CN101980042A - 一种小型单相电能表现场校验仪设计方案 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型单相电能表现场校验仪设计方案，属于测量仪器领域。本发明以高精度线绕电阻为电压采样电路、带有源补偿的高精度钳型电流互感器为电流采样电路、模拟开关CD4053为选择网络、精密电能计量芯片MCP3906为测量核心、单片机89C2051为控制计算核心。本发明采用测量功率的方法测量电压和电流，该方法省去了单独测量电压、电流的电路。功率的计算以及与功率计算相关的滤波在数字域中完成，具有很高的稳定性和温漂抑制性能。本发明设计简单、结构紧凑、成本低、精度高，可使供电部门便捷的测出现场单相电能表的电压、电流、功率、电能误差等参数，及时判断用户电能表的准确性及其用电状况。

Description

一种小型单相电能表现场校验仪设计方案

技术领域

本发明涉及一种小型单相电能表现场校验仪设计方案，属于测量仪器领域。

背景技术

作为电能计量的专用仪表电能表，在电能管理仪器仪表中占有很大比例，它是电能计量管理和用电管理的终端。电能表的计量准确与否直接关系到供电公司和用电用户的经济利益。供电公司在电力生产和传输中的巨大投资，最终结果是通过一个低成本的电能表对用户计收电费，一块有问题的电能表可能导致供电公司严重的经济损失。同时用电用户有权了解所装电能表的运行情况，以使所付的电费公平合理。于是需要一种能方便、快速的测出现场电能表的电压、电流、功率、电能和电能误差等参数的电能表现场校验仪，以及时判断用户电能表的准确性及其用电状况，为供电部门快速处理用户电能表问题，解决用电纠纷提供极为有效的手段。

早期的电能表现场校验仪多以模拟乘法器为核心，精度和变差很难提高，后来虽然在技术上有所突破，以硬件乘法器AD534取而代之，但由于AD534自身的缺点，设计出的仪器，原理复杂，使用时还必须自校。目前，主流采用的设计方案是DSP和FPGA加A/D转换电路，该方案软硬件设计复杂、成本高。

发明内容

1、发明目的：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种以专用精密电能计量芯片为测量核心、软硬件设计简单、价格便宜、性能稳定的小型单相电能表现场校验仪设计方案，以使供电部门能方便、快速的测出现场单相电能表的电压、电流、功率、电能和电能误差等参数，及时判断用户电能表的准确性及其用电状况，从而迅速处理用户电能表问题，解决用电纠纷。

2、技术方案

本发明以高精度线绕电阻为电压采样电路、带有源补偿的高精度钳型电流互感器为电流采样电路、模拟开关CD4053为开关选择网络、具备很高现场可靠性的精密电能计量芯片MCP3906为核心测量、单片机89C2051为控制计算核心，总体硬件结构如图1所示。现场被校单相电能表的电压U经过高精度、高线性度的线绕电阻采样，电流I经过带有源补偿的高精度钳型电流互感器采样，采样得到的两路信号经开关选择网络CD4053选择后送至测量核心MCP3906。MCP3906对选择的两路信号均采用完全的差分模拟电压输入，输入的两路信号经增益放大和16位二阶Δ-∑ADC及高通滤波器HPF后相乘，相乘结果经过低通滤波LPF和数字-频率变换DTF转换成高频信号HF送入控制计算核心89C2051。89C2051根据被校单相电能表的电压U和电流I转换成的高频信号HF及电能脉冲信号和电能表常数，计算出被校电能表的电压、电流、功率、电能和电能误差等参数。键盘输入需要测量的参量和电能表常数，显示器显示测量结果。

