CN101109776A - 电能计量集成电路芯片增益自动控制方法 - Google Patents

电能计量集成电路芯片增益自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，用《深返回系数》原理，将电能计量集成电路芯片IC采集到的电流回路范围的信号，分为大电流Ⅰ和小电流Ⅱ两段，CPU在大电流Ⅰ和小电流Ⅱ两段对电能计量集成电路芯片IC配置不同的增益，使大、小电流信号全部落在电能计量集成电路芯片IC的小电流动态工作范围内，从而使IC芯片实际应用的线性度提高3倍。实际上起着一块IC芯片当作二块使用的作用，一种是运行在低增益状态，另一种是运行在高增益状态。而切换增益的控制信号来自于电流或电量脉冲。

Description

电能计量集成电路芯片增益自动控制方法
技术领域
本发明涉及电子式电能表领域，具体地说是一种电能计量集成电路芯片增益自动控制方法。
背景技术
1.电子式电能表与IC芯片
目前国内外生产的0.2级以下电子式电能表多数以电能计量集成电路芯片(简称IC芯片)为核心，辅助以单片机、外围电路、壳体等组成电子式电能表。因此该电能表的主要技术特性很大程度是依赖于IC芯片的技术指标。如电能表的负载特性(过载倍数)取决于IC芯片的线性度指标。市场上提供的国内外生产的IC芯片(ADE7755、5460、ATT7022等)线性度均为1-1000。从理论上讲，电能表的过载倍数只能在10倍以内，因此在市场上供应的电能表以4-6倍为多数，如1.5(6)A、5(30)A等。
2.市场的需求
随着国民经济发展，工农业用电和居民生活用电量大幅上升。首先看工业用电，处于市场经济的条件下，工厂的用电量受到销售额度牵制，生产旺季与淡季的用电量相差数百倍，这样一般负载特性的电能表很难适应这种特殊的计量要求，所以在高负载状态下，往往由于电流过大，超出其线性工作范围而丢失电量，使电力企业受到不应有的经济损失。其次看居民生活用电，从电灯、冰箱、电视机发展到电热水器、消毒柜、电脑、多台空调、电气化厨房等，电流从5-10A，发展到50A以上。原来安装的5(20)A的电能表已不能适应要求，供电企业不及时换表，将丢失大量电量甚至由于表计过载发生火灾事故。最者，近几年来出现的电气化铁路，电气机车频繁地启、停给电网带来了巨大的冲击电流，中频冶炼、冲压加工、电动机启动、电阻性负载的冷投入等，都将产生巨大的冲击电流，这些电流是其额定电流的5-10倍，其幅度值远远的超出计量电能表的线性工作区域，使这部分电量白白地流失。尤其是用目前的表计计量电气化铁路、中频冶炼类用户的电量，比用电设备出厂名牌耗电量少10％-30％已不是什么新闻。
3.技术发展动向
由于电力企业急需高过载倍数(宽负载特性)电能表，弥补由于技术不完善所带来的经济损失，实现用户“增容不换表”的理想，防止国有资产流失。所以国内外电能表制造企业都在研究、开发高过载倍数电能表。国外进口的电能表中，以10倍表[1(10)A]为主，亦有少数厂商提供过载20倍的样机，但价格高昂。
发明内容
本发明要解决的是现有产品技术上存在的上述问题，旨在利用现有1-1000线性度的IC芯片，设计出过载倍数为25-30倍的电能表。
解决上述问题采用的技术方案是：电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于将电能计量集成电路芯片(IC)采集到的电流回路范围的信号，分为大电流I和小电流II两段，CPU在大电流I和小电流II两段对电能计量集成电路芯片(IC)配置不同的增益，使大、小电流信号全部落在电能计量集成电路芯片(IC)的小电流动态工作范围内。
由于电能计量集成电路芯片IC芯片的技术指标是无法改变的，本技术是借助于电能表内的单片机，用《深返回系数》原理，根据不同数值的电流通过CPU对电能计量集成电路芯片IC芯片设置不同的增益(即放大器倍数)，使大、小电流信号全部落在IC芯片1-1000的动态工作范围内，从而使IC芯片实际应用的线性度提高3倍以上。实际上起着一块IC芯片当作二块使用的作用，一种是运行在低增益状态，另一种是运行在高增益状态。而自动切换增益的控制信号来自于电流或电量脉冲。
根据本发明，对于所述的电能计量集成电路芯片IC为5460或ATT7022等输出端有电流模拟量信息的芯片，所述的两段电流值有交集，按以下步骤进行：
(1)CPU每2-3秒，读取电能计量集成电路芯片(IC)的电流值；
(2)CPU对读取的电流值进行判断：如果I≥A1，将电能计量集成电路芯
片(IC)的增益设置为低增益；如果I≤A2，将电能计量集成电路芯
片(IC)的增益设置为高增益；如果A1＞I＞A2，原增益设置维持不变；
其中，I表示实测电流值，A1表示小电流段II的上限值，A2表示
大电流段I的下限值。
小电流段II的上限值A1＝1.5～1.8Ib，大电流段I的下限值A2＝7～9Ib，式中Ib表示电能表的标定电流。
根据本发明，对于所述的电能计量集成电路芯片(IC)为ADE7755等的输出端有正比于功率的高、低频脉冲信息的芯片，在CPU中建立两个可预置数的计数器，用于记录由电能计量集成电路芯片(IC)输出的高频脉冲PH数；所述的两段电流值有交集，并按以下步骤进行：
(1)计数器定时记录电能计量集成电路芯片(IC)输出的高频脉冲数；
(2)到达设置的时间后，计数器停止计数，当脉冲数计录到等于或大于预置脉冲数时，计数器输出端电平由低电平翻转为高电平；
(3)CPU读计数器输出端电平，并作智能判断：如果两个计数器的输出端电平均为高电平，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为低增益；如果两个计数器的输出端电平均为低电平，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为高增益；如果两个计数器的输出端电平为一个高电平和一个低电平，原增益设置维持不变；
