具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种电能量计量系统及方法，包括电流采集电路、电压采集电路、AD芯片和MCU，电流采集电路至少包括一个电流采集模块，该电流采集模块包括：第一电流采集支路和第二电流采集支路，第一电流采集支路包括第一电流传感器和第一采样电阻，第二电流采集支路包括第二电流传感器和第二采样电阻。本发明中第一电流采集支路和第二电流采集支路作为两个不同的电流采集通路采集同一个电流波形信号，由于第一电流传感器的变比小于第二电流传感器的变比，第一采样电阻的阻值小于第二采样电阻的阻值，因此第一电流采集支路针对满足预设大信号条件的电流波形信号的采集精度更高，第二电流采集支路针对满足预设小信号条件的电流波形信号的采集精度更高，基于此，本发明通过判断输入的电流波形信号为大信号还是小信号，从两个电流采集通路中选取精度更高的电流波形信号进行后续的电能量计算，从而实现了在不改变AD芯片硬件设计的基础上，对电能量计量的高精度计算。同时，本发明通过两个电流采集通路，还可以对大信号形式的电流波形信号以及小电流信号形式的电流波形信号均实现高精度测量，从而实现了对电流波形信号的大动态范围测量。

参见图1，本发明实施例公开的一种电能量计量系统的结构示意图，该系统包括：电流采集电路11、电压采集电路12、AD芯片13和MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)14。

其中：

电流采集电路11至少包括一个电流采集模块，所述电流采集模块包括：第一电流采集支路和第二电流采集支路，所述第一电流采集支路包括第一电流传感器和第一采样电阻，所述第二电流采集支路包括第二电流传感器和第二采样电阻，所述第一电流传感器的变比小于所述第二电流传感器的变比，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器串联连接，所述第一采样电阻的阻值小于所述第二采样电阻的阻值。

所述第一电流采集支路用于采集第一模拟电流波形信号。

所述第二电流采集支路用于采集第二模拟电流波形信号。

所述电压采集电路12用于采集模拟电压波形信号。

需要说明的是，电流采集电路11和电压采集电路12同步采集数据。

所述AD芯片13的输入端分别与所述电流采集电路11和电压采集电路12连接，所述AD芯片13的输出端与所述MCU14连接，所述AD芯片13用于基于预设固定频率获取所述第一模拟电流波形信号、所述第二模拟电流波形信号和所述模拟电压波形信号，并分别将所述第一模拟电流波形信号转换为第一数字电流波形信号，将所述第二模拟电流波形信号转换为第二数字电流波形信号，以及将模拟电压波形信号转换为数字电压波形信号后输出至所述MCU14。

所述MCU14用于获取所述第一数字电流波形信号、所述第二数字电流波形信号和所述数字电压波形信号，分别计算所述第一数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第一电流有效值RMS1，以及所述第二数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第二电流有效值RMS2，从所述第一电流有效值和所述第二电流有效值中选取满足预设电流选取条件的作为当前电流有效值，基于所述当前电流有效值和所述数字电压波形信号确定电能量。

其中，所述预设条件为：当所述电流采集电路11输入的所述电流波形信号满足预设小信号条件时，将所述第二电流有效值确定为当前电流有效值，并舍弃所述第一电流有效值；当所述电流波形信号满足预设大信号条件时，将所述第一电流有效值确定为所述当前电流有效值，并舍弃所述第二电流有效值。

需要特别说明的是，预设小信号条件和预设大信号条件对电流波形信号的具体限定依据实际需要而定，本发明在此不做限定。

本实施例中，当电流波形信号满足预设小信号条件时，第二电流有效值RMS2在正常范围，第一电流有效值RMS1则超过了最大阈值；反之，当电流波形信号满足预设大信号条件时，第一电流有效值RMS1在正常范围，第二电流有效值RMS2则超过了最大阈值。因此，本发明针对输入的电流波形信号为大信号还是小信号，从第一电流有效值RMS1和第二电流有效值RMS2中选出合理的有效值作为当前电流有效值，从而保证大动态范围电流波形信号的高精度采样。

