專利名稱：一種用于電表的電能計量脈沖的產生方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電表的電能計量脈沖的產生方法，屬于電力參數測量技術領域。
背景技術：
常用的電子式電能計量過程可描述為1、通過模數轉換器分別對來自電力線上的電壓信號v(t)和電流信號i(t)進行模數轉換，得到對應的數字化結果v(j)和i(j)；2、將v(j)與i(j)相乘得到瞬時功率p(j)；3、通過一定的功率到電能計量脈沖的轉換方法，將上述步驟2)得到的瞬時功率序列p(j)轉換為一定頻率的脈沖信號輸出。
上述步驟3中輸出的脈沖信號用于電表的校準和電能計量(如直接驅動脈沖電機)。對于校表來說，通常要求在穩定的負載條件下，所輸出的脈沖信號的頻率是穩定的，否則會給校表帶來誤差，從而降低計量的精度。這意味著，上述步驟3中的功率到電能計量脈沖的轉換不僅要輸出頻率與功率成線性比例的脈沖信號，而且要滿足在穩定的功率下，輸出脈沖間隔均勻的脈沖信號。
顯然，從功率到電能計量脈沖之間的轉換精度，將直接決定電表的計量精度，因此，選擇合適的功率到電能計量脈沖的轉換方法，對電表的設計至關重要。現有的電能計量脈沖的生成方法，其原理如圖1所示1、分別對來自電力線上的電壓信號v(t)和電流信號i(t)進行模數轉換，得到數字化的v(j)與i(j)，將v(j)與i(j)相乘得到瞬時功率p(j)；2、將瞬時功率p(j)進行低通濾波，得到波紋較小的功率P(j)；3、通過“數字到頻率轉換”將P(j)轉換為輸出脈沖；上述首先通過低通濾波來降低功率的波紋，而后轉換到頻率的方法，其目的在于在穩定的負載條件下，輸出脈沖間隔均勻的脈沖信號，從而滿足校表的要求。顯然，為了提高輸出脈沖的均勻程度，就必須提高低通濾波效果，即降低濾波器的帶寬和提高濾波器的階數，然而，低的濾波器帶寬會使得實際的負載功率發生變化時，輸出的計量脈沖隨之變化的響應變慢，高的濾波器階數會使計算量變大，或者電路在硬件實現時開銷變大，這兩者是現有的電能計量脈沖產生方法存在的問題。
發明內容
本發明的目的是提出一種用于電表的電能計量脈沖的產生方法，以電力信號周期為處理單位，通過對周期平均功率的計算來線性預測當前時刻的電能并據此輸出脈沖信號，以使電能計量脈沖輸出對負載變化的響應速度快、算法實現的計算量小，或者在電路硬件實現時開銷小。
本發明提出的用于電表的電能計量脈沖的產生方法，包括以下步驟(1)分別對來自電力線上的電壓信號v(j)和電流信號i(j)進行模數轉換，得到數字化的v(j)與i(j)，將v(j)與i(j)相乘得到瞬時功率p(j)，并對電壓信號v(j)進行從負到正的過零點檢測；(2)定義一個虛擬的電能容器為“能量桶”，用于存放用戶已經消耗的電能和已經轉換為計量脈沖輸出的電能之間的余量，設Eo為“能量桶”中的電能，當檢測到第1個過零點時，令Eo＝0；(3)每當檢測到一個新的過零點時，計算前一周期的電能Ep，即由前一過零點到當前過零點之間的每個采樣點上的瞬時功率p(j)的累加，并將前一周期的電能放入到“能量桶”中Eo＝Eo+Ep；(4)根據上述前一周期的電能Ep計算平均功率Pa＝Ep/M，其中M表示將電力信號的一個周期等分為M個單位時間進行電能預測；(5)設ek為當前時刻在當前周期中電能增量預測值，ef為當前時刻的電能余量預測值，那么在當前周期一開始，即在第0個單位時間結束點，令ek＝0，ef＝Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；(6)每到一個新的單位時間結束點，令ek＝ek+Pa，ef＝ek+Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；(7)重復上述步驟(6)直到當前周期結束，即一個新的v(j)過零點到達；(8)重復上述(3)～(7)，實時輸出電能計量脈沖。
本發明提出的用于電表的電能計量脈沖的產生方法，其核心內容是以電力信號周期為處理單位，計算當前時刻之前一周期的平均功率，將之作為當前周期的平均功率估計值，來線性預測當前時刻的電能值，并據此實時輸出電能計量脈沖。本發明方法具有以下優點1、實時性好直接采用將當前時刻電能與一個電能計量脈沖所代表的電能值進行比較來產生電能計量脈沖的方法，而不是采用現有方法中低通濾波加數字到頻率轉換的方法，因此對負載功率變化的響應靈敏、滯后性小。
2、算法實現計算量較小從瞬時頻率到最后的電能計量脈沖的轉換中，現有方法中的低通濾波器需要較多的乘法和加法運算，而本發明提出的方法僅需要簡單的累加運算，對于上述步驟(4)中的除法運算，可將分母M取值為2的整數次冪，如64，128，256等，這樣除法運算可用簡單的移位截斷操作來實現。
3、無周期累積誤差由于對當前周期的電能線性預測總是以當前周期開始時的實際電能累積值作為其初始值，因此不會有周期之間的累積誤差，即對當前時刻的電能預測精度不會隨計量的進行而惡化。
圖1是已有的電能計量脈沖的產生方法原理圖。
圖2是本發明方法提出的電能計量脈沖方法的原理框圖。
具體實施例方式
