能量计量装置和方法
阅读说明：本技术 能量计量装置和方法 (Energy metering device and method ) 是由 鲁其墙 叶王建 任鹏 任鑫鑫 廖冠尧 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本公开提出一种能量计量装置和方法,涉及电能监测技术领域。本公开的一种能量计量装置包括：与被测电源连接,采集被测电路的电流值和电压值的采集装置；和,与采集装置信号连接的主芯片,主芯片将采集装置采集的数据转化为数字信号编码,并根据数字信号编码的过零点数量确定根据数字信号编码进行能量计量的计量方式,并进行能源计量,其中,计量方式包括交流电计量和直流电计量。这样的能源计量装置能够将采集的数据转化为数字信号,并判断确定电源为直流或交流,进而选择对应的能源计量方式,从而能够在能源切换的情况下实时切换计量方式,提高了能源计量的自适应程度。(The disclosure proposes a kind of energy metering device and method, is related to energy monitor technical field.A kind of energy metering device of the disclosure includes: to connect with tested power supply, acquires the current value of circuit-under-test and the acquisition device of voltage value；With, the master chip being connect with acquisition device signal, the data that acquisition device acquires are converted digital signal encoding by master chip, and the metering method that energy meter is carried out according to digital signal encoding is determined according to the zeroaxial quantity of digital signal encoding, and carry out energy measurement, wherein, metering method includes alternating current metering and direct current metering.Such energy measurement device can convert digital signal for the data of acquisition, and judge to determine power supply as direct current or exchange, and then corresponding energy measurement mode is selected, so as to switch metering method in real time in the case where the energy switches, improve the adaptive degree of energy measurement.)
技术领域
本公开涉及电能监测技术领域，特别是一种能量计量装置和方法。
背景技术
能源计量一般包括对电能、风能、内能等一系列能量的计量，计量的目的是为了能够实时的获取各种能源的信息，其中电能的计量最为常见。在市场上的主流计量产品大多是对交流220V市电的计量。
发明内容
本公开的一个目的在于提高能量计量的自适应能力和扩展应用范围。
根据本公开的一个方面，提出一种能量计量装置，包括：与被测电源连接，采集被测电路的电流值和电压值的采集装置；和，与采集装置信号连接的主芯片，主芯片将采集装置采集的数据转化为数字信号编码，并根据数字信号编码的过零点数量确定根据数字信号编码进行能量计量的计量方式，并进行能源计量，其中，计量方式包括交流电计量和直流电计量。
在一些实施例中，能量计量装置还包括：与被测电源和主芯片连接的第一供电单元，将被测电源的电压转化为主芯片的工作电压，并提供给主芯片。
在一些实施例中，能量计量装置还包括：与主芯片信号连接，接收来自主芯片的能源计量信息并显示的显示单元。
