本發(fā)明涉及一種用于非線性負荷電能表的多級重采樣方法，具體涉及一種在非線性負荷下，使電能表能夠確保穩(wěn)態(tài)電能以及諧波計量的準確性，同時也保證電壓擾動等暫態(tài)數據監(jiān)測的準確性。

背景技術：

隨著電力電子元器件在工業(yè)及民用領域大量應用，越來越多現場電力負荷呈現含有大量諧波、電壓擾動頻繁等非線性特點，為確保電能質量水平，電網公司一般投入專門的設備進行非線性負荷現場電能質量指標監(jiān)測。由于智能電能表的普及，在智能電能表中加入電能質量水平監(jiān)測，如最重要的諧波監(jiān)測、電壓擾動事件監(jiān)測等應用功能，不僅可利用智能電能表分布廣的特點，大幅增加電能質量測點，保證電網電能質量水平，還可節(jié)省對應電壓等級的電能質量監(jiān)測設備投入。

要滿足小電流計量準確度與穩(wěn)定性要求，智能電能表的計量回路要求采樣位數寬、信道噪聲低、混疊干擾更少，兼顧成本考慮，所以智能電能表一般采用∑-Δ型AD，成本低，位數寬，但需要經過多級濾波，信號實時性差；而要滿足電能質量監(jiān)測需求，監(jiān)測設備必須設計高采樣率、高實時性的采樣回路來確保寬頻帶諧波分析、以及捕捉電壓暫態(tài)干擾事件，所以電能質量監(jiān)測設備一般采用SAR型AD，這類AD成本較高，位數相對更低，但轉換實時性強。若在智能電能表中加入非線性負荷下的電能質量水平監(jiān)測應用，其采樣回路設計上就必須同時滿足以上兩種要求，具有一定的難度。

目前已公布采樣設計方法主要包括：

1、雙通道采樣方法。目前有進口電能表采樣該方法。即在電能表上同時設計兩套采樣回路，一個通道采用SAR型AD芯片，AD位數不高，但確保高速采樣與采樣實時性，從而用于諧波與電壓事件監(jiān)測；另一通道配置∑-Δ型AD，采樣速率不高，但支持24位AD位寬，提高電能計量穩(wěn)定性。該類設計方案可同時保證電能計量準確性與電能質量指標監(jiān)測的實時性，但雙采樣通道會增加一倍的硬件成本，不利于大規(guī)模生產智能電能表應用。

2、單通道采樣方法。通過一片高速AD芯片，采用單周期電能快速算法，確保波動負荷下電能計量準確度(申請?zhí)枺?01510356053.1，公開號：104914304A，公開日：2015.09.16，申請國：中國)。這種方法比較依賴一片高速高精度同時又保證足夠位寬的AD芯片，這種芯片價格昂貴，適用于一些特殊場合計量的高端表計中，而對成本競爭壓力較大的智能電能表，該方法不能適用。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種用于非線性負荷電能表的多級重采樣方法，使電能表可以產生穩(wěn)定、低噪的采樣信號，確保電能計量精度，同時也可產生高速、實時的采樣信號，確保諧波分析的頻帶寬度以及電壓擾動事件判斷的準確性。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用了以下技術方案。

一種用于非線性負荷電能表的多級重采樣方法，其特征在于按照以下步驟進行：

1)、將穩(wěn)定時鐘源輸入電能表AD芯片，使AD芯片輸出采樣頻率高于電壓、電流信號的采樣數據，將AD芯片輸出的數據輸入電能表電壓事件計算模塊中，進行包括電壓擾動和電壓暫態(tài)在內的電壓事件監(jiān)測與診斷；并，

2)、將AD芯片輸出的數據輸入到CIC重采樣濾波器中，進行重采樣操作；所述重采樣頻率大于電能表最大諧波分析次數的奈奎斯特采樣頻率，將濾波后的數據輸入到電能表諧波分析計算模塊中，進行FFT諧波分析計算；然后，

