馬磊磊,饒雪輝,陳文琳（新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院 國(guó)家城市能源計(jì)量中心,烏魯木齊 830011）

能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集和處理的準(zhǔn)確度分析

馬磊磊,饒雪輝,陳文琳
（新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院 國(guó)家城市能源計(jì)量中心,烏魯木齊 830011）

摘 要：通過(guò)對(duì)能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采集準(zhǔn)確度的分析，影響準(zhǔn)確度的因素主要是計(jì)量器具本身的精度、采集器精度、環(huán)境因素（供電電壓、溫濕度、電磁干擾等）、人為因素（故意損壞采集器、斷電等）等，這些因素共同造成了采集的誤差。本文著重從這幾方面分析誤差的來(lái)源及解決方式。

關(guān)鍵詞：能源數(shù)據(jù)在線采集；采集器；A/D轉(zhuǎn)換；誤差分析

0 引言

隨著能源計(jì)量數(shù)據(jù)在線采集聯(lián)網(wǎng)工作的進(jìn)行，諸多問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，例如，在線采集設(shè)備的功能、精度以及采集設(shè)備的價(jià)格等都在影響著整項(xiàng)工作的推進(jìn)。目前市場(chǎng)上采集器的種類繁多，精度也多樣化，如何選擇適合能源計(jì)量的高精度采集器對(duì)整項(xiàng)工作起著至關(guān)重要的作用。如果采集器精度達(dá)不到要求，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)也是無(wú)用的、不可信的。在規(guī)避人為因素和環(huán)境因素的條件下，如何選擇合適精度的采集器和合適的計(jì)量手段是采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和整項(xiàng)工作順利進(jìn)行的保障。采集器在整個(gè)能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)中處于最底層也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，如何選擇或者研發(fā)高精度的采集器顯得越來(lái)越重要。

1 影響采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的因素

（1）計(jì)量器具本身的精度。計(jì)量器具傳感器本身的精度，如傳感器、變送器的轉(zhuǎn)換精度都是影響計(jì)量器具精度的主要因素。

（2）采集器Α/D轉(zhuǎn)換的精度。采集器中Α/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)及采集頻率是影響采集器精度的重要因素。Α/D采樣系統(tǒng)已成為采集器系統(tǒng)中十分重要的組成部分，它的精度決定著閉環(huán)控制的精度，需要花大力氣去進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，包括Α/D采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，涉及到器件的各種參數(shù)的選擇等一系列相關(guān)問(wèn)題，這些是高精度采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。高精度的Α/D芯片需要綜合考慮其各種性能指標(biāo)，主要包括分辨率、參考電源的穩(wěn)定度、壓擺率、偏移誤差、增益誤差、線性度誤差(積分非線性和微分非線性)、溫度漂移誤差(偏移誤差漂移，增益漂移誤差)、長(zhǎng)時(shí)間漂移誤差以及電源電壓變化誤差。針對(duì)具體的工作環(huán)境，選擇最合適的性能指標(biāo)。下面從以下幾個(gè)方面來(lái)介紹影響Α/D轉(zhuǎn)換的誤差因素：