本發明提出的用于電表的電能計量脈沖的產生方法，其原理框圖如圖2所示，首先分別對來自電力線上的電壓信號v(j)和電流信號i(j)進行模數轉換，得到數字化的v(j)與i(j)，將v(j)與i(j)相乘得到瞬時功率p(j)，并對電壓信號v(j)進行從負到正的過零點檢測；定義一個虛擬的電能容器為“能量桶”，用于存放用戶已經消耗的電能和已經轉換為計量脈沖輸出的電能之間的余量，其中，用戶消耗的電能以電力信號周期為時間間隔放入到“能量桶”中，而每當電能計量脈沖輸出時，則從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值，設Eo為“能量桶”中的電能，當檢測到第1個過零點時，令Eo＝0；每當檢測到一個新的過零點時，計算前一周期的電能Ep，即由前一過零點到當前過零點之間的每個采樣點上的瞬時功率p(j)的累加，并將前一周期的電能放入到“能量桶”中Eo＝Eo+Ep；根據前一周期的電能Ep計算平均功率Pa＝Ep/M，其中M表示將電力信號的一個周期等分為M個單位時間進行電能預測；設ek為當前時刻在當前周期中電能增量預測值，ef為當前時刻的電能余量預測值，那么在當前周期一開始，即在第0個單位時間結束點，令ek＝0，ef＝Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；每到一個新的單位時間結束點，令ek＝ek+Pa，ef＝ek+Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；依次對當前周期中各個單位時間結束點上的電能進行預測和脈沖判斷輸出，直到當前周期結束，即一個新的v(j)過零點到達；重復以上過程，實時輸出電能計量脈沖F1。
圖2中，ck1為對電力信號v(t)和i(t)的進行模數轉換的尼奎斯特等效采樣時鐘，一般來說，ck1的頻率取為電力信號的基波頻率的2的整數次冪倍，例如，電力信號的基波頻率為50Hz，ck1的頻率取為12.8kHz；ck2為當前周期中控制進行能量預測的時鐘，其頻率與M相關，M表示將電力信號的一個周期等分為M段進行電能預測，如前所述，為使除法易于實現，M的值一般取為2的整數次冪，因此，ck2的頻率也為電力信號基波頻率的2的整數次冪倍，一般地，可令ck2的頻率等于ck1的頻率，即ck1與ck2共用同一個時鐘，若要進一步提高電表輸出的電能計量脈沖的均勻度，可增大M，即增大ck2的時鐘頻率，令其為ck1頻率的2的整數次冪倍，以提高電能脈沖輸出的時間解析度；s為對信號v(j)進行過零檢測后的輸出，即每當v(j)從負到正經過零點時，在其過零點位置對應地有一個脈沖信號，s的作用是作為復位信號送給圖2中兩個復位累加電路，用于對累加求周期能量Ep和累加求當前周期中電能增量預測值ek的過程進行周期性的初始化；Pa為前一周期的平均功率，其值等于Ep/M，分母M一般取值為2的整數次冪，如64，128，256等，這樣除法運算可用簡單的移位截斷操作來實現。
權利要求
1.一種用于電表的電能計量脈沖的產生方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)分別對來自電力線上的電壓信號v(j)和電流信號i(j)進行模數轉換，得到數字化的v(j)與i(j)，將v(j)與i(j)相乘得到瞬時功率p(j)，并對電壓信號v(j)進行從負到正的過零點檢測；(2)定義一個虛擬的電能容器為“能量桶”，用于存放用戶已經消耗的電能和已經轉換為計量脈沖輸出的電能之間的余量，設Eo為“能量桶”中的電能，當檢測到第1個過零點時，令Eo＝0；(3)每當檢測到一個新的過零點時，計算前一周期的電能Ep，即由前一過零點到當前過零點之間的每個采樣點上的瞬時功率p(j)的累加，并將前一周期的電能放入到“能量桶”中Eo＝Eo+Ep；(4)根據上述前一周期的電能Ep計算平均功率Pa＝Ep/M，其中M表示將電力信號的一個周期等分為M個單位時間進行電能預測；(5)設ek為當前時刻在當前周期中電能增量預測值，ef為當前時刻的電能余量預測值，在第0個單位時間結束點，令ek＝0，ef＝Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；(6)每到一個新的單位時間結束點，令ek＝ek+Pa，ef＝ek+Eo，并將電能余量預測值ef與一個電能計量脈沖所對應的電能值Et進行比較，當ef≥Et時，則輸出一個電能計量脈沖，同時從“能量桶”中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值Eo＝Eo-Et；(7)重復上述步驟(6)直到當前周期結束，即一個新的v(j)過零點到達；(8)重復上述(3)～(7)，實時輸出電能計量脈沖。
全文摘要
本發明涉及一種用于電表的電能計量脈沖的產生方法，屬于電力參數測量技術領域。首先對電壓信號進行過零點檢測，檢測結果用于控制對周期能量和當前時刻電能增量的計算，每當檢測到一個新的過零點，將前一周期的能量加入到電能余量中，并計算周期平均功率，以此來線性預測當前周期中當前時刻的電能余量，每當電能余量超過一個電能計量脈沖所對應的電能值，就輸出一個電能計量脈沖，同時從電能余量中扣除一個電能計量脈沖所對應的電能值。本發明方法的優點是實時性好，對負載功率變化的響應靈敏、滯后性小；算法實現時只需要簡單的累加運算，計算量較小；無周期累積誤差。
文檔編號G01R35/00GK1804640SQ20061000183
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月24日 優先權日2006年1月24日
發明者李福樂, 譚年熊, 張岳, 王榮華, 范志軍 申請人:北京萬工科技有限公司