CN102539908B - 用于计量电力的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种计量电力的电路及方法。该电路包括：电流检测模块，用于生成与第一电力线上的第一电流对应的第一电流检测信号，以及与第二电力线上的第二电流对应的第二电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线；多路复用器，用于响应于控制信号而周期性地在第一与第二电流检测信号间切换，在每一周期的第一时段输出第一电流检测信号，在每一周期的第二时段输出第二电流检测信号；信号处理模块，用于基于多路复用器的输出以及火线的电压检测信号生成能量累积信号；控制模块，用于向多路复用器提供控制信号，并在第二时段生成第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。

Description

用于计量电力的电路及方法

技术领域

本公开一般涉及电子电路，特别涉及用于计量电力的电路及方法。

背景技术

电表(electricity meter)是一种用于测量电能的计量装置，其可以精确测量由电力供应商提供给用户的电能消耗量。由电表测得的电能消耗量一般用于确定用户需要支付给电力供应商的电费账单。

根据一些行业或地区标准，一个合格的电表应能够提供很多的工作状态参数，例如零线电流或火线电流的有效值，火线电压的有效值，以及由相应电流产生的电能累积值。其中，火线电压是指火线与参考电势间的电势差，该参考电势例如为地或零线。特别地，对于具有防窃电功能的电表，通常需要能够同时监控火线电流与零线电流。当这两个电流之间存在显著差值时，电表会发出警示信号，以提示用电异常。

为了同时监控零线电流与火线电流，一种传统的电力计量方法采用了两路检测通道，每路检测通道各自包括电流检测器和模数转换器。在该方法中，零线电流与火线电流分别由一路检测通道检测。具体而言，电流检测器用于对电流进行采样，并生成各自的电线上的电流所对应的电流检测信号。而每个检测通道中的模数转换器则用于将该电流检测信号转换为数字信号，进而提供给信号处理模块。模数转换器可以采用具有高精度的∑-Δ模数转换器。然而，这种方法需要两个模数转换器，因此需要占用更大的芯片面积，并相应增加了功耗及成本。

发明内容

为同时监控零线电流与火线电流，另一种传统的电力计量方法采用了两路检测通道，这两路检测通道会周期性地被多路复用器(multiplexer)所切换，从而为后续处理电路提供时分复用的输入信号，该时分复用的输入信号将会由一个模数转换器转换为相应的数字信号。这两路检测通道的复用切换可以由控制模块进行控制，该控制模块例如为微控制器。因而，零线电流与火线电流的电流值可以在不同的时段内被进行检测，其中，该电流值是指零线电流或火线电流在某一时刻的数值。此外，根据检测得到的电流值，可以通过特定的算法来计算电流的有效值，该有效值通常是由随时间变化的电流值在给定时间间隔内的均方根值所确定，该给定时间间隔例如为周期信号的一个周期。对于大多数传统的计量方法，需要基于一段时间内的电流值来计算电流有效值。然而，在零线电流与火线电流间存在显著差值的情况下，多路复用器在两个电流检测通道间进行切换时，其输出的电流检测信号需要较长的时间才能够稳定，这会严重地影响测量精度。

因此，需要一种能够在较短时间内精确计量电力的电路及方法。

在本公开的一个实施例中，公开了一种电路。该电路包括：一种电路，包括：电流检测模块，用于生成与第一电力线上的第一电流对应的第一电流检测信号，以及与第二电力线上的第二电流对应的第二电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线；多路复用器，用于响应于控制信号而周期性地在所述第一电流检测信号与所述第二电流检测信号间切换，在每一周期的第一时段输出所述第一电流检测信号，在每一周期的第二时段输出所述第二电流检测信号；信号处理模块，用于基于所述多路复用器的输出以及火线电压的电压检测信号生成能量累积信号；控制模块，用于向所述多路复用器提供所述控制信号，并在所述第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示所述能量累积信号的变化速率，而U表示所述火线电压的有效值。

在本公开的另一实施例中，公开了一种电表。该电表包括一种电路，包括：电流检测模块，用于生成与第一电力线上的第一电流对应的第一电流检测信号，以及与第二电力线上的第二电流对应的第二电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线；多路复用器，用于响应于控制信号而周期性地在所述第一电流检测信号与所述第二电流检测信号间切换，在每一周期的第一时段输出所述第一电流检测信号，在每一周期的第二时段输出所述第二电流检测信号；信号处理模块，用于基于所述多路复用器的输出以及火线电压的电压检测信号生成能量累积信号；控制模块，用于向所述多路复用器提供所述控制信号，并在所述第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示所述能量累积信号的变化速率，而U表示所述火线电压的有效值。

