电能表计量电路的仿真方法及装置与流程

本发明涉及建模仿真领域，尤其涉及一种电能表计量电路的仿真方法及装置。

背景技术：

智能电能表是建立全国范围智能电网的重要设备，其电能计量准确性直接关系用户和国家电网的切身利益。智能电能表的计量电路可以分为模拟电路和数字电路两个部分。目前，对电能表进行的仿真分析只针对其中一个部分，并且仿真时很少考虑电能表实际计量芯片内部A/D转换等电路工作原理和有功功率等参数数字化计算方法。这会使得电能表计量电路仿真结果不能准确反映其实际计量情况，进而影响电能表设计结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决目前电能表仿真过程中无法应用单一仿真软件同时满足对于电表工作过程中的数字过程和模拟过程准确仿真的问题。

为了达到上述目的，本发明提出了一种智能电能表计量电路的仿真方法，包括：获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数；根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型；根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型；使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型；运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，并计算所述电能表计量电路的仿真结果。

进一步地，所述获取电能表的A/D转换电路的参数，并根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型的步骤包括：获取所述电能表的A/D转换电路的标准电压、寄存器位数以及数据更新频率；根据所述标准电压、寄存器位数以及数据更新频率，使用MATLAB语言构造A/D转换电路的数字电路模型，并设置所述数字电路模型的电压放大倍数、火线电流放大倍数、零线电流放大倍数。

进一步地，所述根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型的步骤包括：设置正弦电压源、正弦电流源；通过搭建电阻串联分压网络与无源滤波电路，建立电网电压采样电路并采集电网电压采样电路；通过搭建电阻串联分压网络并将锰铜片设置成理想电阻，建立火线电流采样电路并采集火线电流采样信号；通过选择并设定Current Sensor模块，搭建相应的电阻串联分压网络，建立零线电流采样电路并采集零线电流采样信号；根据所述电能表的原理图连接所述电网电压采样电路、火线电流采样电路以及零线电流采样电路、正弦电压源以及正弦电流源，建立所述模拟电路模型。

进一步地，所述运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真包括：将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号发送给所述Simulink软件中的所述数字电路模型；将电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式离散化，得到离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式；将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号分别代入所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式，计算电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率，并将结果发送给所述Saber软件中的所述模拟电路模型；设置所述Simulink软件与Saber软件的仿真步长，对所述联合仿真模型进行联合仿真。

进一步地，所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式为：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；I_RMS为电流有效值；U_RMS为电压有效值；u(t)为瞬时电压；i(t)为瞬时电流；u(k)为瞬时电压采样值；i(k)为瞬时电流采样值；T为电压电流信号周期；N为一个基波周期内的采样次数；Δt为采样时间间隔。

为了达到上述目的，还提出了一种电能表计量电路的仿真装置，包括：原理图与参数获取模块，用于获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数；数字电路模型建立模块，用于根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型；模拟电路模型建立模块，用于根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型；联合仿真模型建立模块，用于使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型；仿真运行模块，用于运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，并计算所述电能表计量电路的仿真结果。

进一步地，所述数字电路模型建立模块包括：参数获取模块，用于获取所述电能表的A/D转换电路的标准电压、寄存器位数以及数据更新频率；数字模型构造模块，用于根据所述标准电压、寄存器位数以及数据更新频率，使用MATLAB语言构造A/D转换电路的数字电路模型，并设置所述数字电路模型的电压放大倍数、火线电流放大倍数、零线电流放大倍数。

进一步地，所述模拟电路模型建立模块包括：信号激励设置模块，用于设置正弦电压源、正弦电流源；电压采样电路建立模块，用于通过搭建电阻串联分压网络与无源滤波电路，建立电网电压采样电路并采集电网电压采样电路；火线电流采样电路建立模块，用于通过搭建电阻串联分压网络并将锰铜片设置成理想电阻，建立火线电流采样电路并采集火线电流采样信号；零线电流采样电路建立模块，用于通过选择并设定Current Sensor模块，搭建相应的电阻串联分压网络，建立零线电流采样电路并采集零线电流采样信号；模拟模型建立模块，用于根据所述电能表的原理图连接所述电网电压采样电路、火线电流采样电路以及零线电流采样电路、正弦电压源以及正弦电流源，建立模拟电路模型。

