CN103424613B - 防窃电电能计量装置及进行电量计量的方法 - Google Patents

Abstract

一种防窃电电能计量装置，包括二部分，第一部分为一功率、有效值计算电路，而第二部分包括一能量累加、能量脉冲产生电路，可配置输入寄存器、第一多路选择器及第二多路选择器，其中第一多路选择器一输入端连接至功率、有效值计算电路的一输出端，接收功率、有效值计算电路输出的电流有效值，另一输入端则与可配置输入寄存器的输出端连接，形成一输出到输入的反馈，第一多路选择器的输出端与可配置输入寄存器连接，而第二多路选择器的一输入端与功率、有效值计算电路的另一输出端连接，用以接收功率、有效值计算电路输出的功率值，而另一端则与可配置输入寄存器的输出端连接，第二多路选择器的输出端则与能量累加、能量脉冲产生电路连接。

Description

防窃电电能计量装置及进行电量计量的方法

【技术领域】

本发明有关一种电能计量装置及进行电量计量的方法，特别是指一种防止切断零线的电能计量装置与进行电量计量的方法。

【背景技术】

窃电对电网的安全运行和规范管理造成了严重影响，电能表作为电能计费的工具，必须具备防窃电的功能。

切断零线是一种被广泛采取的窃电手段。在电能表中，电能计量芯片以火线（L）作为地，以零线（N）作为电源以获得电能计量芯片工作所需的能量，并从零线通过电阻网络分压得到电能计量所需的电压测量通道的输入信号。窃电用户将电能表的零线连接到电力网络的通路切断，用电时将零线通过导体直接连接到大地。在这种情况下，窃电用户的用电不受影响，但是电能表中的电能计量芯片将无法获得供电电源，也无法获得进行电能计量所需的电压测量通道的输入信号，从而无法计算用户的用电功率，进而无法累计用户在这种窃电状态下所消耗的电能。

因为在切断零线窃电的时候，电能表的火线依然存在，因此电流通路上依然有正常的电流通过，目前解决切断零线窃电的方法是在电能表中的火线回路上安装功率互感器。只要用户用电，即电流线上有电流通过，功率互感器就会感应出一个电压，此电压可以作为电能计量芯片的供电电源。虽然电能表的电压测量通道依然没有输入，但此时电能计量芯片将通过测量电流有效值、采用电网的标称电压来计算用户的用电功率，累计其在窃电期间所消耗的电能。

在上述方法中，为了在窃电状态下维持电能表工作，功率互感器需要提供较大的能量。理论上可以通过可以增加功率互感器的线圈圈数或增加穿过功率互感器圈数的方式达到目的，但这两种方法在实际应用中存在很大的弊端。功率互感器线圈圈数过多，其体积就会做得较大，从而不利于放置在电能表内。而增加穿过功率互感器圈数，每增加一圈，穿过功率互感器的电流就会增加一倍，当用电电流较大的时候（例如IMAX），功率互感器的发热量很大，并且会感应出几百伏的电压，很容易导致互感器、电能计量芯片损坏，甚至产生爆炸等安全事故。而较少的圈数在用电电流较小的时候不能提供足够的功率让电能计量芯片工作。设电网标称电压是220V，防窃电的灵敏度（即启动电流，当用电电流大于多少的时候，电能表可以对其进行计量）为0.1A，一般情况下功率互感器输出的功率不到1mW，在现有电能计量芯片的工艺水平和设计水平下，1mW的功率不足以让电能计量芯片正常工作。如果降低防窃电的灵敏度到1A，则功率互感器输出的电流为10mW，虽然可以让电能计量芯片正常工作，但此会大大降低了电能表防窃电的性能。因此，在防切断零线窃电的电能表中，为了保持较高的防窃电灵敏度，还需要再增加设置一个电池，以便在功率互感器输出功率不足的时候给电能计量芯片供电。然而，因电池电量和使用时间均有限，因此对电能计量芯片在防窃电计量时的功耗提出了较高的要求。

现有的电能计量芯片的主要功能模块可参图1所示，现有的电能计量芯片主要包括功率、有效值计算电路与能量累加、能量脉冲产生电路，其中功率、有效值计算电路包括模数转换电路以及信号预处理电路，功率、有效值计算电路输出的功率、有效值等信息直接输出给了能量累加、能量脉冲产生电路，其中能量累加、能量脉冲产生电路的工作原理如下：

