壓、電流等信號(hào)，昂貴的ADC芯片增加產(chǎn)品成本，也沒(méi)有改善 信噪比和量化誤差。目前業(yè)界常用的一些方法測(cè)量效果不大好，不能增加測(cè)量精度和提高 量化誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種提尚電能計(jì)量精度的方法，旨 在解決現(xiàn)有技術(shù)中采用交流電信號(hào)的電壓、電流來(lái)測(cè)量ADC導(dǎo)致測(cè)量精度低且量化誤差大 的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明提供了一種提高電能計(jì)量精度的方法，包括下述步驟：
[0005] (1)對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行多周波采樣，并對(duì)采樣值進(jìn)行累加求其平均后獲 得電壓平均值和電流平均值；
[0006] (2)對(duì)所述電壓平均值和所述電流平均值分別進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，獲得電壓 相量的實(shí)部、虛部值和電流相量的實(shí)部、虛部值；
[0007] (3)對(duì)所述電壓相量的實(shí)部值和虛部值進(jìn)行平方后相加獲得Un，并對(duì)Un進(jìn)行放大后 開(kāi)方獲得U m;對(duì)所述電流相量的實(shí)部值和虛部值進(jìn)行平方后相加獲得In，并對(duì)In進(jìn)行放大后 開(kāi)方獲得Im;
[0008] (4)重復(fù)步驟（1)-(3)連續(xù)采樣4(n+2)個(gè)UjPIm，并將4 (n+2)個(gè)U4PU直分別從大到小 排序后獲得中間4n個(gè)值，累加4n個(gè)值并右移η位得Μ位過(guò)采樣值。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述電壓平均值
j，所述電流平均值
;其中，i為一周波電壓電流采樣點(diǎn)數(shù)，Ν為連續(xù)采樣周波數(shù);k為采樣 周波的序號(hào)，U[N][i]為連續(xù)采樣N個(gè)周波電壓信號(hào)，I[N][i]為連續(xù)采樣N個(gè)周波電流信號(hào)。 [0010] 更進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述電壓相量實(shí)部
電壓相量虛 部
[0011] 更進(jìn)一步地，步驟（3)中，所述Un = Ux*Ux+Uy*Uy，所述In= Ix*Ix+Iy*Iy，所述
[0012] 更進(jìn)一步地，步驟(4)具體為：
[0013] (4.1)連續(xù)采樣4(n+U個(gè)U4PU直，將4(n+a個(gè)U4PI m值分別從大到小排序，去掉最高 4n/2個(gè)和最低4n/2個(gè)1^和1過(guò)，取出中間4n個(gè)值；
[0014] (4.2)累加4"個(gè)仏和Im值，右移η位，得Μ位過(guò)采樣值。
[0015]更進(jìn)一步地，η為2的整數(shù)倍的正整數(shù)。
[0016]本發(fā)明適用于提高ADC精度，運(yùn)算方便簡(jiǎn)單，不需要增加太多MCU及計(jì)算時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)， 降低產(chǎn)品成本。采用多次累加計(jì)算的結(jié)果平均作為最終結(jié)果，精度高，消除隨機(jī)性誤差;采 用從大到小冒泡排序取中間值方法，抗干擾性能強(qiáng)，去掉不可靠數(shù)據(jù);右移η位提高η位的精 度分辨率，消除ADC采樣過(guò)程中的量化誤差和SNR(信噪比）；本方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)抗 干擾可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高電能計(jì)量精度的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高電能計(jì)量精度的方法中求平均步驟的實(shí)現(xiàn)流程 圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高電能計(jì)量精度的方法中FFT運(yùn)算和放大步驟的實(shí) 現(xiàn)流程圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高電能計(jì)量精度的方法中累加步驟的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)在技術(shù)中交流電信號(hào)的電壓、電流測(cè)量ADC精度不夠缺點(diǎn)，提出一種 在不大大提高M(jìn)CU和運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)情況下提高電能計(jì)量精度的一種方法。
[0023] 本發(fā)明提供的一種提高電能計(jì)量精度的方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0024]步驟(1):對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行多周波采樣累加求其平均；
[0025] 根據(jù)公式
￥得電壓平均值;根據(jù)公￥
獲得電流平均值；
[0026] 其中，i為一周波電壓電流采樣點(diǎn)數(shù)，最少32的倍整數(shù)，才能完美描述交流周波;N 為連續(xù)采樣周波數(shù);最少為4的整數(shù)。U[N][i]為連續(xù)采樣N個(gè)周波電壓信號(hào)，I[N][i]為連續(xù) 采樣N個(gè)周波電流信號(hào)。一周波采i個(gè)采樣點(diǎn);Ut[i]為N個(gè)電壓周波累加求平均值;It[i]為N 個(gè)電流周波累加求平均值。
