CN101493479A - 电流生成电路及方法、电能表校验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流生成电路及方法、电能表校验仪，该电路包括电流信号调整电路、反馈环节以及电压信号采样电路，其中，电流信号调整电路输出端输出电流信号，反馈环节用于调整电流信号调整电路输出端输出电流矢量。电流生成方法包括设定电流信号调整电路输出的电流相位与幅值并输出一初始电流信号，反馈环节自电流信号调整电路输出端检测电流信号，并将检测到的电流信号反馈至电流信号调整电路输入端；电流信号调整电路判断检测到的电流信号相位与幅值是否与设定的相位与幅值一致，如否，则调整输出电流的相位与幅值。本发明的电流生成电流能输出相位、幅值稳定的电流至电能表，确保电能表校验误差的准确性。

Description

电流生成电路及方法、电能表校验仪

技术领域

本发明涉及一种电流生成电路，尤其是一种用于电能表校验仪中的电流生成电路以及使用这种电路生成电流的方法。

背景技术

在供电系统中，供电部门需对每一接入供电网络的用户均安装一电能表，以计算用户的用电量。电能表计算用户用电量以有功功率表示，有功功率P的计算公式为：

P＝U×I×COSφ

上式中，U是电能表计量的电压值，I是电能表计量的电流值，φ是电压与电流之间的夹角，称为功率因数角，COSφ也就是有功功率的功率因数。

由于电能表运行过程中难免出现误差，供电部门需要定期或不定期地使用现场校验仪对电能表进行现场校验，以确保电能表计量的准确性。使用校验仪对电能表进行现场校验时，校验仪与电能表连接，电能表与校验仪分别计算有功功率，并计算两者计算的有功功率误差。

现有的电能表校验仪大多设有信号采样单元，包括有A/D转换器，用于检测电网的电压、流经电能表的电流以及电压与电流之间的夹角等，并设有连接至信号采样单元输出端的计算单元，如单片机等，用于计算有功功率，并计算电能表的误差等。

现场校验时，如用户没有使用电器，电能表则没有电流流过，电能表与校验仪无法计算有功功率。因此，校验人员往往需要带上一些电器设备，如电炉等在现场加载进行校验，给校验工作带来不便。

为解决上述问题，另一种校验仪采用设置电流生成电路的方法加以解决，其校验电能表的方法可参见图1，使用现场校验仪62对电能表61进行现场校验时，校验仪62的电压输入端，即端子1、3连接电网中的火线L与零线N，校验仪62的端子2为电流端子，其连接至电能表61的电流输入端，向电能表61输出电流。

校验仪62的电流生成电路的电原理图如图2所示，图2中的端子1、2、3分别是校验仪的三个端子。

校验仪62工作时，开关K1闭合，选择多条支路中的一条导通，端子1、3之间形成压降。流经开关K1的电流经过电流互感器CT1升流后通过端子2输出至电能表61，电能表61中便有电流流过，电能表61与校验仪62即可计算有功功率。

电流生成电路中包括有多条由开关K1选择的支路，每一支路由可调电阻或由可调电阻与电容串联组成，开关K1选择不同支路时，电压与电流之间的夹角φ以及电流的幅值会被改变，从而改变有功功率的功率因数COSφ以及电流大小。这样，校验仪62可计算在不同功率因数COSφ值、电流幅值下电能表61的误差。

依据JJG1055-97《交流电能表现场校准技术规范》要求，电能表的现场校准要分别对如下负荷点进行测量，COSφ＝1，Ib；COSφ＝0.5L，Ib；COSφ＝0.5C，Ib；COSφ＝1，10％Ib。由于连线的电阻、电能表61不同种类表的内阻不一样，流经电能表61的电流幅值与相位往往会有较大差异，使用现有校验仪的电流生成电路生成的电流的幅值与相位往往无法稳定下来，不能满足国家标准JJG1055-97的要求，而本发明的目的正是为了解决这一问题的。本发明与市场上其它任何一款现场校验仪配合都能组成一种新型带虚拟负荷的现场校验仪。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种生成的交流电流幅值与相位稳定的电能表现场校验仪电流生成电路；

本发明的另一目的是提供一种应用上述电流生成电路生成电流的方法；

本发明的再一目的是提供一种采用上述电流生成电路的电能表校验仪。

为实现上述的主要目的，本发明提供的电能表现场校验仪电流生成电路包括电流信号调整电路、反馈环节以及电压信号采样电路，其中，电流信号调整电路输出端输出电流信号，反馈环节用于调整电流信号调整电路输出端输出电流幅值与相位等电流矢量，电压信号采样电路的输出端与电流信号调整电路连接。

