本發(fā)明涉及建模仿真領域，尤其涉及一種電能表計量電路的仿真方法及裝置。

背景技術：

智能電能表是建立全國范圍智能電網的重要設備，其電能計量準確性直接關系用戶和國家電網的切身利益。智能電能表的計量電路可以分為模擬電路和數字電路兩個部分。目前，對電能表進行的仿真分析只針對其中一個部分，并且仿真時很少考慮電能表實際計量芯片內部A/D轉換等電路工作原理和有功功率等參數數字化計算方法。這會使得電能表計量電路仿真結果不能準確反映其實際計量情況，進而影響電能表設計結果。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于，解決目前電能表仿真過程中無法應用單一仿真軟件同時滿足對于電表工作過程中的數字過程和模擬過程準確仿真的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種智能電能表計量電路的仿真方法，包括：獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數；根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型；根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型；使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型；運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，并計算所述電能表計量電路的仿真結果。

進一步地，所述獲取電能表的A/D轉換電路的參數，并根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型的步驟包括：獲取所述電能表的A/D轉換電路的標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率；根據所述標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率，使用MATLAB語言構造A/D轉換電路的數字電路模型，并設置所述數字電路模型的電壓放大倍數、火線電流放大倍數、零線電流放大倍數。

進一步地，所述根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型的步驟包括：設置正弦電壓源、正弦電流源；通過搭建電阻串聯分壓網絡與無源濾波電路，建立電網電壓采樣電路并采集電網電壓采樣電路；通過搭建電阻串聯分壓網絡并將錳銅片設置成理想電阻，建立火線電流采樣電路并采集火線電流采樣信號；通過選擇并設定Current Sensor模塊，搭建相應的電阻串聯分壓網絡，建立零線電流采樣電路并采集零線電流采樣信號；根據所述電能表的原理圖連接所述電網電壓采樣電路、火線電流采樣電路以及零線電流采樣電路、正弦電壓源以及正弦電流源，建立所述模擬電路模型。

進一步地，所述運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真包括：將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號發(fā)送給所述Simulink軟件中的所述數字電路模型；將電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式離散化，得到離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式；將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號分別代入所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式，計算電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率，并將結果發(fā)送給所述Saber軟件中的所述模擬電路模型；設置所述Simulink軟件與Saber軟件的仿真步長，對所述聯合仿真模型進行聯合仿真。

進一步地，所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式為：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；I_RMS為電流有效值；U_RMS為電壓有效值；u(t)為瞬時電壓；i(t)為瞬時電流；u(k)為瞬時電壓采樣值；i(k)為瞬時電流采樣值；T為電壓電流信號周期；N為一個基波周期內的采樣次數；Δt為采樣時間間隔。

為了達到上述目的，還提出了一種電能表計量電路的仿真裝置，包括：原理圖與參數獲取模塊，用于獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數；數字電路模型建立模塊，用于根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型；模擬電路模型建立模塊，用于根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型；聯合仿真模型建立模塊，用于使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型；仿真運行模塊，用于運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，并計算所述電能表計量電路的仿真結果。

進一步地，所述數字電路模型建立模塊包括：參數獲取模塊，用于獲取所述電能表的A/D轉換電路的標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率；數字模型構造模塊，用于根據所述標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率，使用MATLAB語言構造A/D轉換電路的數字電路模型，并設置所述數字電路模型的電壓放大倍數、火線電流放大倍數、零線電流放大倍數。

進一步地，所述模擬電路模型建立模塊包括：信號激勵設置模塊，用于設置正弦電壓源、正弦電流源；電壓采樣電路建立模塊，用于通過搭建電阻串聯分壓網絡與無源濾波電路，建立電網電壓采樣電路并采集電網電壓采樣電路；火線電流采樣電路建立模塊，用于通過搭建電阻串聯分壓網絡并將錳銅片設置成理想電阻，建立火線電流采樣電路并采集火線電流采樣信號；零線電流采樣電路建立模塊，用于通過選擇并設定Current Sensor模塊，搭建相應的電阻串聯分壓網絡，建立零線電流采樣電路并采集零線電流采樣信號；模擬模型建立模塊，用于根據所述電能表的原理圖連接所述電網電壓采樣電路、火線電流采樣電路以及零線電流采樣電路、正弦電壓源以及正弦電流源，建立模擬電路模型。

