基于软硬件协同优化的高精度计量方法

王永贵， 刘柱， 黄吕超， 邓思阳

(国网信息通信产业集团有限公司信通研究院， 北京 100051)

为加快能源绿色转型，国家提出碳达峰、碳中和目标及构建具有更强新能源消纳能力的新型电力系统，大力发展风电、太阳能等新能源，而大规模分布式电源接入给配电系统带来更多不确定性因素，使系统运行方式更复杂，分布式电源强度波动性大、随机性强，导致输出功率稳定性差，造成电网电压波动，给电量计量和电能质量分析带来新的挑战[1-4]。

通常电量计量采用单向或三相电子式电能表，国外电子式多功能电能表大部分采用计量芯片[5-7]，如ADI公司的ADE9000、ST公司的STPM32T、TI公司的LM25056、MICROCHIP公司的ATM90E26等。国外公司的电量计量产品覆盖了从中低端到高端应用，其中瑞士兰地斯公司(LANDIS & GYR)、德国西门子公司(Siemens)、ABB 公司、法国斯伦贝谢公司(Schlumberger)和法国配电公司(Electricity Network Distribution of France)等生产的电能表在计量领域取得了较好的效果。文献[5]提出了基于物联网技术的智能电表的硬件系统实现方案，采用NB-IoT模组和高性能多相电能计量芯片ADE9078实现电能量计量功能。文献[6]提出了基于ADE7755单相表计量芯片与NRF24L01无线模块相集合的区域电量计量系统，实现多点电量监测功能。文献[7]设计了一种以ADE9153B为核心的智能电量计量装置，并可采用物联网协议将数据传输至云端。近些年，国内计量芯片公司已取得了长足的进步[8-11]，钜泉光电科技(上海)股份有限公司的HT7032、ATT7022E，深圳市锐能微科技有限公司的RN8207C、RN8302B，以及上海贝岭股份有限公司的BL6513C、BL0921等型号在国内电子式电能表领域广泛应用。文献[8]提出了基于ATT7022E的智能电表硬件设计方案。文献[9]基于HT7032开展了智能表能表设计，并进行了可靠性分析。文献[10]设计了一种基于RN8032和python的电能测控系统，实现对电能使用情况的监测。文献[11]提出了一种基于HT7038专用计量芯片的智能三相表计量模块设计方法。目前电能表多采用计量芯片方案，并兼容了部分电能质量分析功能[12-15]，而在高精度计量场景，通常采用模数转换(analog-digital conversion，AD)芯片的方法设计计量装置，例如变电站关口表。文献[15]提出了一种基于AD7606芯片的电能质量在线监测装置设计，实现对电能质量的监测。

随着高比例新能量广泛接入电网，在高精度计量和电能质量分析方面对电能计量装置提出了更高的要求，需同时满足0.2S级计量精度和丰富的电能质量分析功能。此外，在计量芯片中电能质量分析功能有限，无法对采样频率、单周波采样点、谐波分析等参数动态调整，不能满足电能质量标准要求[16-17]。因此，采用通用计量芯片方案无法实现以上数据分析处理要求，在电量计量芯片的硬件设计方法和电量质量监测装置设计方案的基础上，现提出一种基于软硬件协同优化的电能计量装置设计方法，不仅满足高精度电能计量功能需求，而且可实现灵活分析电能质量的功能，以适应新能源接入对电量计量装置的新需求。通过软硬件优化设计，提出一种面向新能源接入的电能计量方法，通过微处理器控制AD芯片实现对采样频率、单周波采样点等参数的动态调整，以适应高精度计量和电能质量分析的需要。利用优化模拟前端电路设计，实现信号的动态准确采集，结合相位补偿、拟合校准等算法，实现电能高精度计量。最后，通过试验验证该装置的计量有效性。

1 硬件系统设计

为保障设计的灵活、可扩展和快速迭代性能，计量装置采用模块化设计思路，将整个系统分为采集部分和控制部分。采集部分主要实现信号采集、电能计量、电能质量分析等数据采集与处理功能，控制部分主要实现数据显示、上传、对外控制等功能，两部分通过串口通信，实现数据和指令的上传下发。

从硬件设计角度分析，计量装置分为控制板和采集板，如图1所示。控制板以国产微处理器为核心，控制显示屏、指示灯、485接口等外设，实现对外操作与通信。三相电流、电压通过互感器和电阻分压的方式，与采集板连接，将电流、电压信号通过模拟前端电路、AD芯片转换传送到微处理器(microcontroller unit，MCU)中，并结合相位补偿等算法，得到多个整周波的电流与电压同步采样信号，利用电量计量和快速傅里叶变换算法，实现高精度计量和电能质量分析。