在本公开的又一实施例中，公开了一种方法。该方法包括下述步骤：检测第一电力线上的第一电流与第二电力线上的第二电流，并生成电流检测信号，其中第一或第二电力线中的一个为火线，该电流检测信号周期性地在每一周期的第一时段与所述第一电流相关并且在每一周期的第二时段与所述第二电流相关；提供火线电压的电压检测信号以及所述火线电压的有效值；基于所述电流检测信号与所述火线电压的电压检测信号生成能量累积信号；以及在第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。

上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在此后描述，其形成了本公开权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式，作为修改和设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本公开相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记载的本公开的主旨和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中，

图1示出了根据本公开一个实施例的电路100；

图2示出了根据本公开一个实施例，能量累积信号变化速率的示例性计算过程；

图3示出了根据本公开另一实施例的电路300；

图4示出了根据本公开一个实施例的包括图1所示的电路100的电表400；

图5示出了根据本公开另一实施例的包括图3所示的电路300的电表500；

图6示出了根据本公开又一实施例的方法的流程图；

除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过程步骤的变形。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本公开的特定方式，而非限制本公开的范围。

图1示出了根据本公开一个实施例的电路100。该电路100可以被用于例如测量电力。该电路100包括电流检测模块101、多路复用器102、信号处理模块103以及控制模块104。

电流检测模块101用于生成与第一电力线20上的第一电流对应的第一电流检测信号23，以及与第二电力线21上的第二电流对应的第二电流检测信号22，其中第一或第二电力线中的一个为火线。在一个实施例中，第一电力线20可以是火线，而第二电力线21可以是零线。在另一实施例中，第一电力线20可以是零线，第二电力线21可以是火线。在一个实施例中，电流检测模块101具有两路检测通道，每一检测通道包括一个电流检测装置，该电流检测装置用于对电流进行采样。该电流检测模块101可以是，例如电流互感器(current transformer)。由电流检测模块101生成的电流检测信号会随各自所检测的电流在不同时刻电流值的变化而相应变化，因而第一电流与第二电流可以被精确地采样。

多路复用器102用于响应于控制信号25而周期性地在第一电流检测信号与第二电流检测信号间切换。每一周期包含两个时段，即第一时段与第二时段。多路复用器102会在每一周期的第一时段，例如图2示出的时段210，输出第一电流检测信号23，而在每一周期的第二时段，例如图2示出的时段220，输出第二电流检测信号22。通过采用多路复用器102，根据本公开一个实施例的电路100在仅使用一个模数转换器的情况下，还能够监控第一电流与第二电流。因此，电路100可以显著降低功耗及成本。

信号处理模块103用于基于所述多路复用器102的输出，即第一电流检测信号23或第二电流检测信号22，以及火线电压的电压检测信号24来生成能量累积信号。其中，电压检测信号24会随火线电压在不同时刻的电压值的变化而相应变化。应该理解，该能量累积信号可以通过对电流检测信号22、23及电压检测信号24计算得到，其可以大体上即时地跟踪电流检测信号22、23及电压检测信号24的变化。依据具体算法的不同，该能量累积信号相对于电流检测信号22、23及电压检测信号24可以延迟一段时间，例如，若干个信号处理的时钟周期。火线电压是指火线与参考电势间的电势差，该参考电势例如为地或零线。在本实施例中，参考电势可以为零线电压，因而电压检测信号24随火线与零线间电压差成比例地变动变化，其中该电压检测信号24可以由耦接至第一电力线20、第二电力线21的电压检测模块生成。优选地，信号检测模块103还基于电压检测信号24生成火线电压的有效值。

控制模块104用于向多路复用器102提供控制信号25，并在第二时段生成第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。具体地，能量累积信号的变化速率是根据信号处理模块103生成的能量累积信号计算的。优选地，电路100还包括寄存器，该寄存器用于存储能量累积信号的数据，并响应控制模块104发出的请求，将存储的能量累积信号的数据提供给控制模块104。

