CN101109776B

CN101109776B - 电能计量集成电路芯片增益自动控制方法

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Publication number: CN101109776B
Application number: CN200710070929A
Authority: CN
Inventors: 俞盛荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: CN101109776A

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，所述的两段电流值有交集。

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＝1.5～1.8I_b，大电流段I的下限值A₂＝7～9I_b，式中I_b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P_H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＝1.5～1.8F_b，第二计数器的预置脉冲数N₂＝3.5～4.5F_b，其中F_b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＝1.5～1.8I_b，大电流段I的下限值A₂＝7～9I_b，其中I_b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

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(P_H)作为信息采取源；

2)为了保证产品质量，取极限过载功率W_J1为额定功率W_b的30倍，即在30I_b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W_J1和限限过载电流I_J1

为了保证电能表在30I_b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W_J1按30W_b考虑。

W_J1＝30W_b＝30×220V×3A＝19800W

取整数W_J1＝20000W，设定此时输出频率F_J＝2000C/S

I_J1＝W_J1/U＝20000W/220V＝90.91A

2)求I段增益切换点N₁的功率W_N1和电流I_N1

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W_N1＝W_J1/20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。

W_N1＝W_J1/20＝20000W/20＝1000W

I_N1＝W_N1/U＝1000W/220V＝4.55A

3)求II段增益切换点N₂的功率W_N2和电流I_N2

考虑II段增益比I段扩大4倍，所以取W_N2＝W_J1/4的算式。如果要想再扩大增益，亦可用W_J1/8，但不宜太大，同时，输出脉冲常数亦作相应的改变。

W_N2＝W_J1/4＝20000W/4＝5000W

I_J2＝W_N2/U＝5000W/220V＝22.73A

4)求II段增益切换点W_N2和电流I_N2

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，规程是要考核状态下的误差，如果γ选择的太大，W_N2 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。

W_N2＝γW_N1＝2.3×1000W＝2300W

注：取返回系数γ＝2.3

I_N2＝W_N2/U＝2300W/220V＝10.45A

5)核算

时，II段切换电流I’_N2是否超出线性工作区域

I’_N2＜I_J2＝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

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，

时，运行区域：2.6-460

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P_H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)

(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：

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

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，所述的两段电流值有交集。

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1或2所述的电能计量集成电路芯片增益自动控制方法，其特征在于所述的电能计量集成电路芯片(IC)为5460或ATT7022。

4.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(P_H)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(P_H)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。

5.如权利要求4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＝1.5～1.8F_b，第二计数器(2^#)的预置脉冲数N₂＝3.5～4.5F_b，其中F_b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。

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，其特征在于高增益设置数与低增益设置数的比例为4∶1。

7.如权利要求4～6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。