图1 硬件系统架构图Fig.1 Hardware system architecture diagram

模拟前端信号处理是整个装置设计的关键[18]，采用国产零磁通互感器+多通道高精度AD芯片+微处理器的方法。通过零磁通电流互感器获取电流信号，利用运算放大器配合采样电阻的方式，提升电流采样电路带载能力，经过信号调理电路，接入多通道AD采样芯片，如图2所示；AD芯片具备多通道同步采样功能，通过MCU发送定频采样信号，可控制AD芯片数据转换，并通过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)通信直接将AD芯片转换数据发送给微处理器，此处，设计了信号过零检测电路，通过硬件锁相环，可实现整周波固定采样点的方式采样；微处理器负责数据采集和计算，考虑到模拟前端电路引起的电流、电压信号相位偏移以及电能质量分析需求，对采集波形数据进行滤波、拼接、相位补偿等处理，保证计量高准确度和灵活的电能质量分析功能。

IA+和IA-表示电流接入时的方向；R1、R2为电阻； C1～C4为电容器；D为二极管；CT为电流互感器图2 模拟前端信号处理电路设计Fig.2 Design of analog front-end signal processing circuit

2 电量计量算法

2.1 基于插值法的电流相位补偿方法

由于互感器及模拟采样电路硬件设计及器件的影响，导致AD芯片采集到的电流、电压信号之间存在相位偏差，从而造成计算正反向功率和电能量时偏差较大，因此需进行电流、电压相位补偿，使其达到相位同步[19-21]。

MCU以固定频率向AD芯片发送开始采样信号，通过高精度采样后，MCU存储一定长度的信号波形数组(保证1个完整波形数据)，通过判断波形数据从负到正的变化，检测出波形过零点，依次内推，可获得电流、电压在存储波形数组中的过零点位置。由于电流、电压数据采用同步采样的方式获得，因此，可通过分析各路电压电流信号的存储波形数组中过零点对应的波形数组序号，来计算电流电压信号的频率、相位及相位差。

假设以16 kHz频率进行采样，将超过1个完整周期的数据保存到大小为600的数组，通过对数组进行遍历，判断当a[i-1]<0且a[i]>0时，a[i]为波形数组中的过零点。通过以上方法可得到至少两个过零点，例如分别为a[i]和a[j]，则利用插值法通过a[i-1]和a[i]之间的差值，计算准确的过零点a[i′]和a[j′]。

(1)

由于以定频采样，假设采样点间隔时间为Tinter，则频率利用过零点计算可表示为

(2)

通过式(2)可计算得到三相电压频率，同时基于不同通道的差值过零点(如a[i′]和a[k′])，计算不同通道的相位差，表示为

Phas=360freq(i′-k′)Tinter

(3)

通过式(2)、式(3)可以计算得到电压与电流之间的相位差、不同相电压之间的相位差，不同电压可以基于相位差和有效值判断三相不平衡等问题。根据电压和电流之间的相位差，可得到由于电流互感器和模拟电路中感容性器件对电流相位造成的偏差情况。

针对以上偏差进行相位补偿，比如对应的电压、电流通道的过零点分别为a[i′]、b[k′]，直接利用移点法将引入过零点检测误差，移点法实现的相位补偿最小值为两个相邻采样点对应的相位值，这种方法不适用于高精度计量。在插值法过零点检测的基础上，计算差值过零点对应的准确偏差，对相位补偿的数据波形进行插值对齐，重建波形，如出现前后波形不足，可利用超出1周波的数据插值补齐。然后再利用移点法，进行数据对齐，实现电流、电压相位对齐。

假设已经插值过零点为a[i′]、b[k′]，且b相数据整体滞后于a相，则首先对b相数据按照a相的分布进行插值计算，k′处为b相的差值过零点，按照a相的采样分布，计算b相在k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]两个位置的信号值，可分别对k′+(i-i′)和k′-[i′-(i-1)]前后取整，比如k′+(i-i′)前后取整后对应的位置为k1和k2,则可以得到在k′+(i-i′)处对应的波形数据。

b[k′+(i-i′)]=

b[k1]+[k′+(i-i′)-k1]×

(4)

此处可以利用线性差值直接计算，也可采用拉格朗日插值法、牛顿插值法等，具有更好的效果。

同理也可以得到b[k′-[i′-(i-1)]]对应的数值，此时得到的a相和b相数据相位差精确的采样间隔的整数倍，可通过对应点平移，实现b相和a相的完全对齐，进而通过插值法完成高精度采集信号的相位准确补偿。

