电能计量和分析系统、方法和模数转换电路技术方案

本发明专利技术涉及智能电网领域，公开了一种电能计量和分析系统、方法和模数转换电路。本发明专利技术中，在一个∑－Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中第一抽样单元的Ｄ值固定以供电能计量，第二抽样单元的Ｄ值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定性，又保证了电能计量的准确性。在电网频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的Ｄ值，可以实现自适应调整，使分次谐波监测始终保持稳定。在第二抽样单元中对谐波分量进行系数补偿，可以弥补因使用３阶ＣＩＣ滤波器而导致的中高频部分过渡带衰减。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及智能电网领域，特别涉及智能电网中电能计量和分次谐波分析技术。技术背景近年来随着智能电网的大力发展，人们越来越关注电网实时运行的质量问题，进 而对分次谐波分析的呼声也越来越高。本专利技术中所称的分次谐波是谐波的一种，其频率是基频的N，N为整数。目前，对分次谐波分析的多数方案选择主流的傅立叶频谱分析，但在现实应用中 存在着难以解决的采样速率无法与电网频率同步的问题。中国的电网工作频率是50Hz，然而实际运行中的电网频率通常在标准工频的附近 有所波动，正是这一点点的频率波动让固定采样系统力不从心，如不采取措施而直接用于 分次谐波分析，将造成非常大的误差而无法正常使用。部分方案采用搭建外围硬件的方式，用比较器获取波形的过零点信息，通过硬件 锁相环(Phase Lock Loop，简称“PLL”)把频率倍升到足够的高速率，再去驱动模数转换器 (Analog Digital Converter，简称“ADC”)采样时钟，进而达到了同步化采样的实际效果。当外部电网频率发生偏移，比较器发觉过零点的变化，PLL也就会重新进行一次锁 频的稳定过程，之后ADC的数据才是真正同步过的有效数据，每当频率发生波动，上面所描 述的过程会重新跑一次。缺点是此类方案的实时同步效果并不够理想，在频率经常波动的 场合会出现错误跟踪，同时，系统硬件依赖性较大、结构复杂度大、产品成本过高，不适合在 电能表等的低成本应用领域中推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电能计量和分析系统、方法和模数转换电路，以较少 的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定性，又保证了电能计量的准确性。为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式提供了一种模数转换电路，包括Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；第一抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；第二抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率。本专利技术的实施方式还提供了一种电能计量和分析系统，包括模数转换电路、电能 计量单元和分次谐波分析单元，其中，模数转换电路包括Σ "Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；第一抽样单元，用于对Σ "Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变；第二抽样单元，用于对Σ -Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变；其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率；电能计量单元用于根据第一抽样单元输出的数字信号进行电能计量；分次谐波分析单元用于根据第二抽样单元输出的数字信号进行分次谐波分析。本专利技术的实施方式还提供了一种电能计量和分析方法，包括以下步骤步骤A，对输入的模拟信号进行单比特采样，得到单比特采样信号；步骤B，对单比特采样信号进行D值固定的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行供电能计量；步骤C，对单比特采样信号进行D值可变的降速抽取和低通滤波，使用得到的数字 信号进行分次谐波分析；步骤B和步骤C在步骤A之后并行执行。本专利技术实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于在一个Σ-Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中一个D值固定以供电能计量， 另一个D值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定 性，又保证了电能计量的准确性。进一步地，在电网频率变化时，自动计算和调整第二抽样单元的D值，可以自适应 地调整，使分次谐波监测始终保持稳定。进一步地，在第二抽样单元中对谐波分量进行系数补偿，可以弥补因使用3阶CIC 滤波器而导致的中高频部分过渡带衰减。该方案的实际测试效果良好，对电网的电压电流 信号，可以满足在2至21次谐波范围内，达到5%的分次谐波分析精度，同时也可推算出波 形畸变率等有用参数。进一步地，在D值发生变化时，丢弃前N个尚未稳定的数据，可以使分次谐波监测 的结果更为准确。经反复实验，N = 4时既可以保证分次谐波监测结果的稳定性，又可以使 分次谐波监测的中断时间最短。附图说明图1是本专利技术第一实施方式中一种模数转换电路的结构示意图2是本专利技术第二实施方式中一种模数转换电路的结构示意图3是本专利技术第五实施方式中一种电能计量和分析系统的结构示意图4是本专利技术第五实施方式中另一种电能计量和分析系统的结构示意图5是本专利技术第六实施方式中一种电能计量和分析方法的流程示意图。具体实施方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本 领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化 和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步地详细描述。本专利技术第一实施方式涉及一种模数转换电路。图1是该模数转换电路的结构示意 图。该模数转换电路包括Σ -Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样。第一抽样(Decimation)单元，用于对Σ-Δ调制单元输出的单比特采样信号进行 降速抽取和低通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的D值固定不变。第二抽样单元，用于对Σ "Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低 通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的D值可变。其中，D = FS/fs, FS为Σ - Δ调制单元的采样速率，fs为抽样单元的抽取速率。 两个抽样单元进行降速抽取和低通滤波，获得较低采样速率但更高精度的ADC数据，其本 质上是充分利用平均效应，以速度来换精度。在一个Σ-Δ调制单元后同时接两个抽样单元，其中一个D值固定以供电能计量， 另一个D值可变以供分次谐波分析，从而以较少的硬件代价，既提高了分次谐波监测稳定 性，又保证了电能计量的准确性。调制器的高速采样时钟FS，一般由晶振电路提供，比如由5. 5296MHz晶体三分频 得到的1. 8432MHz来提供，本专利技术实施方式中记高速位流速率FS和低速抽取速率fs之比 D = FS/fs，在电能计量部分要求的固定采样率通路上，D值设计选定后固定不变，为方便应 用一般取2的幂次(如32，64，1观等)；而为了跟踪外部电网频率fin的变化，在保留正 常能量计量的基础上，我们为每个调制器的后端并行增加第二个抽样单元，同时将其D值 设计为软件可调，目的是希望在电网正弦信号频率波动时，每个周波内总能保持64个采集 点，那么必须满足关系式fs = 64 * fin,由上面两个式子可得到D = FS/(64 fin)，当然 还需要对D值取四舍五入，因为它代表抽取率所以必然是整数。从这里可以看出，只要通过 简单地调整D值，即可以与外部电网频率实现同步，得到每周波固定64点的采样数据，同步 后的数据可放心去做快速傅里叶变换(Fast Fourier "Transform，简本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模数转换电路，其特征在于，包括：∑－Δ调制单元，用于对输入的模拟信号进行单比特采样；第一抽样单元，用于对所述∑－Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低通滤波，输出供电能计量使用的数字信号，第一抽样单元的Ｄ值固定不变；第二抽样单元，用于对所述∑－Δ调制单元输出的单比特采样信号进行降速抽取和低通滤波，输出供分次谐波分析使用的数字信号，第二抽样单元的Ｄ值可变；其中，Ｄ＝ＦＳ／ｆｓ，ＦＳ为所述∑－Δ调制单元的采样速率，ｆｓ为抽样单元的抽取速率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌阳，张明雄，张志勇，
申请(专利权)人：钜泉光电科技上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]