進一步地，所述仿真運行模塊包括：信號發(fā)送模塊，用于將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號發(fā)送給所述Simulink軟件中的所述數字電路模型；公式離散化模塊，用于將電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式離散化，得到離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式；信號計算模塊，用于將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號分別代入所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式，計算電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率，并將結果發(fā)送給所述Saber軟件中的所述模擬電路模型；聯合仿真模塊，用于設置所述Simulink軟件與Saber軟件的仿真步長，對所述聯合仿真模型進行聯合仿真。

進一步地，所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式為：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；I_RMS為電流有效值；U_RMS為電壓有效值；u(t)為瞬時電壓；i(t)為瞬時電流；u(k)為瞬時電壓采樣值；i(k)為瞬時電流采樣值；T為電壓電流信號周期；N為一個基波周期內的采樣次數；Δt為采樣時間間隔。

本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真方法及裝置，通過用Saber仿真平臺進行模擬電路的仿真，并結合Simulink在軟件控制算法方面的優(yōu)勢來模擬計量過程中的數字過程，使用SaberCosim模塊將兩個軟件的數據進行交換傳遞，實現了仿真軟件之間的優(yōu)勢互補，使得對智能電表計量過程的模擬更加準確。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例的Saber-Simulink聯合仿真原理圖。

圖3為本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真裝置的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的數字電路模型建立模塊的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的模擬電路模型建立模塊的結構示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例的仿真運行模塊的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真方法的流程圖，如圖1所示，本實施例提出的電能表計量電路的仿真方法，包括：

S100，獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數；

S200，根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型；

S300，根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型；

S400，使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型；

S500，運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，并計算所述電能表計量電路的仿真結果。

在步驟S100中，獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數。電能表的電路部分由A/D轉換電路與模擬電路兩部分構成，本領域技術人員可以自行獲取電能表的原理圖，并根據電能表中所用到的計量芯片的芯片手冊確定A/D轉換電路的參數，這些參數的獲取方式可以通過測量實物或者查閱相關資料。該參數包括標準電壓、寄存器位數、數據更新頻率。

在步驟S200中，根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型。本領域技術人員使用Matlab語言構造數字電路模型的M-Function模塊，該M-Function模塊對照逐次比較型A/D轉換電路算法使建立的數字電路模型實現模擬量到數字量的轉換。由此，即可以完成對電能表數字電路的仿真模型的建立。

在步驟S200具體實施過程中，獲取電能表的A/D轉換電路的參數，并根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型的步驟包括：獲取所述電能表的A/D轉換電路的標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率；根據所述標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率，使用MATLAB語言構造A/D轉換電路的數字電路模型，并設置所述數字電路模型的電壓放大倍數、火線電流放大倍數、零線電流放大倍數。

在步驟S300中，根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型。根據在步驟S100中已經獲得的電能表的原理圖，將原理圖的模擬電路部分在Saber軟件中進行搭建，從而完成模擬電路模型。

在步驟S300具體實施過程中，根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型的步驟包括：

步驟S310，設置正弦電壓源、正弦電流源。根據所述智能電表原理分析，用正弦電壓源模擬電網電壓，用正弦電流源模擬火線與零線電流。

步驟S320，通過搭建電阻串聯分壓網絡與無源濾波電路，建立電網電壓采樣電路并采集電網電壓采樣電路，采用多級電阻分壓的方式提取采樣信號，并加入無源濾波電路。

步驟S330，通過搭建電阻串聯分壓網絡并將錳銅片設置成理想電阻，建立火線電流采樣電路并采集火線電流采樣信號，對于火線電流采樣電路，根據所述智能電表原理圖，將其計量關鍵元器件錳銅片設置成理想電阻，并搭建相應的電阻分壓網絡。

步驟S340，通過選擇并設定Current Sensor模塊，搭建相應的電阻串聯分壓網絡，建立零線電流采樣電路并采集零線電流采樣信號，對于零線電流采樣電路，通過選擇Current Sensor模塊設定合適的變化，得到小電流信號，搭建相應電阻分壓網絡；