在一些实施例中，能量计量装置还包括:位于被测电源的供电电路，控制供电电路通断的开关单元；开关单元的开关控制端与主芯片连接；主芯片还向开关单元发送第一电平或第二电平的电信号，以控制开关单元的通断。
在一些实施例中，能量计量装置还包括：与主芯片信号连接信号提供单元，向主芯片发送第一电平或第二电平的电信号；主芯片将来自信号提供电源的电信号发送给开关单元的开关控制端。
在一些实施例中，能量计量装置还包括：与被测电源和开关单元连接的第二供电单元，将被测电源的电压转化为开关单元的工作电压，并提供给开关单元。
在一些实施例中，开关单元包括：第一N型金属氧化物半导体NMOS晶体管，第一NMOS晶体管的栅极与开关控制端连通，第一NMOS晶体管的漏极与P型金属氧化物半导体PMOS晶体管的栅极连接，第一NMOS晶体管的源极连接第一地；PMOS晶体管，PMOS晶体管的漏极与第一供电电压连接，PMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的栅极和第三NMOS晶体管的栅极分别连接；第二NMOS晶体管，第二NMOS晶体管的漏极与第一输入端连接，第二NMOS晶体管的源极连接第一地；第三NMOS晶体管，第三NMOS晶体管的漏极与第一输出端连接，第三NMOS晶体管的源极连接第一地，其中，第一输入端与第一输出端之间用于连接负载支路。
在一些实施例中，开关单元还包括：隔离信号芯片，信号输入端与开关控制端连接，信号输出端与第一NMOS晶体管的栅极连接，其输入侧接地端与第二地连接，其输出侧接地端与第一地连接。
在一些实施例中，隔离信号芯片的电压输入端和电压输出端都与第二供电电压连接，第二供电电压与隔离信号芯片的输入侧接地端和输出侧接地端之间分别接入滤波电容；或，隔离信号芯片的信号输入端与电压输入端之间以及信号输出端与电压输出端之间都接入上拉电阻。
在一些实施例中，能量计量装置还包括以下至少一项：第一NMOS晶体管的漏极与PMOS晶体管的漏极之间接入上拉电阻；PMOS晶体管的源极与第二NMOS晶体管的栅极和第三NMOS晶体管的栅极连接后经过下拉电阻接入第一地；第一供电电压与第一地之间接入滤波电容；或负载支路包括串联的电源和负载，电源连接第一输入端，负载连接第一输出端。
在一些实施例中，主芯片向开关单元发送第一电平的电信号时，被测电源的供电电路处于导通状态；主芯片向开关单元发送第二电平的电信号时，被测电源的供电电路处于断开状态；其中，第一电平高于第二电平。
在一些实施例中，计量参数包括：电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能或无功电能中的一种或多种。
这样的能源计量装置能够实时监测采集电压、电流数据，并转化为数字信号，通过过零点数量的判断确定电源为直流或交流，进而选择对应的能源计量方式，从而能够在能源切换的情况下实时切换计量方式，提高了能源计量的自适应程度；能够对直流和交流电进行计量，扩展了设备的应用范围。
根据本公开的另一些实施例的一个方面，提出一种能量计量方法，包括：通过与被测电源连接的采集装置采集被测电路的电流值和电压值；通过与采集装置信号连接的主芯片将采集装置采集的数据转化为数字信号编码，并发送给判断单元；和主芯片根据数字信号编码的过零点数量确定根据数字信号编码进行能量计量的计量方式，并进行能源计量，其中，计量方式包括交流电计量和直流电计量。
在一些实施例中，能量计量方法还包括:通过与主芯片信号连接的信号提供单元向主芯片发送第一电平或第二电平的电信号；主芯片向开关单元发送第一电平或第二电平的电信号，以控制开关单元的通断，其中，开关单元位于被测电源的供电电路，控制供电电路通断。
在一些实施例中，能量计量方法还包括以下至少一项：通过第一供电单元接收来自被测电源的电能，将电压转化为主芯片的工作电压后提供给主芯片；或通过第二供电单元接收来自被测电源的电能，将电压转化为开关单元的工作电压，并提供给开关单元。
在一些实施例中，控制供电电路通断包括：通过向开关单元发送第一电平的电信号控制供电电路处于导通状态；通过向开关单元发送第二电平控制供电电路处于断开状态；其中，第一电平高于第二电平。
通过这样的方法，能够实时监测采集电压、电流数据，并转化为数字信号，通过过零点数量的判断确定电源为直流或交流，进而选择对应的能源计量方式，从而能够在能源切换的情况下实时切换计量方式，提高了能源计量的自适应程度；能够对直流和交流电进行计量，扩展了设备的应用范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本公开的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1为本公开的能源计量装置的一些实施例的示意图。