1）采集器中電源電壓VDD：在該Α/D轉(zhuǎn)換中，VDD電壓是造成Α/D轉(zhuǎn)換誤差的主要原因，如果使VDD電壓精度做到較高，則Α/D轉(zhuǎn)換誤差可以做到很小，在VDD電壓精度為0.5%情況下，實(shí)際的Α/D轉(zhuǎn)換誤差小于1%。對(duì)VDD造成的誤差，只能通過(guò)提高VDD電壓精度來(lái)解決，它相當(dāng)于Α/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。2）軟件產(chǎn)生的PWM占空比：若用于產(chǎn)生PWM的軟件設(shè)計(jì)不良，會(huì)使存放占空比的寄存器值與實(shí)際輸出的PWM占空比不一致，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。對(duì)于軟件中PWM設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致的誤差，可修改軟件進(jìn)行解決，實(shí)際使用中可從設(shè)計(jì)程序解決。3）RC濾波電路的紋波：在R1、C1取值不當(dāng)?shù)那闆r下，U1處的電壓紋波較大，并且延時(shí)時(shí)間不夠，會(huì)使Α/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差，因此R1、C1取值不能太小，但太大又會(huì)影響Α/D轉(zhuǎn)換速度，推薦使用圖一中所示的R1、C1參數(shù)，在紋波合理的情況下，其轉(zhuǎn)換誤差也可通過(guò)軟件消除。對(duì)比較器及RC濾波電路的紋波導(dǎo)致的誤差，在軟件中可通過(guò)上、下檢測(cè)法進(jìn)行消除，即先將PWM的占空比由小到大變化，使U1電壓由低往高逐漸變化，在比較器輸出端變化時(shí)記錄其Α/D轉(zhuǎn)換值，再將PWM的占空比由大到小變化，使U1電壓由高到低變化，在比較器輸出端變化時(shí)記錄其Α/D轉(zhuǎn)換值，將兩次的Α/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行平均，可有效地消除這兩種誤差。4）Α/D轉(zhuǎn)換的分辨率和頻率：Α/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，基本量化單位越小，轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量的舍入誤差就越小，Α/D轉(zhuǎn)換的精度就越高。

（3）上位機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。上位機(jī)軟件在接收采集器上傳的的數(shù)據(jù)時(shí)，要經(jīng)過(guò)解析和處理，在解析和處理的過(guò)程中，會(huì)存在數(shù)據(jù)的運(yùn)算和分析，這也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有影響。

（4）環(huán)境干擾。采集現(xiàn)場(chǎng)的電磁、溫濕度的干擾等都會(huì)影響采集精度，采集設(shè)備的安裝盡量遠(yuǎn)離磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的場(chǎng)所，環(huán)境溫濕度在采集器工作的范圍內(nèi)。

（5）人為因素。其次人為的因素也是造成誤差較大的原因，如人為故意的損壞采集器，把采集器的電源拔掉等。

這5方面是影響采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的主要因素，具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 影響因素組成結(jié)構(gòu)圖

2 解決方案

（1）從計(jì)量器具本身入手：用能單位在配備計(jì)量器具時(shí)，首先計(jì)量器具的精度要符合GB17167的要求；其次，一定要配備帶標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口方便后續(xù)在線采集（如RS484/RS232接口）。（2）從采集器入手：在做能源計(jì)量數(shù)據(jù)在線采集時(shí)，采集器的選擇首先應(yīng)符合平臺(tái)的要求，能夠與平臺(tái)很好的對(duì)接；其次，采集器的采集精度、采集頻率應(yīng)達(dá)到要求。無(wú)論是自己研發(fā)的采集器還是購(gòu)買的采集器，都應(yīng)該對(duì)采集器的性能尤其是采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度格外加強(qiáng)注意。（3）從上位機(jī)軟件入手：上位機(jī)軟件是最終數(shù)據(jù)處理的終結(jié)點(diǎn)，所以軟件的性能與下位機(jī)采集器的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度起著至關(guān)重要的作用。（4）從改善采集器工作環(huán)境入手：采集器的工作環(huán)境盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁、高溫/低溫、濕度較大的場(chǎng)所，適宜的環(huán)境對(duì)采集精度的保持是必不可少的。（5）從人為因素入手：用能單位應(yīng)加強(qiáng)能源計(jì)量人員的培養(yǎng)，從技術(shù)、責(zé)任心等方面加強(qiáng)監(jiān)管措施，形成在線采集制度化的管理文件，保障采集系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)能源計(jì)量在線采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的介紹，分析了影響采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的5個(gè)關(guān)鍵因素，也從這幾方面提出了需要考慮的因素，并提出了提高采集精度的解決方案。

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