一种在变频调速工况下的电能计量方法与流程

本发明涉及电能计量技术领域，具体是一种在变频调速工况下的电能计量方法。

背景技术：

在国家提倡节能减排的大环境下，“变频节能”技术得到广泛应用，常用的变频节能技术：在电动机中安装变速装置，通过调节变速装置的转速，调节电压频率达到节能目的。在这样的变频调速工况下会对电能表产生三方面的计量偏差：一方面由于电压频率常在30hz~60hz变化，普通电能表一般只能在50hz(1±5%)条件下准确计量，用普通电能表就会产生计量偏差；第二方面是安装变频装置后，在运行过程中容易产生谐波，谐波对计量也会产生计量偏差；第三方面是当变速装置在低速小负荷运行条件下，小负荷会引起普通电表的计量误差。因此，需要一种能在变频调速工况下的准确计量方法，来解决以上三个问题。

公布号为cn104914303a的专利文献公开了一种电能计量方法，其包括：检测用于电能计量的电能计量芯片是否发生掉电；在掉电时，将所述电能计量芯片的系统供电切换到备份的取电方式；将所述电能计量芯片的电能计量时钟切换到低频时钟；以及在预先设定的时间段内对电能进行计量。该发明提供的低频计量方案，即使在电路断相或窃电的模式下，依然可以在降低功耗的同时，对电流进行有效值的计算，并提供视在功率和视在功率脉冲的输出，并且不需要依赖于特定的工艺或器件的支持，非常有利于布局布线，还可以保证电能计量芯片上的必要信息不丢失。但是，该发明不能满足在变频调整工况下的准确计量，未能解决上述问题。

公告号为cn102662106b的专利公开了一种谐波电网电能计量方法，采集用户注入电网的谐波含量及谐波，计算不同时段的谐波波形的波形畸变率thd，判断波形畸变率thd与预设波形畸变率阈值关系，分别采用不同的计量方式来计算电能，该发明在谐波条件下根据波形畸变率thd的不同设一个门槛值（参照国家谐波标准限值）以分别采用不同的计量方式，区分用户是谐波用户还是非谐波用户，谐波影响较大，仍视作线性用户，则计量其消耗的基波电能和谐波电能之和，同时记录其注入电网的谐波电能作为技术参考指标；如果谐波影响很大，属典型谐波源负荷，则计量其消耗的基波电能、谐波电能和注入电网的谐波电能绝对值之和，最终达到治理谐波的目的。但是，该发明也未能解决变频调整工况下的计量准确性问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供的一种能够适应宽频率变化、低负荷运行，并在谐波电网中能有效去除谐波对电表的干扰，确保电能计量准确、科学、合理的在变频调速工况下的电能计量方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种在变频调速工况下的电能计量方法,包括以下步骤：

s1：硬件初始化；

s2：软件初始化；

s3：执行数据录入函数；

s4：执行与mpu通讯函数。

进一步的，s1中，硬件初始化包括以下步骤：

步骤（1）：3路电压和3路电流经由模/数转换器转换后，设置mcbsp、dma参数；

步骤（2）：全局变量初始化，读取校准系统参数；

步骤（3）：启动模/数转换器，由mcbsp和dma自动获取数据，dma中断触发信号给其它任务进行数据处理，对电压波形数据进行滤波后准确计算频率，对所有电压、电流采样数据进行滤波及插值后，再进行fft快速傅里叶变换计算，分别计算出单相的全波、基波、谐波的有功功率和无功功率；

步骤（4）：通过另一路mcbsp和dma与mpu的通讯，把计算后的全波、基波、谐波的电量，单相功率、电压、电流、功率因素、频率、谐波失真数据发送给mpu。

进一步的，s3中，执行数据录入函数包括以下步骤：

步骤一，数据采集：为了使cpu将更多的资源用于数据的计算，数据采集通过dma方式来实现，此时数据的采集不需要cpu干预，采集好后直接放入固定的寄存器单元，然后以中断的方式通知cpu，cpu进而对数据进行处理，软件对通道数据次序进行校验；

步骤二，滤波器设计：对模/数转换器所产生的数据进行滤波，设计的滤波器性能满足通带的衰减保证在0.0001db以内，阻带在25db以外；

步骤三，频率计算：计算系统的频率以作插值的依据，频率计算的精度为0.001hz；

步骤四，数据插值；

步骤五，fft变换：插值后的数据进行fft快速傅里叶变换计算后，再计算出单相的全波、基波、谐波的有功功率和无功功率，电压电流的幅值、相角、谐波失真、功率因素等数据，由于硬件电路有衰减，在低负荷时需对各次谐波的衰减进行补偿；