由上述方案可见，电流生成电路包括有反馈环节，反馈环节检测电流信号调整电路输出的电流信号，包括检测电流信号的幅值与相位。若电流信号的幅值、相位与设定的幅值、相位不一致，则电流信号调整电路调整输出的电流幅值与相位，直至与设定值一致。这样，即使用户用电情况发生变化，校验仪的电流生成电路也能及时调整生成的电流，确保流经电能表的电流相位与幅值保持稳定。

一个优选的方案是，电流信号调整电路包括数字信号处理器及接收数字信号处理器发出的控制信号的电流生成电路，并且该控制信号为PWM脉冲信号。

由于数字信号处理器具有运算能力，其接收到反馈环节输入的电流信号后，能将该电流信号的幅值、相位与设定值进行比较，并通过输出的PWM脉冲信号调制输出电流信号。由于PWM脉冲信号控制方便、灵活，并且使用数字信号处理器成本较低，便于电流生成电路的实现。

为实现上述的另一目的，本发明提供的应用上述电流生成电路生成电流的方法包括：设定电流信号调整电路输出的电流相位与幅值并输出一初始电流信号；反馈环节自电流信号调整电路输出端检测电流信号，并将检测到的电流信号反馈至电流信号调整电路输入端；

电流信号调整电路判断反馈环节检测到的电流信号相位与幅值是否与设定的相位与幅值一致，如否，则调整输出电流的相位与幅值。

由此可见，电流信号调整电路能接收到反馈电流输入的电流信号幅值与相位，并将其与设定的幅值、相位进行比较，若不一致则调整输出的电流信号幅值与相位。这样，确保输出电流信号的稳定，使校验仪的校验结果更加准确，同时也校验人员的工作提供方便。

为实现上述的再一目的，本发明提供的电能表校验仪包括信号采样单元，与信号采样单元输出端连接的计算单元，与电能表校验仪电流端子连接的虚拟电流生成电路，其中，电流生成电路进一步包括电流信号调整电路，电流信号调整电路输出端输出电流信号，一用于调整电流信号调整电路输出端输出电流矢量的反馈环节，以及与电流信号调整电路连接的电压信号采样电路。

由上述方案可见，电能表校验仪的电流生成电路具有反馈环节，能检测电流信号调整电路输出的电流信号的相位与幅值，并由电流信号调整电路对输出的电流信号进行调整，这样可确保电流生成电路输出的电流相位与幅值稳定，并于期望(设定)值一致，便于校验工作的开展。

附图说明

为了图形表达的简洁，在此仅用单相电能表校验仪的形式进行说明，三相方式只是多了二个电流通道，原理完全相同。

图1是电能表现场校验仪校验电能表的示意图；

图2是现有电能表现场校验仪电流生成电路的电原理图；

图3是本发明电流生成电路第一实施例的电原理框图；

图4是本发明电流生成电路第一实施例中信号移相及调幅电路的电原理框图；

图5是本发明电流生成电路第二实施例的电原理框图；

图6是本发明电流生成电路第三实施例的电原理框图；

图7是本发明电流生成电路第四实施例的电原理框图。

以下结合各实施例及其附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的电能表校验仪与现有的电能表校验仪大致相同，具有一信号采样单元，包括有A/D转换器等，用于检测电能表的电压、流经电能表的电流等，并设有一计算单元，与信号采样单元的输出端连接，用于计算有功功率，并比较计算出的有功功率与电能表计算的有功功率之间的误差。

并且，本发明的电能表校验仪还设有一电流生成电路，其与校验仪的三个端子1、2、3连接，向电能表输出电流。下面结合多个实施例说明本发明的电流生成电路及其工作原理。

第一实施例：

参见图3，本实施例由单片机11、信号移相及调幅电路12、功率放大器13、信号调整电路14、A/D转换器15、信号调整电路16、A/D转换器17、开关电源18、电流互感器CT2组成。其中，电流互感器CT2、信号调整电路14、A/D转换器15组成本实施例的反馈环节，单片机11、信号移相及调幅电路12与功率放大器13组成本实施例的电流信号调整电路，而信号调整电路16、A/D转换器17组成本实施例的电压信号采样电路。

本实施例中，端子1、3分别连接至电网的火线L以及零线N，端子2与电能表连接，向电能表输出电流。开关电源18接收电网的电源，并向单片机11、信号移相及调幅电路12以及功率放大器13供电。