3、优点及效果

本发明以高精度线绕电阻为电压采样电路、带有源补偿的高精度钳型电流互感器为电流采样电路，确保了对被校单相电能表电压、电流的高准确度采样。本发明的核心测量电路是具备很高现场可靠性的精密电能计量芯片MCP3906，它支持国际电能计量技术规范IEC62053及传统IEC规范1036/61036/687，提供和瞬时有功功率成正比的高频输出信号。本发明根据MCP3906提供的高频输出信号计算出了被校单相电能表的功率，计算方法简单、速度快，并用计算被校单相电能表功率的方法，计算出了被校单相电能表的电压和电流，避免了单独的电压测量电路和电流测量电路。本发明有功功率的计算以及与计算相关的滤波都在数字域中完成，有很高的稳定性和温漂性能，非常适合现场测量。本发明方案具有设计简单、结构紧凑、成本低、精度高等特点，以本发明方案设计的现场校验仪不但可以在实负荷、轻负荷、无负荷实现不断电、不拆表、在线测量，而且功能全面、准确度高、操作简单、携带方便非常适合现场测量。

附图说明

图1.本发明的系统硬件结构图；

图2.本发明的采样和开关选择网络原理图；

图3.本发明的测量核心原理图；

图4.本发明的控制计算核心原理图。

具体实施方式

本发明方案的总体结构如图1所示，主要包括电压采样模块、电流采样模块、有源补偿模块、开关选择网络CD4053模块、测量核心MCP3906模块、控制计算核心89C2051模块、被校电能表电能脉冲模块、键盘模块和显示模块等。

参照图2，该图包括所述电压采样模块、电流采样模块、有源补偿模块和开关选择网络模块。所述电压采样模块包括基表系统电压采样和钳表系统电压采样，所述电流采样模块包括基表系统电流采样和钳表系统电流采样。基表系统电压采样和电流采样组成基表系统信号输入，钳表系统电压采样和电流采样组成钳表系统信号输入，基表系统和钳表系统后续信号处理部分共用。基表系统测量稳定性较好精度较高，可在电能表校表室做单相标准电能表，但是校验时需要需要串入被校电能表系统，不适合现场校验。钳表系统测量时被校电能表电流由高精度钳型电流互感器取入，无需断开被校电能表，非常适合现场校验。使用基表系统测量时，被校单相电能表电压JU由电阻R11的一端输入，电阻R11另一端接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接可变电阻WR3的一端和U1(CD4053)的12管脚X0，可变电阻WR3的另一端接模拟地AGND，可变电阻WR3用于调整基表系统的电压满度值，可变电容WC1并在电阻R12上，用于调整基表系统的功率因数。使用钳表系统测量时，被校单相电能表电压QU由电阻R13的一端输入，电阻R13的另一端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接可变电阻WR4的一端和U1(CD4053)的13管脚X1，可变电阻WR4的另一端接模拟地AGND，可变电阻WR4用于调整钳表系统的电压满度值，可变电容WC2并在电阻R14上，用于调整钳表系统的功率因数。所述电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14是高精度、高线性度线绕电阻，确保电压采样的高准确度。

所述基表系统电流采样主要通过电流互感器CT1来完成，电流互感器CT1的一端与滑动变阻器WR1的一端和U1(CD4053)的2管脚Y0相连，滑动变阻器WR1的另一端接电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端和电流互感器CT1的另一端相连后接模拟地AGND。使用基表系统测量时，被校单相电能表电流JI通过电流互感器CT1采样后再通过电阻R1和滑动变阻器WR1转换为低电压信号送往所述开关选择网络，滑动变阻器WR1用于调整基表系统的电流满度值。所述钳表系统电流采样主要通过高精度钳型电流互感器CT2来完成，并增加有源补偿回路。所述高精度嵌型电流互感器CT2的主线圈W2的一端与滑动变阻器WR2的一端和U1(CD4053)的1管脚Y1相连，滑动变阻器WR2的另一端接电阻R2的一端，用于调整钳表的电流满度值，电阻R2的另一端和主线圈W2的另一端相连后接模拟地AGND。所述有源补偿模块主要由补偿线圈W3、运算放大器OP07、三极管N1(9011)和三极管N2(9012)组成。补偿线圈W3的一端经过电阻R5与运算放大器OP07的反相输入端管脚2相连，并与电阻R3的一端和电容C1的一端相连，电容C1的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端和R3的另一端相连后与OP07的输出端管脚6相连，OP07的正相输入端管脚3经过电阻R6接模拟地AGND，OP07的管脚7接电压+12V，管脚4接电压-12V。OP07的输出端管脚6与电容C2和电容C3一端及二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连。电容C2的另一端与D1的阳极和D3的阴极相连后与三极管N1(9011)的基极及R7的一端相连，电容C3的另一端与D2的阴极和D4的阳极相连后与三极管N2的基极及R8的一端相连。电阻R7的另一端与三极管N1(9011)的发射极相连后接电压+12V，R8的另一端与三极管N2(9012)的发射极相连后接电压-12V。三极管N1(9011)的集电极与电阻R9的一端相连，R9的另一端与二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、极性电容C4的负极及电阻R10的一端相连。三极管N2(9012)的集电极与电阻R10的一端相连，R10的另一端与二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、极性电容C4的负极及电阻R9的一端相连。极性电容C4的正极与极性电容C5的正极相连，C5的负极与补偿线圈W3的另一端相连。有源补偿模块减少了钳型电流互感器CT2激励磁势，进一步提高了钳表系统电流采样的精度和稳定度，进而提高了现场误差测量的准确性。