在下文中将详细描述图1中电路100的工作方式。

仍参考图1，电路100耦接至第一电力线20与第二电力线21，用于计量这些电力线上的电力，具体用于测量流过这些电力线上电流的有效值。

正如前述，多路复用器102对控制模块104的控制信号25进行响应，并周期性地输出第一电流检测信号与第二电流检测信号。

当处于第一时段210时，多路复用器102输出第一电流检测信号23，并将第一电流检测信号23提供给信号处理模块103，其中，该第一电流检测信号23随第一电流的变化而相应变化。具体而言，由于第一电力线20上流过的第一电流大体上保持稳定，因此，信号处理模块103可以直接基于第一电流检测信号23来计算第一电流的有效值。例如，第一电流的有效值可以由下述等式确定：

$I_{\mathrm{eff}}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{I_m}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中，I_eff表示第一电流的有效值，T表示计算有效值的采样时间，I_m表示第一电流的电流值，即第一电流在采样时间内各个时刻的数值。应注意到，多路复用器102输出的电流检测信号是模拟信号，因此，信号处理电路103需要先将输入的电流检测信号转换为数字信号，再计算相应电流的有效值。

当第一时段210结束后，控制模块104产生请求多路复用器102切换到第二电流检测信号22的控制信号25。在第二时段220期间，多路复用器102会持续输出第二电流检测信号22，其中，该第二电流检测信号22随第二电流的变化而相应变化。

当处于第二时段220时，控制模块104会生成第二电流的有效值。该第二电流的有效值不是直接采用第二电流检测信号计算得到的，而是基于能量累积信号及火线电压的有效值进行计算所得到的。在一个实施例中，在第二时段220内，能量累积信号的变化速率仅计算一次，并将第二时段220内的第二电流的有效值设置为恒定不变。在另一实施例中，在第二时段220内，能量累积信号的变化速率计算多次，因而第二时段220内的第二电流有效值会发生变化。可选地，第一电流有效值的产生方法可以采用与上述第二电流有效值相同的方法。

图2示出了根据本公开一个实施例，能量累积信号变化速率的示例性计算过程。

如图2所示，能量累积信号的变化速率是在每一周期第二时段220开始后的第一间隔221之后进行计算的。例如，在第二时段220开始后的第一间隔221之后，控制模块记录能量累积信号的第一值E₁。接着，在第一间隔221结束之后再过第二间隔222，控制模块记录能量累积信号的第二值E₂。这样，能量累积信号的变化速率即可以确定，即为(E₁-E₂)/T₀，其中T₀代表第二间隔222的值。在一个实施例中，能量累积信号是电流检测信号与电压检测信号乘积的定积分，即累积的被消耗的电量。

在计算能量累积信号变化速率的同时，控制模块还同时确定火线电压的有效值U。这样，第二时段220内第二电流的有效值即可以由(ΔE/ΔT)/U确定。在一个实施例中，火线电压的有效值U被设定为在第二时段220内保持不变。

正如上文所述，在第二时段220内，电路100产生的第二电流的有效值是基于第二电流在第二时段220内某一时刻的电流检测信号对应的电流值所确定的，而非一段时间内一系列连续变化的第一或第二电流的电流检测信号对应的电流值。因此，在第一时段210内测量得到的第一电流的电流值并不会影响第二电流的有效值。如果在信号切换时第二电流与第一电流显著不同，那么多路复用器的输出也会显著变化。在这种情况下，与传统方法相比，根据本公开实施例得到的第二电流的有效值会更加准确。此外，根据本公开的实施例，在第二时段内，可以在较短的时间内完成对第二电流的测量，例如，200毫秒或者更短。

在生成第二电流的有效值之后，控制模块104向多路复用器102发送要求重新切换至第一电流检测信号的控制信号25，这样，就完成了电力测量的一个测量周期。

在一个实施例中，第一电力线20为火线，第二电力线21为零线。这时，对应于第一电流的第一电流检测信号23可以用于确定用电功率或累积用电量，而对应于第二电流的第二电流检测信号22可以用于确定是否存在错误，例如窃电或漏电。因此，第一时段210通常长于第二时段220。在一个实施例中，第二时段220小于或等于400毫秒。相应地，每一测量周期可以为，例如，1至20秒。在另一实施例中，第二时段220的第一间隔221小于或等于100毫秒。在又一实施例中，第二时段220的第二间隔222大于或等于20毫秒且小于或等于200毫秒。

图3示出了根据本公开另一实施例的电路300。该电路300可以用于例如测量电力。

如图3所示，电路300包括电流检测模块101，多路复用器102，信号处理模块103，控制模块104，寄存器114以及电压检测模块121。

电流检测模块101用于生成与第一电力线20上的第一电流对应的第一电流检测信号23，以及与第二电力线21上的第二电流对应的第二电流检测信号22，其中第一和第二电力线中的一个为火线。