电流生成电路开始工作前，需要向单片机11输入设定的输出电流的矢量，如电流的幅值与相位，该设定的幅值与相位根据实际校验工况需要具体设定。本发明中，电流的相位是指电流信号与电压信号之间所形成的夹角。电流生成电路开始工作后，单片机11首先向信号移相及调幅电路12输出一控制信号，信号移相及调幅电路12向功率放大器13输出小电流信号，小电流信号经过功率放大器13放大后输出。此时，端子2上输出的电流信号为一初始电流信号，也就是电流生成电路向电能表输出初始电流。

功率放大器13输出初始电流后，电流互感器CT2采样功率放大器13输出的电流信号，并将检测到的电流信号传送至信号调整电路14。信号调整电路14包括有滤波电路、稳压电路等，主要对接收到的电流信号进行滤波、稳压等处理，并将电流信号输出至A/D转换器15，转换成数字信号后将输出至单片机11。

单片机11接收到反馈环节检测到的电流信号的矢量，即检测电流信号的幅值与相位，并判断该电流信号的幅值与相位是否跟设定的幅值、相位一致，若一致则不需要调整输出的电流信号，若不一致，则向信号移相及调幅电路12输出控制信号，以调整功率放大器输出的电流信号。信号移相及调幅电路12的电原理框图如图4所示。

信号移相及调幅电路12接收电网的电压，并经过电阻R1与R2的分压后输出。信号移相及调幅电路12有多个移相电路，包括15°移相电路71、30°移相电路72以及60°移相电路73，并且每一移相电路均与一开关串联，如15°移相电路71与开关K11串联，30°移相电路72与开关K 12串联，60°移相电路73与开关K13串联。

单片机11输出的控制信号控制开关K11、K12、K13任意一个闭合，此时流经信号移相及调幅电路12的电流信号的相位即可发生变化，从而实现对电流信号相位的调整。

相同地，信号移相及调幅电路12设置有多个调幅电路，包括100％调幅电路74、50％调幅电路75以及10％调幅电路76，并且每一调幅电路均与一开关串联连接。单片机11输出的控制信号控制开关K14、K15、K16中的任意一个闭合，从而实现对输出电流信号的幅值调整。

当然，信号移相及调幅电路12还可以包括更多的移相电路和调幅电路，实际应用时可以根据校验仪的需要，增加或减少移相或调幅电路，同样可以实现本发明的目的。为了更加精细地调整电流矢量，信号移相及调幅电路12可以采用程控电位器，由单片机通过对程控电位器的控制，更加准确、精细调整电流的幅值与相位，使之更加接近于设定值。

信号移相及调幅电路12在单片机11发出的控制信号控制下对电流信号进行移相及调幅处理后，输出符合设定要求的电流信号，并经过功率放大器13放大后输出。

本实施例还包括由信号调整电路16、A/D转换器17组成的电压信号采样电路，信号调整电路16通过端子1、3接收电网的电压，并经过信号调整电路16的换档、滤波等处理后输送至A/D转换器17，再将转换成数字信号的电压采样值发送值单片机11。单片机11根据电压信号以及电流信号的采样值计算电流信号与电压信号之间的夹角，也就是计算电流信号的相位。

本实施例生成电流的方法如下：首先向单片机11设定电流的相位以及幅值，然后单片机11控制信号移相及调幅电路12、功率放大器13输出初始电流信号，反馈环节检测功率放大器13输出的电流信号，并将该电流信号反馈至单片机11，即电流信号检测电路的输入端。

单片机11接收到电流信号后，判断该电流信号的相位与幅值是否与设定值一致，若不一致，则通过控制信号移相及调幅电路12来调整输出的电流信号，直至电流信号的相位与幅值跟设定值一致为止。

由上述的方案可见，本实施例能生成相位、幅值稳定的电流，在校验电能表时能获得准确的误差数据，给电能表校验工作提供极大的便利。

第二实施例：

参见图5，本实施例包括档位控制器21、信号移相及调幅电路22、功率放大器23以及信号调整电路24、电流互感器CT3组成。其中，电流互感器CT3、信号调整电路24构成反馈环节，档位控制器21、信号移相及调幅电路22、功率放大器23构成本实施例的电流信号调整电路。

