CN108181502A - 电能计量芯片和电能计量装置 - Google Patents

电能计量芯片和电能计量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电能计量芯片和电能计量装置，其中，芯片包括：第一电流采样通道、第二电流采样通道、电压采样通道和信号处理模块；所述第一电流采样通道用于采样用电回路的漏电电流并将所述漏电电流传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述漏电电流与预设阈值之间的比较关系进行漏电检测；所述第二电流采样通道用于采样所述用电回路的用电电流并将所述用电电流传输至所述信号处理模，所述电压采样通道用于采样所述用电回路的用电电压并将所述用电电压传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述用电电流和所述用电电压进行电能计量。本发明兼具了电能计量、漏电检测和用电设备检测的功能。

Description

电能计量芯片和电能计量装置
技术领域
本发明属于电能计量领域，尤其涉及一种电能计量芯片和电能计量装置。
背景技术
目前的电能计量芯片，具备电能计量的功能，即可以计量出用电设备的电压、电流和所消耗电能，基于这样的功能均很完备。而在实际的用电过程中，电器总存在着一定比例的漏电的现象。针对这一现象，市面上有很多漏电检测和漏电保护装置，但均作为另一个外部设备，加装在电表之外。
即使这样，这样的漏电检测设备还存在这样的问题：
(1)漏电检测规格的划分：通常一般的漏电等级分为6mA、10mA、30mA或者100mA以上等等这些规格，而往往一种漏电检测设备只能针对一个规格进行检测或保护，这就造成了针对不同电器只能选择不同规格的漏电检测设备，不同规格的漏电检测设备不能混用，否则会引起误检测或误报警。
(2)漏电检测往往只能区分漏电电流，而不能分析是何种设备漏电。因为目前的漏电检测方法就是单纯检测漏电电流，对于设备其他的电能特征并不分析，因此并不能判断出是何种设备漏电，因此就更无法进行针对性的报警或处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中电能计量芯片不能进行漏电检测的缺陷，提供一种集电能计量和漏电检测于一体的电能计量芯片和电能计量装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供一种电能计量芯片，包括：第一电流采样通道、第二电流采样通道、电压采样通道和信号处理模块，所述第一电流采样通道、所述第二电流采样通道和所述电压采样通道分别与所述信号处理模块连接；
所述第一电流采样通道用于采样用电回路的漏电电流并将所述漏电电流传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述漏电电流与预设阈值之间的比较关系进行漏电检测；
所述第二电流采样通道用于采样所述用电回路的用电电流并将所述用电电流传输至所述信号处理模，所述电压采样通道用于采样所述用电回路的用电电压并将所述用电电压传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述用电电流和所述用电电压进行电能计量。
较佳地，所述第一电流采样通道用于连接剩余电流互感器的次级，所述剩余电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线与零线之间；
在所述用电回路存在漏电电流时，所述火线与零线之间存在电流差，所述剩余电流互感器的次级产生感应信号，所述第一电流采样通道采样所述感应信号并将所述感应信号传输至所述信号处理模块。
较佳地，所述信号处理模块对所述感应信号进行模数转换以得到漏电电流波形，通过对所述漏电电流波形进行数字信号处理得到所述漏电电流的幅值并在所述幅值超过预设电流幅值时发出报警。
较佳地，所述电能计量芯片包括用于连接MCU(微控制单元)的串口，所述串口与所述信号处理模块连接，所述串口传输所述MCU输入的指令至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述指令设置所述预设阈值。
较佳地，所述信号处理模块包括报警寄存器，所述串口与所述报警寄存器连接，所述串口根据所述MCU输入的指令设置所述报警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分别对应一种预设阈值。
较佳地，所述第二采样通道用于连接计量用电流互感器的次级，所述计量用电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线上，所述第二电流采样通道采样所述计量用电流互感器的次级的电流信号并将所述电流信号传输至所述信号处理模块；
所述电压采样通道用于连接计量用电压互感器的次级，所述计量用电压互感器的初级并联在所述用电回路的火线和零线之间，所述电压采样通道采样所述火线与零线之间的电压信号并将所述电压信号传输至所述信号处理模块。
较佳地，所述信号处理模块对所述电流信号进行模数转换以得到电流用电波形，对所述电压信号进行模数转换以得到电压用电波形；