综上可知，本发明公开了一种电能量计量系统，包括电流采集电路11、电压采集电路12、AD芯片13和MCU14，电流采集电路11至少包括一个电流采集模块，该电流采集模块包括：第一电流采集支路和第二电流采集支路，第一电流采集支路包括第一电流传感器和第一采样电阻，第二电流采集支路包括第二电流传感器和第二采样电阻。本发明中第一电流采集支路和第二电流采集支路作为两个不同的电流采集通路采集同一个电流波形信号，由于第一电流传感器的变比小于第二电流传感器的变比，第一采样电阻的阻值小于第二采样电阻的阻值，因此第一电流采集支路针对满足预设大信号条件的电流波形信号的采集精度更高，第二电流采集支路针对满足预设小信号条件的电流波形信号的采集精度更高，基于此，本发明通过判断输入的电流波形信号为大信号还是小信号，从两个电流采集通路中选取精度更高的电流波形信号进行后续的电能量计算，从而实现了在不改变AD芯片硬件设计的基础上，对电能量计量的高精度计算。同时，本发明通过两个电流采集通路，还可以对大信号形式的电流波形信号以及小电流信号形式的电流波形信号均实现高精度测量，从而实现了对电流波形信号的大动态范围测量。

为进一步优化上述实施例，参见图2，本发明实施例公开的一种电流采集模块的电路图，电流采集模块包括：第一电流采集支路111和第二电流采集支路112。

其中，所述第一电流采集支路111包括：第一电流传感器CT1、第一采样电阻R1、第一滤波支路1111和第二滤波支路1112，第一采样电阻R1包括：阻值相等的第一采样子电阻R11和第二采样子电阻R12。

第一电流传感器CT1的主绕组用于输入所述电流波形信号IA，所述第一电流传感器CT1的副绕组的第一端分别通过第一采样子电阻R11接地以及通过第一滤波支路1111接地，所述第一滤波支路1111的输出端用于输出所述第一模拟电流波形信号的正信号data1+，所述第一电流传感器CT1的副绕组的第二端分别通过第二采样子电阻R12接地以及通过所述第二滤波支路1112接地，所述第二滤波支路1112的输出端用于输出所述第一模拟电流波形信号的负信号data1-，所述第一采样电阻R1的第一端连接所述第一电流传感器CT1的副绕组的第一端，所述第一采样电阻R1的第二端连接所述第一电流传感器CT1的副绕组的第二端。

所述第二电流采集支路112包括：第二电流传感器CT2、第二采样电阻R2、第三滤波支路1121和第四滤波支路1122，第二采样电阻R2包括：阻值相等的第三采样子电阻R21和第四采样子电阻R22。

第二电流传感器CT2的主绕组用于输入所述电流波形信号IA，所述第二电流传感器CT2的副绕组的第一端分别通过第三采样子电阻R21接地以及通过第三滤波支路1121接地，所述第三滤波支路1121的输出端用于输出所述第二模拟电流波形信号的正信号data2+，所述第二电流传感器CT2的副绕组的第二端分别通过第四采样子电阻R22接地以及通过所述第四滤波支路1122接地，所述第四滤波支路1122的输出端用于输出所述第二模拟电流波形信号的负信号data2-，所述第二采样电阻R2的第一端连接所述第二电流传感器CT2的副绕组的第一端，所述第二采样电阻R2的第二端连接所述第二电流传感器CT2的副绕组的第二端。

其中，所述第一电流传感器CT1和所述第二电流传感器CT2串联连接的两端分别输入电流波形信号IA的正信号Current+和负信号Current-。

可选的，所述第一滤波支路1111包括：第三电阻R3和第一电容器C1，所述第三电阻R3的一端连接所述第一电流传感器CT1的副绕组的第一端，所述第三电阻R3的另一端通过所述第一电容器C1接地，所述第三电阻R3和所述第一电容器C1的公共端用于输出所述第一模拟电流波形信号的正信号data1+。

所述第二滤波支路1112包括：第四电阻R4和第二电容器C2，所述第四电阻R4的一端连接所述第一电流传感器CT1的副绕组的第二端，所述第四电阻R4的另一端通过所述第二电容器C2接地，所述第四电阻R4和所述第二电容器C2的公共端用于输出所述第一模拟电流波形信号的负信号data1-。

所述第三滤波支路1121包括：第五电阻R5和第三电容器C3，所述第五电阻R5的一端连接所述第二电流传感器CT2的副绕组的第一端，所述第五电阻R5的另一端通过所述第五电阻R5接地，所述第五电阻R5和所述第三电容器C3的公共端用于输出所述第二模拟电流波形信号的正信号data2+。

所述第四滤波支路1122包括：第六电阻R6和第四电容器C4，所述第六电阻R6的一端连接所述第二电流传感器CT2的副绕组的第二端，所述第六电阻R6的另一端通过所述第四电容器C4接地，所述第六电阻R6和所述第四电容器C4的公共端用于输出所述第二模拟电流波形信号的负信号data2-。

需要说明的是，所述第一滤波支路1111、所述第二滤波支路1112、所述第三滤波支路1121和所述第四滤波支路1122均用于高频滤波，减少模拟电压波形信号(第一模拟电流波形信号和第二模拟电流波形信号)中的高频噪声干扰。

