一种动态直流高精度电能计量补偿模块、方法及电能表与流程

本发明涉及电能计量，更具体地说，它涉及一种动态直流高精度电能计量补偿模块、方法及电能表。

背景技术：

1、随着直流配用电在电网中的供电在工业与交通领域所占比重越来越大。如：新能源轨道交通、电动汽车、光伏系统，城市轨道交通系统等。目前，交流电能和直流电能计量技术相对成熟，但是在实际直流配用电场景中，直流信号电包含大量的随机纹波交流分量。而这些纹波分量的幅值、频率的强随机性包含大量的高频谐波，对会导致直流电能计量准确性带来挑战误差。

2、在直流充电、光伏发电、储能上网等典型直流配用电场景工况下的直流负荷具有随机、速变等动态特征，影响直流电能计量准确性。在直流负荷刚接入的充电、光伏逆变、储能上网等直流用电过程中，直流负荷有时变化比较剧烈，直流中的纹波含量较大，直流电压、直流电流波形存在较大畸变，导致波形的峰值和直流值之间差距在几倍以上，同时直流负荷具有随机、速变的特点。

3、现有的电能计量表计，如电能表由于精度要求较低，不需要进行量程切换，就可以实现宽范围的电能计量，但是对于高精度的标准直流电能表，不进行量程切换难以实现高精度电能计量，而直流测量的量程切换过程一般通过峰值切换，交流的量程切换一般通过有效值切换，但只适合于直流或交流稳态测量，存在量程难以精准选择切换问题。同时，对于动态直流高精度电能计量来说，具有非周期、随机速变的特征，因此在电能测试过程中存在电能丢失问题，导致测量失准。

4、目前针对高精度的直流电能表的电能计量，存在以下两点问题：一是，动态直流电能计量具有非周期、随机速变的特征，随着信号幅值快速高低起伏变换，导致量程高低来回切换，采样波形连续严重失真，从而导致动态直流电能计量误差大。二是，量程切换过程中导致电能丢失问题，量程切换分为过量程和欠量程切换，过量程切换是从低量程向高量程切换，欠量程切换是从高端向低端切换，对于过量程，量程向上切换，一般需要先判断过量程，然后跳至最高档，再测量输入信号，再跳至适合档位。

5、针对，过量程切换出现的问题，一是，档位切换过程导致的电能丢失，档位切换一般采用继电器控制，二是，在档位切换之前到量程切换后，由于信号超过了当前测量量程导致采样波形削顶失真丢失的电能。对于欠量程切换出现的问题，量程向下切换，一般可以直接切换到合适的量程，一是，欠量程切换过程丢失的电能，二是在欠量程状态下，由于测量不准导致的电能误差问题；因此，难以实现随机、速变特征的直流负荷的宽范围、高精度电能计量。

6、如何解决标准直流电能表在直流动态计量过程中，因峰值和有效值差距较大，导致测量量程难以精准选择问题，以及在量程切换过程波形畸变失真、电能丢失是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种动态直流高精度电能计量补偿模块、方法及电能表，可以根据输入的不同直流负荷波形，动态且快速有效地切换测量量程，并对动态量程切换导致的电能误差进行动态补偿，实现对动态直流信号的宽范围、高精度电能计量。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明的第一方面，提供了一种动态直流高精度电能计量补偿模块，模块包括调理电路、量程切换器、自动增益变换器、同步采样adc模组、数字隔离器和dsp控制器；

4、所述调理电路，用于将输入的高电压动态直流信号和大电流动态直流信号转换为低电压动态直流信号；

5、所述量程切换器，用于切换不同量程对调理电路输出的低电压动态直流信号进行倍数放大，以实现对调理电路输出的低电压动态直流信号的宽范围、高精度的测量；

6、所述自动增益变换器，用于模拟不同增益控制信号对对调理电路输出的低电压动态直流信号进行增益变换，以实现对调理电路输出的低电压动态直流信号在宽范围的变换；

7、所述同步采样adc模组，用于采集量程切换器切换后的信号，以及采集自动增益变换器增益变换后的信号；

8、所述数字隔离器，用于将dsp控制器和同步采样adc模组隔离，实现电压信号与电流信号采样通道的隔离；

9、所述dsp控制器，用于读取同步采样adc模组采样的波形信号，并根据波形信号实现对动态直流信号的重建补偿，其中波形信号包括量程切换器输出信号的采样数据、自动增益变换器输出信号的形状数据，以及自动增益变换器模拟的增益控制信号的幅值数据。

10、在一种实现方式中，所述调理电路包括电压调理电路和电流调理电路；

11、所述电压调理电路包括依次连接的电阻分压电路和第一跟随器；

12、其中，所述电阻分压电路采用的是带补偿元件的分压电路，具体为：增加补偿元件电感以及电容，通过在上桥臂电阻、下桥臂电阻并联电感以及电容元件补偿的方式，对分压电路中由分布参数形成的衰减进行补偿，实现0-2.4khz的动态直流信号的宽范围测量；