图2为本公开的能源计量装置的另一些实施例的示意图。
图3为本公开的能源计量装置中开关单元的一些实施例的示意图。
图4为本公开的能源计量方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本公开的技术方案做进一步的详细描述。
本公开的能源计量装置的一些实施例的示意图如图1所示。
采集装置1采集被测电源的电流、电压值，将采集到的数据发送给与自身信号连接的主芯片2。被测电源3可以是交流电源，也可以是直流电源。主芯片2将采集装置1采集的数据转化为数字信号编码。在一些实施例中，数字信号编码可以为16进制编码，从而提高数据传输速度。主芯片2根据数字信号编码的过零点数量确定被测电源类型为交流电还是直流电，进而选择匹配的能源计量方式进行能源计量。在一些实施例中，可以以预定频率检测数字信号编码的过零点数量，如以在两个交流电频率周期内检测一次过零点数量。若过零点数量大于等于预定数量阈值，则确定被测电源为交流电源，采用交流计量方式进行能源计量；若过零点数量小于预定数量阈值，则确定被测电源为直流电源，采用直流计量方式进行能源计量。在一些实施例中，预定数量阈值可以为大于等于1的正整数。在一些实施例中，考虑到电源的稳定情况，可以采用直流电源，初始预定数量阈值为0进行测试，根据运行的准确性逐渐增加预定数量阈值。
这样的能源计量装置能够实时监测采集电压、电流数据，并转化为数字信号，通过过零点数量的判断确定电源为直流或交流，进而选择对应的能源计量方式，从而能够在能源切换的情况下实时切换计量方式，提高了能源计量的自适应程度；能够应用于直流电或交流电的计量场景下，扩展了设备的应用范围。
由于主芯片能够将采集的电压、电流数据转化为数字信号数据后再进行过零点数量分析，降低了设备负担，提高了分析效率，同时避免偶然抖动影响判断结果，提高准确度。在一些实施例中，主芯片可以通过单片机(如德州仪器的MSP430芯片)实现。
在一些实施例中，能源计量装置还包括显示单元，能够显示来自主芯片的信息，如能源计量结果、被测电源类型等，在一些实施例中，还可以包括数字信号编码，以便用户直观的观测。主芯片2可以包括无线交互模块，主芯片通过无线交互模块向显示单元发送数字信号编码。这样的能源计量装置能够显示能源计量结果，方便进行人机交互，也便于用户根据计量结果及时做出反应。
在一些实施例中，如图1所示，能源计量装置还可以包括供电单元4。供电单元4可以为开关电路，与被测电源连接，能够将被测电源的电压转化为其他的电压从而为其他芯片、单元供电。在一些实施例中，供电单元4可以为第一供电单元，与主芯片连接，将被测电源的电压转化为主芯片的工作电压(如5V)，并提供给主芯片。
这样的能源计量装置能够从被测电源上获得电能并经过转化后向计量装置的芯片提供稳定的电源，从而无需提供额外的工作电源，降低设备的使用复杂度和使用条件。
在一些实施例中，如图2所示，能源计量装置还可以包括开关单元，位于被测电源向外供电的供电电路上。切断开关单元能够阻止被测电源向外供电。在一些实施例中，开关单元的开关控制端与主芯片连接，根据主芯片发出的电信号控制导通或断开。在一些实施例中，当主芯片向开关单元发送第一电平的电信号时，开关单元导通，被测电源的供电电路处于导通状态；当主芯片向开关单元发送第二电平时，开关单元切断，被测电源的供电电路处于断开状态；其中，第一电平高于第二电平。在一些实施例中，可以通过信号提供单元向主芯片提供第一电平或第二电平的电信号，如通过无线传输的方式向主芯片发送信号，主芯片向开关单元发送电信号。在一些实施例中，上文中提到的显示单元可以为计算机6，信号提供单元也为计算机6，计算机与主芯片之间通过无线交互，用户通过屏幕获取主芯片发送给计算机的能源计量信息，通过计算机向主芯片发送电信号以控制开关单元的通断。
这样的能源计量装置能够控制被测电源的供电状态，例如根据能源计量结果确定切断电源供电或导通电源供电，从而实现根据计量结果的反馈控制，提高计量结果的可用性和电路的可控性。在一些实施例中，开关单元位于被测电源(是交流电源的情况下)的供电电路的火线上，从而提高电路安全性。
在一些实施例中，能量计量装置还可以包括第二供电单元，与被测电源和开关单元连接，将被测电源的电压转化为开关单元的工作电压，并提供给开关单元。在一些实施例中，供电单元4能够与被测电源、开关单元和主芯片连接，将被测电源电压转换成主芯片电压后提供给主芯片2，将被测电源电压转换成开关单元5电压(如12V)后提供给开关单元5，从而使开关单元也不需要额外的供电装置，降低设备的使用复杂度和使用条件。