步骤六，电能量计算：fft计算出单相的全波、基波、谐波的有功/无功功率，再分别与时间积分得到对应的电量增量，总基波、谐波、全波的有功/无功功率等于单相基波、谐波、全波有功/无功功率的代数和，再分别与时间积分；

步骤七，脉冲输出：根据电能累计量是否达到一个脉冲量来控制led灯的亮灭，每2ms检测一次电量值，达到送脉冲的要求就输出脉冲并将累积量减掉一个脉冲值。

进一步的，s4中，执行与mpu通讯函数包括以下步骤：

步骤a，dsp与mpu通讯：dsp计算的所有的数据都是通过mcbsp/dma来传至mpu，为了保证通讯的可靠性，所有数据都需要经过校验，dsp作为数据的输入方，不主动与mpu联系，mpu发送数据请求，dsp收到后对其进行响应；

步骤b，闪存处理：dsp的引导程序、固件程序及部分参数都是存放在闪存的，为尽可能的减少闪存的擦除操作，一般只有在升级程序，改变参数的时候会产生闪存写操作；

步骤c，次重要数据的计算：当dsp空闲时计算功率因数，角度以及频率，校准电压电流电表；

步骤d，固件进行升级处理：通过arm将代码传输至dsp，再由dsp将代码写入闪存中；

步骤e，引导程序设计：采用并口模式引导方式；

步骤f，闪存加载程序设计：通过闪存加载程序将程序烧入闪存中。

电能计量是指对电力参数的采集与累计，不同的用电场合对应不同的电能计量方式，而该电能计量方式在电能计量装置出厂时固化于电能计量芯片中，而且，现有技术中的电能计量方案在设计之初就已经固化了电能计量方式，如有功功率、无功功率或视在功率，且用于能量计算的合相功率已经固定为某几相，如三相四线表是对a、b、c三相分相功率的累加，三相三线表就是对a、c两相分相功率的求和，对于变频工况下的电能计量，本领域技术人员容易想到对变频设备进行多次模拟计量来构建非线性负载环境的电能计量系统，如公告号为cn106226723b专利公开的一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统，所述系统包括：非线性负载模块，综合考虑节能灯、逆变器、变频器的运行特性，既可以实现单体负载的模拟，也可以实现负载的组合模拟；电源模块，模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况；输电线路模块，模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；变压器模块，能够实现电压等级的变换和损耗的模拟；电能计量模拟模块，能够模拟不同原理、不同性能的电能计量装置，从而得到模拟的电能计量装置在不同模拟工况下测量时间内的电能值；以及电能计量误差分析模块，通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差，因此，本领域技术人员不容易想到重构一种在变频调整工况下的电能计量方法。

而且，现有电能表的硬件及计量方法均已固化，如公布号为cn110988461a的专利文献公开的一种电能计量装置，通过预设电能计量脚本，接收输入的累计数据源设置、累计方式设置和累计时钟源设置，在预设的电能计量脚本上，根据累计数据源设置、累计方式设置和累计时钟源设置完成累计数据源的配置、累计方式的配置和累积时钟源的配置，得到配置后的电能计量脚本，执行配置后的电能计量脚本进行电能计量，实现了从累计数据源、累计方式和累计时钟源三个角度进行用电数据的灵活组合与自动配置，方案的通用性相较于现有技术大大提升，能够适应同一用电场合不同业务项目对不同的电能计量方式的需求。因此，在现有电能表的基础上，重新设计结构硬件以及程序模块，以满足在变频调速的工况下的电能准确计量，对本领域技术人员来说是难以实现的。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明以数字信号处理器(dsp)为核心，通过高速采样模块完成实时采样，并基于快速傅里叶变换对电压、电流进行频域分解，实时积分计算电能。dsp采用ti的bios实时操作系统，通过mcbsp和dma方式快速获取adc的三相电压/电流的采样数据；通过matlab设计滤波器，对得到的电压通道数据进行滤波后准确地计算出电压频率；利用dsp强大的计算能力，对所有电压/电流采样数据进行滤波及插值后，再进行fft快速傅里叶变换计算，分别计算出单相的全波/基波/谐波的有功功率/无功功率；然后分别与时间积分得到单相的全波/基波/谐波的有功/无功电量增量。而总基波、谐波、全波有功/无功功率等于单相基波、谐波、全波有功/无功功率的代数和，再分别与时间积分，根据有功功率、无功功率的值是正还是负来决定是正向有功还是反向有功、是哪个象限无功，从而能够适应宽频率变化、低负荷运行，并在谐波电网中能有效去除谐波对电表的干扰，确保电能计量准确、科学、合理。