(4)计数器清零后重复上述步骤。
所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于第一计数器的预置脉冲数N1＝1.5～1.8Fb，第二计数器的预置脉冲数N2＝3.5～4.5Fb，其中Fb为电能表在标定功率的条件下，电能计量集成电路芯片(IC)的输出频率。所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于高增益设置数与低增益设置数的比例为4∶1。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是《深返回系数》原理图。
图2是模拟输入实施方式的增益设置流程图。
图3是脉冲输入实施方式的增益设置流程图。
具体实施方式
实施例一
参照图1，电能计量集成电路芯片(IC)为5460或ATT7022，小电流段II的上限值A1＝1.5～1.8Ib，大电流段I的下限值A2＝7～9Ib，其中Ib表示电能表的标定电流，这样两段电流值有交集。
参照图2，按以下步骤进行增益控制：
(1)CPU每2-3秒，读取5460或ATT7022的电流值；
(2)CPU根据表(1)，对读取的电流值进行智能判断：如果I≥A1，将电
能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为低增益；如果I≤A2，将电
能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为高增益；如果A1＞I＞A2，增
益设置不变；
CPU判断真值表(电流)    表(1)
    电流I     I≥A1    A1＞I＞A2     I≤A2
    增益设置     I    不变     II
其中，I表示实测电流值，A1表示小电流段II的上限值，A2表示大电流段I的下限值。
从表(1)中可以看出，电能表实际运行电流在A1与A2之间，增益维持不变，(如附图(1)中，I段增益与II段增益的重合部分，即深返回系数区域)，这是《深返回系数》原理在应用中的具体表现。A1、A2的差值越大，返回系数越深，IC芯片增益设置切换的频率也就越低。
因此，本实施例的返回系数γ＝A2/A1＝4.0～4.5。理论上，当γ≥2时，称深返回系数。
实施例二
1、设计条件
芯片型号：美国ADI公司，ADE7755，线性度：1～1000
设计产品：单相电能表，220V 3(75)A过载25倍(三相表原理同)电流回路采用：20(80)A锰铜电阻。
芯片说明：目前国内95％以上的单相电能表的生产都使用ADE7755，累计用量已超过1000万片，三相电能表中已有10％左右在使用ADE7755，所以本实例选择ADE7755是考虑对现实设计、生产的指导意义。
2、条件分析
1)因为ADE7755芯片没有电流模拟量输出，所以借用功率高频脉冲(PH)作为信息采取源；
2)为了保证产品质量，取极限过载功率WJ1为额定功率Wb的30倍，即在30Ib时，表计仍保证准确计量(极限过载倍数为30倍)。
3、计算
1)求极限过载功率WJ1和限限过载电流IJ1
为了保证电能表在30Ib状况下误差合格，所以此时必须保证IC芯片运行在1-1000的线性范围之内，因此WJ1按30Wb考虑。
WJ1＝30Wb＝30×220V×3A＝19800W
取整数WJ1＝20000W，设定此时输出频率FJ＝2000C/S
IJ1＝WJ1/U＝20000W/220V＝90.91A
2)求I段增益切换点N1的功率WN1和电流IN1
试验证明，IC芯片在10-1000范围内，曲线很平坦，误差在0.05％以内。本例采用WN1＝WJ1/20的算式，是保证IC芯片在I段的最低运行点在20，如果要增大返回系数，亦可选择10，但是不宜低于10。
WN1＝WJ1/20＝20000W/20＝1000W
IN1＝WN1/U＝1000W/220V＝4.55A
3)求II段增益切换点N2的功率WN2和电流IN2
考虑II段增益比I段扩大4倍，所以取WN2＝WJ1/4的算式。如果要想再扩大增益，亦可用WJ1/8，但不宜太大，同时，输出脉冲常数亦作相应的改变。
WN2＝WJ1/4＝20000W/4＝5000W
IJ2＝WN2/U＝5000W/220V＝22.73A
4)求II段增益切换点WN2和电流IN2
本例取返回系数γ＝2.3(必须大于2)，这是考虑电能表可能运行在低功率因数状态下，规程是要考核COS＝0.5状态下的误差，如果γ选择的太大，WN2也同时增大，但在低功率因数下，此点的电流可能超出IC芯片的线性工作区域。
WN2＝γWN1＝2.3×1000W＝2300W
注：取返回系数γ＝2.3
IN2＝WN2/U＝2300W/220V＝10.45A
5)核算cos＝0.5时，II段切换电流IN2是否超出线性工作区域
IN2＝IN2/cos＝10.45/0.5＝20.9A
IN2＜IJ2＝22.73
所以核算通过
6)计算参数汇总表
设计参数一览表    表2
 电流(A)   功率(W)   输出频率(C/S)     线性区域(1000W/Wmax)
 I   I/Ib     I     II
 90.91   30.3   20000   2000     1000     /
 75   25   16500   1650     825     /
 22.73   7.58   5000   500     250     1000
 10.45   3.48   2300   230     115     460**N2
