一种基于智能电能表在线监测的自校准系统与方法

专利名称：一种基于智能电能表在线监测的自校准系统与方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110873516.7

专利申请（专利权）人：国网山东省电力公司德州供电公司,国网山东省电力公司
权利人地址：山东省德州市德城区新湖大街1237号

专利发明（设计）人：李东,郭亮,代燕杰,王新库,李志民,王者龙,王鹏,毕绍聪,胡国瑞,许临禹,卞强

专利摘要：本发明公开了一种基于智能电能表在线监测的自校准系统，包括传感器电路、采样电路、基准电路、校正模块、计量模块、标准源和自检模块；电能通过所述传感器电路进行感知、检测和信号调理后连接所述采样电路的输入，所述采样电路的输出连接所述计量模块的一路输入，所述计量模块的输出为电能表计量结果；本发明同时还公开了基于智能电能表在线监测的自校准方法。本发明的实施能够实现对智能电能表的监测和实时自校准，有效地提高智能电能表的实时检测精度；还支持与云平台通讯，把多块同时使用的智能电能表的校准参数进行统计，进行修正参数的统计学分析和智能电能表的大数据智能分析和预警，进一步提高电能表的智能化程度。

主权利要求：
1.一种基于智能电能表在线监测的自校准系统，包括传感器电路、采样电路、基准电路、校正模块和计量模块，其特征在于，还包括标准源、自检模块，其中，所述基准电路连接所述采样电路，为其提供基准电源；
电能通过所述传感器电路进行感知、检测和信号调理后连接所述采样电路的输入，所述采样电路的输出连接所述计量模块的一路输入，所述计量模块的输出为电能表计量结果；
所述标准源的一路输出连接所述传感器电路的输入，所述标准源的另一路输出连接所述自检模块的一路输入，所述自检模块的另一路输入连接计量模块的输入，所述自检模块的一路输出连接所述校正模块的输入，所述校正模块的输出连接计量模块的另一路输入，所述自检模块的另一路输出为自检输出；
所述自检模块接收所述标准源发出的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号；所述自检模块根据所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号，得到修正参数，并把所述修正参数传送给所述校正模块；所述校正模块把所述修正参数传送给所述计量模块；所述计量模块在计算电能时加入所述修正参数，得到计量电能。
2.根据权利要求1所述的自校准系统，其特征在于，所述标准源电路发射电压与电流为高频信号，所述高频信号的幅度为10～100mV以下，频率为1K～100KHz。
3.根据权利要求1所述的自校准系统，其特征在于，所述自检模块的自检输出为电能故障编码或/和修正参正。
4.根据权利要求1所述的自校准系统，其特征在于，所述自校准系统以外存在一个云平台，所述自检模块还包括无线通讯单元，且无线通讯单元与所述云平台通讯。
5.根据权利要求1所述的自校准系统，其特征在于，所述传感器电路还包括全故障检测电路。
6.一种根据权利要求1所述的自校准系统的在线校准方法，其特征在于，在智能电能表运行过程中，所述在线校准方法包括以下步骤：(1)所述标准源固定的时间间隔发出高频信号；
(2)所述自检模块接收所述标准源发出的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号；
(3)所述自检模块根据所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号，得到修正参数，并把所述修正参数传送给所述校正模块；
(4)所述校正模块把所述修正参数传送给所述计量模块；
(5)所述计量模块在计算电能时加入所述修正参数，得到计量电能；
其中，在步骤(3)中，所述自检模块根据两高频信号的幅值衰减或频率位移计算得到修正参数；
针对幅值衰减的校准计算方法原理如下：
Out(i)＝K1*Set(i)
Set(i)为智能电能表的幅值输出设定值，Out(i)为智能电能表的实际幅值输出值，Real(i)为标准源的幅值测量值，K1为原幅值校准系数，K2为新幅值校准系数；
针对频率位移的校准计算方法原理如下：
Out(i)＝Set(i+Q1)
Set(i)为智能电能表的频率位移输出设定值，Out(i)为智能电能表的实际频率位移输出值，Real(i)为标准源的频率位移测量值，Q1为原频率位移校准系数，Q2为新频率位移校准系数。