所述开关选择网络模块主要有两块模拟选择开关CD4053组成，所述两块模拟选择开关CD4053的第一块U1(CD4053)的输入端12管脚X0、13管脚X1、2管脚Y0和1管脚Y1分别与基表系统电压采样输出、钳表系统电压采样输出、基表系统电流采样输出和钳表系统电流采样输相连。U1(CD4053)的控制端10管脚B和11管脚A相连后与U7(89C2051)的19管脚P1.7相连，7管脚VEE接-5V，3管脚Z1、4管脚Z0接模拟地AGND，6管脚INH接数字地DGND。U1(CD4053)的输出端14管脚X分别与所述两块模拟选择开关CD4053的第二块U2(CD4053)的输入端12管脚X0和2管脚Y0相连。U1(CD4053)的输出端15管脚Y分别与所述两块模拟选择开关CD4053的第二块U2(CD4053)的输入端13管脚X1和1管脚Y1相连。所述两块模拟选择开关CD4053的第二块U2(CD4053)控制端11管脚A和10管脚B分别与U7(89C2051)的17管脚P1.5和18管脚P1.6相连，7管脚VEE接-5V，3管脚Z1、4管脚Z0接模拟地AGND，6管脚INH接数字地DGND。U2(CD4053)的输出端14管脚X产生UIN信号和15管脚Y产生IIN信号送至测量核心电路。所述开关选择网络模块在89C205的控制下完成对所测信号的选择并将选择的信号送至测量核心电路。

参照图3，核心测量电路主要由具备很高现场可靠性的精密电能计量芯片MCP3906组成，它支持国际电能计量技术规范IEC 62053及传统IEC规范1036/61036/687，有功功率的计算以及与计算相关的滤波在数字域中完成，有很高的稳定性和温漂性能，非常适合现场测量。电阻R15一端接所述开关选择网络中的U2(CD4053)输出端15管脚Y产生的IIN信号，另一端接电容C6的一端和U3(MCP3906)的5管脚CH0+，电容C6的另一端接模拟地AGND。电阻R16和电容C7并联后一端接模拟地AGND，另一端接U3(MCP3906)的6管脚CH0-。电阻R17一端接所述开关选择网络中的U2(CD4053)输出端14管脚X产生的UIN信号，另一端接电容C8的一端和U3(MCP3906)的8管脚CH1+，电容C8的另一端接模拟地AGND。电阻R18和电容C9并联后一端接模拟地AGND，另一端接U3(MCP3906)的7管脚CH1-。电阻R15～R18和电容C6～C9组成输入信号限流滤波网路，对从所述开关选择网络输入到MCP3906的信号进行限流和滤波。U3(MCP3906)的1管脚DVDD、2管脚HPF、9管脚