2.2 计量数据计算

电能量计量算法是利用电流电压相位对齐后的波形数据，计算电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率以及对应的电能量信息。

电压、电流的瞬时表达式为

(5)

式(5)中：Uk、Ik分别为第k次谐波的有效值；φk、γk分别为第k次谐波的电压、电流相位延迟。

电流、电压有效值计算通过对整周波数据平方，再求平均值获得。

(6)

式(6)中:N为整周波的采样点数；u[n]和i[n]分别为第n个时间间隔的采样瞬时值。

2.2.1 有功功率

电力系统的瞬时功率p(t)总是等于电压与电流瞬时值的乘积，而p(t)的直流分量即为系统的总有功功率，其表达式为

(7)

式(7)中：T为每周波的周期。

2.2.2 无功功率

采用Hilbert数字滤波器算法实现无功功率测量，对整周波采样且采样点满足2n条件的数字波形通过Hilbert数字滤波器进行移相滤波，然后再采用移相后的电流、电压瞬时值相乘的方法计算无功功率[22]。

图3 基于Hilbert变换的无功功率计算流程Fig.3 Flow of reactive power calculation based on Hibert transform

理想的离散Hilbert变换的频率传递函数为

(8)

幅值和相角分别为

(9)

通过Hilbert变换设计Hilbert数字滤波器，使电压信号通过滤波器得到-π/2的信号u′[n]，再计算无功功率，公式为

(10)

Hilbert数字滤波器算法直接对输入电压或电流进行移相滤波，对无功功率进行单独的测量，避免了均方根三角算法中计算电压有效值、电流有效值和有功功率带来的误差，又对各次谐波进行了-π/2的移相，相比采样点平移测量算法，改善计算精度。

2.2.3 视在功率

电压与电流产生的视在功率的表达式为

S=UrmsIrms

(11)

式(11)中:Urms、Irms分别为电压和电流的有效值。对于正弦对称三相系统而言，三相总视在功率为

S3=UArmsIArms+UBrmsIBrms+UCrmsICrms

(12)

2.2.4 电能量计算

依据计算出的有功功率及无功功率等，对其在一段时间内做积分运算，即可得到相应的电能量。对于接入的负载在[t1,t2]时间段内，其电能表示为

(13)

2.3 基于数据拟合的功率补偿校准方法

在实际测试过程中，由于模拟前端电路对电压、电流等模拟信号幅值和相位的影响，导致实际功率值与理论值仍有偏差[23-24]。通过数据拟合方法，建立理论值(y′i,i=1,2,…,n)和实际值(yi,i=1,2,…,n)之间的线性偏差模型。假设拟合关系为y′i=kyi+b，寻找最优化参数，使得偏差最小。

(14)

可得

(15)

通过上述数据拟合计算，可创建实际功率值和理论功率值之间的补偿关系，从而得到高精度计量结果。

3 仿真及实验

3.1 实验数据

搭建计量精度验证实验平台，利用高精度三相电能表校验装置(Fluke)、研发的计量装置以及通过串口连接的电脑搭建试验环境，高精度三相电能表校验装置(准确度等级0.05)用于提供三相电流、电压信号，同时与计量装置的电能脉冲输出连接，检测计量装置的脉冲输出信号。同时，计量装置通过串口实时输出有功、无功、视在功率，将数据直接保存到电脑上。

首先，给定三相电压57.5 V，功率因数(cosφ)为0.5 L，设定不同的电流输出条件，并通过串口记录不同条件下1 min时间的有功、无功及视在功率值。

此外，针对计量装置，分别选取不在拟合校准点的电流、电压值，通过校表装置连接的计量脉冲信号，记录在不同电流电压值处对应的电能量精度。

3.2 实验结果

经实验可得，不同信号条件下的有功、无功、视在功率与理论值偏差如图4所示。

实验结果可知，提出的高精度计量算法在3～1 200 mA电流范围内，有功计量精度较高，优于0.2S级三相智能表通用技术规范要求。同时改变电流、电压、相位参数，进行有功计量精度验证，得到如表1所示数据。

由表1可知，该计量装置在不同电流电压相位参数变化的条件下，正反向有功计量精度测试均取得良好的效果。

图4 不同电流下有功、无功及视在功率精度Fig.4 Accuracy of active, reactive and apparent power for different currents