在一些实施例中，开关单元5可以为光耦电路。在另一些实施例中，开关单元5可以如图3所示。开关单元包括：第一NMOS晶体管U1，PMOS晶体管U4，第二NMOS晶体管U2，第三NMOS晶体管U3，还可以选择性地包括隔离信号芯片UND以及一些适配性的电阻和电容等。
在一些实施例中，第一NMOS晶体管U1的栅极与开关控制端CONTROL连通，第一NMOS晶体管U1的漏极与PMOS晶体管U4的栅极连接，第一NMOS晶体管U1的源极连接第一地GGND；PMOS晶体管U4的漏极与第一供电电压V1连接，PMOS晶体管U4的源极与第二NMOS晶体管U2的栅极和第三NMOS晶体管U3的栅极分别连接；第二NMOS晶体管U2的漏极与第一输入端PV+_IN连接，第二NMOS晶体管U2的源极连接第一地GGND；第三NMOS晶体管U3的漏极与第一输出端PV+_OUT连接，第三NMOS晶体管U3的源极连接第一地GGND，其中，第一输入端PV+_IN与第一输出端PV+_OUT之间用于连接负载支路。负载支路例如包括串联的电源和负载。电源连接在第一输入端PV+_IN与第二输入端PV-_IN之间，负载连接在第一输出端PV+_OUT与第二输出端PV-_OUT之间。电源为交流或直流的强电。在第二输入端PV-_IN与第二输出端PV-_OUT之间还可以接入电阻(如R9，R10)，以起到保护作用。
在一些实施例中，第一NMOS晶体管U1的漏极与PMOS晶体管U4的漏极之间接入上拉电阻(如R3，R4，R5)，以便将信号钳位在高电平。R3，R4，R5例如均为200欧姆，本公开对阻值不做限定。
在一些实施例中，PMOS晶体管U4的源极与第二NMOS晶体管U2的栅极和第三NMOS晶体管U3的栅极连接后经过下拉电阻(如R6，R7，R8)接入第一地GGND，以便将信号钳位在低电平。R6，R7，R8例如均为200欧姆，本公开对阻值不做限定。
在一些实施例中，第一供电电压V1与第一地GGND之间接入滤波电容(如C3，C4)，用来进行滤波。C3，C4的电容值例如分别为100nF和2.2uF，本公开对电容值不做限定。
在一些实施例中，开关单元还可以设置隔离信号芯片UND，将驱动电路的第一地GGND(强电地)与第二地DGND(弱电地)进行隔离，优化了开关单元，可以减少电路故障。隔离信号芯片UND能够实现信号隔离功能即可，该芯片例如为IC_COMM_SN1506011DWR或ADUM131E1BRWZ等，本公开并不限定具体的芯片型号。
隔离信号芯片UND，其信号输入端INA与开关控制端CONTROL连接，其信号输出端OUTA与第一NMOS晶体管U1的栅极连接，其输入侧接地端GND1与第二地DGND连接，其输出侧接地端GND2与第一地GGND连接。隔离信号芯片UND的信号输出端OUTA的输出电平与其信号输入端INA的输入电平一致。
隔离信号芯片UND的电压输入端VCC1和电压输出端VCC2都与第二供电电压V2连接，第二供电电压V2与隔离信号芯片UND的输入侧接地端GND1和输出侧接地端GND2之间分别接入滤波电容(如C1，C2)，以便进行滤波。C1，C2的电容值例如为100nF，本公开对电容值不做限定。
在一些实施例中，第二供电电压V2小于第一供电电压V1。第一供电电压V1例如为直流12V，第二供电电压V2例如为直流3.3V。
在一些实施例中，隔离信号芯片UND的信号输入端INA与电压输入端VCC1之间以及信号输出端OUTA与电压输出端VCC2之间都接入上拉电阻(如R2，R1)，以便将信号钳位在高电平。R2，R1的阻值例如为1k，本公开对阻值不做限定。
此外，隔离信号芯片UND还预留一些管脚，例如INB，OUTC，NC，OUTB，INC，NC，EN等管脚，根据业务需要通过这些管脚及其控制可以扩展一些功能。
当开关控制端CONTROL输入第一电平时，第一输入端PV+_IN与第一输出端PV+_OUT处于连通状态；当开关控制端CONTROL输入第二电平时，第一输入端PV+_IN与第一输出端PV+_OUT处于断开状态；其中，第一电平高于第二电平，第一电平为预设的高电平“1”，第二电平为预设的低电平“0”。
下面描述开关单元的工作原理。
在初始状态时，即未进行开关控制时，PV-_IN与PV-_OUT相连通，而PV+_IN与PV+_OUT断开，此时电源无法给负载供电。
