CN104914303A - 电能计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电能计量方法，其包括：检测用于电能计量的电能计量芯片是否发生掉电；在掉电时，将所述电能计量芯片的系统供电切换到备份的取电方式；将所述电能计量芯片的电能计量时钟切换到低频时钟；以及在预先设定的时间段内对电能进行计量。根据本发明提供的低频计量方案，即使在电路断相或窃电的模式下，依然可以在降低功耗的同时，对电流进行有效值的计算，并提供视在功率和视在功率脉冲的输出，并且不需要依赖于特定的工艺或器件的支持，非常有利于布局布线，还可以保证电能计量芯片上的必要信息不丢失。

Description

电能计量方法

技术领域

本发明总体上涉及电能计量芯片，具体地说，涉及一种电能计量芯片的低功耗电能计量方法。

背景技术

电能计量的任务是将用户的瞬时功率精确累加成能量，为发电企业、输配电企业、电力用户之间进行结算提供依据，它的准确与否直接影响三者的利益和交易的合理性。电表是常用的电能计量仪表，电表中最关键的部件是片上系统（System on Chip，SOC）电能计量芯片。

图10示出了常用SOC电能计量芯片的基本结构。如图10所示，SOC电能计量芯片总体上包括：模数转换器、电能计量模块、脉冲生成单元、处理器和程序存储器。SOC电能计量芯片从电流和电压通道采样获得的采样信号首先被模数转换器离散化后，输入到电能计量模块，电能计量模块根据处理器的指令，对离散化的数据进行计算，获得有功功率、无功功率和视在功率，这些功率被输入到脉冲生成单元，生成脉冲，脉冲的持续发出实现对电能的计量，其中，处理器根据预先存储在程序存储器中的程序指令运行。

用于对电能进行计量的SOC电能计量芯片连接在电路中，芯片的系统供电来自于所连接的电路。

然而，当发生电路断相或窃电时，SOC电能计量芯片无法再从所连接的电路中获得电能。为了能够继续维持SOC电能计量芯片的基本操作，例如保存所计量的数据等，SOC电能计量芯片通常被设计成具有另外一种备份的取电方式，例如，从安装于芯片上的电池或取电线圈取电。这里所述的备份取电方式是指SOC电能计量芯片不从所连接的电路中进行取电的方式。于是，当SOC电能计量芯片不能从所连接的电路中获取自身所需的电能时，会自动切换到从电池或取电线圈取电，供自身运行所使用。无论是内部电池还是取电线圈，其电能都是有限的，为了防止它们的能量耗尽，需要尽可能减少SOC电能计量芯片的功耗。于是，SOC电能计量芯片会停止对电能的计量，直到系统电源恢复。

显然，停止计量的做法会导致无法对停止计量时间段内的电能进行计量。这造成了电能计量的不准确，对发电企业、输配电企业显失公平。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种低频计量方式，当发生电路断相或窃电的情况时，在降低整个电能计量芯片功耗的同时，可以在降低计量精度的条件下继续对电能进行计量。

具体地，本发明的电能计量方法包括如下步骤：

检测用于电能计量的电能计量芯片是否发生掉电；

在掉电时，将所述电能计量芯片的系统供电切换到备份的取电方式；

将所述电能计量芯片的电能计量时钟切换到低频时钟；以及

在预先设定的时间段内对电能进行计量。

进一步地，上述方法还可以包括：将所述电能计量芯片的系统时钟切换到低频时钟。

其中，所述预先设定的时间段是间隔的多个时间段；并且所述预先设定的时间段是根据所述低频时钟设定的。

其中，所述预先设定的时间段是所述低频时钟的脉冲间隔的X倍，所述X是整数。

进一步地，上述方法还可以包括：调整电能计量时所使用的滤波器系数。

本发明提供的计量方案，即使在电路断相或窃电的模式下，依然可以在降低功耗的同时，对电流进行有效值的计算，并提供视在功率和视在功率脉冲的输出，更重要的是，不需要依赖于特定的工艺或器件的支持，非常有利于布局布线，还可以保证电能计量芯片上的必要信息不丢失。