13管脚F1和14管脚F0接+5V数字电源VCC，3管脚AVDD接+5V模拟电源VDD，11管脚AGND接模拟地AGND，12管脚F2、15管脚G1、16管脚G0和21管脚DGND接数字地DGND。U3(MCP3906)的11管脚AGND和21管脚DGND相连，即模拟地和数字地在此处相连，其他地方模拟地和数字地不再相连，模拟地和数字地只在一点相连的方法是星型连接方法，该方法能有效地抑制噪声，有助于使数字电流噪声远离模拟电路。U3(MCP3906)的工作时钟由高精度晶振JZ和两个电容产生，U3(MCP3906)的17管脚CLKIN与3.579MHz晶振JZ的一端和电容C12的一端相连，晶振JZ的另一端与U3(MCP3906)的18管脚CLKOUT和电容C11一端相连，电容C11的另一端和电容C12的另一端相连后与地相连。U3(MCP3906)的20管脚NEG与U7(89C2051)的16管脚P1.4相连，用来表示MCP3906两输入信号乘积正负，进而简单判断被校单相电能表的接线情况。

U3(MCP3906)的22管脚HFOUT产生高频信号HF分别与U7(89C2051)的9管脚P3.5(T1)、U4(74LS74)的11管脚CLK及电阻R19的一端、电容C10的一端、三极管N3(9011)的基极相连。电容C10的另一端和三极管N3(9011)的发射极相连后接数字地DGND，电阻R19的另一端和电阻R29的一端相连后接电源VCC，R29的另一端与N3(9011)的集电极相连，N3(9011)的集电极输出高频信号FH，该信号用于对本系统进行高频校验。U4(74LS74)的8管脚、10管脚和12管脚D相连后接电源VCC，13管脚接数字地DGND，9管脚Q接U5A(4518)的1管脚CLK。U5A(4518)的2管脚EN接电源VCC，7管脚R接数字地DGND，6管脚Q3与U5B(4518)的9管脚CLK相连，U5B(4518)的10管脚EN接电源VCC，15管脚R接数字地DGND，14管脚Q3与U6A(4518)的1管脚CLK相连。U6A(4158)的2管脚EN接电源VCC，7管脚R接数字地DGND，6管脚Q3与U6B(4518)的9管脚CLK相连，U6B(4518)的10管脚EN接电源VCC，15管脚R接数字地DGND，14管脚Q3与电阻R21的一端相连。电阻R21的另一端与三极管N4(9011)的基极相连，三极管N4(9011)的发射极接数字地DGND，集电极与电阻R20的一端相连，电阻R20的另一端接电源VCC，三极管N4(9011)的集电极输出用于对本系统进行低频校验的低频信号FL。可见U3(MCP3906)的22管脚产生的和两输入信号成正比的高频输出信号HF分三路：第一路送往N3(9011)进行放大，产生用于对本系统高频校验的高频信号FH；第二路送入74LS74和4158进行分频，产生用于对本系统低频校验的低频信号FL；第三路送往89C2051的定时计数器T1用于计算被校单相电能表的电压、电流、功率、电能和电能误差等参数。

测量时，所述开关选择网络选择的两路信号IIN和UIN先经过限流和滤波，然后以完全的差分模拟电压输入MCP3906，完全的差分模拟电压输入方式可以提高系统的噪声性能。MCP3906对输入的两路信号经增益放大后进行AD变换，AD变换器是16位Δ-∑ADC由二阶Δ-∑调制器和三阶SINC滤波器组成，该AD变换器可在一个宽输入动态范围内提供高线性度和低失真性能。AD变换后的两路信号各经过一个高通滤波器HPF消除直流偏移分量，然后进入相乘器，相乘结果经过一阶IIR低通滤波LPF滤除相乘结果的谐波分量。最后对经过低通滤波后的两输入信号的相乘结果进行数字-频率变换即DTF变换，把两输入信号的乘积转换成高频信号HF。高频信号HF与两输入信号的乘积成正比，通过测量高频信号HF的频率即可知道两输入信号乘积的大小。而输入信号的乘积，当输入信号不同时有不同的含义：当两个输入信号一个为被校单相电能表的电压，另一个为被校单相电能表的电流时，乘积表示被校单相电能表的功率；当两个输入信号都为被校单相电能表的电压时，乘积表示被校单相电能表电压的平方；当两个输入信号都为被校单相电能表的电流时，乘积表示被校单相电能表电流的平方。因此，通过测量高频信号HF即可测出现场被校单相电能表的电压、电流、功率和电能等参数。采用测量功率的方法测量电压和电流，避免了单独的电压测量电路和电流测量电路，具有设计简单、结构紧凑、成本低、精度高等特点。