设i＝Isin(2πft+θ)，则有功功率无功功率电压有效值电流有效值电能E＝∫p(t)dt，即能量累加是由功率计算电能的过程，而能量脉冲产生是一个按照压频转换原理，将能量量化成脉冲频率的过程。

当窃电状态下没有电压的时候，则使用电压的标称值U_NOM对有效值进行校正，令

$p_s=(U_{\mathrm{NOM}}/\sqrt{2})(I/\sqrt{2})$

$=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{NOM}}I$

由于电网电压本身波动很小，且在窃电状态下，对用电计量的精度要求不高，所以可以近似认为此时的功率与电压、电流夹角等于0的正常计量的功率相等，即p＝p_s，从而达到防切断零线窃电计量的目的。

然而，现有的电能计量芯片存在的问题是能量累加、能量脉冲产生电路的输入不能设置，并且两部分电路不能分别进行使能和关闭，从而增加了功耗。并且在芯片休眠的时候，现有的所有计量芯片，能量累加、能量脉冲产生电路都无法工作。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种防窃电电能计量装置及进行电量计量的方法，用以解决现有防窃电计量装置功耗较多的问题。

为实现上述目的，实施本发明的防窃电电能计量装置包括二部分，第一部分为一功率、有效值计算电路，而第二部分主要包括能量累加、能量脉冲产生电路，可配置输入寄存器，第一多路选择器及第二多路选择器，其中第一多路选择器一输入端连接至功率、有效值计算电路的一输出端，用以接收功率、有效值计算电路输出的电流有效值，而另一输入端则与可配置输入寄存器的输出端连接，形成一输出到输入的反馈，以保持可配置输入寄存器中的内容不变，第一多路选择器的输出端则与可配置输入寄存器连接，而第二多路选择器的一输入端与功率、有效值计算电路的另一输出端连接，用以接收功率、有效值计算电路输出的功率值，而另一端则与可配置输入寄存器的输出端连接，第二多路选择器的输出端则与能量累加、能量脉冲产生电路连接。

依据上述主要特征，该第一与第二部分都可以分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作，在具体实施时，可以通过控制两部分的电源实现，也可以通过控制两部分的时钟实现，也可以保持供应电源和时钟，通过控制两部分的控制位，实现二者的独立控制。

为实现上述目的，本发明还提了一种利用上述防窃电电能计量装置进行电能计量的方法，该方法在正常计量状态下，第一部分与第二部分都始终工作，功率、有效值计算电路输出的功率通过第二多路选择器输出给能量累加、能量脉冲产生电路进行电能计量；而在防窃电计量的情况下，当第一部分工作的时候，得到电流有效值之后，将这个电流有效值通过第一多路选择器加载进入可配置输入寄存器存储，之后通过第二多路选择器输出给能量累加、能量脉冲产生电路进行电能计量；当第一部分停止工作的时候，可配置输入寄存器的存储的电流有效值保持不变，能量累加、能量脉冲产生电路通过第二多路选择器取得可配置输入寄存器存储的电流有效值进行电能计量。

依据上述主要特征，第一与第二部分都可以分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作，在具体实施时，可以通过控制两部分的电源实现，或者也可以通过控制两部分的时钟实现，或者也可以保持供应电源和时钟，通过控制两部分的控制位实现二者的独立控制。

依据上述主要特征，当功率、有效值计算电路计算得到的功率小于设定的阈值1、电压有效值小于设定的阈值2、电流有效值大于设定的阈值3三个条件同时满足时则进入防窃电计量状态。而在防窃电计量状态，如果电压有效值大于阈值4，则退出防窃电计量状态，回到正常计量状态。

依据上述主要特征，在防窃电计量状态进行电量计量时，功率、有效值计算电路将经过校正的电流有效值通过第一多路选择器存储至可配置输入寄存器，之后能量累加、能量脉冲产生电路通过第二多路选择器从可配置输入寄存器中取得此电流有效值，从而进行电能计量；之后功率、有效值计算电路停止工作一预定的时间，在此时间内，由于第一多路选择器与可配置输入寄存器之间的反馈，可配置输入寄存器中存储的电流有效值保持不变，能量累加、能量脉冲产生电路以此电流有效值为基础继续进行电能计量工作；在此预定的时间到后，功率、有效值计算电路开始工作采样电流有效值，在等待一定时间后，功率、有效值计算电路才将计算得到的稳定的电流有效值通过第一多路选择器输入至可配置输入寄存器中，更换先前的电流有效值，再以此更新后的电流有效值进行电能计量。