进一步地，所述仿真运行模块包括：信号发送模块，用于将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号发送给所述Simulink软件中的所述数字电路模型；公式离散化模块，用于将电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式离散化，得到离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式；信号计算模块，用于将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号分别代入所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式，计算电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率，并将结果发送给所述Saber软件中的所述模拟电路模型；联合仿真模块，用于设置所述Simulink软件与Saber软件的仿真步长，对所述联合仿真模型进行联合仿真。

进一步地，所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式为：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；I_RMS为电流有效值；U_RMS为电压有效值；u(t)为瞬时电压；i(t)为瞬时电流；u(k)为瞬时电压采样值；i(k)为瞬时电流采样值；T为电压电流信号周期；N为一个基波周期内的采样次数；Δt为采样时间间隔。

本发明实施例的电能表计量电路的仿真方法及装置，通过用Saber仿真平台进行模拟电路的仿真，并结合Simulink在软件控制算法方面的优势来模拟计量过程中的数字过程，使用SaberCosim模块将两个软件的数据进行交换传递，实现了仿真软件之间的优势互补，使得对智能电表计量过程的模拟更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电能表计量电路的仿真方法的流程图。

图2为本发明实施例的Saber-Simulink联合仿真原理图。

图3为本发明实施例的电能表计量电路的仿真装置的结构示意图。

图4为本发明实施例的数字电路模型建立模块的结构示意图。

图5为本发明实施例的模拟电路模型建立模块的结构示意图。

图6为本发明实施例的仿真运行模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图1为本发明实施例的电能表计量电路的仿真方法的流程图，如图1所示，本实施例提出的电能表计量电路的仿真方法，包括：

S100，获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数；

S200，根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型；

S300，根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型；

S400，使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型；

S500，运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，并计算所述电能表计量电路的仿真结果。

在步骤S100中，获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数。电能表的电路部分由A/D转换电路与模拟电路两部分构成，本领域技术人员可以自行获取电能表的原理图，并根据电能表中所用到的计量芯片的芯片手册确定A/D转换电路的参数，这些参数的获取方式可以通过测量实物或者查阅相关资料。该参数包括标准电压、寄存器位数、数据更新频率。

在步骤S200中，根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型。本领域技术人员使用Matlab语言构造数字电路模型的M-Function模块，该M-Function模块对照逐次比较型A/D转换电路算法使建立的数字电路模型实现模拟量到数字量的转换。由此，即可以完成对电能表数字电路的仿真模型的建立。

在步骤S200具体实施过程中，获取电能表的A/D转换电路的参数，并根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型的步骤包括：获取所述电能表的A/D转换电路的标准电压、寄存器位数以及数据更新频率；根据所述标准电压、寄存器位数以及数据更新频率，使用MATLAB语言构造A/D转换电路的数字电路模型，并设置所述数字电路模型的电压放大倍数、火线电流放大倍数、零线电流放大倍数。

在步骤S300中，根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型。根据在步骤S100中已经获得的电能表的原理图，将原理图的模拟电路部分在Saber软件中进行搭建，从而完成模拟电路模型。

在步骤S300具体实施过程中，根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型的步骤包括：

步骤S310，设置正弦电压源、正弦电流源。根据所述智能电表原理分析，用正弦电压源模拟电网电压，用正弦电流源模拟火线与零线电流。

步骤S320，通过搭建电阻串联分压网络与无源滤波电路，建立电网电压采样电路并采集电网电压采样电路，采用多级电阻分压的方式提取采样信号，并加入无源滤波电路。

步骤S330，通过搭建电阻串联分压网络并将锰铜片设置成理想电阻，建立火线电流采样电路并采集火线电流采样信号，对于火线电流采样电路，根据所述智能电表原理图，将其计量关键元器件锰铜片设置成理想电阻，并搭建相应的电阻分压网络。

步骤S340，通过选择并设定Current Sensor模块，搭建相应的电阻串联分压网络，建立零线电流采样电路并采集零线电流采样信号，对于零线电流采样电路，通过选择Current Sensor模块设定合适的变化，得到小电流信号，搭建相应电阻分压网络；