当开关控制端CONTROL输入高电平“1”时，经过隔离信号芯片UND后，在第一NMOS晶体管U1的栅极、源极之间产生足够大的电压使第一NMOS晶体管U1高电平导通，使得第一NMOS晶体管U1的源极与第一地GGND连通，第一NMOS晶体管U1的漏极与PMOS晶体管U4的栅极相连，则PMOS晶体管U4的栅极输入为“0”电平，此时PMOS晶体管U4的栅、源极之间的电压小于0，使得PMOS晶体管U4低电平导通，第一供电电压V1(如12V输入电压)与第二NMOS晶体管U2的栅极以及第三NMOS晶体管U3的栅极相连，从而使得第二NMOS晶体管U2以及第三NMOS晶体管U3高电平导通，则PV+_IN经过第二NMOS晶体管U2的漏极以及第三NMOS晶体管U3的漏极与PV+_OUT连通。也即，此时PV+_IN与PV+_OUT连通，开关打开，电源可以给负载供电。其中，第二NMOS晶体管U2和第三NMOS晶体管U3的栅极电压由第一供电电压V1(如12V，其大于第二供电电压V2)提供，可以提高开关单元的驱动能力。
当开关控制端CONTROL输入低电平“0”时，经过隔离信号芯片UND后，在第一NMOS晶体管U1的栅极、源极之间无法产生高电平使得第一NMOS晶体管U1高电平导通。也即，此时PV+_IN与PV+_OUT之间处于断开状态，开关断开，电源无法给负载供电。
这样的能源计量装置中，利用“MOS晶体管”的组合实现开关单元，无论被测电源是交流还是直流均不会影响开关单元的通断。通过隔离信号芯片将驱动电路的第一地(如强电地)与第二地(如弱电地)进行隔离，优化了开关单元，可以减少电路故障，使其耐压值更大，导通电流更大，开关反应速率更高。
在一些实施例中，如图2所示，能源计量装置进行能源计量时，计量参数可以包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能或无功电能中的一种或多种。
这样的能源计量装置能够对交流、直流电进行多个角度的计量，提高能源计量的全面性。
基于如图1或2所示的能源计量装置，本公开的能源计量方法的一些实施例的流程图如图4所示。
在步骤401中，通过与被测电源连接的采集装置采集被测电路的电流值和电压值。
在步骤402中，通过与采集装置信号连接的主芯片将采集装置采集的数据转化为数字信号编码，并发送给判断单元。
在步骤403中，通过主芯片，根据数字信号编码的过零点数量，确定根据数字信号编码进行能量计量的计量方式，并进行能源计量。计量方式包括交流电计量和直流电计量。在一些实施例中，可以以预定频率检测数字信号编码的过零点数量，如以在两个交流电频率周期内检测一次过零点数量。若过零点数量大于等于预定数量阈值，则确定被测电源为交流电源，采用交流计量方式进行能源计量；若过零点数量小于预定数量阈值，则确定被测电源为直流电源，采用直流计量方式进行能源计量。在一些实施例中，预定数量阈值可以为大于等于1的正整数。
通过这样的方法，能够实时监测采集电压、电流数据，并转化为数字信号，通过过零点数量的判断确定电源为直流或交流，进而选择对应的能源计量方式，从而能够在能源切换的情况下实时切换计量方式，提高了能源计量的自适应程度；能够应用于直流电或交流电的计量场景下，扩展了设备的应用范围。
在一些实施例中，可以通过与主芯片信号连接的信号提供单元向主芯片发送第一电平或第二电平的电信号；主芯片向开关单元发送第一电平或第二电平的电信号，以控制开关单元的通断，其中，开关单元位于被测电源的供电电路，控制供电电路通断。在一些实施例中，可以通过向开关单元发送第一电平(如电平1)的电信号控制供电电路处于导通状态；通过向开关单元发送第二电平(如电平0)控制供电电路处于断开状态；其中，第一电平高于第二电平。
通过这样的方法，能够控制被测电源的供电状态，例如根据能源计量结果确定切断电源供电或导通电源供电，从而实现根据计量结果的反馈控制，提高计量结果的可用性和电路的可控性。
在一些实施例中，通过第一供电单元接收来自被测电源的电能，将电压转化为主芯片的工作电压后提供给主芯片；通过第二供电单元接收来自被测电源的电能，将电压转化为开关单元的工作电压，并提供给开关单元。在一些实施例中，第一供电单元和第二供电单元可以为同一个单元。通过这样的方法，能够从被测电源上获得电能并经过转化后向计量装置的芯片提供稳定的电源，从而无需提供额外的工作电源，降低设备的使用复杂度和使用条件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本公开技术方案的精神，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。