本发明中，第一电流传感器CT1的变比N1小于第二电流传感器CT2的变比N2，第一采样电阻R1的阻值小于第二采样电阻R2的阻值，因此，针对电流采集模块输入的电流波形信号，当电流波形信号满足预设大信号条件时，第一电流采集支路对电流波形信号的采样精度高于第二电流采集支路对该电流波形信号的采样精度；当电流波形信号满足预设小信号条件时，第二电流采集支路对电流波形信号的采样精度高于第一电流采集支路对该电流波形信号的采样精度。

当电流波形信号为I时，第一电流传感器CT1的采样信号有效值为data1，第二电流传感器CT2的采样信号有效值为data2的表达式分别如下：

本发明通过将大动态范围的电流波形信号I划分为两段，并保证低成本AD芯片13能在分段的动态范围内实现高精度信号采集，通过选择合适的第一电流传感器CT1的变比N1、第二电流传感器CT2的变比N2、第一采样电阻R1的阻值和第二采样电阻R2的阻值，从而保证大电流波形信号和小电流波形信号都能在AD芯片13输入范围的合理位置，保证大电流波形信号和小电流波形信号被高精度测量。

与上述实施例相对应，本发明还公开了一种电能量计量方法。

参见图3，本发明实施例公开的一种电能量计量方法流程图，该方法应用于图1所示实施例中的MCU14，计量方法包括：

步骤S101、获取第一数字电流波形信号、第二数字电流波形信号和数字电压波形信号；

其中，所述第一数字电流波形信号基于电流采集电路11中的第一电流采集支路采集的电流波形信号确定，所述第二数字电流波形信号基于电流采集电路11中的第二电流采集支路采集的所述电流波形信号确定，所述数字电压波形信号基于电压采集电路采集的模拟电压波形信号确定。

所述第一电流采集支路包括第一电流传感器和第一采样电阻，所述第二电流采集支路包括第二电流传感器和第二采样电阻，所述第一电流传感器的变比小于所述第二电流传感器的变比，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器串联连接，所述第一采样电阻的阻值小于所述第二采样电阻的阻值。

步骤S102、分别计算所述第一数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第一电流有效值，以及所述第二数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第二电流有效值；

步骤S103、从所述第一电流有效值和所述第二电流有效值中选取满足预设电流选取条件的作为当前电流有效值；

所述预设条件为：当所述电流采集电路11输入的所述电流波形信号满足预设小信号条件时，将所述第二电流有效值确定为当前电流有效值，并舍弃所述第一电流有效值；当所述电流波形信号满足预设大信号条件时，将所述第一电流有效值确定为所述当前电流有效值，并舍弃所述第二电流有效值。

步骤S104、基于所述当前电流有效值和所述数字电压波形信号确定电能量。

综上可知，本发明公开了一种电能量计量方法，获取第一数字电流波形信号、第二数字电流波形信号和数字电压波形信号，分别计算第一数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第一电流有效值，以及第二数字电流波形信号对应的电压有效值，记为第二电流有效值，从第一电流有效值和第二电流有效值中选取满足预设电流选取条件的作为当前电流有效值，基于当前电流有效值和数字电压波形信号确定电能量。本发明中第一电流采集支路和第二电流采集支路作为两个不同的电流采集通路采集同一个电流波形信号，由于第一电流传感器的变比小于第二电流传感器的变比，第一采样电阻的阻值小于第二采样电阻的阻值，因此第一电流采集支路针对满足预设大信号条件的电流波形信号的采集精度更高，第二电流采集支路针对满足预设小信号条件的电流波形信号的采集精度更高，基于此，本发明通过判断输入的电流波形信号为大信号还是小信号，从两个电流采集通路中选取精度更高的电流波形信号进行后续的电能量计算，从而实现了在不改变AD芯片硬件设计的基础上，对电能量计量的高精度计算。同时，本发明通过两个电流采集通路，还可以对大信号形式的电流波形信号以及小电流信号形式的电流波形信号均实现高精度测量，从而实现了对电流波形信号的大动态范围测量。

通常采用AD芯片13获取到的模拟电压波形信号，由于硬件电流传感器(包括：第一电流传感器和第二电流传感器)的影响，容易造成电流波形相位偏移，从而影响电能量计量精度。

为提高电能量计量精度，本发明通过对电流波形进行相位补偿和幅值补偿，进一步实现对电能量的高精度计量。

当MCU14以固定频率，通过软硬件结合实现对大动态范围电流波形信号高精度采样后，MCU14存储至少一个完整周期的数字电压波形数组，通过判断数字电压波形信号从负到正的变化，检测出波形数组的过零点，依次类推，可以获得存储的数字电压波形数组中的过零点位置。