7.根据权利要求6所述的自校准系统的在线校准方法，其特征在于，所述自校准系统以外存在一个云平台，所述自检模块还包括无线通讯单元，所述无线通讯单元通过无线信号连接云平台；在所述步骤(3)中，所述自检模块把所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号传送到所述云平台，由所述云平台计算修正参数，并通过无线模块传给自检模块。
8.根据权利要求7所述的自校准系统的在线校准方法，其特征在于，所述云平台在计算修正参数时加入同型号表的参数大数据进行计算。 说明书 : 一种基于智能电能表在线监测的自校准系统与方法技术领域[0001] 本发明涉及电能表校准领域，特别涉及一种基于智能电能表在线监测的自校准系统与方法。背景技术[0002] 当前我国电能表在电网中运行时为开环系统，在长期运行过程中会出现电流回路采样故障、电压回路采样故障、通道间相位匹配故障、计量芯片基准电压故障、小信号误差故障及关键校表参数故障，这时就需要及时发出检测故障报警；另外，由于电表的电阻、电容和晶振等元器件参数会随温度湿度的环境变化发生漂移，影响电能表的测量精度。针对这一问题，传统的解决方法如图1所示，每隔两年对智能电能表进行一次人工校准，然后根据误差参数来调节校正模块，以保证电能表的计量精度。由于智能电能表在校准时的环境温度、湿度等工作条件与实际工作环境有很大不同，因此校准对智能电能表的精度改善十分有限，且费时费力；更重要的是电能表在运行期间的实际误差无法预知，更谈不实时监测，因此传统的校准方案没有从根本上解决电能表的检测精度问题，更不能实时监测电能表的故障信息。发明内容[0003] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于智能电能表在线监测的自校准系统与方法。[0004] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：[0005] 一种基于智能电能表在线监测的自校准系统，包括传感器电路、采样电路、基准电路、校正模块、计量模块、标准源和自检模块，其中，[0006] 所述基准电路连接所述采样电路，为其提供基准电源；[0007] 电能通过所述传感器电路进行感知、检测和信号调理后连接所述采样电路的输入，所述采样电路的输出连接所述计量模块的一路输入，所述计量模块的输出为电能表计量结果；[0008] 所述标准源的一路输出连接所述传感器电路的输入，所述标准源的另一路输出连接所述自检模块的一路输入，所述自检模块的另一路输入连接计量模块的输入，所述自检模块的一路输出连接所述校正模块的输入，所述校正模块的输出连接计量模块的另一路输入，所述自检模块的另一路输出为自检输出。[0009] 优先地，所述标准源电路发射电压与电流为高频信号，所述高频信号的幅度为10～100mV，频率为1K～100KHz。[0010] 优先地，所述自检模块的自检输出为电能故障编码或/和修改参正。[0011] 优先地，所述自校准系统以外存在一云平台，所述自检模块还包括无线通讯单元，且无线通讯单元与所述云平台通讯。[0012] 优先地，所述传感器电路还包括全故障检测电路。[0013] 一种基于智能电能表在线监测的自校准方法，在智能电能表运行过程中，所述在线校准方法包括以下步骤：[0014] (1)所述标准源电路在固定的时间间隔发出高频信号；[0015] (2)所述自检模块接收所述标准源发出的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号；[0016] (3)所述自检模块根据所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号，得到修正参数，并把所述修正参数传送给所述校正模块；[0017] (4)所述校正模块把所述修正参数传送给所述计量模块；[0018] (5)所述计量模块在计算电能时加入所述修正参数，得到计量电能。[0019] 优先地，在步骤(3)中，所述自检模块根据两高频信号的幅值衰减或/和频率位移计算得到修正参数。[0020] 优先地，在步骤(3)中，所述自检模块得到修正参数的计算算法为查表法，所述查表法的查表数据为智能电能表出厂时存储的不同条件下的修正数据。[0021] 优先地，所述自校准系统以外存在一云平台，所述自检模块还包括无线通讯单元，所述无线通讯单元通过无线信号连接云平台；在所述步骤(3)中，所述自检模块把所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号传送到所述云平台，由所述云平台计算修正参数，并通过无线模块传给自检模块。