本实施例的信号移相及调幅电路22与第一实施例的信号移相及调幅电路12相同，且信号调整电路24与第一实施例的信号调整电路14基本一致，在此不再赘述。

本实施例的档位控制器21包括多个按键开关，用于手动选择闭合信号移相及调幅电路22中的开关，从而选择不同的移相电路以及调幅电路，信号移相及调幅电路22即对电流信号进行调整，并将调整后的电流信号经功率放大器23放大后输出。

本实施例与第一实施例不同的是，第一实施例是由单片机11向信号移相及调幅电路12发出控制信号，本实施例则由档位控制器21向信号移相及调幅电路22发出控制信号。因此，应用本实施例的校验仪进行校验时，校验人员通过档位控制器21设定电流信号的相位与幅值。

信号移相及调幅电路22根据设定的相位与幅值驱动功率放大器23输出电流信号，电流互感器CT3将功率放大器23输出的电流信号采样，并通过信号调整电路24输出至功率放大器23。功率放大器23根据设定值调整输出电流信号的相位与幅值，直至输出电流信号的幅值与相位跟设定值一致。

第三实施例：

参见图6，本实施例由单片机31、电流生成电路32、功率放大器33、信号调整电路34、A/D转换器35、信号调整电路36、A/D转换器37、开关电源38、电流互感器CT4组成。其中，电流互感器CT4、信号调整电路34、A/D转换器35组成本实施例的反馈环节，单片机31、电流生成电路32与功率放大器33组成本实施例的电流信号调整电路，而信号调整电路36、A/D转换器37组成本实施例的电压信号采样电路。

与第一实施例相同的，信号调整电路36、A/D转换器37采样电网中的电压信号，并将电压信号传送至单片机31中。同时，单片机31还接收反馈环节输入的电流信号。

首先向单片机31设定电流的相位与幅值，电流生成电路开始工作后，单片机31向信号生成电路32发出控制信号，电流生成电路32通过功率放大器33输出一初始电流。电流互感器CT4检测功率放大器33输出的电流信号，并将电流信号经过信号调整电路34、A/D转换器35输入至单片机31，单片机31即判断检测到的电流信号的相位与幅值是否与设定值一致，若不一致，则通过向电流生成电路32发出调整控制信号来调整功率放大器33输出的电流信号，实现对电流信号的幅值与相位进行控制的目的。

本实施例中，电流生成电路32由第一实施例中的信号移相及调幅电路12与一信号源构成，该信号源生成一幅值较小的小电流信号，并且该小电流信号可在移相电路与调幅电路的控制下改变相位与幅值。电流信号生成电路32还可以由D/A转换、PWM脉宽调制、DDS直接数字合成等方式进行生成。

第四实施例：

参见图7，本实施例具有：信号调整电路50、A/D转换器51构成的电压信号采样电路，由电流互感器CT5、信号调整电路44、A/D转换器45构成的检测支路及由钳表52、信号调整电路46、A/D转换器47组成的检测支路，数字信号处理器(DSP)41、电流生成电路42组成的电流信号调整电路，还有开关电源48、模拟开关49、与数字信号处理器41连接的显示器53以及键盘54，本实施例的两条检测支路以及模拟开关49组成反馈环节。

开关电源48闭合，数字信号处理器41、电流生成电路42获得供电。校验人员通过键盘54向数字信号处理器41输入设定的电流信号相位与幅值，数字信号处理器41向电流生成电路42输出控制信号，电流生成电路42在控制信号的控制下输出初始电流。

本实例中，电流生成电路42有以下几种实现方式：

(1)、通过D/A转换器产生电流信号，再通过功率放大器放大，然后经过升流器，将大电压变成小电压，大电流；

(2)、通过PWM直接产生大电压，经升流器将大电压变成小电压，大电流输出；

(3)、通过PWM直接产生大电流，与方式(2)的区别于无需升流器。

电流互感器CT5检测电流生成电路42输出的电流信号，并将检测到的电流信号经过信号调整电路44、A/D转换器45、模拟开关49后获得数字信号，将数字信号输入至数字信号处理器41。数字信号处理器41判断电流生成电路42输出的电流信号相位与幅值是否与设定的相位、幅值一致，若不一致，则调整电流生成电路48以此调整输出电流的相位与幅值。

本实施例中，反馈环节具有两条检测支路，一条是由电流互感器CT5、信号调整电路44、A/D转换器45组成的支路，另一条由钳表52、信号调整电路46以及A/D转换器47组成。两条支路通过模拟开关49进行选择，当需要选用电流生成电路42输出的电流作为检测电流时，模拟开关49选择由A/D转换器47向数字信号处理器41输入信号。若选择使用钳表52检测的电流信号作为检测电流时，模拟开关49选择由A/D转换器45向数字信号处理器41输入信号。