13、所述电流调理电路包括依次连接的零磁通互感器、精密电阻和第二跟随器。

14、在一种实现方式中，所述第一跟随器和第二跟随器均是由运算放大器搭建的单位增益放大器。

15、在一种实现方式中，所述量程切换器包括仪表放大器、多个增益控制电阻以及与每个增益控制电阻相连的切换开关；

16、其中，所述仪表放大器具有增益控制电阻引脚，通过切换不同的增益控制电阻实现仪表放大器的增益控制，以对低电压动态直流信号的倍数放大，完成对调理电路输出的低电压动态直流信号的宽范围、高精度的测量。

17、在一种实现方式中，所述自动增益变换器包括模拟可变增益放大器、信号输出和自动增益控制器；

18、其中，所述调理电路输出的低电压动态直流信号，通过模拟可变增益放大器进行放大，放大倍数由自动增益控制器控制；所述模拟可变增益放大器和信号输出连接，所述模拟可变增益放大器放大输出的信号至同步采样adc模组进行采样。

19、在一种实现方式中，所述同步采样adc模组包括adc电压同步采样和adc电流同步采样，通过所述dsp控制器控制adc电压同步采样和adc电流同步采样实现外同步采样，获得电压采样信号和电流采样信号。

20、在一种实现方式中，所述dsp控制器包括量程切换控制逻辑模块和重建补偿模块；

21、其中，重建补偿模块，用于读取同步采样adc模组采样的电压波形信号和电流波形信号，分别对电压波形信号和电流波形信号进行重建补偿，获得输入的高电压动态直流信号的电压信号波形，以及大电流动态直流信号的电流信号波形；

22、所述量程切换控制逻辑模块，用于根据电压信号波形和电流信号波形，控制所述量程切换器的量程切换，以扩展动态直流信号的测试范围。

23、在一种实现方式中，所述模块还包括电能量计算模块，用于采用点积和算法对重建补偿获得的电压信号波形和电流信号波形进行运算，实现动态直流信号电能量在高精度与宽范围的电能计量。

24、本发明的第二方面，提供了一种动态直流高精度电能计量补偿方法，包括如本发明的第一方面提供的一种动态直流高精度电能计量补偿模块，模块包括调理电路、量程切换器、自动增益变换器、同步采样adc模组、数字隔离器和dsp控制器，其特征在于，方法包括：

25、通过所述调理电路将输入的高电压动态直流信号和大电流动态直流信号转换为低电压动态直流信号；

26、通过所述量程切换器切换不同量程对调理电路输出的低电压动态直流信号进行倍数放大，以实现对调理电路输出的低电压动态直流信号的宽范围、高精度的测量；

27、通过所述自动增益变换器模拟不同增益控制信号对对调理电路输出的低电压动态直流信号进行增益变换，以实现对调理电路输出的低电压动态直流信号在宽范围的变换；

28、通过所述同步采样adc模组采集量程切换器切换后的信号，以及采集自动增益变换器增益变换后的信号；

29、通过所述数字隔离器将dsp控制器和同步采样adc模组隔离，实现电压信号与电流信号采样通道的隔离；

30、通过所述dsp控制器读取同步采样adc模组采样的波形信号，并根据波形信号实现对动态直流信号的重建补偿，其中波形信号包括量程切换器输出信号的采样数据、自动增益变换器输出信号的形状数据，以及自动增益变换器模拟的增益控制信号的幅值数据。

31、本发明的第三方面，提供了一种动态直流高精度电能计量电能表，其特征在于，包括本发明的第一方面提供的一种动态直流高精度电能计量补偿模块。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1、本发明基于同步采样的宽量程、高精度动态波形补偿重建，通过量测切换器实现高精度采样测量，通过自动增益变换器实现波形形状的采样测量，通过自动增益变换器的增益控制信号的波形测量实现自动增益变换器波形幅值的精确采样测量，通过以上三个信号的采样波形，实现动态直流信号的准确重建，解决量程切换导致的超量程波形削顶畸变或者欠量程失准及切换过程波形丢失问题，实现宽范围、高精度的快速动态直流信号测量。

34、2、本发明采用增益可设置的高精度仪表放大器，通过控制增益电阻的方式将输入信号进行高精度放大，提升后级同步采样adc模组的采样精度，实现宽范围、高精度的动态直流信号电能计量。

35、3、本发明通过自动增益控制器控制模拟可变增益放大器的放大倍数的方式，实现输入信号波形的无失真跟踪放大，可对量程切换带来的波形畸变、丢失、测量不准进行精准补偿，提升动态直流电能的测量精度。

36、4、本发明弥补了现有技术中稳态直流电能计量模块对动态直流信号测量失准的缺陷，通过量测切换器实现宽范围高精度计量，通过自动增益变换器补偿精准补偿量程切换带来的测量误差，可实现0-2.4khz范围的动态直流信号的高精度电能计量。