能源计量数据采集和处理的准确度分析

马磊磊,饶雪辉,陈文琳（新疆维吾尔自治区计量测试研究院 国家城市能源计量中心,乌鲁木齐 830011）

能源计量数据采集和处理的准确度分析

马磊磊,饶雪辉,陈文琳
（新疆维吾尔自治区计量测试研究院 国家城市能源计量中心,乌鲁木齐 830011）

摘 要：通过对能源计量数据采集过程中采集准确度的分析，影响准确度的因素主要是计量器具本身的精度、采集器精度、环境因素（供电电压、温湿度、电磁干扰等）、人为因素（故意损坏采集器、断电等）等，这些因素共同造成了采集的误差。本文着重从这几方面分析误差的来源及解决方式。

关键词：能源数据在线采集；采集器；A/D转换；误差分析

0 引言

随着能源计量数据在线采集联网工作的进行，诸多问题逐渐显现出来，例如，在线采集设备的功能、精度以及采集设备的价格等都在影响着整项工作的推进。目前市场上采集器的种类繁多，精度也多样化，如何选择适合能源计量的高精度采集器对整项工作起着至关重要的作用。如果采集器精度达不到要求，对于采集到的数据也是无用的、不可信的。在规避人为因素和环境因素的条件下，如何选择合适精度的采集器和合适的计量手段是采集数据准确性和整项工作顺利进行的保障。采集器在整个能源监测平台中处于最底层也是最重要的一个环节，因此，如何选择或者研发高精度的采集器显得越来越重要。

1 影响采集数据准确度的因素

（1）计量器具本身的精度。计量器具传感器本身的精度，如传感器、变送器的转换精度都是影响计量器具精度的主要因素。

（2）采集器Α/D转换的精度。采集器中Α/D转换芯片的转换位数及采集频率是影响采集器精度的重要因素。Α/D采样系统已成为采集器系统中十分重要的组成部分，它的精度决定着闭环控制的精度，需要花大力气去进行设计与研究，包括Α/D采样系统的硬件设计要点，涉及到器件的各种参数的选择等一系列相关问题，这些是高精度采样系统设计的基础。高精度的Α/D芯片需要综合考虑其各种性能指标，主要包括分辨率、参考电源的稳定度、压摆率、偏移误差、增益误差、线性度误差(积分非线性和微分非线性)、温度漂移误差(偏移误差漂移，增益漂移误差)、长时间漂移误差以及电源电压变化误差。针对具体的工作环境，选择最合适的性能指标。下面从以下几个方面来介绍影响Α/D转换的误差因素：

1）采集器中电源电压VDD：在该Α/D转换中，VDD电压是造成Α/D转换误差的主要原因，如果使VDD电压精度做到较高，则Α/D转换误差可以做到很小，在VDD电压精度为0.5%情况下，实际的Α/D转换误差小于1%。对VDD造成的误差，只能通过提高VDD电压精度来解决，它相当于Α/D转换的基准电压。2）软件产生的PWM占空比：若用于产生PWM的软件设计不良，会使存放占空比的寄存器值与实际输出的PWM占空比不一致，这会导致测量误差。对于软件中PWM设计不良导致的误差，可修改软件进行解决，实际使用中可从设计程序解决。3）RC滤波电路的纹波：在R1、C1取值不当的情况下，U1处的电压纹波较大，并且延时时间不够，会使Α/D转换产生误差，因此R1、C1取值不能太小，但太大又会影响Α/D转换速度，推荐使用图一中所示的R1、C1参数，在纹波合理的情况下，其转换误差也可通过软件消除。对比较器及RC滤波电路的纹波导致的误差，在软件中可通过上、下检测法进行消除，即先将PWM的占空比由小到大变化，使U1电压由低往高逐渐变化，在比较器输出端变化时记录其Α/D转换值，再将PWM的占空比由大到小变化，使U1电压由高到低变化，在比较器输出端变化时记录其Α/D转换值，将两次的Α/D转换值进行平均，可有效地消除这两种误差。4）Α/D转换的分辨率和频率：Α/D转换的位数越多，基本量化单位越小，转换出的数字量的舍入误差就越小，Α/D转换的精度就越高。

（3）上位机软件处理数据的准确度。上位机软件在接收采集器上传的的数据时，要经过解析和处理，在解析和处理的过程中，会存在数据的运算和分析，这也会对数据的准确性有影响。

（4）环境干扰。采集现场的电磁、温湿度的干扰等都会影响采集精度，采集设备的安装尽量远离磁场强度较强的场所，环境温湿度在采集器工作的范围内。

（5）人为因素。其次人为的因素也是造成误差较大的原因，如人为故意的损坏采集器，把采集器的电源拔掉等。

这5方面是影响采集数据准确度的主要因素，具体组成结构如图1所示：

图1 影响因素组成结构图

2 解决方案

（1）从计量器具本身入手：用能单位在配备计量器具时，首先计量器具的精度要符合GB17167的要求；其次，一定要配备带标准数据接口方便后续在线采集（如RS484/RS232接口）。（2）从采集器入手：在做能源计量数据在线采集时，采集器的选择首先应符合平台的要求，能够与平台很好的对接；其次，采集器的采集精度、采集频率应达到要求。无论是自己研发的采集器还是购买的采集器，都应该对采集器的性能尤其是采集数据的准确度格外加强注意。（3）从上位机软件入手：上位机软件是最终数据处理的终结点，所以软件的性能与下位机采集器的数据传输对数据准确度起着至关重要的作用。（4）从改善采集器工作环境入手：采集器的工作环境尽量远离强电磁、高温/低温、湿度较大的场所，适宜的环境对采集精度的保持是必不可少的。（5）从人为因素入手：用能单位应加强能源计量人员的培养，从技术、责任心等方面加强监管措施，形成在线采集制度化的管理文件，保障采集系统的稳定运行。

3 总结

通过对能源计量在线采集数据准确度的介绍，分析了影响采集数据准确度的5个关键因素，也从这几方面提出了需要考虑的因素，并提出了提高采集精度的解决方案。

参考文献：

[1]菲斯科技产品研发中心.MATLAB7辅助信号处理技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]刘明，徐洪波，宁国勤.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2006.

[3]薛天宇,孟庆昌,华正权.模数转换器应用技术[M].北京:科学出版社,2001.