CN102809678A - 提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，包括与电能表的电流互感器次级连接的投切开关及与电能表的电流互感器次级连接、用于副边电流控制取样的控制采样电阻，投切开关与可调采样电阻连接，由投切开关投切点变化调节可调采样电阻的大小，可调采样电阻通过低通滤波电路与计量芯片连接；控制采样电阻与比较器连接，比较器与微控制器连接，微控制器一路输出与计量芯片连接，微处理器的另一路输出与投切开关连接。本发明结构合理，工作性能好。可有效提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度。

Description

提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置

技术领域

本发明涉及一种电能表的电能计量领域，具体而言是涉及宽电流量程或具有冲击性负荷环境中的高准确度电能计量领域。

背景技术

随着近年来智能电网的迅猛发展，风力和太阳能等分布式发电装置被大量并入电网；同时经济的快速发展使得电气化铁路及大型炼钢厂等具有冲击性强、畸变严重等特点的大型电力负荷大量涌现，一些区域电网，尤其是中低压局部电网的电能质量受到严重影响；而现有电能表难以在此应用环境中进行准确电能计量，这是因为在目前工业用电能表常用电流互感器进行电流测量取样；当负荷电流因冲击或畸变使得电流幅值超出电流互感器的线性范围时会使其饱和，导致副边电流波形畸变，且相位也发生变化，进而导致电能表计量误差的增加。

一些厂家采用增加电流互感器量程来解决此问题，但此方案对轻载时小电流无法准确计量，因而难以实现宽电流范围的准确电能计量。中国发明专利CN1246620公开了一种对电流互感器饱和特性补偿的算法技术，主要采用对饱和后的副边电流进行幅值和相位进行补偿，但该种补偿是通过复杂的算法对已经畸变的副边电流进行还原计算的，对所用的互感器的材料和制造工艺要求很高，且因算法复杂而需高性能处理器，因而难以在电能表中被大规模应用。

电流互感器的原边和副边线圈通常紧绕高导磁率的磁性材料因而漏磁很小，副边电流随原边电流同比变化；副边所连接的等效电路的阻抗越大，在互感器磁路产生的励磁电流也越大。当原边电流超载且副边等效阻抗较大时，互感器线圈磁路则会因励磁电流过大而饱和，引起副边电流波形畸变及相位的变化，进而使得计量精度受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置。

本发明的技术解决方案是：

一种提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：包括与电能表的电流互感器次级连接的投切开关及与电能表的电流互感器次级连接、用于副边电流控制取样的控制采样电阻，投切开关与可调采样电阻连接，由投切开关投切点变化调节可调采样电阻的大小，可调采样电阻通过低通滤波电路与计量芯片连接；控制采样电阻与比较器连接，比较器与微控制器连接，微控制器一路输出与计量芯片连接，微处理器的另一路输出与投切开关连接；将采样得到的控制采样电阻两端的电压信号和基准电压信号Vref经过比较器比较，若控制采样电阻两端的电压信号大于基准电压，比较器输出一脉冲信号，若控制采样电阻两端的电压信号小于基准电压，比较器输出一低电平；比较器输出的信号传递到微控制器进行判定，若判定电流互感器处于未饱和状态，微控制器输出控制信号ctr2到投切开关，使投切开关的投切点为较大电流取样电阻，若判定电流互感器处于饱和状态，微控制器输出控制信号ctr2到投切开关，使投切开关的投切点为较小电流取样电阻，微控制器同时将与采样电阻相匹配的校表参数写入计量芯片中。

所述可调采样电阻由第二电阻R2、第三电阻R3串联组成；所述投切开关的投切点为较大电流取样电阻，是指电流取样电阻为第二电阻R2、第三电阻R3之和；所述投切开关的投切点为较小电流取样电阻，是指电流取样电阻为第三电子R3；控制采样电阻R1的阻值为第二电阻的1/10。

第二电阻R2为第三电阻R3的2~3倍；第二电阻R2的一端与投切开关一个触点及低通滤波电路中的第四电阻R4的一端连接，第二电阻R2的另一端与投切开关另一触点及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与控制采样电阻R1右端的接地点PGND连接。