步驟S350，根據所述電能表的原理圖連接所述電網電壓采樣電路、火線電流采樣電路以及零線電流采樣電路、正弦電壓源以及正弦電流源，建立所述模擬電路模型。

步驟S360，根據所述電能表的原理圖連接所述電網電壓采樣電路、火線電流采樣電路以及零線電流采樣電路、正弦電壓源以及正弦電流源，建立模擬電路模型。

在步驟S400中，使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型。由于數字電路模型的建立是在Simulink軟件中，模擬電路模型的建立是在Saber軟件中，使用SaberCosim軟件作為以上兩款軟件的接口軟件，用以數字電路模型與模擬電路模型的數據。對步驟S200、步驟S300已經建立好的數字電路模型與模擬電路模型進行連接，構建聯合仿真模型。完成聯合仿真模型的構建后，進入步驟S500，運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，并計算所述電能表計量電路的仿真結果。

在步驟S400具體實施過程中，使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型。

首先，將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號發(fā)送給所述Simulink軟件中的所述數字電路模型；

然后，將電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式離散化，得到離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式。該公式為：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；I_RMS為電流有效值；U_RMS為電壓有效值；u(t)為瞬時電壓；i(t)為瞬時電流；u(k)為瞬時電壓采樣值；i(k)為瞬時電流采樣值；T為電壓電流信號周期；N為一個基波周期內的采樣次數；Δt為采樣時間間隔。

最后，將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號分別代入所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式，計算電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率，并將結果發(fā)送給所述Saber軟件中的所述模擬電路模型；設置所述Simulink軟件與Saber軟件的仿真步長，對所述聯合仿真模型進行聯合仿真。

在此需要說明的是，雖然以上對實施方式的闡述按照步驟順序進行說明的，但并不代表必須按照以上順序才能實現本發(fā)明的仿真方法，本發(fā)明對各個步驟實施的先后順序不做限定。

圖2為本發(fā)明實施例的Saber-Simulink聯合仿真原理圖，結合圖1與圖2，對本發(fā)明的電能表計量電路的仿真方法做進一步說明。參考圖2所示，電能表計量電路的仿真模型主要分為三部分：模擬電路部分、數字電路部分以及仿真接口。數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型，其中，模擬電路部分包括：錳銅分流器等效模型、電流互感器等效模型、電阻分壓網絡以及模擬信號激勵；數字電路部分包括：計量芯片Simulink模型、微控制器Simulink模型。仿真接口為Saber-MATLAB/Simulink仿真接口。

在獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數后，首先使用A/D轉換電路的參數搭建數字電路模型，其中，計量芯片Simulink模型與微控制器Simulink模型共同組成了數字電路模型，根據所述標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率，使用MATLAB語言構造Simulink模型與微控制器Simulink模型，并設置所述數字電路模型的電壓放大倍數、火線電流放大倍數、零線電流放大倍數；然后使用電能表原理圖構建模擬電路模型。其中，設置正弦電壓源、正弦電流源作為模擬信號激勵，用來模擬電網電壓以及電流，建立錳銅分流器等效模型，用來模擬電表中的錳銅片電流采樣部分；根據原理圖設置電流互感器等效模型，用來模擬電能表中的電流互感器電流采樣部分；構建電阻分壓網絡作為電網電壓采樣電路，用來模擬電表中多級電阻分壓采樣電路部分。完成數字電路模型與模擬電路模型的搭建后，通過設置Saber-MATLAB/Simulink為仿真接口，實現數字電路模型與模擬電路模型的數據連接。

完成電能表聯合仿真模型后，運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，具體數據的傳輸順序如下：模擬電路模型通過Saber-MATLAB/Simulink仿真接口將測量到的電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號傳輸給數字電路模型。接下來數字電路模型中的計量芯片Simulink模型對電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式離散化，然后將電網電壓采樣信號的電壓值、火線電流采樣信號的電流值與零線電流采樣信號的電流值代入離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式，得到電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率，再將該些參數通過Saber-MATLAB/Simulink仿真接口返回給模擬電路模型并對計算用的數據進行更新。以此重復上述的過程，以設定的Simulink及Saber的仿真步長進行運算仿真，直至到達設定的迭代步數或者收斂條件，從而完成能表計量電路的仿真。在此說明，電能表聯合仿真模型中的數字電路模型與模擬電路模型在進行仿真的過程中，計算數據的傳輸不限于上述兩模型的數據傳輸順序。