表1 不同电流电压相位条件下的电能量精度测试Table 1 Results of the electric energy accuracy test under different current and voltage conditions

4 结论

研究了基于AD芯片+微处理器的计量系统，提出了国产零磁通互感器+多通道高精度AD芯片+微处理器的计量模块硬件设计方案，保证电流、电压信号的高精度采集。提出了基于插值法与移点法结合的高精度相位补偿方法，减少由模拟硬件电路引起的电压电流相位偏差，并计算电流有效值、电压有效值以及有功功率、无功功率、视在功率等计量参数。此外，考虑到电能计量数据误差，提出了基于数据拟合的计量功率补偿方法，提升功率准确度和计量精度。最后搭建实验平台，验证所提出方法的有效性。

所提出的方案相对于计量芯片，计量数据处理更加灵活，可根据需求设置不同采样频率、采样点等参数，能够更加适应电能质量分析，提供灵活数据处理。实验对所提出的计量精度进行了初步分析和验证，接下来将进一步优化硬件设计和软件算法，同时研究环境影响下电能计量误差补偿算法，提升计量可靠性、稳定性。

参.考文献

[1]王彩霞, 时智勇, 梁志峰, 等. 新能源为主体电力系统的需求侧资源利用关键技术及展望[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(16): 37-48.

Wang Caixia, Shi Zhiyong, Liang Zhifeng, et al. Key technologies and prospects of demand-side resource utilization for power systems dominated by renewable energy[J]. Automation of Electric Power System, 2021, 45(16): 37-48.

[2]谭显东, 刘俊, 徐志成, 等. “双碳”目标下“十四五”电力供需形势[J]. 中国电力, 2021, 54(5): 1-6.

Tan Xiandong, Liu Jun, Xu Zhicheng, et al. Power supply and demand balance during the 14th five-year plan period under the goal of carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Electric Power, 2021, 54(5): 1-6.

[3]罗勋, 刘新刚, 赵洪峰, 等. 基于多端柔性直流条件下环塔新能源送出可行性分析[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(7): 2717-2724.

Luo Xun, Liu Xingang, Zhao Hongfeng, et al. Feasibility analysis of new energy transmission around tarim basin based on multi-terminal VSC HVDC[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(7): 2717-2724.

[4]王凌云, 李佳勇, 杨波. 考虑电储能设备碳排放的综合能源系统低碳经济运行[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(6): 2334-2342.

Wang Lingyun, Li Jiayong, Yang Bo. Low carbon economy operation of integrated energy system considering carbon emission of energy storage systems[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(6): 2334-2342.

[5]张银建, 田亚南. 基于NB-IoT以及ADE9078的智能数字化远传三相电表设计[J]. 自动化仪表, 2019, 40(7): 47-49.

Zhang Yinjian, Tian Yanan. Design of the intelligent digital remote transmission three-phase electric meter based on NB-IoT and ADE9078[J]. Process Automation Instrumentation, 2019, 40(7): 47-49.

[6]柳成, 马玉玺, 陈康军. 基于无线网的区域电量计量系统的设计[J]. 内蒙古煤炭经济, 2019(14): 5, 15.

Liu Cheng, Ma Yuxi, Chen Kangjun. Design of regional electricity metering system based on wireless network[J]. Inner Mongolia Coal Economy, 2019(14): 5, 15.

[7]马青云, 王永坤, 潘晓波, 等. 基于泛在电力物联网架构的智能电量计量终端设计[J]. 浙江电力, 2020, 39(3): 22-29.

Ma Qingyun, Wang Yongkun, Pan Xiaobo, et al. Intelligent power metering terminal design based on ubiquitous power IoT architecture[J]. Zhejiang Electric Power, 2020, 39(3): 22-29.

[8]张文嘉. 电能计量芯片ATT7022E在智能电表中的应用[J]. 电子测试, 2020(24): 89-90.

Zhang Wenjia. Application of power metering chip ATT7022E in smart meter[J]. Electronic Test, 2020(24): 89-90.

[9]黄铭晶. 智能电能表可靠性设计[D]. 广州: 广东工业大学, 2021.

Huang Mingjing. Smart electricity meter reliability design[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2021.

[10]钟永彦, 吴亚, 陈娟, 等. 基于RN8302和Python的电能测控系统设计[J]. 电子器件, 2019, 42(4): 877-881.

Zhong Yongyan, Wu Ya, Chen Juan, et al. Design of energy measurement and control system based on RN8032 and Python[J]. Chinese Journal and Electron Devices, 2019, 42(4): 877-881.