微控制器所述的脉冲信号，若连续出现3个周期为50±1Hz、脉宽差异小于5%且超过脉宽门限的脉冲信号，则判断电流互感器进入饱和状态，否则认为处于不饱和状态； MCU定时时长为3倍的工频周期，若超过定时时长没有高电平，则认为互感器处于不饱和状态；抗饱和控制子程序，根据判断的饱和情况，控制投切开关，并同步更新计量芯片校表参数。

比较器接有双向TVS 管T1，双向TVS 管T1对输入差分信号钳位，保护比较器。

比较器与微控制器之间接有滤波电路，滤波电路及低通滤波电路均接地GND，且接地点GND与控制采样电阻R1右端的接地点PGND不同。

本发明结构合理，工作性能好；通过动态检测电流互感器副边电流来实时调节电流互感器副边的等效阻抗来使互感器工作在线性区域；当互感器原边电流过载时降低副边等效阻抗，使得互感器磁路不饱和；当互感器原边电流轻载时增加副边等效阻抗以减小零偏磁滞影响，从而使电流采样在宽范围内保持良好线性度和准确度，进而增强电能表计量准确度。本发明的另一特点在于利用软件校表方式对每一电流采样模式进行校准和参数识别，并在使用过程中依据实时检测到的负载电流对校表参数同步调用，因此本发明方案适合于大批量生产和现场使用。

本发明首先要检测电流互感器的饱和临界状态，具体做法为测量串联在电流互感器副边的一个小取样电阻两端的电压信号，然后与电压基准通过一个比较器进行比较，若大于基准电压，比较器输出一脉冲信号，若小于基准电压则输出一低电平；MCU对比较器输出信号进行判断，若脉冲信号宽度超过所设门限并以相同频率持续数个周期，则表明此时电流互感器已处于饱和状态，此时MCU输出控制信号到投切开关减小取样电阻阻值，同时将相应的校表参数写入计量芯片。若MCU接受到的比较器输出信号为一常低电平并持续超过所设时间门限，则表明此时电流互感器已处于非饱和状态，此时MCU输出控制信号到投切开关增加取样电阻阻值，并同时将相应的校表参数写入计量芯片。这样电流互感器能在很宽输入电流范围内工作而不进入饱和状态，有效地提高了电流采样的线性范围和电能计量的准确度。

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是本发明一个实施例的结构框图。

图2是图1的具体电路图。

图3是电流互感器饱和判定波形图。

图4、图5为电流互感器饱和判定和抗饱和处理的软件流程图。

具体实施方式

一种提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，包括与电能表的电流互感器1次级连接的投切开关2及与电能表的电流互感器次级连接、用于副边电流控制取样的控制采样电阻3，投切开关与可调采样电阻4连接，由投切开关投切点变化调节可调采样电阻的大小，可调采样电阻通过低通滤波电路5与计量芯片6连接；控制采样电阻3与比较器7连接，比较器与微控制器（MCU）8连接，微控制器一路输出与计量芯片6连接，微处理器的另一路输出与投切开关2连接。

所述可调采样电阻由第二电阻R2、第三电阻R3串联组成；所述投切开关的投切点为较大电流取样电阻，是指电流取样电阻为第二电阻R2、第三电阻R3之和；所述投切开关的投切点为较小电流取样电阻，是指电流取样电阻为第三电子R3；控制采样电阻R1的阻值为第二电阻的1/10。

第二电阻R2为第三电阻R3的2~3倍；第二电阻R2的一端与投切开关一个触点及低通滤波电路中的第四电阻R4的一端连接，第二电阻R2的另一端与投切开关另一触点及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与控制采样电阻R1右端的接地点PGND连接。

投切开关为一高稳定性、低导通电阻的固态模拟开关。

第四电阻R4、第五电阻R5、电容C1、C2为对称低通滤波装置。R4与R5相等都为电阻R2的50倍以上；采样电阻投切时，对低通响滤波器的共模对称性影响甚小。

将采样得到的R1两端的电压信号和基准电压信号Vref经过比较器比较，若R1两端的电压信号大于基准电压，比较器输出一脉冲信号；若R1两端的电压信号小于基准电压，比较器输出一低电平。双向TVS 管T1对输入差分信号钳位，保护比较器。