所述信号处理模块还通过对所述电流用电波形和所述电压用电波形进行数字信号处理，得到用于电能计量的若干参数；
或者，通过与MCU连接的串口将所述电流用电波形和所述电压用电波形输出至所述MCU。
较佳地，所述电能计量芯片还包括用于连接继电器驱动的驱动输出引脚，所述驱动输出引脚通过输出用于驱动所述继电器驱动动作的驱动信号来发出报警；
或，所述电能计量芯片还包括用于输出报警脉冲的脉冲输出引脚，所述脉冲输出引脚通过输出报警脉冲来发出报警。
较佳地，所述电能计量芯片还包括通用异步收发传输器，所述信号处理模块与所述通用异步收发传输器连接，所述通用异步收发传输器提供所述串口。
本发明还提供一种电能计量装置，包括如上所述的电能计量芯片。
较佳地，所述电能计量装置还包括剩余电流互感器、计量用电流互感器和计量用电压互感器；
所述剩余电流互感器的次级连接所述电能计量芯片的第一电流采样通道，所述剩余电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线与零线之间；
所述计量用电流互感器的次级连接所述电能计量芯片的第二电流采样通道，所述计量用电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线上；
所述计量用电压互感器的次级连接所述电能计量芯片的电压采样通道，所述计量用电压互感器的初级并联在所述用电回路的火线和零线之间。
较佳地，所述电能计量装置还包括MCU，所述MCU与所述电能计量芯片连接；
所述MCU输入设置预设阈值的指令。
较佳地，所述MCU预存有至少一已知用电设备的特征波形，所述电能计量芯片输出未知用电设备的用电波形，所述MCU通过比较所述用电波形与预存的特征波形，找出符合所述用电波形的特征波形，输出所述未知用电设备的判断结果。
较佳地，所述电能计量装置还包括继电器驱动，所述继电器驱动与所述电能计量芯片连接。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明的电能计量芯片和电能计量装置能够实现以下功能：
(1)电能计量，完成电能计量芯片对电压、电流、电能量的测量。
(2)可根据预先设定阈值的不同，进行不同规格的漏电检测，并进行不同的报警输出。
(3)可根据预先写入的已知用电设备的电压、电流的用电波形，对实际漏电的用电设备进行分析，从而确定漏电的用电设备究竟为何种设备。
附图说明
图1为本发明实施例的电能计量装置的电路连接示意图。
图2为本发明实施例的电能计量芯片的内部结构示意图。
图3为本发明实施例的电能计量装置进行用电设备检测的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
图1示出了本实施例的电能计量装置的电路连接示意图。其包括了电能计量芯片IC1、剩余电流互感器CT1、计量用电流互感器CT2、计量用电压互感器PT、MCU和继电器驱动。图2示出了所述电能计量芯片IC1的内部结构示意图。
所述电能计量芯片IC1设有以下引脚：IAN引脚和IAP引脚、IBN引脚和IBP引脚、VP引脚和VN引脚、VREF引脚、两个GND引脚、VDD引脚、/RST引脚、CF引脚、CF1引脚和CF 2引脚、RX引脚和TX引脚。
其中，IAN引脚和IAP引脚形成了第一电流采样通道，IBN引脚和IBP引脚形成了第二电流采样通道，VP引脚和VN引脚形成了电压采样通道。
VREF引脚为所述电能计量芯片IC1提供基准电压，VDD引脚为所述电能计量芯片IC1提供参考电压源，GND引脚接地，/RST引脚用于复位，CF引脚、CF1引脚和CF 2引脚为三个输出引脚，RX引脚和TX引脚为串口，RX引脚用于信号输入，TX引脚用于信号输出。
所述电能计量芯片IC1还包括信号处理模块和UART(通用异步收发传输器)。所述信号处理模块分别与所述第一电流采样通道、所述第二电流采样通道和所述电压采样通道连接。所述信号处理模块还与UART连接，UART提供所述串口。
所述第一电流采样通道用于采样用电回路的漏电电流并将所述漏电电流传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述漏电电流与预设阈值之间的比较关系进行漏电检测。
所述第二电流采样通道用于采样所述用电回路的用电电流并将所述用电电流传输至所述信号处理模块，所述电压采样通道用于采样所述用电回路的用电电压并将所述用电电压传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述用电电流和所述用电电压进行电能计量。
具体地，为了采样用电回路的漏电电流，所述第一电流采样通道的连接方式为：所述第一电流采样通道(即IAN引脚和IAP引脚)连接所述剩余电流互感器CT1的次级，所述剩余电流互感器CT1的初级串接于所述用电回路的火线L与零线N之间。
在所述用电回路未存在漏电时，火线L与零线N间的进线电流和出现电流相等，所述剩余电流互感器CT1不会产生磁通信号。在所述用电回路存在漏电电流时，所述火线L与零线N之间产生电流差，根据基尔霍夫定律，所述剩余电流互感器CT1的线圈中产生感应电压，所述剩余电流互感器CT1的次级产生感应信号，所述第一电流采样通道采样所述感应信号并将所述感应信号传输至所述信号处理模块。所述信号处理模块对所述感应信号进行模数转换以得到漏电电流波形，通过对所述漏电电流波形进行数字信号处理得到所述漏电电流的幅值并在所述幅值超过所述预设阈值时发出报警。