多路复用器102用于响应于控制信号而周期性地在第一电流检测信号与第二电流检测信号间切换，在每一周期的第一时段输出第一电流检测信号，在每一周期的第二时段输出第二电流检测信号。

信号处理模块103用于基于火线电压的电压检测信号以及第一或第二电流检测信号生成能量累积信号。

具体而言，信号处理模块103包括第一放大器111，第一模数转换器112以及数字信号处理模块113。第一放大器111用于接收多路复用器102的输出，即第一电流检测信号23或第二电流检测信号22，并将电流检测信号进行放大。第一模数转换器112用于将第一放大器111提供的电流检测信号转换为数字信号。数字信号处理模块113用于对接收到的数字信号进行处理，例如进行计算，并生成能量累积信号。在一个实施例中，数字信号处理模块113还用于基于电压检测信号24生成火线电压的有效值。

在优选的实施例中，电路300还包括寄存器114，该寄存器114用于存储上述数字信号的相应数据，例如，能量累积信号以及火线电压的有效值。这些存储数据可以进一步提供给控制模块104。

可以理解，在电路300的另一个实施例中，寄存器114可以是一个包括在信号处理模块103中的内部模块。

控制模块104用于向多路复用器102提供控制信号，并在第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。

电压检测模块121用于生成电压检测信号31。电压检测信号31随火线电压的变化而变化，并会被提供给第二放大器122。电压检测信号31由第二放大器122放大后，会被第二模数转换器123转换为火线电压所对应的数字信号。因此，由第二模数转换器123所生成的该数字信号会被进一步提供给数字信号处理单元113。

图4示出了根据本公开一个实施例的包括图1所示的电路100的电表400。

在图4中，电表400还包括耦接至控制模块104的显示装置131。该显示装置131用于显示电路100生成的数据和/或信号，例如第一电力线20与第二电力线21上的电流的有效值。

图5示出了根据本公开另一实施例的包括图3所示的电路300的电表500。

在图5中，电表500还包括耦接至控制模块104的显示装置131。该显示装置131用于显示电路300生成的数据和/或信号，例如第一电力线20与第二电力线21上的电流的有效值。

图6示出了根据本公开又一实施例的方法的流程图。

如图6所示，在步骤601中，检测第一电力线上的第一电流与第二电力线上的第二电流并生成电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线；该电流检测信号周期性地在每一周期的第一时段与所述第一电流相关并且在每一周期的第二时段与所述第二电流相关。在一个实施例中，第一电力线为火线，第二电力线为零线。在另一个实施例中，第一电力线为零线，第二电力线为火线。

在一个实施例中，步骤601由具有两路检测通道的电流检测模块及多路复用器执行。该多路复用器可以响应控制信号，从而在两路检测通道间进行切换。

在步骤602中，提供火线电压的电压检测信号以及火线电压的有效值。

在一个实施例中，电压检测信号由电压检测模块生成。该电压检测信号会随火线电压在不同时刻的电压值的变化而相应变化。而火线电压的有效值是由信号处理模块基于该电压检测信号所产生的，该信号处理模块例如为数字信号处理模块。

在步骤603中，基于电流检测信号与火线电压的电压检测信号生成能量累积信号。

应该理解，该能量累积信号可以通过对电流检测信号及电压检测信号计算得到，其可以大体上即时地跟踪电流检测信号及电压检测信号的变化。依据具体算法的不同，该能量累积信号相对于的电流检测信号及电压检测信号可以延迟一段时间，例如，若干个信号处理的时钟周期。在一个实施例中，能量累积信号是由信号处理模块生成的，该能量累积信号可以为步骤601及602中获得的电流检测信号以及电压检测信号的乘积的定积分。

在步骤604中，在第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。

在一个实施例中，能量累积信号的变化速率是在每一周期第二时段开始后的第一间隔之后进行计算的。在另一实施例中，能量累积信号变化速率的计算是在该第一间隔之后的第二间隔内完成的。例如，在第二时段开始后的第一间隔之后，记录能量累积信号的第一值E₁。接着，在第一间隔结束之后再过第二间隔，记录能量累积信号的第二值E₂。这样，能量累积信号的变化速率即可以确定，即为(E₁-E₂)/T₀，其中T₀代表第二间隔的值。