本发明提供了一种在变频调速工况下的准确计量方法，具有较宽的模拟输入带宽，带补偿的测量回路及先进的dsp计量算法，保证在轻载及负荷冲击时的电能准确计量和电压、电流的准确测量。比传统的以计量芯片为基础的电表有更高的准确性，能够及时发现现场隐藏的问题。

附图说明

图1是本发明实施例三中电能表硬件架构图；

图2是本发明实施例三中电能表的数据处理流程图；

图3是本发明实施例三中电能表的主程序流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例一

一种在变频调速工况下的电能计量方法,包括以下步骤：

s1：硬件初始化；

s2：软件初始化；

s3：执行数据录入函数；

s4：执行与mpu通讯函数。

s1中，硬件初始化包括以下步骤：

步骤（1）：3路电压和3路电流经由模/数转换器转换后，设置mcbsp、dma参数；

步骤（2）：全局变量初始化，读取校准系统参数；

步骤（3）：启动模/数转换器，由mcbsp和dma自动获取数据，dma中断触发信号给其它任务进行数据处理，对电压波形数据进行滤波后准确计算频率，对所有电压、电流采样数据进行滤波及插值后，再进行fft快速傅里叶变换计算，分别计算出单相的全波、基波、谐波的有功功率和无功功率；

步骤（4）：通过另一路mcbsp和dma与mpu的通讯，把计算后的全波、基波、谐波的电量，单相功率、电压、电流、功率因素、频率、谐波失真数据发送给mpu。

s3中，执行数据录入函数包括以下步骤：

步骤一，数据采集：为了使cpu将更多的资源用于数据的计算，数据采集通过dma方式来实现，此时数据的采集不需要cpu干预，采集好后直接放入固定的寄存器单元，然后以中断的方式通知cpu，cpu进而对数据进行处理，软件对通道数据次序进行校验；

步骤二，滤波器设计：对模/数转换器所产生的数据进行滤波，设计的滤波器性能满足通带的衰减保证在0.0001db以内，阻带在25db以外；

步骤三，频率计算：计算系统的频率以作插值的依据，频率计算的精度为0.001hz；

步骤四，数据插值；

步骤五，fft变换：插值后的数据进行fft快速傅里叶变换计算后，再计算出单相的全波、基波、谐波的有功功率和无功功率，电压电流的幅值、相角、谐波失真、功率因素等数据，由于硬件电路有衰减，在低负荷时需对各次谐波的衰减进行补偿；

步骤六，电能量计算：fft计算出单相的全波、基波、谐波的有功/无功功率，再分别与时间积分得到对应的电量增量，总基波、谐波、全波的有功/无功功率等于单相基波、谐波、全波有功/无功功率的代数和，再分别与时间积分；

步骤七，脉冲输出：根据电能累计量是否达到一个脉冲量来控制led灯的亮灭，每2ms检测一次电量值，达到送脉冲的要求就输出脉冲并将累积量减掉一个脉冲值。

s4中，执行与mpu通讯函数包括以下步骤：

步骤a，dsp与mpu通讯：dsp计算的所有的数据都是通过mcbsp/dma来传至mpu，为了保证通讯的可靠性，所有数据都需要经过校验，dsp作为数据的输入方，不主动与mpu联系，mpu发送数据请求，dsp收到后对其进行响应；

步骤b，闪存处理：dsp的引导程序、固件程序及部分参数都是存放在闪存的，为尽可能的减少闪存的擦除操作，一般只有在升级程序，改变参数的时候会产生闪存写操作；

步骤c，次重要数据的计算：当dsp空闲时计算功率因数，角度以及频率，校准电压电流电表；

步骤d，固件进行升级处理：通过arm将代码传输至dsp，再由dsp将代码写入闪存中；

步骤e，引导程序设计：采用并口模式引导方式；

步骤f，闪存加载程序设计：通过闪存加载程序将程序烧入闪存中。

实施例二

一种在变频调速工况下的电能计量方法,包括以下步骤：

s1：硬件初始化；

3路电压（电阻分压）和3路电流（ct）经由ad转换，之后dsp通过mcbsp和dma获取数据，然后由dsp进行数据处理。与mpu的通讯通过另一路mcbsp和dma来完成；

s2：软件初始化；

s3：执行数据录入函数；

由于整个系统是由很多个任务并行运行的，各任务之间又并非完全独立，并且严格按照优先级的高低执行。数据采集：为了使cpu将更多的资源用于数据的计算，数据采集通过dma方式来实现，此时数据的采集不需要cpu干预，采集好后直接放入固定的寄存器单元，然后以中断的方式通知cpu，cpu进而对数据进行处理。由于电表的ad数据是串行进入的，需要对dma的数据次序进行校验；