[0027] 步驟(2):對(duì)電壓平均值和電流平均值分別進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，獲得電壓、電 流相量的實(shí)部、虛部值；
[0028]其中，對(duì)Ut[i]、It[i]信號(hào)進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，計(jì)算求得采樣得到的電壓相 量的實(shí)部和虛部。電壓相量實(shí)部
電壓相量虛部
[0029] 電流相量實(shí)部、虛部計(jì)算公式如電壓相似。其中Ut[i]是交流信號(hào)采樣值，F(xiàn)FT快速 傅立葉變換具有很強(qiáng)的濾波能力，減少累計(jì)量化誤差，運(yùn)算效率高，能減少M(fèi)CU運(yùn)算能力開(kāi) 銷(xiāo)。
[0030] 步驟(3)根據(jù)FFT運(yùn)行得出電壓、電流相量實(shí)部、虛部值后平方相加，再進(jìn)行增益倍 數(shù)放大開(kāi)方得U4PU直：
[0031] (3.1)根據(jù)公式Un = Ux*Ux+Uy*Uy對(duì)電壓相量實(shí)部、虛部值求平方，并根據(jù)公式In = Ix*Ix+Iy*Iy對(duì)電流相量實(shí)部、虛部值求平方；
[0032] (3.2)再進(jìn)行增益倍數(shù)放大開(kāi)方后獲得
[0033] 其中，G為增益倍數(shù)放大倍數(shù)，最少2的整數(shù)倍，補(bǔ)償采樣數(shù)據(jù)，減少量程誤差;仏為 交流基波電壓幅值，1^為交流基波電流幅值。
[0034] 步驟(4)連續(xù)采樣4(n+2)個(gè)仏值，將4(n+2)個(gè)U直從大到小泡冒排序求其4n個(gè)值，累加 4"個(gè)值右移η位得Μ位過(guò)采樣值，提高AD采樣分辨率精度。
[0035] (4.1)連續(xù)采樣4(η+2)個(gè)iaPU直，將4(η+2)個(gè)U4PI m值分別從大到小冒泡排序，去掉 最高4n/2個(gè)和最低4n/2個(gè)1^和1"值，取出中間4n個(gè)值。冒泡排序方法能消除偶然性誤差，取的 η值越大，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，抗干擾性越好，但會(huì)增加 MCU運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)及時(shí)間。η取最少2的整數(shù)倍。 [0036] (4 · 2)累加4"個(gè)仏和1"值，右移η位，得Μ位過(guò)采樣值。
[0037]
[0038]
[0039] t^4n；
[0040] M=12+n；
[0041 ]其中，Ut、11的值是Μ位ADC精度值。η是希望得到的額外精度位數(shù)，η值越大，得到的 精度越高，但較高的η值會(huì)使ADC采樣速度過(guò)快和高消耗MCU內(nèi)存，不利于采樣穩(wěn)定性，所以 合理的η值較為重要，一般取2或4位。
[0042] 本發(fā)明采用以上方法與現(xiàn)有累加求平均方法相比，具有以下技術(shù)效果：
[0043] (1)累加求平均方法相當(dāng)于低通濾波器，能有效的消除隨機(jī)性的抖動(dòng)值，使采樣信 號(hào)平均，但不會(huì)提高轉(zhuǎn)換的精度，而采用以上方法不但具有低通濾波器功能，還可以提高 ADC轉(zhuǎn)換精度值，而不必采用昂貴的ADC芯片。
[0044] (2)累加求平均方法不會(huì)提高ADC量化誤差和改善SNR，而采用以上方法可以提高 ADC采樣的量化誤差，改善SNR(信噪比）。
[0045] (3)本方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)方便簡(jiǎn)捷，占用MCU的運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)不大，適合電力采集系統(tǒng) 使用。
[0046]本發(fā)明的工作原理是通過(guò)ADC采樣交流電壓、電流信號(hào)多個(gè)周波來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，如圖 2所示，ADC通過(guò)RC低通濾波器采樣，采樣后數(shù)據(jù)通過(guò)MCU讀取，存放到緩沖區(qū)內(nèi)，每個(gè)周期采 樣32個(gè)點(diǎn)整數(shù)倍，采樣時(shí)間間隔20ms/(32*n)，采樣次數(shù)越多，波形描述越完美，但占用MCU 的開(kāi)銷(xiāo)和內(nèi)存緩沖區(qū)越大。
[0047]本發(fā)明具體流程如下：
[0048] (l)MCU以間隔20ms/(32*n)時(shí)間，通過(guò)片內(nèi)12位的ADC采樣交流電壓、電流一周波 32個(gè)點(diǎn)整數(shù)倍數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MCU數(shù)組緩沖區(qū)內(nèi)，連續(xù)累記采N個(gè)周波，將N個(gè)周波內(nèi) 32個(gè)點(diǎn)整數(shù)倍的數(shù)據(jù)累加，累加值除以N得平均值數(shù)據(jù)，以消除隨機(jī)性誤差干擾。具體實(shí)現(xiàn) 流程可以參照?qǐng)D2所示。平均值計(jì)算公式包括：電壓求平均值計(jì)算公式：
[求平均值計(jì)算公式：
卩中，i為一周波32 個(gè)點(diǎn)整數(shù)倍，至少采32個(gè)點(diǎn);Ut[i]為電壓累加 N個(gè)周波的平均值數(shù)組緩沖區(qū)；It[i]為電流 累加 N個(gè)周波的平均值婁組緩沖區(qū)。