在一个实施例中，第一电力线为火线，第二电力线为零线。这时，对应于第一电流的电流检测信号可以用于确定用电功率或累积用电量，而对应于第二电流的电流检测信号可以用于确定是否存在错误，例如窃电或漏电。因此，第一时段通常长于第二时段。在一个实施例中，第二时段小于或等于400毫秒。相应地，每一测量周期可以为，例如，1至20秒。在另一实施例中，第二时段的第一间隔小于或等于100毫秒。在又一实施例中，第二时段的第二间隔大于或等于20毫秒且小于或等于200毫秒。

在优选的实施例中，本公开还包括：基于每一周期第一时段的第一电流检测信号，生成第一电流的有效值。

在本公开中，为示范目的，电路实施例的运作参照方法实施例描述。然而，应该理解本公开中电路的运作和方法的实现互相独立。也就是说，所公开的电路实施例可以依照其他方法运作，所公开的方法实施例可以通过其他电路实现。

本领域技术人员还将容易地理解的是，材料和方法可以变化，同时仍然处于本公开的范围之内。还将理解的是，除了用来示出实施方式的具体上下文之外，本公开提供了多种可应用的创造性构思。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、制品、组合物、装置、方法或者步骤包括在其范围之内。

Claims (22)

1.一种电路，包括： 

电流检测模块(101)，用于生成与第一电力线上的第一电流对应的第一电流检测信号，以及与第二电力线上的第二电流对应的第二电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线； 

其特征在于所述电路还包括 

多路复用器(102)，用于响应于控制信号而周期性地在所述第一电流检测信号与所述第二电流检测信号间切换，在每一周期的第一时段输出所述第一电流检测信号，在每一周期的第二时段输出所述第二电流检测信号； 

信号处理模块(103)，用于基于所述多路复用器(102)的输出以及火线电压的电压检测信号生成能量累积信号； 

控制模块(104)，用于向所述多路复用器(102)提供所述控制信号，并在所述第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示所述能量累积信号的变化速率，而U表示所述火线电压的有效值。 

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述能量累积信号的变化速率是在每周期第二时段开始后的第一间隔之后计算的。 

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述能量累积信号的变化速率是在第二时段中第一间隔之后的第二间隔中计算的。 

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二间隔大于或等于20毫秒且小于或等于200毫秒。 

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一间隔小于或等于100毫秒。 

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二时段小于或等于400毫秒。 

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括电压检测模块(121)，用于生成与所述火线电压对应的所述电压检测信号。 

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述信号处理模 块(103)还用于基于所述电压检测信号生成所述火线电压的有效值。 

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括寄存器(114)，用于存储并提供所述能量累积信号。 

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述信号处理模块(103)还用于基于每一周期第一时段的所述第一电流检测信号，生成所述第一电流的有效值。 

11.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述信号处理模块(103)包括模数转换器，用于将所述多路复用器的输出转换为数字信号。 

12.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电力线为火线，而所述第二电力线为零线。 

13.一种电表，其特征在于，包括根据权利要求1至12中任一项所述的电路。 

14.根据权利要求13所述的电表，其特征在于，还包括显示装置(131)，用于显示所述电路生成的信号和/或数据。 

15.一种方法，包括： 

检测第一电力线上的第一电流与第二电力线上的第二电流，并生成电流检测信号，其中第一和第二电力线中的一个为火线，该电流检测信号周期性地在每一周期的第一时段与所述第一电流相关并且在每一周期的第二时段与所述第二电流相关； 

其特征在于所述方法还包括 

提供火线电压的电压检测信号以及所述火线电压的有效值； 

基于所述电流检测信号与所述火线电压的电压检测信号生成能量累积信号；以及 

在第二时段生成所述第二电流的有效值，该有效值由(ΔE/ΔT)/U确定，其中ΔE/ΔT表示能量累积信号的变化速率，而U表示火线电压的有效值。 

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述能量累积信号的变化速率是在每周期第二时段开始后的第一间隔之后计算 的。 

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述能量累积信号的变化速率是在第二时段中第一间隔之后的第二间隔中计算的。 

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二间隔大于或等于20毫秒且小于或等于200毫秒。 

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一间隔小于或等于100毫秒。 

20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二时段小于或等于400毫秒。 

21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括： 

基于每一周期第一时段的所述第一电流检测信号，生成所述第一电流的有效值。 

22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一电力线为火线，而所述第二电力线为零线。