3)、將濾波后的數據再次輸入CIC重采樣濾波器進行降采樣抽取，進一步提高電壓、電流采樣數據的基波頻帶穩(wěn)定性，并輸入到電能表電能計算模塊中，完成電能計量操作。

其中AD芯片采用∑-Δ型AD。

步驟2)所述重采樣頻率為2的整數次冪。

AD芯片的穩(wěn)定時鐘源采用帶溫補的有源晶振，使AD芯片最大過采樣頻率達到電能表最大諧波分析頻率的20倍以上。

CIC重采樣濾波器由線性插值器與抽取率為R的CIC抽取濾波器構成；采樣頻率為M的原始信號，輸入到線性插值器中，按下式進行插值處理：

$y\left(k\right)=y(k-1)+\frac{R\·N}{M}y\left(k\right);$

其中，N為重采樣濾波器最終輸出數據的采樣頻率，抽取系數R，采樣頻率M與N的取值必須滿足以下關系：

$0.5\≤\frac{R\·N}{M}\≤1.$

CIC重采樣濾波器中，其抽取率為R的CIC抽取濾波器采用5級級聯濾波器構成，其傳遞函數為：

$H\left(z\right)=\frac{{(1-z^{-R})}^5}{{(1-z^{-1})}^5}.$

步驟3)中的CIC抽取濾波器同樣為5階濾波器，抽取因子R為2。

本發(fā)明的積極效果在于：

第一、本發(fā)明采用∑-Δ型AD，適用于多數智能電能表平臺，同時利用CIC濾波器(級聯積分梳狀濾波器)可實現任意整數倍采樣信號插值和抽取的特點，來彌補∑-Δ型AD在采樣實時性上的不足。本發(fā)明通過CIC濾波器進行多級重采樣，使智能電能表AD回路生成多級采樣信號，其中，高速低精度的實時采樣信號用于電壓擾動、電壓暫態(tài)等電壓事件的監(jiān)測；去除混疊干擾的同步信號，用于諧波分析計算；而低速高精度低噪音的信號，用于電能計量。在不提高計量通道數量、以及AD芯片性能的基礎上，使智能電能表同時具備精確電能計量與電能質量指標監(jiān)測的能力。

第二、通過CIC濾波器進行重采樣，形成長度為2的整數次冪的采樣數據，即使AD芯片采樣率為任意值的情況下，也可使電能表MCU進行基2的FFT計算，保證諧波分析計算速度以及準確性前提下，降低了對AD芯片以及電能表MCU硬件性能的需求。

第三、通過多級CIC濾波器抽取與降采樣，進一步降低信號噪聲，提高小電流電能計量精確度與穩(wěn)定性。使電能表能夠在確保成本競爭力的同時，提高計量準確性。

第四、采用帶溫補的高穩(wěn)定性有源晶振，確保AD芯片過采樣頻率的穩(wěn)定性，從而保證了每個分級重采樣的準確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

圖2是本發(fā)明的CIC重采樣濾波器原理圖。

圖3是本發(fā)明所采用電能表實施例的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式詳細說明本發(fā)明。

本發(fā)明的方法是：如圖1，溫補有源晶振輸出穩(wěn)定的高速時鐘信號，使電能表∑-Δ型AD處于過采樣狀態(tài)，其輸出采樣頻率遠高于電壓、電流信號的采樣數據。將此高速實時的原始采樣信號輸入到電能表MCU的電壓暫態(tài)、電壓擾動計算模塊中，進行電壓事件的監(jiān)測與診斷。該原始采樣信號同時輸入到CIC重采樣濾波器中，進行重采樣操作。

CIC重采樣濾波器原理如圖2所示，由線性插值器與抽取率為R的CIC抽取濾波器構成，該濾波器的作用是將原始采樣信號重采樣成一個適合于基2FFT諧波計算的信號，同時降低原始采樣率，以減少頻譜混疊干擾。采樣頻率為M的原始信號，輸入到線性插值器中，按如下式進行插值處理：

