Electric energy metering method

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种电能计量方法，包括以下步骤：S1：初始化主芯片和初始化计量芯片配置；S2：配置AD同步转换，采集AD转换值；S3：根据采集到的AD转换值进行电能数据计算。本发明的一种电能计量方法，通过对计算方法和软件的多方面改进，实现提升电能计量的性能，缩短电能计量的时间。

S1中初始化计量芯片配置包括：计量芯片的ADC采样率为25.6kHz。本发明提高了采样率，通过高速主芯片（主频190MHz）及内部集成dsp算法的功能，可以将计量芯片的采样率提升到25.6kHz，相比原先的6.4kHz和12.8kHz，有效增加了采样的密度，从理论上来说，计量准确度会有一定的提升。

S2中配置AD同步转换具体为：采用6路计量芯片，将6路计量芯片的同步信号绑定在主芯片的一个引脚上，实现一次完成6颗计量芯片同时开启AD功能。本发明采用同步采样计算方式，减少相位差。方案中采用6路计量芯片，将6路的同步信号绑定在一个引脚上，使其可以同时一次完成6颗计量芯片同时开启AD功能，则从芯片侧，认定是同步采样。

S3具体为：当采集的AD转换值累计到512*8或512*4个点时，触发电能数据计算，所述电能数据计算包括频率计算、瞬时电压电流数据计算、瞬时功率计算和谐波数据计算。

频率计算具体为：搜寻过零信号，找到第一个过零信号和最后一个过零信号，计算出第一个过零信号和最后一个过零信号的之间的时间间隔，根据时间间隔、采样点个数和采样周期计算得到频率值。本发明的计算频率方法，搜寻过零信号时，不需要知道每次的过零信号，只需要找到第一个和最后一个过零信号，计算出两者之间的时间后，且知道采样周期多少个点后，获知中间有多少个周期，然后统一算出每个周期的间隔时间，从而得到频率值。该方法可以每相电压和电流减少3-7次的过零计算，如果按照三相表来说，可以从原先的4*6减少到1*6，或者从原先的8*6减少到1*6，大大缩减了搜寻过零点和一些浮点数计算消耗的时间。

在进行瞬时功率计算时，使用差值算法进行相位补偿。本发明采用软件补偿相位误差。计量芯片的相位补偿的精度一般在200ns左右，范围也较小，一般只有5μs左右的校准值，而软件算法可以提供最多采样周期的一半的相位补偿，最小则无限制，如果是25.6kHz下的最大校准值是19.53125μs，最小值使用0.1ns，在低功率因数下，该补偿值的作用尤为明显。

在进行电能数据计算时，涉及到的部分乘除法运算改为移位运算。在进行电能数据计算时，部分乘除法在软件算法上使用移位的方式可以提高运算速度。计算中大量用到了乘法和除法，乘除实际消耗的时间比加减或移位要大很多，通过分析发现，部分乘除可以用移位代替，然后将多余的部分提交到校准里去，校准的寄存器，不需要单独做乘法或除法，而是计量芯片内部直接计算完，相当于分摊了部分计算量到计量芯片中。

主芯片的型号为HC32F460。主芯片选择HC32F460，包含192kRAM，其中部分是高速内存，用于缓存波形；主频最快到200MHz，带DSP，使部分计算速度更快；芯片引脚可以灵活使用，即UART又SPI，用于在采集波形时，能同时获取6路AD值，减少AD数据采集时间消耗，因为25.6kHz的采样率，每个采样点是39.0625us。

如图2所示，为本发明的计量方法流程图。在该实施例中，对本发明的改进创新点做进一步描述。

提升计量性能，即计量准确度，一般的方法是更换计量芯片。但在计量性能要求越来越高，且芯片性能无法显著提升的情况下，如何更好的优化计量软件算法，提高算法的计算能力及减少消耗时间，通过优化计算时间后，可以继续增加模拟转数字的周期点，进一步提升计量性能则显得更加重要。

本发明则通过软件提升计算方法提升及优化计算时间。包括：

1.计算方法优化：

1-1.通过优化频率计算，确认整周期的点数。

通过多次过零信号的计算，按照25.6kHz的采样率，可以单次计算16次的过零信号，使频率计算稳定性更强，精度更高。从而保证整周期的点数更准确，防止因为非整周期引起的误差跳动。

1-2.提高采样率，通过高速主芯片（主频190MHz）及内部集成DSP算法的功能，可以将计量芯片的采样率提升到25.6kHz，相比原先的6.4kHz和12.8kHz，有效增加了采样的密度，从理论上来说，计量准确度会有一定的提升。

1-3.同步采样计算方式，方案中采用6路计量芯片，将6路的同步信号绑定在一个引脚上，使其可以同时一次完成6颗计量芯片同时开启AD功能，则从芯片侧，认定是同步采样。

1-4.软件补偿相位误差，计量芯片的相位补偿的精度一般在200ns左右，范围也较小，一般只有5μs左右的校准值，而软件算法可以提供最多采样周期的一半的相位补偿，最小则无限制，如果是25.6kHz下的最大校准值是19.53125μs，最小值使用0.1ns，在低功率因数下，该补偿值的作用尤为明显。

2.优化计算时间：

2-1.计算频率的方法，搜寻过零信号时，不需要知道每次的过零信号，只需要找到第一个和最后一个过零信号，计算出两者之间的时间后，且知道采样周期多少个点后，获知中间有多少个周期，然后统一算出每个周期的间隔时间，从而得到频率值。该方法可以每相电压和电流减少3-7次的过零计算，如果按照三相表来说，可以从原先的4*6减少到1*6，或者从原先的8*6减少到1*6，大大缩减了搜寻过零点和一些浮点数计算消耗的时间。

2-2.计算差值算法：

提前计算一些可变变量，如计算频率时，需要有多个变量乘除获取到，实际部分变量是可以先在编译前计算好，从而减少计算在实际计算周期中消耗的无用时间。

减少循环次数，当多个通道需要计算时，通过一次循环6个通道的方式，减少每个通道单独循环造成的计算时间加长的情况。这样方式只增加了局部变量和代码量，无其他问题。

部分乘除法使用移位的方式提高速度，计算中大量用到了乘法和除法，乘除实际消耗的时间比加减或移位要大很多，通过分析发现，部分乘除可以用移位代替，然后将多余的部分提交到校准里去，校准的寄存器，不需要单独做乘法或除法，而是计量芯片内部直接计算完，相当于分摊了部分计算量到计量芯片中。

减少中间变量使用时乘除，使用在最后一次性乘除。如计算谐波含量时，考虑到分次谐波含量的电压电流会有误差，如果在前面就开始将误差计算进去，然后再后面计算谐波功率时再处理一次，相当于处理了两次，则通过优化代码，只计算一次，就将系数放入了谐波含量中。

通过以上的优化，减少了10-20%的时间，为提升计量的采样率提供了可能性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围之内。