附图说明

图1是SOC电能计量芯片的基本结构示意图。

图2A、2B、2C是EMU进行电能计量的基本算法流程示意图。

图3是SOC电能计量芯片与外围电源电路的连接示意图。

图4是图3中取电部分的示意图。

图5是根据本发明实施例的低频计量方式的流程图。

图6是断相窃电模式下取电部分的示意图。

图7是本发明的时钟发生器的基本结构示意图。

图8是本发明的低频计量方式的示意图。

图9是本发明的低频计量方式下计算视在功率的算法流程示意图。

图10是常用SOC电能计量芯片的示意性框图。

具体实施方式

本发明针对目前断相窃电情况下SOC电能计量芯片不能对电能进行计量的问题，提出一种低频计量方式，使得可以在降低整个电能计量芯片的功耗的同时，依然对电能进行计量。

下面，结合附图，对本发明的低频计量方案进行详细描述。

图1是SOC电能计量芯片的基本结构示意图。如图1所示，采样电路（未示出）将从电路中采样获得的电流和电压信号分别通过管脚V1P、V1N、V2P、V2N、V3P、V3N输入到模数转换器（ADC），其中，管脚V1P、V1N、V2P、V2N、V3P、V3N分别表示电流通道I1的两个正负输入管脚、电流通道I2的两个正负输入管脚和电压通道U的两个正负输入管脚。模数转换器（ADC）将接收到的采样信号离散化，然后输入到电能计量模块（EMU）中，进行计算，输出有功功率脉冲pf、无功功率脉冲qf和视在功率脉冲sf，实现对电能的计量。

图1中的MCU模块是微控制器单元，是SOC电能计量芯片的处理器部分，用于根据预先存储的程序指令控制整个SOC电能计量芯片的操作；GLKGEN/RSTGEN模块包括时钟发生器，用于产生SOC电能计量芯片的系统时钟Sys_clk和EMU的工作时钟Emu_clk，该模块还包括寄存器或者称为程序存储器，用于存储芯片中处理器部分运行所需要的程序指令。进一步地，管脚Vbattery与用作备份的电池相连，用于在SOC电能计量芯片掉电时从相连的电池取电。

具体的电能计量方法如图2A、2B、2C所示的流程。

参见图2A，采样获得的电压（U）和电流（I）信号（包括电流通道I1的电流信号和电流通道I2的电流信号）在各自的ADC中进行离散化，分别经相位校正模块和高通滤波器（HPF）处理后，输入到乘法器，进而经低通滤波器（LPF）处理，分别计算出有功功率（Ppower）和无功功率（Qpower）。其中，有功功率的计算公式为：无功功率的计算公式为：其中，是功率因数。

参见图2B，采样获得的U、I信号分别经ADC、相位校正、HPF处理之后，在乘法器处自乘，然后，经LPF和开方器处理，分别获得电压有效值Urms和电流有效值Irms。

参见图2C，所获得的有效值Urms和Irms经乘法器相乘后，增益放大，可以得到视在功率（Spower）。其中，视在功率的计算公式为：Spower=Urms*Irms。

根据图2A和图2C所示流程获得的功率Ppower、Qpower、Spower分别经脉冲累加发生器（也称为脉冲生成器）产生有功功率脉冲（pf）、无功功率脉冲（qf）和视在功率脉冲（sf）。

获得了上述有功功率脉冲、无功功率脉冲和视在功率脉冲，即可实现电能计量。于是，获取U、I信号是电能计量的基础。

图3示出了SOC电能计量芯片与外围电源电路的连接示意图，从该示意图可以看到SOC电能计量芯片如何获得U、I采样信号以及如何获得自身运行所需的电能。

如图3所示，在正常工作模式下，SOC电能计量芯片相当于整个电路中的一个负载，电流通道I1的信号通过火线上的锰铜采样，电流通道I2的信号通过零线上的电流线圈互感器（或者称为取电线圈）采样，而电压通道U的信号通过火线上的电阻分压采样。