步骤S350，根据所述电能表的原理图连接所述电网电压采样电路、火线电流采样电路以及零线电流采样电路、正弦电压源以及正弦电流源，建立所述模拟电路模型。

步骤S360，根据所述电能表的原理图连接所述电网电压采样电路、火线电流采样电路以及零线电流采样电路、正弦电压源以及正弦电流源，建立模拟电路模型。

在步骤S400中，使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型。由于数字电路模型的建立是在Simulink软件中，模拟电路模型的建立是在Saber软件中，使用SaberCosim软件作为以上两款软件的接口软件，用以数字电路模型与模拟电路模型的数据。对步骤S200、步骤S300已经建立好的数字电路模型与模拟电路模型进行连接，构建联合仿真模型。完成联合仿真模型的构建后，进入步骤S500，运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，并计算所述电能表计量电路的仿真结果。

在步骤S400具体实施过程中，使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型。

首先，将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号发送给所述Simulink软件中的所述数字电路模型；

然后，将电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式离散化，得到离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式。该公式为：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；I_RMS为电流有效值；U_RMS为电压有效值；u(t)为瞬时电压；i(t)为瞬时电流；u(k)为瞬时电压采样值；i(k)为瞬时电流采样值；T为电压电流信号周期；N为一个基波周期内的采样次数；Δt为采样时间间隔。

最后，将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号分别代入所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式，计算电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率，并将结果发送给所述Saber软件中的所述模拟电路模型；设置所述Simulink软件与Saber软件的仿真步长，对所述联合仿真模型进行联合仿真。

在此需要说明的是，虽然以上对实施方式的阐述按照步骤顺序进行说明的，但并不代表必须按照以上顺序才能实现本发明的仿真方法，本发明对各个步骤实施的先后顺序不做限定。

图2为本发明实施例的Saber-Simulink联合仿真原理图，结合图1与图2，对本发明的电能表计量电路的仿真方法做进一步说明。参考图2所示，电能表计量电路的仿真模型主要分为三部分：模拟电路部分、数字电路部分以及仿真接口。数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型，其中，模拟电路部分包括：锰铜分流器等效模型、电流互感器等效模型、电阻分压网络以及模拟信号激励；数字电路部分包括：计量芯片Simulink模型、微控制器Simulink模型。仿真接口为Saber-MATLAB/Simulink仿真接口。

在获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数后，首先使用A/D转换电路的参数搭建数字电路模型，其中，计量芯片Simulink模型与微控制器Simulink模型共同组成了数字电路模型，根据所述标准电压、寄存器位数以及数据更新频率，使用MATLAB语言构造Simulink模型与微控制器Simulink模型，并设置所述数字电路模型的电压放大倍数、火线电流放大倍数、零线电流放大倍数；然后使用电能表原理图构建模拟电路模型。其中，设置正弦电压源、正弦电流源作为模拟信号激励，用来模拟电网电压以及电流，建立锰铜分流器等效模型，用来模拟电表中的锰铜片电流采样部分；根据原理图设置电流互感器等效模型，用来模拟电能表中的电流互感器电流采样部分；构建电阻分压网络作为电网电压采样电路，用来模拟电表中多级电阻分压采样电路部分。完成数字电路模型与模拟电路模型的搭建后，通过设置Saber-MATLAB/Simulink为仿真接口，实现数字电路模型与模拟电路模型的数据连接。

完成电能表联合仿真模型后，运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，具体数据的传输顺序如下：模拟电路模型通过Saber-MATLAB/Simulink仿真接口将测量到的电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号传输给数字电路模型。接下来数字电路模型中的计量芯片Simulink模型对电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式离散化，然后将电网电压采样信号的电压值、火线电流采样信号的电流值与零线电流采样信号的电流值代入离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式，得到电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率，再将该些参数通过Saber-MATLAB/Simulink仿真接口返回给模拟电路模型并对计算用的数据进行更新。以此重复上述的过程，以设定的Simulink及Saber的仿真步长进行运算仿真，直至到达设定的迭代步数或者收敛条件，从而完成能表计量电路的仿真。在此说明，电能表联合仿真模型中的数字电路模型与模拟电路模型在进行仿真的过程中，计算数据的传输不限于上述两模型的数据传输顺序。