[11]张俊婷, 纪志坚. 智能三相表计量模块设计及实现[J]. 自动化与仪表, 2019, 34(9): 56-615.

Zhang Junting, Ji Zhijian. Design and implementation of intelligent three-phase meter measurement module[J]. Automation & Instrumentation, 2019, 34(9): 56-61.

[12]张华赢, 汪清, 游奕弘, 等. 电能质量数据质量对综合评估结果的影响分析[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(24): 10341-10349.

Zhang Huaying, Wang Qing, You Yihong, et al. Influence of power quality data quality on comprehensive evaluation results[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(24): 10341-10349.

[13]向丹凤. 电能质量监测装置的设计[J]. 产业科技创新, 2020, 2(7): 65-66.

Xiang Danfeng. Design of power quality monitoring device[J]. Industrial Technology Innovation, 2020, 2(7): 65-66.

[14]朱逸群, 杨霖, 曹国瑞, 等. 基于自适应FP_Growth算法的电能表故障分析[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(28): 172-178.

Zhu Yiqun, Yang Lin, Cao Guorui, et al. Fault analysis of watt-hour meters based on adaptive FP_Growth algorithm[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(28): 172-178.

[15]张诗明. 基于STM32的电能质量在线监测装置的设计[D]. 武汉: 武汉纺织大学, 2020.

Zhang Shiming, Design of power quality monitoring device based on STM32[D]. Wuhan: Wuhan Textile University, 2020.

[16]王杰. 智能光伏并网电能质量波动自动化监测技术研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2021(7): 113-117.

Wang Jie. Research on automatic monitoring technology for power quality fluctuation of intelligent photovoltaic grid connected[J]. Automation & Instrumentation, 2021(7): 113-117.

[17]宋平凡, 佟胜伟, 段森园. 新能源发电并网对电网电能质量的影响分析[J]. 通信电源技术, 2019, 36(12): 139-140.

Song Pingfan, Tong Shengwei, Duan Senyuan. Analysis of the impact of grid-connected new energy generation on power quality of power grid[J]. Telecom Power Technology, 2019, 36(12): 139-140.

[18]王雅荟, 冯浩, 孙旭升. 霍尔式高精度电流采集电路的设计[J]. 中国新通信, 2021, 23(6): 167-168.

Wang Yahui, Feng Hao, Sun Xusheng. Design of Hall-type high-precision current acquisition circuit[J]. China New Telecommunications, 2021, 23(6): 167-168.

[19]赵婷, 王晓东, 王爽, 等. 电能计量算法在双向计量频繁切换下的性能分析和改进[J]. 电测与仪表, 2021, 58(10): 151-157.

Zhao Ting, Wang Xiaodong, Wang Shuang, et al. Performance analysis and improvement of metering algorithm under frequent switching of bidirectional metering[J]. Electrical Measurment & Instrumentation, 2021, 58(10): 151-157.

[20]魏伟, 汪旭祥, 李帆, 等. 冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术[J]. 湖北大学学报(自然科学版), 2019, 41(4): 383-390.

Wei Wei, Wang Xuxiang, Li Fan, et al. Measurement method and technology of electric energy under impact load[J]. Journal of Hube University (Natural Science), 2019, 41(4): 383-390.

[21]虞坚阳. 动态电能质量治理装置实时相位补偿[J]. 电子技术与软件工程, 2020(4): 222-224.

Yu Jianyang. Real-time phase compensation for dynamic power quality control device[J]. Electronic Technology & Software Engineering, 2020(4): 222-224.

[22]杨庆江, 王卫鑫, 杨硕. 最优法Hilbert滤波器与小波变换融合的功率测量算法[J]. 黑龙江科技大学学报, 2020, 30(3): 318-322.

Yang Qingjiang, Wang Weixin, Yang Shuo. Power measurement algorithm based on optimal Hilbert filter and wavelet transform fusion[J]. Journal of Heilongjiang University of Science & Technology, 2020, 30(3): 318-322.

[23]田园, 张梅, 保富, 等. 基于大数据的数字化电能计量误差分析[J]. 电测与仪表, 2021, 58(11): 136-141, 163.

Tian Yuan, Zhang Mei, Bao Fu, et al. Analysis of digital energy metering error based on big data[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2021, 58(11): 136-141, 163.

[24]杜辉. 电能计量装置在运行工况下综合误差分析研究[J]. 工业计量, 2020, 30(2): 18-21, 24.

Du Hui. Comprehensive error analysis of electric energy metering device under operating conditions[J]. Industrial Metrology, 2020, 30(2): 18-21, 24.