一種波動負荷下的電能精確計量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及一種波動負荷下的電能計量裝置。主要應用于電能表平臺，在帶 有動態、沖擊負荷的電力現場實現電量精確計量。
【背景技術】
[0002] 隨著工業的發展，大量的大功率電力電子設備在鋼鐵廠、礦場、港口、電氣化鐵路、 風電場等現場投運，使得多數工業現場電力負荷呈現快速變化和具有沖擊性的特點，現場 負載電流幅值隨時間快速波動。而實驗室電流有效值恒定條件下檢定的電能表，在該種波 動負荷下的計量精度將會受到影響，最主要的原因是缺乏針對該種動態負荷設計的電能計 量方法和專用裝置。
[0003]目前已公布的電能計量方法主要包括：
[0004] 1、時分割乘法器方法。該是目前電能表普遍采用的計量方法。時分割乘法器按照 固定時間間隔對電壓與電流進行乘法運算，得到瞬時功率，并通過單片機的頻率計數得到 平均功率W及累計的電能。為達到較好的功率穩定性，一般選取較長的功率積分時間窗口 巧曰1~2s)。該種積分窗口在實驗室穩態負荷下能達到很好的誤差穩定性，但在負荷快速波 動的現場，電流幅值變化的臨界點往往伴隨著相位的變化，過長的積分窗口會將相位變化 期間引入的誤差納入到平均功率中。最典型的例子就是當電氣化鐵路牽引列車進站時，由 于機車制動的影響，會在短時間內引入反向電流，從電流波形上來看，就是在瞬間電流相位 發生了 180度改變，如果用過長的積分窗口，積分窗口內的正反向瞬時有功功率會相互抵 消，導致該段時間內的平均功率變小，造成電量少計。
[0005] 2、采用高階牛頓-柯特斯數值積分替代點積方式來計算瞬時功率，W及進行瞬時 功率的積分（【申請號】201010273234. 5,公開號；101915872A，公開日：2010-12-15,申請國； 中國）。該種方法采用階數更高的積分方式，從而在電流崎變、波動W及不平衡等非線性負 荷下，比點積運算取得更高的精度。但是該種方法由于積分階數高，完成一次瞬時功率計算 的時間要遠高于點積運算，受限于電能表平臺的計算能力，在快速波動的負荷下會容易出 現計量滯后。
[0006] 3、通過綜合相位誤差校準的方法來提高計量巧片在非線性負載下的計量精度（申 請號：201510068151,公開號；104569906A，公開日：2015-4-29,申請國：中國）。該種方法并 沒有改變時分割乘法器的原理，而是根據電壓與電流回路相位誤差區間，來綜合校準計量 結果中的相位誤差，從而提高非線性負荷下的計量精度。但該方法并沒有根本性地解決快 速波動負荷下的積分時間窗問題，只要電能表仍然采用過長的功率積分時間窗，就依然會 存在波動電流相位變化造成的電能少計問題。 【實用新型內容】
[0007] 本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種波動負荷下的電能精確計量裝置， 在負載電流幅值隨時間快速波動的情況下，仍然能夠保證精度的電能計量。
[0008] 為了解決上述技術問題，本實用新型采用了W下技術方案。
[0009] -種波動負荷下的電能精確計量裝置，包括主CPU單元，其特征在于；主CPU單元 通過SPI總線連接DSP高速=十二位數字信號處理巧片，所述數字信號處理巧片連接有電 壓通道AD采樣巧片，所述電壓通道AD采樣巧片連接有電壓取樣電路；所述數字信號處理巧 片還直接連接有電流通道AD采樣巧片，該電流通道AD采樣巧片連接有零磁通電流互感器； 所述主CPU單元還通過I2C總線連接有顯示單元；所述主CPU單元還通過串行總線連接兩 路RS485接口；所述主CPU單元還通過I2C總線連接有用于參數保存的兩片邸PROM巧片， 所述主CPU單元還通過SPI總線連接有用于儲存非實時參數的外部FLA甜單元。
[0010] 主CPU單元包含有200M監ARMCotex處理器。
[0011] 所述顯示單元包括分別與所述主CPU單元連接的點陣液晶屏和功能按鍵。