参照图4，所述控制计算核心电路主要有体积小、功能强大的89C2051组成，U7(89C2051)的19管脚P1.7与所述开关选择网络中U1(CD4053)的11管脚A和10管脚B相连，U7(89C2051)的17管脚P1.5和18管脚P1.6分别与所述开关选择网络中U2(CD4053)的11管脚A和10管脚B相连。U7(89C2051)的P1.5、P1.6和P1.7控制所述开关选择网络的U1(CD4053)和U2(CD4053)完成对所测信号的选择。U7(89C2051)的16管脚P1.4与所述测量核心U3(MCP3906)的20管脚NEG相连，用来表示U3(MCP3906)两输入通道输入信号乘积的正负，进而简单判断被校单相电能表的接线情况。U7(89C2051)的2管脚P3.0(RXD)、3管脚P3.1(TXD)分别与上位机RS232接口的TXD端和RXD端相连，RS232接口的GND端接数字地DGND，U7(89C2051)通过RS232接口与上位机通信，把现场测量结果传给上位机以便保存和打印。U7(89C2051)的定时计数器T1输入端9管脚P3.5(T1)与所述测量核心电路中U3(MCP3906)的22管脚HFOUT产生的高频信号HF相连，U7(89C2051)通过HF信号可以计算被校单相电能表的电压、电流、功率及电能等参数。U7(89C2051)的工作时钟由高精度晶振Y1和两个电容C13、C14产生，U7(89C2051)的4管脚XTAL1与12MHz晶振Y1的一端和电容C13的一端相连，晶振Y1的另一端与89C2051的5管脚XTAL2和电容C14一端相连，电容C13的另一端和电容C14的另一端相连后与数字地DGND相连。

所述被校单相电能表的电能脉冲信号GDT，与电阻R23和电阻R24的一端相连，电阻R23的另一端接电源VCC，电阻R24的另一端与电容C15和电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端与电容C16的一端及二极管D5的正向端相连，二极管D5的反相端与二极管D6的正向端相连，二极管D6的反相端端与三极管N5(9011)的基极相连，三极管N5(9011)的发射极与电容C15和电容C16的另一端相连后接数字地DGND，三极管N5(9011)的集电极与U7(89C2051)的外部中断输入端6管脚P3.2(INTO)和电阻R26的一端相连，电阻R26的另一端接电源VCC。所述被校单相电能表的电能脉冲信号GDT是被校单相电能表每计量一定电能发出一个方波的脉冲信号。即每一个脉冲信号代表单相电能表计量了一定的电能，每一个脉冲信号代表单相电能表计量电能的大小有单相电能表的电表常数决定。因此，根据被校单相电能表的电能脉冲信号GDT和电表常数，即可测出该单相电能表计量的功率和电能值。所述被校单相电能表的电能脉冲信号GDT可由光电采样器通过单相电能表转盘旋转测得，或者由被校单相电能表直接提供。

U7(89C2051)的定时计数器T0的计数基准由高精度晶振Y2和U9(4069)组成的锁相环提供，U9(4069)的1管脚与晶振Y2和电阻R27的一端相连，U9(4069)的2管脚和3管脚相连后与电阻R27的另一端相连，U9(4069)的4管脚和5管脚相连后与电容C17的一端相连，电容C17的另一端与晶振Y2的另一端相连，U9(4069)的6管脚与三极管N6(9011)的基极相连，三极管N6(9011)的发射极接数字地DGND，三极管N6(9011)的集电极产生高精度100KHz标准信号与U7(89C2051)的定时计数器T0输入端8管脚P3.4(T0)和电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端接电源VCC。晶振Y2和U9(4069)产生的高精度100KHz脉冲是测量所述被校单相电能表的电能脉冲信号GDT脉冲间隔的时间标准。