在介紹了本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真方法之后，接下來，對本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真裝置進行介紹。該裝置的實施可以參見上述方法的實施，重復之處不再贅述。以下所使用的術語“模塊”、“單元”，可以是實現預定功能的軟件和/或硬件。

圖3為本發(fā)明實施例的電能表計量電路的仿真裝置的結構示意圖，如圖3所示，一種電能表計量電路的仿真裝置，包括：原理圖與參數獲取模塊100，用于獲取電能表的原理圖與A/D轉換電路的參數；數字電路模型建立模塊200，用于根據所述參數在Simulink軟件中建立A/D轉換電路的數字電路模型；模擬電路模型建立模塊300，用于根據所述電能表的原理圖，在Saber軟件中建立模擬電路模型；聯合仿真模型建立模塊400，用于使用所述Saber軟件中的SaberCosim模塊對Simulink軟件中的所述數字電路模型與Saber軟件中所述模擬電路模型進行數據連接，所述數字電路模型與模擬電路模型共同組成聯合仿真模型；仿真運行模塊500，用于運行所述Saber軟件對所述聯合仿真模型進行聯合仿真，并計算所述電能表計量電路的仿真結果。

在具體實施過程中，圖4為本發(fā)明實施例的數字電路模型建立模塊的結構示意圖，如圖4所示，所述數字電路模型建立模塊200包括：參數獲取模塊210，用于獲取所述電能表的A/D轉換電路的標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率；數字模型構造模塊220，用于根據所述標準電壓、寄存器位數以及數據更新頻率，使用MATLAB語言構造A/D轉換電路的數字電路模型，并設置所述數字電路模型的電壓放大倍數、火線電流放大倍數、零線電流放大倍數。

在具體實施過程中，圖5為本發(fā)明實施例的模擬電路模型建立模塊的結構示意圖，如圖5所示，所述模擬電路模型建立模塊300包括：信號激勵設置模塊310，用于設置正弦電壓源、正弦電流源；電壓采樣電路建立模塊320，用于通過搭建電阻串聯分壓網絡與無源濾波電路，建立電網電壓采樣電路并采集電網電壓采樣電路；火線電流采樣電路建立模塊330，用于通過搭建電阻串聯分壓網絡并將錳銅片設置成理想電阻，建立火線電流采樣電路并采集火線電流采樣信號；零線電流采樣電路建立模塊340，用于通過選擇并設定Current Sensor模塊，搭建相應的電阻串聯分壓網絡，建立零線電流采樣電路并采集零線電流采樣信號；模擬模型建立模塊350，用于根據所述電能表的原理圖連接所述電網電壓采樣電路、火線電流采樣電路以及零線電流采樣電路、正弦電壓源以及正弦電流源，建立模擬電路模型。

在具體實施過程中，圖6為本發(fā)明實施例的仿真運行模塊的結構示意圖，如圖6所示，所述仿真運行模塊500包括：信號發(fā)送模塊510，用于將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號發(fā)送給所述Simulink軟件中的所述數字電路模型；公式離散化模塊520，用于將電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式離散化，得到離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式；信號計算模塊530，用于將所述電網電壓采樣信號、火線電流采樣信號與零線電流采樣信號分別代入所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式，計算電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率，并將結果發(fā)送給所述Saber軟件中的所述模擬電路模型；聯合仿真模塊540，用于設置所述Simulink軟件與Saber軟件的仿真步長，對所述聯合仿真模型進行聯合仿真。

在具體實施過程中，所述離散化后的電壓有效值、電流有效值、有功功率以及無功功率的計算公式為：

式中：P為有功功率；Q為無功功率；I_RMS為電流有效值；U_RMS為電壓有效值；u(t)為瞬時電壓；i(t)為瞬時電流；u(k)為瞬時電壓采樣值；i(k)為瞬時電流采樣值；T為電壓電流信號周期；N為一個基波周期內的采樣次數；Δt為采樣時間間隔。

本發(fā)明的電能表計量電路的仿真方法及裝置的實施例，通過用Saber仿真平臺進行模擬電路的仿真，并結合Simulink在軟件控制算法方面的優(yōu)勢來模擬計量過程中的數字過程，使用SaberCosim模塊將兩個軟件的數據進行交換傳遞，實現了仿真軟件之間的優(yōu)勢互補，使得對智能電表計量過程的模擬更加準確。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。