其中，所述预设阈值的设置方式为：将所述串口连接至MCU，MCU输入设置预设阈值的指令，所述串口传输所述MCU输入的指令至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述指令设置所述预设阈值。为了适用于不同的使用环境，满足不同的漏电检测等级需求，可以设置不同的预设阈值。具体地，所述信号处理模块包括若干报警寄存器，所述串口与所述报警寄存器连接，所述串口根据所述MCU输入的指令设置所述报警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分别对应一种预设阈值。如下表所示：
漏电等级 预设阈值 对应的寄存器值
6mA 8mV 000
10mA 13.3mV 001
30mA 40mV 010
100mA 133.33mV 011
300mA 400mV 100
以需要满足6mA的漏电等级检测为例，MCU输入指令通过串口传输至报警寄存器，报警寄存器将寄存器值设为000，此时的预设阈值即为8mV，若所述漏电电流的幅值超过8mV，则发出报警。
本实施例提供了两种报警方式，一种可以为：将CF1引脚和CF2引脚作为用于连接继电器驱动的驱动输出引脚，所述驱动输出引脚通过输出用于驱动所述继电器驱动动作的驱动信号来发出报警；
另一种可以为：将CF引脚作为用于输出报警脉冲的脉冲输出引脚，所述脉冲输出引脚通过输出报警脉冲来发出报警。CF引脚还可以兼具计量脉冲输出的功能。所述报警脉冲可以为有别于正常计量脉冲的快速脉冲。
当然本发明的报警方式并不限定于此，亦可采用其它的报警方式报警。
为了实现电能计量，所述第二采样通道的连接方式为：所述第二采样通道(即IBN引脚和IBP引脚)连接计量用电流互感器CT2的次级，所述计量用电流互感器CT2的初级串接于所述用电回路的火线L上；所述电压采样通道的连接方式为：所述电压采样通道(即VP引脚和VN引脚)连接计量用电压互感器PT的次级，所述计量用电压互感器PT的初级并联在所述用电回路的火线L和零线N之间，
所述第二电流采样通道采样所述计量用电流互感器CT2的次级的电流信号并将所述电流信号传输至所述信号处理模块，所述电压采样通道采样所述火线L与零线N之间的电压信号并将所述电压信号传输至所述信号处理模块。
所述信号处理模块对所述电流信号进行模数转换以得到电流用电波形(所述电流用电波形包括火线用电波形和零线用电波形)，对所述电压信号进行模数转换以得到电压用电波形，通过对所述电流用电波形和所述电压用电波形进行数字信号处理，得到用于电能计量的若干参数，如电流电压有效值、功率因子、有功/视在功率值、有功/视在能量值等等。所述串口可以将上述参数输出至所连接的MCU，所述串口还可以将所述电流用电波形和所述电压用电波形输出至所连接的MCU。
进一步地，本实施例的电能计量装置在所述电能计量芯片IC1和MCU的配合下还能够实现判断用电设备究竟是何种设备，尤其是针对漏电的用电设备的判断。
进一步地，本实施例的电能计量装置还可以进一步实现判断用电设备为何种设备的功能。
具体地，所述MCU预存有至少一已知用电设备的特征波形所述特征波形包括已知用电设备在使用过程中在某些特定时间的火线电流波形、零线电流波形和电压波形。所述已知用电设备可以自由选取，如家庭中常用的用电设备，洗衣机、空调、电冰箱等，不同的用电设备的特征波形不完全相同，每一已知用电设备的特征波形被做成程序库，存于MCU的寄存器中。
如图3所示，所述电能计量芯片IC1的UART通过串口将未知用电设备的用电波形(包括火线用电波形、零线用电波形和电压用电波形)输出至MCU，MCU通过比较所述用电波形与寄存器中预存的特征波形，找出符合所述用电波形的特征波形，输出所述未知用电设备的判断结果，所述未知用电设备即为找出的特征波形对应的已知用电设备。例如，经比较，未知用电设备的用电波形与电冰箱的特征波形相同，那么，可以确定未知用电设备即为电冰箱。
本实施例的电能计量装置兼具了电能计量、漏电检测、用电设备检测的功能，其中，预设阈值的设定可以满足不同使用环境的漏电检测需求，用电设备检测，尤其是漏电的用电设备的检测，可以有效的保护人民群众的用电安全，具有极其重要的意义。
本实施例示出的电能计量芯片IC1为单相计量芯片，但是本发明并不限定于此，本发明同样适用于三相计量芯片。具体地说，只需将电流采样的数量从本实施例的L、N两相，变为A、B、C三相，其余原理基本相同，具体方案不再赘述。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种电能计量芯片，其特征在于，包括：第一电流采样通道、第二电流采样通道、电压采样通道和信号处理模块，所述第一电流采样通道、所述第二电流采样通道和所述电压采样通道分别与所述信号处理模块连接；
所述第一电流采样通道用于采样用电回路的漏电电流并将所述漏电电流传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述漏电电流与预设阈值之间的比较关系进行漏电检测；