使用钳表52检测的电流信号作为检测电流时，钳表52钳在电能表电流输入线上，检测流经电能表的电流。钳表52检测电能表的电流信号后，通过信号调整电路46、A/D转换器47传送至模拟开关49上。此时，模拟开关49选择A/D转换器47向数字信号处理器41输入信号。这样，校验人员可根据实际情况选择检测电流的对象，给校验工作提供便利。

由上述方案可见，电流生成电路具有反馈环节以及电流信号调整电路，能检测输出的电流相位及幅值，并不断调整电流信号的相位、幅值，使输出电流的相位与幅值跟设定值一致为止。这样，电流生成电路输出的电流信号相位与幅值稳定，校验仪校验电能表的误差更加准确，便于校验工作的进行。

本发明的反馈环节还可以是由检测人员参与实现，例如电能表检验仪检测电流信号调整电路输出的电流矢量，检测人员判断该矢量是否与设定值一致，若不一致则手动调节选择电流信号调整电路中的移相电路以及调幅电路，这样也可以实现对电流信号进行调整的目的。

当然，上述实施例仅是本发明的较佳的四个实施方案，实际应用中，还可以有更多的改变，例如，信号移相及调幅电路中设置更多不同角度的移相电路以及不同幅度的调幅电路；或者，数字信号处理器输出的控制信号为SPWM脉冲信号等；又或者在第四实施例中，使用触摸屏替代键盘作为输入设备等；再或者使用霍尔传感器、电阻采样等的电流传感电路替代上述实施例中的电流互感器(CT2、CT3、CT4、CT5)，这些改变并不影响本发明的实施。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如信号移相及调幅电路构成的改变、模拟开关选择的改变、反馈环节构成的改变等微小的变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1、电流生成电路，其特征在于：包括

电流信号调整电路；

所述电流信号调整电路输出端输出电流信号；

一用于调整电流信号调整电路输出端输出电流矢量的反馈环节；

与所述电流信号调整电路连接的电压信号采样电路。

2、根据权利要求1所述的电流生成电路，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括数字信号处理器及接收数字信号处理器发出的控制信号的电流生成电路。

3、根据权利要求1所述的电流生成电路，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括单片机、电流生成电路以及与电流生成电路输出端连接的功率放大器；

所述单片机接收反馈环节输入的电流信号，并向所述电流生成电路输出控制信号。

4、根据权利要求1所述的电流生成电路，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括档位控制器、信号移相及调幅电路以及功率放大器；

所述信号移相及调幅电路与档位控制器连接；

所述功率放大器接收反馈环节输入的电流信号。

5、根据权利要求1所述电流生成电路生成电流的方法，包括

设定电流信号调整电路输出的电流相位与幅值并输出一初始电流信号；

反馈环节自电流信号调整电路输出端检测电流信号，并将检测到的电流信号反馈至电流信号调整电路输入端；

电流信号调整电路判断反馈环节检测到的电流信号相位与幅值是否与设定的相位与幅值一致，如否，则调整输出电流的相位与幅值。

6、根据权利要求5所述的电流生成方法，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括数字信号处理器及接收数字信号处理器发出的控制信号的电流生成电路。

7、根据权利要求5所述的电流生成方法，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括单片机、电流生成电路以及与电流生成电路输出端连接的功率放大器；

所述单片机接收反馈环节输入的电流信号，并向电流生成电路输出控制信号。

8、根据权利要求5所述的电流生成方法，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括档位控制器、信号移相及调幅电路以及功率放大器；

所述信号移相及调幅电路与档位控制器连接；

所述功率放大器接收反馈环节输入的电流信号，并根据设定的电流信号相位与幅值调整输出的电流相位与幅值。

9、电能表校验仪，包括

信号采样单元；

与信号采样单元输出端连接的计算单元；

与电能表校验仪电流端子连接的电流生成电路；

其特征在于：

所述电流生成电路进一步包括

电流信号调整电路；

所述电流信号调整电路输出端输出电流信号；

一用于调整电流信号调整电路输出端输出电流矢量的反馈环节；

与所述电流信号调整电路连接的电压信号采样电路。

10、根据权利要求9所述的电能表校验仪，其特征在于：

所述电流信号调整电路包括数字信号处理器及接收数字信号处理器发出的控制信号的电流生成电路。

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