比较器输出的电平信号经过C3、R8滤波后，被传递到MCU进行判定。

MCU与计量芯片通常采用SPI或串口通信。

若判定电流互感器处于未饱和状态，MCU输出控制信号ctr2到投切开关使开关1、2点相连，电流取样电阻为R2+R3；若判定电流互感器处于饱和状态，MCU输出控制信号ctr2到投切开关使开关1、3点相连，电流取样电阻为R3；同时将与采样电阻相匹配的校表参数通过信号ctr1写入计量芯片中。

图3所示：若通过R1采样得到的电压信号高于基准电压，比较器输出一个脉冲信号；若采样得到的电压信号小于基准电压，比较器输出为常低电平；将此脉冲信号输入到MCU，由MCU判进行相应的处理。

图4为外部中断处理程序流程图，若比较器输出有脉冲信号，则触发MCU外部中断，如脉冲信号宽度大于所设门限值，则判为一个有效脉冲信号。若因干扰信号导致的高电平或由于在临界值上下波动产生的时高时低的电平，则认为此时的脉冲信号为干扰信号，不判为饱和，只有连续出现工频周期50±1Hz并且脉宽差异小于5%的3个以上脉冲信号，才判为电流互感器处于饱和状态；若超过一定时间没有高电平，则判断电流互感器处于不饱和状态。图5为抗饱和控制子程序，根据判断的饱和情况，控制投切开关，并修改计量芯片参数。

通过采样R1两端的电压信号，然后与基准电压进行比较后将得到的脉冲信号输入MCU，由MCU判定电流互感器是否处于饱和状态，然后决定是否切换采样电阻和更新相对应的校表参数，以此来使电流互感器工作在不饱和状态，从而有效地提高了电流采样的线性范围和电能计量的准确度。

Claims (6)

1. 一种提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：包括与电能表的电流互感器次级连接的投切开关及与电能表的电流互感器次级连接、用于副边电流控制取样的控制采样电阻，投切开关与可调采样电阻连接，由投切开关投切点变化调节可调采样电阻的大小，可调采样电阻通过低通滤波电路与计量芯片连接；控制采样电阻与比较器连接，比较器与微控制器连接，微控制器一路输出与计量芯片连接，微处理器的另一路输出与投切开关连接；将采样得到的控制采样电阻两端的电压信号和基准电压信号Vref经过比较器比较，若控制采样电阻两端的电压信号大于基准电压，比较器输出一脉冲信号，若控制采样电阻两端的电压信号小于基准电压，比较器输出一低电平；比较器输出的信号传递到微控制器进行判定，若判定电流互感器处于未饱和状态，微控制器输出控制信号ctr2到投切开关，使投切开关的投切点为较大电流取样电阻，若判定电流互感器处于饱和状态，微控制器输出控制信号ctr2到投切开关，使投切开关的投切点为较小电流取样电阻，微控制器同时将与采样电阻相匹配的校表参数写入计量芯片中。

2. 根据权利要求1所述的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：所述可调采样电阻由第二电阻R2、第三电阻R3串联组成；所述投切开关的投切点为较大电流取样电阻，是指电流取样电阻为第二电阻R2、第三电阻R3之和；所述投切开关的投切点为较小电流取样电阻，是指电流取样电阻为第三电子R3；控制采样电阻R1的阻值为第二电阻的1/10。

3. 根据权利要求2所述的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：第二电阻R2为第三电阻R3的2~3倍；第二电阻R2的一端与投切开关一个触点及低通滤波电路中的第四电阻R4的一端连接，第二电阻R2的另一端与投切开关另一触点及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与控制采样电阻R1右端的接地点PGND连接。

4. 根据权利要求1、2或3所述的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：微控制器所述的脉冲信号，若连续出现3个周期为50±1Hz、脉宽差异小于5%且超过脉宽门限的脉冲信号，则判断电流互感器进入饱和状态，否则认为处于不饱和状态； MCU定时时长为3倍的工频周期，若超过定时时长没有高电平，则认为互感器处于不饱和状态；抗饱和控制子程序，根据判断的饱和情况，控制投切开关，并同步更新计量芯片校表参数。

5. 根据权利要求1、2或3所述的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：比较器接有双向TVS 管T1，双向TVS 管T1对输入差分信号钳位，保护比较器。

6. 根据权利要求2所述的提高电能表电流采样线性范围和电能计量准确度的装置，其特征是：比较器与微控制器之间接有滤波电路，滤波电路及低通滤波电路均接地GND，且接地点GND与控制采样电阻R1右端的接地点PGND不同。

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