U7(89C2051)的12管脚P1.0(AIN0)和13管脚P1.1(AIN1)组成所述键盘模块的列扫描信号。U7(89C2051)的7管脚P3.3(INT1)与U8(74LS164)的2管脚B相连，11管脚P3.7产生CLK信号与U8(74LS164)的8管脚CLK相连，U8(74LS164)的1管脚A和9管脚MR相连后接电源VCC。U8(74LS164)的输出端3管脚Q0、4管脚Q1、5管脚Q2、6管脚Q3、10管脚Q4和11管脚Q5组成所述键盘的行扫描信号。U7(89C2051)的P1.0、P1.1和U8(74LS164)的6个输出Q0～Q5组成了6行×2列的键盘矩阵。

U7(89C2051)的14管脚P1.2与串行液晶显示器LCD的DATA端相连，15管脚P1.3与LCD的STR端相连，LCD的LCK端与U7(89C2051)的11管脚P3.7产生的CLK相连，LCD的GND端接数字地DGND。所述显示模块主要由串行液晶显示器LCD组成，LCD的DATA端是数据传输端，传输需要显示的数据信息，STR端是使能端，控制需要显示的一屏(或一帧)信号传输完后一起显示，LCD的LCK端是时钟端，控制着数据传输的速度。

测量时，被校单相电能表的电压U经过高精度、高线性度线绕电阻进行电压采样，电流I经过带有源补偿的高精度钳型电流互感器采样。采样后的信号进入89C2051控制的开关选择网络进行选择，选择后的两路信号送至测量核心MCP3906。MCP3906对选择的两路信号进行差分模拟电压输入、增益放大、高通滤波、相乘、低通滤波和DTF变换，将所选择两路信号的乘积成比例转换成高频信号HF。当选择的两路信号一路为被校单相电能表的电压信号，另一路为被校单相电能表的电流信号时，高频信号HF每一个脉冲表示一定的被校单相电能表的功率；当选择的两路信号都为被校单相电能表的电压信号时，高频信号HF每一个脉冲表示一定的被校单相电能表的电压值；当选择的两路信号都为被校单相电能表的电流信号时，高频信号HF每一个脉冲表示一定的被校单相电能表的电流值。因此，89C2051根据高频信号HF即可计算出被校单相电能表的电压、电流、功率及电能等参数。另外，89C2051根据被校单相电能表的电能脉冲信号GDT和电表常数可计算出单相电能表的计量功率和电能。若根据高频信号HF测得的所经被校单相电能表的实际电能为E，被校单相电能表的计量电能为R，则89C2051根据公式

即可计算出被校单相电能表的电能误差。

本发明系统软件采用模块化设计主要模块有：电压电流测量模块、功率电能测量模块、误差测量模块、通信模块、按键模块、显示模块等，每个模块处理程序都设置了一个标志位。主程序工作在查询方式，一直查询标志位，查到标志位为1转到对应处理程序运行。该方法具有层次清晰、结构简单、处理快、易扩充等特点。

Claims (3)

1.一种小型单相电能表现场校验仪设计方案，其特征在于：本发明以高精度线绕电阻为电压采样电路、带有源补偿的高精度钳型电流互感器为电流采样电路、模拟开关CD4053为开关选择网络、精密电能计量芯片MCP3906为测量核心、单片机89C2051为控制计算核心。

2.根据权力要求1所述的一种小型单相电能表现场校验仪设计方案，其特征在于：所述单片机89C2051的计数器T1完成高频信号的脉冲累加，该高频信号由所述电能计量芯片MCP3906的22管脚HFOUT产生，所述单片机89C2051根据累加的脉冲数，来计算被校单相电能表的电压、电流和功率。

3.根据权力要求2所述的一种小型单相电能表现场校验仪设计方案，其特征在于：使用计算所述被校单相电能表功率的方法，来计算所述被校单相电能表的电压和电流。

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