 4.55   1.52   1000   100     50*N1     200
 3   1   660   66     /     132
 0.3   0.1   66   6.6     /     13.2
 0.06   0.02   13.2   1.3     /     2.6
 0.03   0.01   6.6   0.7     /     1.3
注：
*增益I最低运行点，I段工作区域：50-825
**增益II最高运行点，COS＝1.0时，运行区域：2.6-460
COS＝0.5时，运行区域：5.2-920
4、增益控制的方法步骤
参照图3，按以下步骤进行：
(1)计数器1#、2#定时记录ADE7755输出的高频脉冲PH数；
(2)到达设置的时间后，计数器1#、2#停止计数，当脉冲数计录到等于或大于预置脉冲数N1、N2时，计数器输出端电平由低电平翻转为高电平；
(3)CPU根据表(3)，对读取的计数器输出端电平作智能判断：如果两个计数器1#、2#的输出端电平均为高电平，将ADE7755的增益设置为低增益；如果两个计数器1#、2#的输出端电平均为低电平，将ADE7755的增益设置为高增益；如果两个计数器1#、2#的输出端电平为一个高电平和一个低电平，增益设置不变；
CPU判断真值表(电平)    表(3)
    计数器     1#     2#     增益设置
计数器输出状态     1     1     I
    0     1     不变
    0     0     II
(4)计数器1#、2#清零后重复上述步骤。
计数器的启、停、清零由秒脉冲控制，工作流程为：
Figure A20071007092900101
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于将电能计量集成电路芯片(IC)采集到的电流回路范围的信号，分为大电流(I)和小电流(II)两段，CPU在大电流(I)和小电流(II)两段对电能计量集成电路芯片(IC)配置不同的增益，使大、小电流信号全部落在电能计量集成电路芯片(IC)的小电流动态工作范围内。
2.如权利要求1所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于所述的电能计量集成电路芯片(IC)输出端有电流模拟量信息，所述的两段电流值有交集，并按以下步骤进行：
(1)CPU每2-3秒，读取电能计量集成电路芯片(IC)的电流值；
(2)CPU对读取的电流值进行判断：如果I≥A1，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为低增益；如果I≤A2，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为高增益；如果A1＞I＞A2，增益设置不变；
其中，I表示实测电流值，A1表示小电流段(II)的上限值，A2表示大电流段(I)的下限值。
3.如权利要求2所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于小电流段(II)的上限值A1＝1.5～1.8Ib，大电流段(I)的下限值A2＝7～9Ib，式中Ib表示电能表的标定电流。
4.如权利要求1～3任何一项所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于所述的电能计量集成电路芯片(IC)为5460或ATT7022。
5.如权利要求1所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于所述的电能计量集成电路芯片(IC)输出端有正比于功率的高、低频脉冲信息，在CPU中建立两个可预置数的计数器(1#、2#)，用于记录由电能计量集成电路芯片(IC)输出的高频脉冲(PH)数；所述的两段电流值有交集，并按以下步骤进行：
(1)计数器(1#、2#)定时记录电能计量集成电路芯片(IC)输出的高频脉冲(PH)数；
(2)到达设置的时间后，计数器(1#、2#)停止计数，当脉冲数计录到等于或大于预置脉冲数(N1、N2)时，计数器输出端电平由低电平翻转为高电平；
(3)CPU读计数器输出端电平，并作智能判断：如果两个计数器(1#、2#)的输出端电平均为高电平，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为低增益；如果两个计数器(1#、2#)的输出端电平均为低电平，将电能计量集成电路芯片(IC)的增益设置为高增益；如果两个计数器(1#、2#)的输出端电平为一个高电平和一个低电平，原增益设置维持不变；
(4)计数器(1#、2#)清零后重复上述步骤。
6.如权利要求5所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于第一计数器(1#)的预置脉冲数N1＝1.5～1.8Fb，第二计数器(2#)的预置脉冲数N2＝3.5～4.5Fb，其中Fb为电能表在标定功率的条件下，电能计量集成电路芯片(IC)的输出频率。
7.如权利要求6所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于高增益设置数与低增益设置数的比例为4∶1。
8.如权利要求5～7任何一项所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于所述的电能计量集成电路芯片(IC)为ADE7755。
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