所述第二电流采样通道用于采样所述用电回路的用电电流并将所述用电电流传输至所述信号处理模，所述电压采样通道用于采样所述用电回路的用电电压并将所述用电电压传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块利用所述用电电流和所述用电电压进行电能计量。
2.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述第一电流采样通道用于连接剩余电流互感器的次级，所述剩余电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线与零线之间；
在所述用电回路存在漏电电流时，所述火线与零线之间存在电流差，所述剩余电流互感器的次级产生感应信号，所述第一电流采样通道采样所述感应信号并将所述感应信号传输至所述信号处理模块。
3.如权利要求2所述的电能计量芯片，其特征在于，所述信号处理模块对所述感应信号进行模数转换以得到漏电电流波形，通过对所述漏电电流波形进行数字信号处理得到所述漏电电流的幅值并在所述幅值超过预设电流幅值时发出报警。
4.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片包括用于连接MCU的串口，所述串口与所述信号处理模块连接，所述串口传输所述MCU输入的指令至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述指令设置所述预设阈值。
5.如权利要求4所述的电能计量芯片，其特征在于，所述信号处理模块包括报警寄存器，所述串口与所述报警寄存器连接，所述串口根据所述MCU输入的指令设置所述报警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分别对应一种预设阈值。
6.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述第二采样通道用于连接计量用电流互感器的次级，所述计量用电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线上，所述第二电流采样通道采样所述计量用电流互感器的次级的电流信号并将所述电流信号传输至所述信号处理模块；
所述电压采样通道用于连接计量用电压互感器的次级，所述计量用电压互感器的初级并联在所述用电回路的火线和零线之间，所述电压采样通道采样所述火线与零线之间的电压信号并将所述电压信号传输至所述信号处理模块。
7.如权利要求6所述的电能计量芯片，其特征在于，所述信号处理模块对所述电流信号进行模数转换以得到电流用电波形，对所述电压信号进行模数转换以得到电压用电波形；
所述信号处理模块还通过对所述电流用电波形和所述电压用电波形进行数字信号处理，得到用于电能计量的若干参数；
或者，通过与MCU连接的串口将所述电流用电波形和所述电压用电波形输出至所述MCU。
8.如权利要求3所述的电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片还包括用于连接继电器驱动的驱动输出引脚，所述驱动输出引脚通过输出用于驱动所述继电器驱动动作的驱动信号来发出报警；
或，所述电能计量芯片还包括用于输出报警脉冲的脉冲输出引脚，所述脉冲输出引脚通过输出报警脉冲来发出报警。
9.如权利要求4所述的电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片还包括通用异步收发传输器，所述信号处理模块与所述通用异步收发传输器连接，所述通用异步收发传输器提供所述串口。
10.一种电能计量装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的电能计量芯片。
11.如权利要求10所述的电能计量装置，其特征在于，所述电能计量装置还包括剩余电流互感器、计量用电流互感器和计量用电压互感器；
所述剩余电流互感器的次级连接所述电能计量芯片的第一电流采样通道，所述剩余电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线与零线之间；
所述计量用电流互感器的次级连接所述电能计量芯片的第二电流采样通道，所述计量用电流互感器的初级串接于所述用电回路的火线上；
所述计量用电压互感器的次级连接所述电能计量芯片的电压采样通道，所述计量用电压互感器的初级并联在所述用电回路的火线和零线之间。
12.如权利要求10所述的电能计量装置，其特征在于，所述电能计量装置还包括MCU，所述MCU与所述电能计量芯片连接；
所述MCU输入设置预设阈值的指令。
13.如权利要求12所述的电能计量装置，其特征在于，所述MCU预存有至少一已知用电设备的特征波形，所述电能计量芯片输出未知用电设备的用电波形，所述MCU通过比较所述用电波形与预存的特征波形，找出符合所述用电波形的特征波形，输出所述未知用电设备的判断结果。
14.如权利要求10所述的电能计量装置，其特征在于，所述电能计量装置还包括继电器驱动，所述继电器驱动与所述电能计量芯片连接。
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