能源計量數據采集和處理的準確度分析

馬磊磊,饒雪輝,陳文琳（新疆維吾爾自治區計量測試研究院 國家城市能源計量中心,烏魯木齊 830011）

能源計量數據采集和處理的準確度分析

馬磊磊,饒雪輝,陳文琳
（新疆維吾爾自治區計量測試研究院 國家城市能源計量中心,烏魯木齊 830011）

摘 要：通過對能源計量數據采集過程中采集準確度的分析，影響準確度的因素主要是計量器具本身的精度、采集器精度、環境因素（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源及解決方式。

關鍵詞：能源數據在線采集；采集器；A/D轉換；誤差分析

0 引言

隨著能源計量數據在線采集聯網工作的進行，諸多問題逐漸顯現出來，例如，在線采集設備的功能、精度以及采集設備的價格等都在影響著整項工作的推進。目前市場上采集器的種類繁多，精度也多樣化，如何選擇適合能源計量的高精度采集器對整項工作起著至關重要的作用。如果采集器精度達不到要求，對于采集到的數據也是無用的、不可信的。在規避人為因素和環境因素的條件下，如何選擇合適精度的采集器和合適的計量手段是采集數據準確性和整項工作順利進行的保障。采集器在整個能源監測平臺中處于最底層也是最重要的一個環節，因此，如何選擇或者研發高精度的采集器顯得越來越重要。

1 影響采集數據準確度的因素

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

（2）采集器Α/D轉換的精度。采集器中Α/D轉換芯片的轉換位數及采集頻率是影響采集器精度的重要因素。Α/D采樣系統已成為采集器系統中十分重要的組成部分，它的精度決定著閉環控制的精度，需要花大力氣去進行設計與研究，包括Α/D采樣系統的硬件設計要點，涉及到器件的各種參數的選擇等一系列相關問題，這些是高精度采樣系統設計的基礎。高精度的Α/D芯片需要綜合考慮其各種性能指標，主要包括分辨率、參考電源的穩定度、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)、長時間漂移誤差以及電源電壓變化誤差。針對具體的工作環境，選擇最合適的性能指標。下面從以下幾個方面來介紹影響Α/D轉換的誤差因素：

1）采集器中電源電壓VDD：在該Α/D轉換中，VDD電壓是造成Α/D轉換誤差的主要原因，如果使VDD電壓精度做到較高，則Α/D轉換誤差可以做到很小，在VDD電壓精度為0.5%情況下，實際的Α/D轉換誤差小于1%。對VDD造成的誤差，只能通過提高VDD電壓精度來解決，它相當于Α/D轉換的基準電壓。2）軟件產生的PWM占空比：若用于產生PWM的軟件設計不良，會使存放占空比的寄存器值與實際輸出的PWM占空比不一致，這會導致測量誤差。對于軟件中PWM設計不良導致的誤差，可修改軟件進行解決，實際使用中可從設計程序解決。3）RC濾波電路的紋波：在R1、C1取值不當的情況下，U1處的電壓紋波較大，并且延時時間不夠，會使Α/D轉換產生誤差，因此R1、C1取值不能太小，但太大又會影響Α/D轉換速度，推薦使用圖一中所示的R1、C1參數，在紋波合理的情況下，其轉換誤差也可通過軟件消除。對比較器及RC濾波電路的紋波導致的誤差，在軟件中可通過上、下檢測法進行消除，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記錄其Α/D轉換值，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記錄其Α/D轉換值，將兩次的Α/D轉換值進行平均，可有效地消除這兩種誤差。4）Α/D轉換的分辨率和頻率：Α/D轉換的位數越多，基本量化單位越小，轉換出的數字量的舍入誤差就越小，Α/D轉換的精度就越高。

（3）上位機軟件處理數據的準確度。上位機軟件在接收采集器上傳的的數據時，要經過解析和處理，在解析和處理的過程中，會存在數據的運算和分析，這也會對數據的準確性有影響。

（4）環境干擾。采集現場的電磁、溫濕度的干擾等都會影響采集精度，采集設備的安裝盡量遠離磁場強度較強的場所，環境溫濕度在采集器工作的范圍內。

（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方面是影響采集數據準確度的主要因素，具體組成結構如圖1所示：

圖1 影響因素組成結構圖

2 解決方案

（1）從計量器具本身入手：用能單位在配備計量器具時，首先計量器具的精度要符合GB17167的要求；其次，一定要配備帶標準數據接口方便后續在線采集（如RS484/RS232接口）。（2）從采集器入手：在做能源計量數據在線采集時，采集器的選擇首先應符合平臺的要求，能夠與平臺很好的對接；其次，采集器的采集精度、采集頻率應達到要求。無論是自己研發的采集器還是購買的采集器，都應該對采集器的性能尤其是采集數據的準確度格外加強注意。（3）從上位機軟件入手：上位機軟件是最終數據處理的終結點，所以軟件的性能與下位機采集器的數據傳輸對數據準確度起著至關重要的作用。（4）從改善采集器工作環境入手：采集器的工作環境盡量遠離強電磁、高溫/低溫、濕度較大的場所，適宜的環境對采集精度的保持是必不可少的。（5）從人為因素入手：用能單位應加強能源計量人員的培養，從技術、責任心等方面加強監管措施，形成在線采集制度化的管理文件，保障采集系統的穩定運行。

3 總結

通過對能源計量在線采集數據準確度的介紹，分析了影響采集數據準確度的5個關鍵因素，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。

參考文獻：

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