[0012] 本實用新型的積極效果在于：
[0013] 第一、通過將功率積分時間窗口縮短至一個工頻周期，即每個工頻周期可W累加 一次正反電能，而當前普通采用1~2s的時間累加一次正反向電能，因此本實用新型比傳統 方式縮短了幅度達98~99%的時間窗口，降低了時間窗內因電流相位突變而造成正反向有 功電能抵消的事件概率，即使發生了抵消，也只影響一個工頻周期的電量，對整體走字誤差 影響很小。
[0014] 第二、利用FIR濾波器線性相位的特點，實現電流互感器角差的實時補償，瞬時功 率的實時計算與單周期功率的計算都在優先級最高的中斷函數中完成，確保了計量的實時 性，降低了在負荷快速波動下因計量過程滯后而造成的精度誤差。
[0015] 第S、將信號采樣率提高到16K監W上，使一個工頻周期內的電壓與電流信號具 有足夠的分辨率，確保了穩態情況下單周期平均功率的精度與穩定性不受影響。同時，瞬時 功率在一個工頻周期內進行平均處理，相當于一個低通濾波器環節，能夠抑制穩態負荷情 況下的功率脈沖跳動，同時不再需要單獨設計低通濾波器，避免了因負荷快速變化引起的 低通濾波器輸出過沖現象。
[0016] 第四、一個工頻周期的積分時間窗，使平均功率具有足夠的分辨率，從而電能脈沖 的輸出能夠及時反映負荷的變化，電能脈沖發送器具有正向電能累加器與反向電能累加 器，根據單周期平均功率的符號方向來分別累加，從而避免了當電流相位快速變化時，正反 電能相互抵消而造成的脈沖少發，或者不輸出脈沖的現象。
[0017] 第五、電能累計器將實時計算的單周期平均功率存于輸出緩存區中，并將緩存區 寫入地址輸出，使得實時計算完成的單周期電能能夠在非實時環節中完成累加及后續處 理，提高了實時環節的計算效率，同時保證了電能正確累加。
[0018] 例如，當本實用新型應用于嵌入式CPU平臺時，可W在CPU優先級最高的中斷函數 中實現，W最大程度提升功率計量對負荷變化的響應速度，而CPU可W在非實時的主循環 函數中，根據電能累計器輸出的單周期平均功率緩存數據W及緩存地址，提取單周期平均 功率數據，完成計算量較大的電能分類統計及擴展應用工作。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型的實現方法流程圖。
[0020] 圖2是本實用新型的單周期時間窗積分器工作流程圖。
[0021] 圖3是本實用新型的脈沖發送器工作流程圖。
[0022] 圖4是本實用新型的電能累計器工作流程圖。
[0023] 圖5是本實用新型的結構示意圖。
[0024] 圖6是本實用新型計量裝置顯示單元的示意圖。
【具體實施方式】
[00巧]下面結合附圖和【具體實施方式】詳細說明本實用新型。
[0026] 參照圖5和圖6,本實用新型的實施例包括主CPU單元1，主CPU單元1包含一塊 200MHZARMCotex處理器。主CPU單元1通過SPI總線連接DSP高速S十二位數字信號處 理巧片2,所述數字信號處理巧片2連接有電壓通道AD采樣巧片3。所述電壓通道AD采樣 巧片3連接有電壓取樣電路5。所述數字信號處理巧片2還直接連接有電流通道AD采樣巧 片4,該電流通道AD采樣巧片4連接有零磁通電流互感器6。
[0027] 所述主CPU單元1還通過I2C總線連接有顯示單元8。如圖6所示，所述顯示單元 8包括分別與所述主CPU單元1連接的點陣液晶屏8-1和兩個功能按鍵8-2。
[0028] 所述主CPU單元1還通過串行總線連接兩路RS485接口 7。所述主CPU單元1還 通過I2C總線連接有用于重要參數保存的兩片EEPROM巧片10,W及通過SPI總線連接有儲 存非實時參數的外部FLA甜單元9。
[0029] 本實用新型主要通過電壓取樣電路5進行電壓取樣，所述電壓取樣電路包含高精 度電壓分壓電阻，用于將輸入電壓轉換為AD采樣巧片支持的穩定小電壓信號，電壓通道AD 采樣巧片3將小信號電壓轉換為數字信號，通過SPI總線傳輸到數字信號處理巧片2中。零 磁通電流互感器6可實現寬范圍內高線性度的電流取樣，并通過