[0049] (2)對(duì)交流電壓、電流平均值Ut [ i ]、11 [ i ]進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，求出電壓、電 流相量的實(shí)部、虛部值。電壓、電流相量實(shí)部、虛部值各自分別平方，電壓、電流相量實(shí)部、虛 部各自相加，求出電壓、電流FFT運(yùn)算后的信號(hào)值，信號(hào)值乘以軟件放大增益倍數(shù)開(kāi)方，得出 電壓、電流幅值信號(hào)。步驟(2)的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。
[0050] 部分計(jì)算公式如下：
[0051] (2.1)對(duì)電壓、電流相量實(shí)部、虛部值求平方公式：
[0052] 電壓Un=Ux*Ux+Uy*Uy;電流In=Ix*Ix+Iy*Iy;
[0053] (2.2)增益倍數(shù)放大開(kāi)方得值仏和1?;公式
；其中，G 為增益倍數(shù)放大倍數(shù)，最少2的整數(shù)倍，補(bǔ)償采樣數(shù)據(jù)，減少量程誤差。
[0054] (3)通過(guò)圖2、圖3步驟流程求出電壓、電流信號(hào)幅值UjPIm。連續(xù)重復(fù)上述圖2、圖3 步驟流程，累記求出4 (n+2)個(gè)U4PIm，將4(n+2)個(gè)1^和1屬值分別從大到小進(jìn)行冒泡排序，去掉 最高和最低的472個(gè)數(shù)據(jù)值，取出4 n個(gè)中間值累加，消除采樣隨機(jī)性誤差值(也即抖動(dòng)，電 源，ADC本身等噪聲干擾引起的抖動(dòng)），將累加值右移η位，也即提高η位精度分辨率值。
[0055]綜上所述，本發(fā)明的提尚電能計(jì)量精度的一種方法，適用于提尚ADC精度，運(yùn)算方 便簡(jiǎn)單，不需要增加太多MCU及計(jì)算時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，降低產(chǎn)品成本。采用多次累加計(jì)算的結(jié)果平 均作為最終結(jié)果，精度高，消除隨機(jī)性誤差;采用從大到小冒泡排序取中間值方法，抗干擾 性能強(qiáng)，去掉不可靠數(shù)據(jù);右移η位提高η位的精度分辨率，消除ADC采樣過(guò)程中的量化誤差 和SNR(信噪比）；本方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)抗干擾可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。
[0056]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高電能計(jì)量精度的方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行多周波采樣，并對(duì)采樣值進(jìn)行累加求其平均后獲得電 壓平均值和電流平均值； (2) 對(duì)所述電壓平均值和所述電流平均值分別進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，獲得電壓相量 的實(shí)部、虛部值和電流相量的實(shí)部、虛部值； (3) 對(duì)所述電壓相量的實(shí)部值和虛部值進(jìn)行平方后相加獲得Un，并對(duì)Un進(jìn)行放大后開(kāi)方 獲得Um; 對(duì)所述電流相量的實(shí)部值和虛部值進(jìn)行平方后相加獲得In,并對(duì)In進(jìn)行放大后開(kāi)方獲 得Im; (4) 重復(fù)步驟（1)-(3)連續(xù)采樣4("2)個(gè)Um和Im，并將4(n+ 2)個(gè)Um和Im值分別從大到小排序 后獲得中間少個(gè)值，累加少個(gè)值并右移η位得Μ位過(guò)采樣值。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電壓平均值所述 電流平均值； 其中，i為一周波電壓電流采樣點(diǎn)數(shù)，Ν為連續(xù)采樣周波數(shù);k為采樣周波的序號(hào)，U[N] [i]為連續(xù)采樣N個(gè)周波電壓信號(hào)，I[N][i]為連續(xù)采樣N個(gè)周波電流信號(hào)。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（2)中，所述電壓相量實(shí)部4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述Un =化*Ux+Uy*Uy， 所述In=Ix*Ix+Iy*Iy，所過(guò)心為增益倍數(shù)放大倍數(shù)。5. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(4)具體為： (4.1 )連續(xù)采樣4("2)個(gè)Um和Im值，將4(n+"個(gè)Um和Im值分別從大到小排序，去掉最高472 個(gè)和最低472個(gè)Um和Im值，取出中間少個(gè)值； (4.2)累加4。個(gè)Um和Im值，右移η位，得Μ位過(guò)義樣值。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，η為2的整數(shù)倍的正整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01D1/02GK105973272SQ201610605966
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日
【發(fā)明人】文志雄, 林峰平, 喬冠梁
【申請(qǐng)人】深圳市康必達(dá)控制技術(shù)有限公司