与现有技术相比较，实施本发明将电能计量装置的主要电路分为二部分，并令第一与第二部分分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作，如此可能降低其功耗，从而延长断零线情况下为此芯片提供电源的电池的使用寿命，并可有效地达到在断零线情况下也能正常地进行电能计量。

【附图说明】

图1为现有的电能计量芯片的主要电路结构的示意图。

图2为实施本发明的电能计量装置的主要电路结构的示意图。

图3为正常计量和防窃电计量二种状态的转换关系示意图。

【具体实施方式】

请参阅图2所示，为实施本发明的电能计量装置（或芯片）的主要电路结构的示意图，从功耗的角度，实施本发明的电能计量装置的主要电路可分为二部分，第一部分为功率、有效值计算电路10，而第二部分主要包括能量累加、能量脉冲产生电路11，可配置输入寄存器12，第一多路选择器13及第二多路选择器14，其中第一多路选择器13一输入端连接至功率、有效值计算电路10的一输出端，用以接收功率、有效值计算电路10输出的电流有效值，而另一输入端则与可配置输入寄存器12的输出端连接，用以形成一输出到输入的反馈，从而保持可配置输入寄存器12中的内容不变，第一多路选择器13的输出端则与可配置输入寄存器12连接。而第二多路选择器14的一输入端与功率、有效值计算电路10的另一输出端连接，用以接收功率、有效值计算电路10输出的功率值，而另一端则与可配置输入寄存器12的输出端连接，第二多路选择器14的输出端则与能量累加、能量脉冲产生电路11连接。

在本发明中，第一与第二部分都可以分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作。在具体实施时，可以通过控制两部分的电源实现，也可以通过控制两部分的时钟实现，也可以保持供应电源和时钟，通过控制两部分的控制位，即通过判断控制寄存器是否翻转来实现二者的独立控制。

在正常计量的情况下，第一部分与第二部分都始终工作，根据实现方式不同，可以同时供给电源，可以同时供给时钟，也可以同时使能控制位。在防窃电计量情况下，第一部分间歇性工作以节省功耗，而第二部分即使在系统休眠的情况下，也依然始终工作，累计能量并产生能量脉冲。对第二部分的工作方式的控制，也根据上述的具体实现方式，由芯片的控制系统（未图示）单独给第二部分供给电源或时钟，或者单独控制第二部分的控制位。

在本发明中，通过第二多路选择器14可以对能量累加、能量脉冲产生电路11的输入进行选择，正常计量的时候选择功率、有效值计算电路10输出的功率作为输入；在防窃电计量的情况下，选择可配置输入寄存器12的输出作为输入。在防窃电计量的情况下，当第一部分（即功率、有效值计算电路10）工作的时候，且得到了校正后的电流有效值之后（也可以是原始的电流有效值，然后经过其他电路进行校正），将这个电流有效值通过第一多路选择器13加载进入可配置输入寄存器12；当第一部分停止工作的时候，可配置输入寄存器13的内容保持不变（通过第一多路选择器13与可配置输入寄存器13之间的反馈），即在第一部分停止工作期间，系统认为用户的用电电流保持第一工作时的电流值，这个过程可以理解为一个对电流进行采样的过程。

请参阅图3所示，为正常计量和防窃电计量二种状态的转换关系示意图，当功率、有效值计算电路10计算得到的功率小于设定的阈值1、电压有效值小于设定的阈值2、电流有效值大于设定的阈值3三个条件同时满足时则进入防窃电计量状态。而在防窃电计量状态，如果电压有效值大于阈值4，则退出防窃电计量状态，回到正常计量状态。此处判断的电压有效值来自功率、有效值计算电路10，当然也可以另外设置一个独立的有效值判断电路（未图示），此有效值判断电路在功率、有效值计算电路10停止工作的时候依然可以工作。