[0022] 优先地，所述云平台在计算修正参数时加入同型号表的参数大数据进行计算。[0023] 本发明的有益效果[0024] 本发明可以实现对智能电能表进行在线监测和自校准，有效提高了智能电能表的实时检测精度，且不再需要每两年一次的人工校准和参数校正，省时省力；其次，自校准系统和方法在智能电能表运行时实时校准，保证了校准时的环境与运行时环境的一致；然后，自校准系统和方法还可以支持与云平台通讯，把多块同时使用的智能电能表的校准参数进行统计，有利于进行修正参数的统计学分析和智能电能表的大数据智能分析和预警；最后，本发明还可以监测智能电能表运行过程中出现的电流回路采样故障、电压回路采样故障、通道间相位匹配故障、计量芯片基准电压故障、小信号误差故障及关键校表参数故障，并通过自检模块输出或云平台发出故障数据和实时报警，进一步提高了智能电能表的智能化程度。附图说明[0025] 图1传统智能电能表的校准示意图；[0026] 图2智能电能表在线监测的自校准系统示意图；[0027] 图3智能电能表在线监测的自校准系统与云平台示意图；[0028] 图4智能电能表在线监测的自校准系统的全故障检测电路；[0029] 图5智能电能表在线监测的自校准方法流程图。[0030] 其中，R0.电阻，R1.电阻，R2.电阻，C1.电容，S1.开关，S2.开关，Q1.信号源，Q2.信号源。具体实施方式[0031] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。[0032] 如图2所示，一种基于智能电能表在线监测的自校准系统，包括传感器电路、采样电路、基准电路、校正模块、计量模块、标准源和自检模块，其中，所述基准电路连接所述采样电路，为其提供基准电源；电能通过所述传感器电路进行感知、检测和信号调理后连接所述采样电路的输入，所述采样电路的输出连接所述计量模块的一路输入，所述计量模块的输出为电能表计量结果；所述标准源的一路输出连接所述传感器电路的输入，所述标准源的另一路输出连接所述自检模块的一路输入，所述自检模块的另一路输入连接计量模块的输入，所述自检模块的一路输出连接所述校正模块的输入，所述校正模块的输出连接计量模块的另一路输入，所述自检模块的另一路输出为自检输出。[0033] 在实施例中，所述自校准系统为了自校准时不影响智能电能表的计量精度，自校准系统的电压与电流采用高频信号，高频信号波频点避开电力线的基波谐波；其次，自校准的高频信号为微弱信号，对电力线和智能电能表的计量产生的干扰可忽略不计；最后，自校准系统的传感器电路可以集成在线误差自监测电路，能够解决电流回路采样故障、电压回路采样故障、通道间相位匹配故障、晶振故障、计量芯片基准电压故障，小信号误差故障及关键校表参数故障等。[0034] 值得一提的是，智能电能表在线监测的自校准系统在检测出当前的实时误差和校准时，采用标准源发射，传感器电路感知、采样电路采样和调理，自检模块计算修正参数和校正模块校准的闭环工作状态。[0035] 更进一步，所述标准源电路发射电压与电流为高频信号，所述高频信号幅值为10～100mV，频率为1K～100KHz。其中，按理论分析为高频信号的幅值越小，频率越高，测量效果越好，但在实际测试过程中发现，频率超过100KHz以后，需要支持相应高频的传感器电路和采样电路的元器件，否则，校准的数据不够准确；另外幅值越小对采样电路精度的要要越高，幅值越大，对智能电能表有影响越大，当越过100mV以后，对智能电能表的计量误差的影响就超过0.1％，不能再忽略不计了。因此，通过发明人的不断测试，综合考虑成本因素发现，在所述高频信号幅值为10～100mV以下，频率为1K～100KHz最为经济合理。[0036] 更进一步，所述自检模块的自检输出可以为电能故障编码或者修正参数，通过添加数据编码程序，也可以同时实现电能故障编码和修正参数的输出。[0037] 更进一步，如图3所示，所述自检模块还可以包括无线通讯单元，所述无线通讯单元实现与云平台的通讯，可以用于把电路故障检测参数或/和校准修正参数发送到云平台；更重要的可以把故障检测的算法或/和校准修正参数等耗费处理器资源较多的计算放在云平台完成；在云平台更有利于实现对智能电能表的智能大数据管理和分析，为智能电能表的技术升级提供数据支持。[0038] 更进一步，所述传感器电路还包括全故障检测电路。