在介绍了本发明实施例的电能表计量电路的仿真方法之后，接下来，对本发明实施例的电能表计量电路的仿真装置进行介绍。该装置的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的术语“模块”、“单元”，可以是实现预定功能的软件和/或硬件。

图3为本发明实施例的电能表计量电路的仿真装置的结构示意图，如图3所示，一种电能表计量电路的仿真装置，包括：原理图与参数获取模块100，用于获取电能表的原理图与A/D转换电路的参数；数字电路模型建立模块200，用于根据所述参数在Simulink软件中建立A/D转换电路的数字电路模型；模拟电路模型建立模块300，用于根据所述电能表的原理图，在Saber软件中建立模拟电路模型；联合仿真模型建立模块400，用于使用所述Saber软件中的SaberCosim模块对Simulink软件中的所述数字电路模型与Saber软件中所述模拟电路模型进行数据连接，所述数字电路模型与模拟电路模型共同组成联合仿真模型；仿真运行模块500，用于运行所述Saber软件对所述联合仿真模型进行联合仿真，并计算所述电能表计量电路的仿真结果。

在具体实施过程中，图4为本发明实施例的数字电路模型建立模块的结构示意图，如图4所示，所述数字电路模型建立模块200包括：参数获取模块210，用于获取所述电能表的A/D转换电路的标准电压、寄存器位数以及数据更新频率；数字模型构造模块220，用于根据所述标准电压、寄存器位数以及数据更新频率，使用MATLAB语言构造A/D转换电路的数字电路模型，并设置所述数字电路模型的电压放大倍数、火线电流放大倍数、零线电流放大倍数。

在具体实施过程中，图5为本发明实施例的模拟电路模型建立模块的结构示意图，如图5所示，所述模拟电路模型建立模块300包括：信号激励设置模块310，用于设置正弦电压源、正弦电流源；电压采样电路建立模块320，用于通过搭建电阻串联分压网络与无源滤波电路，建立电网电压采样电路并采集电网电压采样电路；火线电流采样电路建立模块330，用于通过搭建电阻串联分压网络并将锰铜片设置成理想电阻，建立火线电流采样电路并采集火线电流采样信号；零线电流采样电路建立模块340，用于通过选择并设定Current Sensor模块，搭建相应的电阻串联分压网络，建立零线电流采样电路并采集零线电流采样信号；模拟模型建立模块350，用于根据所述电能表的原理图连接所述电网电压采样电路、火线电流采样电路以及零线电流采样电路、正弦电压源以及正弦电流源，建立模拟电路模型。

在具体实施过程中，图6为本发明实施例的仿真运行模块的结构示意图，如图6所示，所述仿真运行模块500包括：信号发送模块510，用于将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号发送给所述Simulink软件中的所述数字电路模型；公式离散化模块520，用于将电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式离散化，得到离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式；信号计算模块530，用于将所述电网电压采样信号、火线电流采样信号与零线电流采样信号分别代入所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式，计算电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率，并将结果发送给所述Saber软件中的所述模拟电路模型；联合仿真模块540，用于设置所述Simulink软件与Saber软件的仿真步长，对所述联合仿真模型进行联合仿真。

在具体实施过程中，所述离散化后的电压有效值、电流有效值、有功功率以及无功功率的计算公式为：

式中：P为有功功率；Q为无功功率；I_RMS为电流有效值；U_RMS为电压有效值；u(t)为瞬时电压；i(t)为瞬时电流；u(k)为瞬时电压采样值；i(k)为瞬时电流采样值；T为电压电流信号周期；N为一个基波周期内的采样次数；Δt为采样时间间隔。

本发明的电能表计量电路的仿真方法及装置的实施例，通过用Saber仿真平台进行模拟电路的仿真，并结合Simulink在软件控制算法方面的优势来模拟计量过程中的数字过程，使用SaberCosim模块将两个软件的数据进行交换传递，实现了仿真软件之间的优势互补，使得对智能电表计量过程的模拟更加准确。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。