由于电流信号(对应第一数字电流波形信号和第二数字电流波形信号)和电压信号(对应数字电压波形信号)采用不同采样方式获得，因此，可通过分析各路电压波形信号和电流波形信号各自存储波形数组中过零点对应的波形数组序号，来计算电流波形信号和电压波形信号各自的频率及相位差。

假设以8K频率进行采样，将超过1个完整周期的数据保存到大小为300的数组a[300]中，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′]。

由于以定频采样，因此假设采样点间隔时间为T_inter，则频率freq利用过零点计算可采用如下公式：

式中，频率freq可以为电流频率或电压频率。

通过以上方式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Phas，计算公式如下：

Phas＝freq*360°*(i′-k′)*T_inter；

通过上述公式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是否不平衡等，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。本发明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，然后对齐插值过零点后，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。

具体方法如下：

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。

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，从而实现利用插值法完成高精度采集信号的相位准确补偿。

因此，为进一步优化上述实施例，步骤S102具体可以包括：

确定所述第一数字电流波形信号、所述第二数字电流波形信号和所述数字电压波形信号各自对应的过零点位置，分别记为：第一过零点位置、第二过零点位置和第三过零点位置；

利用定频采样相邻采样点间隔时间固定原则，分别计算所述第一数字电流波形信号、所述第二数字电流波形信号和所述数字电压波形信号各自的频率，分别记为：第一频率、第二频率和第三频率；

基于所述第一过零点位置、所述第二过零点位置和所述第三过零点位置，以及所述第一频率、所述第二频率和所述第三频率，确定所述第一数字电流波形信号、所述第二数字电流波形信号和所述数字电压波形信号相互之间的相位差；

基于插值法和各个所述相位差进行相位补偿，得到补偿后的第一目标数字电流波形信号、第二目标数字电流波形信号和目标数字电压波形信号；

计算所述第一目标数字电流波形信号对应的所述第一电流有效值，以及所述第二目标数字电流波形信号对应的所述第二电流有效值。

需要说明的是，所述第一数字电流波形信号、所述第二数字电流波形信号和所述数字电压波形信号相互之间的相位差具体为：电压与电流之间的相位差、电压与电压之间的相位差以及电流与电流之间的相位差。

在实际应用中，本发明利用先插值后平移的方法实现相位补偿，从而解决了常规移点法存在最小分辨大以及数字滤波器移相复杂的问题。

为进一步优化上述实施例，本发明还可以基于数据拟合进行功率补偿校准。

在以上相位补偿基础上，通过计算波形有效值，并乘以增益的方式校准波形幅值数据。

各相的有功功率是通过去直流分量后的电流、电压波形信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。无功功率计量算法与有功类似，只是电压波形信号采用移相90度之后的，移相方式采用Hilbert滤波器等方式。

在计算完成有功功率和无功功率后，针对电流波形信号变化的大动态范围，采用小颗粒度分段方式，测量不同电流波形信号大小情况下对应的有功和无功功率，从而可得到电流波形信号大小变化与有功功率、无功功率变化的关系图，利用线性回归或多项式拟合方式，得到电流波形信号大小变化幅度与有功功率、无功功率的对应关系，并计算不同电流波形信号大小对应的功率补偿系数，并写入程序中。最后通过对功率的实时累加，求得电能量和电能量脉冲，实现对电能量脉冲的高精度计量，实验测试可得，该方法效果优于成本较高的AD芯片采样和直接移点法得到的电能量计量效果。

因此，为进一步优化上述实施例，步骤S104之后，还包括：

针对电流波形信号变化的动态范围，采用小颗粒度分段方式，测量不同电流波形信号大小情况下对应的有功功率和无功功率；

利用线性回归或多项式拟合方式，得到所述电流波形信号的大小变化幅度与有功功率和无功功率的对应关系；

基于所述对应关系计算不同电流波形信号大小对应的功率补偿系数；

基于所述功率补偿系统对所述电能量进行校准，得到目标电能量。

需要说明的是，本实施例中的目标电能量为高精度的电能量。

本发明解决了利用波形数据直接获得电压信号电流信号的频率以及相位差的问题，不再依赖于傅里叶变换的方式取，同时解决了相位补偿中数字滤波器法开发难度大，不适用于嵌入式等资源有限的硬件平台，移点法的补偿精度取决于采样频率的问题，提出了适用于嵌入式平台的高精度相位补偿方法，并利用线性回归或多项式拟合的方式，计算出大动态范围信号变化下的功率增益系数，从而保证高精度电能量计量。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。