$y\left(k\right)=y(k-1)+\frac{R\·N}{M}y\left(k\right)---\left(1\right)$

其中，N為重采樣濾波器最終輸出數據的采樣頻率，抽取系數R，采樣頻率M與N的取值必須滿足以下關系：

$0.5\≤\frac{R\·N}{M}\≤1---\left(2\right)$

CIC抽取濾波器由一個5階積分器濾波器，抽取因子為R的抽取器以及5階梳狀濾波器組成。其傳遞函數為：

$H\left(z\right)=\frac{{(1-z^{-R})}^5}{{(1-z^{-1})}^5}---\left(3\right)$

考慮電能表平臺MCU的計算能力，抽取系數R取為2。為確保CIC重采樣濾波器輸出信號頻率適用于基2FFT諧波計算，輸出信號采樣頻率N可設定為2的整數次冪。

CIC重采樣濾波器輸出的電壓、電流采樣值信號，輸入到諧波分析模塊進行諧波分析計算，同時將該數據繼續(xù)輸入到下一級CIC抽取濾波器，進行抽取因子R為2的抽取濾波。該濾波器的階數依然為5階。這一級CIC抽取濾波器主要目的是對CIC重采樣濾波器輸出信號再進行一次降采樣操作，并將該數據輸入到電能計算模塊中，進行傳統的電能計量工作。一方面可降低電能計算的計算量，減少對電能表MCU的性能依賴，同時，可進一步降低基頻頻帶以外的信號噪聲干擾，提高電能計量穩(wěn)定性，尤其是小電流計量的穩(wěn)定性。

本發(fā)明可以應用于帶有∑-Δ型AD的智能電能表，下面敘述作為本發(fā)明計量裝置實施例的一種非線性負荷電能表。

參照圖3，在一種非線性負荷電能表實施例中，主CPU單元1包含一塊200MHZ ARM Cotex處理器。主CPU單元1通過SPI總線連接DSP高速三十二位數字信號處理芯片2，所述數字信號處理芯片2連接有電壓與電流兩個通道的∑-Δ型TI系列AD采樣芯片3與4。所述電壓通道AD采樣芯片3連接有電壓取樣電路5。所述數字信號處理芯片2還直接連接有電流通道AD采樣芯片4，該電流通道AD采樣芯片4連接有零磁通電流互感器6。所述∑-Δ型AD采樣芯片3與4由一片HS49系列有源晶振7提供2.048MHZ穩(wěn)定時鐘信號。

所述主CPU單元1還通過I2C總線連接有顯示單元、RS485接口、兩片EEPROM以及外部FLASH單元等外圍器件。

本發(fā)明在該實例上主要實現流程如下，

在HS49系列有源晶振7提供2.048MHZ穩(wěn)定時鐘信號下，AD采樣芯片3與4設置為32KHZ過采樣，同時關閉AD芯片中原有的抗混疊濾波器，以確保實時性，使其32KHZ采樣數據，輸入到數字信號處理芯片2中進行處理。

本發(fā)明中所有濾波器在本實施例中都采用數字化實現，以軟體形式運行在數字信號處理芯片2中。數字信號處理芯片2的主程序在接收到AD采樣芯片3與4輸入的過采樣信號后，調用電壓暫態(tài)與電壓擾動事件監(jiān)測模塊，進行高速的事件監(jiān)測計算，以確保電壓事件監(jiān)測的實時性。同時，調用CIC重采樣數字濾波器模塊，該模塊首先依據公式1，調用數字插值器函數進行插值計算，其中M設為32KHZ，輸出信號采樣頻率N設置為12.8KHZ，抽取因子R為2。

進行插值計算后，信號變?yōu)?5.6KHZ采樣頻率，再調用CIC抽取數字濾波器進行2倍抽取，最終輸出12.8KHZ采樣頻率的信號，輸入到諧波分析模塊中，進行諧波分析計算。

同時，再次調用CIC抽取數字濾波器函數，對12.8KHZ采樣頻率的信號，進行2倍抽取，將采樣率降為6.4KHZ，輸入到電能計量模塊中進行電能計算，此時，高頻噪聲已被消除，信號變得平滑穩(wěn)定，可確保小電流輕負載時的計量精度。