SOC电能计量芯片的系统电源通过电源管脚Vsys从电路中的取电部分取电，用以维持SOC电能计量芯片的操作。电压检测管脚Vdcin也与电路中的取电部分相连，与SOC电能计量芯片中的电源检测模块（PMU，未示出）一起用于检测SOC电能计量芯片是否发生掉电，从而指示芯片是否进入断相窃电模式。

图4进一步示出了图3中取电部分。如图4所示，取电部分设置有一个稳压器（LDO，Low Drop-Out），其输入端之一通过取电线圈连接到零线，另外一个输入端连接到变压器的一端，变压器的另一端连接到电路中。

在正常工作的模式下，稳压器LDO是从变压器取电（如图4中粗的黑线部分所示），提供给SOC电能计量芯片的电源管脚Vsys。电压检测管脚Vdcin从变压器经过分压电阻获得电能。在这种情况下，电压检测管脚Vdcin有电能输入，指示SOC电能计量芯片正常工作。

当发生电路断相，或者通过断相方式窃电时，变压器处首先断电，于是，电压检测管脚Vdcin无法获得电能，此时，稳压器LDO自动切换到从取电线圈取电，提供给电源管脚Vsys（具体参见下面结合图6所做的描述）。

于是，SOC电能计量芯片需要进入低功耗运行模式。在这种情况下，参见图5所示的流程图，详细描述SOC电能计量芯片在低功耗运行模式下的低频计量方案。如图5所示，本发明的低频计量方法包括如下的步骤。

步骤S501：检测SOC电能计量芯片是否发生掉电；

当发生断相窃电时，图4所示的取电部分中的变压器处首先断电。此时，电压检测管脚Vdcin无法获得电能，在SOC电能计量芯片中，与电压检测管脚Vdcin相连的电源检测模块（PMU）就可以获知SOC电能计量芯片发生了掉电。

步骤S502：对SOC电能计量芯片的系统电源进行切换；

在发生掉电的同时，由于变压器处的断电，SOC电能计量芯片的系统供电管脚Vsys也无法经稳压器（LDO）从变压器取电。于是，在获知了SOC电能计量芯片发生掉电的同时，稳压器（LDO）自动切换到通过取电线圈取电。参见图6中粗的黑线部分，图6是断相窃电模式下取电部分的示意图。需要说明的是，这里的取电线圈也可以是安装于芯片上的电池。即，系统电源可以切换到从电池取电。

此时，系统供电管脚Vsys经稳压器（LDO）从取电线圈取电。由于取电线圈的电能有限，不能长时间提供SOC电能计量芯片正常操作所需的电能。因此，需要降低整个电能计量芯片的功耗。

步骤S503：对时钟进行切换；

返回参见图1，GLKGEN模块是时钟发生器，可以产生SOC电能计量芯片的系统时钟Sys_clk和EMU的工作时钟Emu_clk。图7进一步示出了时钟发生器的结构。

如图7所示，来自晶振电路的低频时钟Osc_clk通过锁相环（PLL）产生高频时钟Pll_clk，然后，低频时钟Osc_clk和高频时钟Pll_clk经过切换选择电路（MUX）的选择，分别输出系统时钟Sys_clk和电能计量模块时钟Emu_clk。

在正常工作的情况下，切换选择电路（MUX）选择高频时钟Pll_clk分别作为系统时钟Sys_clk和电能计量模块时钟Emu_clk。这是处理器部分和电能计量模块工作的参考时钟。

当如上所述，SOC电能计量芯片发生掉电时，电源检测模块（PMU）检测到的信号触发切换选择电路（MUX）选择低频时钟Osc_clk作为电能计量模块的工作时钟Emu_clk。由于时钟频率的降低，采样率和计量频率都因此降低，于是，整个电能计量芯片的功耗都得以降低。

需要说明的是，系统时钟Sys_clk可以继续使用高频时钟Pll_clk，也可以被切换到使用低频时钟Osc_clk。如果系统时钟Sys_clk也被切换到使用低频时钟Osc_clk，那么整个芯片的功耗会进一步得到降低。