滤波器设计：由于硬件上ad所产生的数据会被硬件带来干扰，故必须对其进行滤波，设计的滤波器中通带的衰减保证在0.0001db以内，阻带在25db以外；

频率计算：由于源的频率直接关系到插值处理的处理，而电表是适用于宽范围的频率范围的，所以我们需要适时的计算系统的频率以作插值的依据。频率计算的精度可以达到0.001hz；

数据插值：由于ad采样率固定，没法随频率的改变而改变，为了避免频谱的泄露，采用先插值后做fft的方法；

fft变换：插值后的数据进行fft（快速傅里叶变换）计算后，再计算出单相的全波/基波/谐波的有功/无功功率、电压电流的幅值/相角/谐波失真、功率因素等数据。由于硬件电路有衰减，在低负荷时需对各次谐波的衰减进行补偿；

电能量计算：fft后计算出单相的全波、基波、谐波的有功/无功功率，再分别与时间积分得到对应的电量增量。总基波、谐波、全波有功/无功功率等于单相基波、谐波、全波有功/无功功率的代数和，再分别与时间积分；

脉冲输出：根据电能累计量是否达到一个脉冲量来控制led灯的亮灭，为了使得脉冲误差尽可能的小，这里每2ms检测一次电量值，达到送脉冲的要求就输出脉冲并将累积量减掉一个脉冲值；

s4：执行与mpu通讯函数；

dsp与mpu通讯：dsp计算的所有的数据都是通过mcbsp来传至mpu的，为了保证通讯的可靠性，所有数据都需要经过校验，dsp方作为数据的输入方，不主动与mpu联系，mpu发送数据请求，dsp收到后对其进行响应；

闪存处理方法：dsp的引导程序、固件程序及部分参数都是存放在闪存的，为尽可能的减少闪存的擦除操作，一般只有在升级程序，改变参数的时候会产生闪存写操作。闪存读写有严格的时序要求，所以在进行闪存读写操作是一定要防止程序被其它更高的任务切出。故当读写时需要关闭一切中断，禁止任务切换；

次重要数据的计算：为了最大限度的利用dsp资源，当dsp空闲时可以让其计算一些不重要的数据，如功率因数，角度以及电压电流等等都属于这一类数据，另外电表的校准以及频率的计算也是在这时候计算的；

对固件进行升级，一般是通过arm将代码传过来，再由dsp将代码写入闪存中，为了防止升级失败导致系统永远无法启动，dsp模块的闪存中方有两套固件，如果一个无法工作，则引导程序会自动引导到另外一套固件，用户可以通过这一套固件继续升级。备用的固件永远不会改变，一般表在出厂是由厂家写入，故此其版本相对来说会比较低；

引导程序设计：引导程序是独立于dsp代码的，系统上电的时候程序会自动引导到这一段引导程序，由它来完成系统程序的加载操作，然后再把控制权交给系统程序。这里我们用的是并口模式引导方式；

闪存加载程序设计，通过arm将程序传过来的升级方式需要耗时至少15min的时间，这给生产带来了极大的不便，所以做了一个闪存加载程序，生产时可以通过这一套程序在几秒钟之内将程序烧入闪存中。

实施例三

如图1~3所示，一种电能表，包括中央处理器cpu、模/数转换器adc、数字信号处理器dsp、时钟芯片rtc、微处理器mpu和lcd显示器，所述模/数转换器adc、数字信号处理器dsp、时钟芯片rtc均与所述中央处理器cpu输入端信号连接，所述lcd显示器与所述所述中央处理器cpu输出端信号连接。

三相电压、电流信息经模/数转换器adc转换，通过mcbsp和dma传输至数字信号处理器dsp，进行功率、电量、电压、电流、频率数据的计算，数字信号处理器dsp通过另一路mcbsp和dma将计算结果传输至微处理器mpu，实现电量累计、分费率、需量、冻结、负荷曲线、规约等应用功能。

所述电能表的计量方法流程：

硬件初始化—初始化全局变量读取校准系数—设置mcbsp、dma，启动模/数转换器adc采样—dma中断处理任务，频率、电压、电流、功率因素等数据计算任务，滤波、插值、fft计算、功率计算任务，定时器任务（电量计算、脉冲输出），与mcu通讯任务。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。