一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器

摘要

本发明公开了一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器，涉及电能计量领域。传统的四象限乘法器需要LPF滤波器将二倍基频分量cos(2ωt)滤除掉，由于滤波器必然有响应时间，而且这个LPF相对于采样率来说带宽很窄，响应时间也会比较长，必然会影响动态计量效果。本发明用整周波累加求平均电路替代传统的二级LPF滤波器，并且在电压输入通道增加ADC采样率自动调整电路。通过取消传统电能计量四象限乘法器的第二级滤波器，改为整周波累加求平均电路，整周波累加然后取平均的方法得到周波平均功率，可以获得更好的计量动态响应性能，ADC采样率动态调整电路，通过测量基波信号单个或者多个周波的采样点数，动态调整ADC采样率，实现同步采样。

说明书

技术领域

本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器。

背景技术

数字四象限乘法器已成熟应用于多个科技领域。

对于现有的单相电表而言，四象限乘法器的典型应用如图1所示，一般而言，三路ADC的用途为火线电流输入、电压信号输入、零线电流输入，其中ADC2为电压信号输入。经过ADC采样后，电压、电流信号从模拟量转变为数字量，按照固定的采样率相乘后得到功率，电压、电流信号会有相关的低通滤波器和/或高通滤波器以及相关校正电流，两路数字信号相乘后还有低通滤波器滤除交流成分。

假设电压信号为：

电流信号为：

相乘后的功率信号为：

其中

对于现有的三相四线电表而言，四象限乘法器的典型应用如图2所示，一般而言，三相四线至少有3个四象限乘法器，分别实现如下三个乘法：

对于现有的三相三线电表而言，四象限乘法器的典型应用如图3所示，一般而言，三相三线至少有2个四象限乘法器，分别实现如下2个乘法：

上述所有传统的四象限乘法器可以较好的实现智能电表的乘法功能，它们都有一个共同点是需要LPF滤波器将二倍基频分量cos(2ωt)滤除掉。由于滤波器必然有响应时间，而且这个LPF相对于采样率来说带宽很窄，响应时间也会比较长，必然会影响动态计量效果。采样回路上的滤波器)，一般为梳状抽取滤波器，可以有较好的动态响应，而LPF滤波器降低了整体的动态响应性能，为了提升整个系统的动态响应性能，需要解决LPF滤波器的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器，以提升整个系统的动态响应性能为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器，包括多个输入通道、至少一个多位元乘法器和整周波累加求平均电路，所述的每个输入通道均由模数转换器、一级滤波器和相关校正电路依次串联连接，所述的输入通道包括电流输入通道和电压输入通道，电流输入通道和电压输入通道的相关校正电路连接到乘法器，乘法器连接到整周波累加求平均电路，输入通道的输入信号经模数转换器转换成数字信号，再经过一级滤波器和相关校正电路的处理后通过乘法器相乘，再经整周波累加求平均电路滤除交流成分后得到功率输出信号。通过采用整周波累加求平均电路代替传统的二级滤波器，将四象限乘法器的固定速率变更为可调速率，可有效消除二倍频分量，避免了传统的二级滤波器响应时间较长的问题，有效提升整个系统的动态响应性能。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

作为优选技术手段：还包括ADC采样率自动调整电路，电压输入通道的相关校正电路连接到ADC采样率自动调整电路，ADC采样率自动调整电路连接到电压输入通道的模数转换器输出端，通过ADC采样率自动调整电路，当输入工频频率变化时，采样率随之调整。保证每周波固定采样点数。

作为优选技术手段：所述的ADC采样率自动调整电路包括基波滤波器、采样点计算电路和采样时钟调整电路，所述的相关校正电路连接到基波滤波器，基波滤波器连接到采样点计算电路，采样点计算电路连接到采样时钟调整电路，采样时钟调整电路连接到电压输入通道的模数转换器输出端，基波滤波器将工频之外的谐波成分滤除掉，消除谐波对于过零点准确性的影响，采样点计算电路计算两个或者数个过零之间的采样点数量，采样时钟调整电路根据采样点计算电路测量到的采样点数来动态调整采样时钟。有效实现ADC采样率自动调整电路。

作为优选技术手段：采用公式计量所需要的直流成分的功率，公式如下：

式中，T代表了工频信号的周期，T典型值为20ms，ω为电网频率，其典型值为50Hz；t为时间；N为采样点数；p(t)为有功功率瞬时值，u(t)为电网电压采样值，i(t)为电网电流采样值；U为电压幅度，I为电流幅度；φ为电压和电流的相差；在一个周期内一共N个采样点，N为128、256或512；对于N个采样点做累加并除以N即可得到有功功率。由于每周波采样点数选择为2^N，如128/256/512等，在做累加求平均时，并不需要除法器，而只是做移位操作即可，实现上结构非常简单，取代第二级滤波器后并没有增加电路的复杂度，交流成分在整周波累加时会被抵消掉，就可以得到直流成分。