在防窃电计量状态进行电量计量时，功率、有效值计算电路10将经过校正的电流有效值通过第一多路选择器13存储至可配置输入寄存器12，之后能量累加、能量脉冲产生电路11通过第二多路选择器14从可配置输入寄存器12中取得此电流有效值，从而进行电能计量。之后功率、有效值计算电路10停止工作一预定的时间，在此时间内，由于第一多路选择器13与可配置输入寄存器13之间的反馈，可配置输入寄存器13中存储的电流有效值保持不变，能量累加、能量脉冲产生电路11以此电流有效值为基础继续进行电能计量工作。在此预定的时间到后，功率、有效值计算电路10开始工作采样电流有效值，由于需要一定的时间等待此电流有效值的稳定，因此在等待一定时间后，功率、有效值计算电路10才将计算得到的稳定的电流有效值通过第一多路选择器13输入至可配置输入寄存器13中，更换先前的电流有效值，从而再以此更新后的电流有效值进行电能计量。如此，本发明将电能计量装置的主要电路分为二部分，并令第一与第二部分分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作，如此可能降低其功耗，从而延长断零线情况下为此芯片提供电源的电池的使用寿命，并可有效地达到在断零线情况下也能正常地进行电能计量。从实际应用结果来看，断零线情况下，实施本发明的电能计量芯片能达到0.1A工作，计量误差满足1级表要求，极大的提高了断零线防窃电性能，并且电池功耗平均消耗50uA左右，很大地降低了功耗。

以上的说明只是针对本发明核心的电路结构进行说明，对于其他的结构，现有技术中多有描述，因此不再详细说明。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种防窃电电能计量装置，包括二部分，第一部分为一功率、有效值计算电路，而第二部分包括一能量累加、能量脉冲产生电路，其特征在于是：第二部分还包括可配置输入寄存器、第一多路选择器及第二多路选择器，其中第一多路选择器一输入端连接至功率、有效值计算电路的一输出端，用以接收功率、有效值计算电路输出的电流有效值，而另一输入端则与可配置输入寄存器的输出端连接，形成一输出到输入的反馈，以保持可配置输入寄存器中的内容不变，第一多路选择器的输出端则与可配置输入寄存器连接，而第二多路选择器的一输入端与功率、有效值计算电路的另一输出端连接，用以接收功率、有效值计算电路输出的功率值，而另一端则与可配置输入寄存器的输出端连接，第二多路选择器的输出端则与能量累加、能量脉冲产生电路连接,该第一与第二部分分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作。

2.一种利用权利要求1所述的防窃电电能计量装置进行电能计量的方法，其特征在于：该方法在正常计量状态下，第一部分与第二部分都始终工作，功率、有效值计算电路输出的功率通过第二多路选择器输出给能量累加、能量脉冲产生电路进行电能计量；而在防窃电计量的情况下，当第一部分工作的时候，得到电流有效值之后，将这个电流有效值通过第一多路选择器加载进入可配置输入寄存器存储，之后通过第二多路选择器输出给能量累加、能量脉冲产生电路进行电能计量；当第一部分停止工作的时候，可配置输入寄存器的存储的电流有效值保持不变，能量累加、能量脉冲产生电路通过第二多路选择器取得可配置输入寄存器存储的电流有效值进行电能计量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：第一与第二部分分别进行控制，以单独停止其工作或者使能其进行工作。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：当功率、有效值计算电路计算得到的功率小于设定的阈值1、电压有效值小于设定的阈值2、电流有效值大于设定的阈值3三个条件同时满足时则进入防窃电计量状态，而在防窃电计量状态，如果电压有效值大于阈值4，则退出防窃电计量状态，回到正常计量状态。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在防窃电计量状态进行电量计量时，功率、有效值计算电路将经过校正的电流有效值通过第一多路选择器存储至可配置输入寄存器，之后能量累加、能量脉冲产生电路通过第二多路选择器从可配置输入寄存器中取得此电流有效值，从而进行电能计量；之后功率、有效值计算电路停止工作一预定的时间，在此时间内，由于第一多路选择器与可配置输入寄存器之间的反馈，可配置输入寄存器中存储的电流有效值保持不变，能量累加、能量脉冲产生电路以此电流有效值为基础继续进行电能计量工作；在此预定的时间到后，功率、有效值计算电路开始工作采样电流有效值，在等待一定时间后，功率、有效值计算电路才将计算得到的稳定的电流有效值通过第一多路选择器输入至可配置输入寄存器中，更换先前的电流有效值，再以此更新后的电流有效值进行电能计量。