S504：分时对电能进行计量，即，在预定的时间段内对电能进行计量；

当SOC电能计量芯片发生掉电时，电压通道处于失压状态，即，U=0；因此，根据有功功率、无功功率的计算公式：可以知道P=0、Q=0，即，不能产生功率。然而，电流通道有电流进入，能够计算电流有效值Irms。

鉴于降低功耗的要求，同时也考虑到断相窃电模式下不需要精确计算电能，本发明在这里采用了分时计量的方法。所谓分时计量方法，是指电能计量模块EMU并不一直计算电流有效值，或者说并不一直对电能进行计量，而是在某些预先设定的时间段内计算电流有效值，在其它时间段不计算电流有效值，不对电能进行计量，在这些不计量电能的时间段，借用那些计量的电能持续发出脉冲，从而实现低功耗情况下对电能的粗略计量。

具体地，在SOC电能计量芯片进入低功耗运行模式后，EMU电能计量时钟被切换到低频时钟Osc_clk，在这种情况下，参见图8，根据程序存储器中预先存储的程序指令和配置，SOC电能计量芯片的处理器部分指示EMU，在T1时间段，不计算电流有效值Irm，在T2时间段，计算电流有效值Irms，其中，T1和T2是预先设置并存储在程序存储器中的。

T1和T2可以是参考着低频时钟Osc_clk设置的，例如，T2是低频时钟脉冲间隔的若干倍，T1和T2间隔开，即，EMU每隔一段时间计算一次电流有效值Irms。

在获得电流有效值Irms之后，根据图9所示的算法流程，计算视在功率：S'power=Uconst*Irms，其中，Uconst是预先设定的电压常数。

所获得的视在功率S'power输入到脉冲累加发生器，功率累加得到能量，能量每累加一次，就会发出一个脉冲，持续发出SF'脉冲，即可实现电能计量。

如上所述，在T1时间段，不计算电流有效值Irms，无法得到功率，视在功率只能是在T2时间段内得到，在前一个T2时间段得到的视在功率，会在下一个T2时间段计算出新的视在功率之前一直累加，于是，在T1时间段，电能计量模块发出脉冲的功率相当于借用T2时间段计算出的功率，即，所获得的视在功率S'power输入到脉冲累加发生器之后，是采用T2时间内发出脉冲的速率来持续发出SF'脉冲的。

此外，由于计量频率发生改变，采样率也发生了变化，为了得到更好的响应，还可以进一步改变高通滤波器（HPF）和低通滤波器（LPF）的滤波器系数。

可见，利用上述的低频分时计量方案，即使在断相窃电的模式下，依然能够实现对电能的计量，而没有采用现有的消极做法，直接停止计量。相反，本发明的方案在降低功耗的同时，还实现了对电流有效值的计算，并提供视在功率和视在功率脉冲的输出，在最大程度上避免了停止计量造成的损失。而且，本发明的方案不需要依赖于特定的工艺或器件的支持，非常有利于布局布线，还可以保证电能计量芯片上的必要信息不丢失。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术原理，而非对本发明的范围加以限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (6)

1.一种电能计量方法，其特征在于，包括：

检测用于电能计量的电能计量芯片是否发生掉电；

在掉电时，将所述电能计量芯片的系统供电切换到备份的取电方式；

将所述电能计量芯片的电能计量时钟切换到低频时钟；以及

在预先设定的时间段内对电能进行计量。

2.如权利要求1所述的电能计量方法，其特征在于，进一步包括：将所述电能计量芯片的系统时钟切换到低频时钟。

3.如权利要求1所述的电能计量方法，其特征在于，所述预先设定的时间段是间隔的多个时间段。

4.如权利要求1所述的电能计量方法，其特征在于，所述预先设定的时间段是根据所述低频时钟设定的。

5.如权利要求4所述的电能计量方法，其特征在于，所述预先设定的时间段是所述低频时钟的脉冲间隔的X倍，所述X是整数。

6.如权利要求1所述的电能计量方法，其特征在于，进一步包括：调整电能计量时所使用的滤波器系数。