作为优选技术手段：采样点计算电路计算多个周期的采样点数。可有效提高准确度。

作为优选技术手段：采样时钟调整电路中，对实际测试到的采样点数与工频采样点数存在偏差时，通过调整公式对采样率做出调整，调整公式为Fs2＝Fs1*工频采样点数/当前测试采样点数。根据实际的测试采样点数动态调整采样时钟。

有益效果：通过取消传统电能计量四象限乘法器的第二级滤波器，改为整周波累加求平均电路，整周波累加然后取平均的方法得到周波平均功率，可以获得更好的计量动态响应性能；通过在传统电能计量四象限乘法器的基础上引入ADC采样率动态调整电路，通过测量基波信号单个或者多个周波的采样点数，动态调整ADC采样率，实现同步采样，即不论输入信号频率如何变化，采样率会随之跟着变化，这样可以实现每周波固定采样点数。

附图说明

图1是背景技术中单相电表四象限乘法器的典型应用示意图。

图2是背景技术中三相四线电表四象限乘法器的典型应用示意图。

图3是背景技术中三相三线电表四象限乘法器的典型应用示意图。

图4是本发明实例中单相表的火线功率回路四象限乘法器典型应用示意图。

图5是本发明中ADC采样率自动调整电路示意图。

图4、5中：1、模数转换器；2、一级滤波器；3、相关校正电路；4、乘法器；5、整周波累加求平均电路；6、ADC采样率自动调整电路；601、基波滤波器；602、采样点计算电路；603、采样时钟调整电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图4、5所示，以单相表的火线功率回路为例，一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器，包括2个输入通道，分别为电压输入通道和电流输入通道，一个多位元乘法器4和整周波累加求平均电路5，所述的每个输入通道均由模数转换器1、一级滤波器2和相关校正电路3依次串联连接，电流输入通道和电压输入通道的相关校正电路3连接到乘法器4，乘法器4连接到整周波累加求平均电路5，输入通道的输入信号经模数转换器1转换成数字信号，再经过一级滤波器2和相关校正电路3的处理后通过乘法器4相乘，再经整周波累加求平均电路5滤除交流成分后得到功率输出信号。

为了保证每周波固定采样点数，还包括ADC采样率自动调整电路6，电压输入通道的相关校正电路3连接到ADC采样率自动调整电路6，ADC采样率自动调整电路6连接到电压输入通道的模数转换器1输出端和一级滤波器2之间，通过ADC采样率自动调整电路6，当输入工频频率变化时，采样率随之调整。保证每周波固定采样点数。

为了有效实现ADC采样率自动调整电路6，所述的ADC采样率自动调整电路6包括基波滤波器601、采样点计算电路602和采样时钟调整电路603，所述的相关校正电路3连接到基波滤波器601，基波滤波器601连接到采样点计算电路602，采样点计算电路602连接到采样时钟调整电路603，采样时钟调整电路603连接到电压输入通道的模数转换器1输出端，基波滤波器601将工频之外的谐波成分滤除掉，消除谐波对于过零点准确性的影响，采样点计算电路602计算两个或者数个过零之间的采样点数量，采样时钟调整电路603根据采样点计算电路602测量到的采样点数来动态调整采样时钟。有效实现ADC采样率自动调整电路6。

为了获得直流成分，采用公式计量所需要的直流成分的功率，公式如下：

，式中，T代表了工频信号的周期，工频频率典型值为50-Hz，T典型值为20ms，在一个周期内一共256个采样点，对于256个采样点做累加并除以256即可得到有功功率。本实例中，假设工频频率为50Hz，采样率为12.8Khz，那么每周波采样点数为256点，对256点做累加，然后再除以256，就可以得到直流成分

为了提高准确度，采样点计算电路602计算多个周期的采样点数。可有效提高准确度。

为了动态调整采样时钟，采样时钟调整电路603中，对实际测试到的采样点数与工频采样点数存在偏差时，通过调整公式对采样率做出调整，调整公式为Fs2＝Fs1*工频采样点数/当前测试采样点数。根据实际的测试采样点数动态调整采样时钟，比如两个过零点之间256个采样点，这表示当前工频是50Hz，采样率为12.8Khz，为了提高准确度，一般会计算多个周期的采样点数，比如10个周波或者更多，以10周波为例，对于工频50Hz采样率12.8KHz而言：工频采样点数＝10*Fs/F＝10*12.8KHz/50Hz＝2560个。

假设默认采样时钟为12.8Khz，当前工频频率为50Hz，系统开始测量，如果当前测试到的采样点数不是2560个，而是2510个，那么表示当前的工频已经发生变化，不再是50Hz，必须对采样率做出调整，调整公式如下：Fs2＝Fs1*2560/当前测试采样点数＝12.8KHz*2560/2510≈13.055Khz，其中Fs1为当前采样频率，当前测试采样点数为当前测量到的10周波采样点数，Fs2是根据工频变化调整后的采样频率。

本实例的电路采用集成电路。

以上图4、5所示的一种可变速率的电能表计量用四象限乘法器是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。