其中，所述全故障检测电路，如图4所示，相对地电平从零线上通过电阻R0、电阻R1,电阻R2串联，其中，开关S1与信号源Q1先串联再与电阻R2并联；同样地，开关S2与信号源Q2先串联再与电阻R2并联；开关S1、开关S2由自检模块进行控制，R1两端电压通过电容C1滤波后的模拟信号接入差分ADC，通过ADC采样并转换为数据字信号输出。值得一提的是，通过自检模块控制开关S1、开关S2,选择将信号源Q1、信号源Q2的信号单独或同时叠加到ADC的输入上，通过监测输出数字量的变量来判断电路运行故障，本实施例以两相电为例，但本领域技术人员很容易通过增加ADC或开增变换成多相线的故障检测电路，因此通过对本检测电路的简单变换实现多相线的故障检测也被本发明公开，并在本发明的保护范围。[0039] 如图5所示，一种利用基于智能电能表在线监测的自校准系统的在线校准方法，在智能电能表运行过程中，所述在线校准方法包括以下步骤：[0040] (1)所述标准源固定的时间间隔发出高频信号；[0041] (2)所述自检模块接收所述标准源发出的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号；[0042] (3)所述自检模块根据所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号，得到修正参数，并把所述修正参数传送给所述校正模块；[0043] (4)所述校正模块把所述修正参数传送给所述计量模块；[0044] (5)所述计量模块在计算电能时加入所述修正参数，得到计量电能。[0045] 在该实施例的在步骤(3)中，所述自检模块根据两高频信号的幅值衰减或/和频率位移计算得到修正参数。其中，针对幅值衰减的校准计算方法原理如下：[0046] 假设智能电能表的幅值输出设定值为Set(i)，智能电能表的实际幅值输出值为Out(i)，标准源的幅值测量值为Real(i)，原幅值校准系数为K1，新幅值校准系数为K2，则可以得到：[0047] Out＝K1*Set(i)[0048][0049] 针对频率位移的校准计算方法原理如下：[0050] 假设智能电能表的频率位移输出设定值为Set(i),智能电能表的实际频率位移输出值为Out(i)，标准源的频率测量值为Real(i)，原频率位移校准系数为Q1，新频率位移校准系数为Q2，则可以得到:[0051] Out(i)＝Set(i+Q1)[0052][0053] 值得一提的是，所述自校准系统还能够完成增益校准和功率角差的公式计算。其中，所述增益校准公式如下：[0054][0055] 式中，Calipst为功率因数1.0处实际功率，Calipmean为功率因数1.0处理论功率，Lamada为增益校准系数。[0056] 所述功率角差公式如下：[0057][0058] 式中，Calipmean0.5l为功率因数0.5L处理论有功功率，Calipmean0.5c为功率因数0.5C处理论无功功率，Caliqmean0.5l为功率因数0.5L处理论无功功率，Caliqmean0.5c为功率因数0.5C处理论无功功率，Calipst0.5l为功率因数0.5L处实际有功功率，Calipst0.5c为功率因数0.5C处实际无功功率。[0059] 更进一步，在步骤(3)中，所述自检模块得到修正参数的计算算法为查表法，所述查表法的查表数据为智能电能表出厂时存储的不同条件下的修正数据。该方法虽然对智能电能表出厂时的测量要求较高，但在实际运行中大幅度地节省了处理器资源，运行速度快。[0060] 更进一步，所述自校准系统以外存在一个云平台，所述自检模块还包括无线通讯单元，所述无线通讯单元通过无线信号连接云平台；在所述步骤(3)中，所述自检模块把所述标准源的高频信号和所述计量模块输入处的高频信号传送到所述云平台，由所述云平台计算修正参数，并通过无线模块传给自检模块。该方案通过云平台实现了修正参数的大数据分析和处理，并可以把智能电能表的故障和报警数据进行实时监测，在为智能电能表和自校准系统的技术改进提供有效的大数据支撑，更是进一步提高了智能电能表的智能化程度。[0061] 更进一步，所述云平台在计算修正参数时加入同型号表的参数大数据进行计算。本技术方案通过加入云端大数据处理，充分利用统计学算法来优化单台智能表的校准参数，使该自校准系统和方法更准确合理。[0062] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

专利地区：山东

专利申请日期：2021-07-30

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113552529B