CN112020655A - 包括电流测量电路和电压测量电路的电表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电表(1)，其包括电流测量电路(20)和电压测量电路(21)，该电流测量电路包括产生第一模拟测量电压(V1a)的电流传感器(11a)和布置成以产生第一数字值的方式进行第一模拟测量电压的第一采样的第一模数转换器(12a)，而该电压测量电路包括产生第二模拟测量电压(V2a)的电压传感器(24a)和布置成以产生第二数字值的方式进行第二模拟测量电压的第二采样的第二模数转换器，该电表还包括第一同步电路，其被布置成使第一采样和第二采样的频率同步。

Description

包括电流测量电路和电压测量电路的电表

本发明涉及包括电流测量电路和电压测量电路的电表的领域。

发明的背景技术

旨在被用于重工业用途的D类电表通常测量非常高的电流，有时大于1000安培(A)。

因此，此种电表一般经由一个或多个外部变压器被连接至配电网的一个或多个相导体，该一个或多个外部变压器被连接至该相导体。通常，这些外部变压器的呈现位于100到1000范围中的变压比。

在经由外部变压器连接到配电网的电表中，将用于测量(诸)相导体中流动的一个或多个相电流的电流的测量组件和用于测量(诸)相导体上的一个或多个相电压的电压测量组件两者进行电隔离是恰当的。具体而言，对于每个相导体而言，相电压直接在相导体上获得，而相电流则经由外部变压器获得。因此，电流测量组件和电压测量组件以独立和不同的方式隔离，并且它们的参考接地之间可能存在很大的电位差。

这种电表还必须符合相对严格的精度要求。D类电表要达到的精度通常等于±0.2％。

为了满足这些隔离度和精度要求，现电表的设计者可以在两种已知解决方案之间进行选择。

第一种解决方案是在电流测量组件中使用一个或多个罗氏(Rogowski)传感器。那么，使电表符合2千赫(kHz)至150千赫频率范围中的抗干扰性的要求是非常复杂的。具体地说，罗氏传感器是电流微分器，并且一旦它们被微分，这种干扰具有与它们的频率成正比的振幅。

第二种解决方案包括在电流测量组件中使用内部电流变压器，将相对准确的电流传感器连接到那些变压器上。然而，这种内部电流变压器存在温度漂移。补偿该温度漂移以便满足与D类电表相关联的精度要求是实现复杂的。

还应观察到，第一种和第二种解决方案通常使用主要是模拟的组件来实现，并且这些组件趋向于随时间而漂移。

发明目的

本发明的目的是提供一种符合常规上与D类电表相关联的精度要求的电表。

发明内容

为了达成该目的，提供了一种包括电流测量电路和电压测量电路的电表，该电流测量电路被布置成测量在配电网的相导体中流动的相电流，该电压测量电路被布置成测量相导体上的相电压，电流测量电路包括产生代表相电流的第一模拟测量电压的传感器和被布置成采集第一模拟测量电压的第一样本以产生第一数字值的第一模数转换器，电压测量电路包括产生代表相电压的第二模拟测量电压的电压传感器和被布置成采集第二模拟测量电压的第二样本以产生第二数字值的第二模数转换器，该电表进一步包括第一同步电路，第一同步电路被布置成在频率上同步第一样本和第二样本的采集。

通过在频率上同步代表相电流的第一模拟测量电压的第一样本的采集与代表相电压的第二模拟测量电压的第二样本的采集，可能获得在频率上同步的第一数字值和第二数字值。

这提高了被估计功率的精度，并且因此提高了对其中集成有该电表的设施所消耗电能量的估计的精度。

还提供了如上所述的电表，其中电流测量电路包括电流测量模块，该电流测量模块包括电流传感器且与电压测量电路电隔离。

在特定实施例中，电流测量模块与电压测量电路之间的电隔离是通过集成到第一模数转换器中的隔离屏障来获得的。

因此，电流测量模块与电压测量电路电隔离，而不需要使用罗氏传感器或内部电流变压器，从而避免了与这两种解决方案相关联的缺点。

在特定实施例中，电流传感器包括分流器，而电压传感器包括分压电桥。

在多相电表中使用一个或多个分流器，使得能够在良好的条件下处理频率范围为2kHz至150kHz的干扰。此外，分流器对温度变化不太敏感。

应当观察到，在本发明的电表中，测量主要由数字组件(第一模数转换器、第二模数转换器(可能被集成在数字处理器部件中)等)来处理，这些组件随时间的漂移非常小。

本发明可以鉴于以下对于本发明的特定非限定性实施例的描述而被更好地理解。

附图简述

参考附图，其中：

·图1是本发明的电表的电路图；

·图2示出了用于校准本发明的电表的步骤。

本发明的详细说明

参考图1，在该示例中本发明的电表1是工业三相电表。该电表是D类表。

电表1用于测量由三相配电网供应给工业电设施的电能的量。

电表1经由第一外部变压器被连接到网络的第一相导体，经由第二外部变压器被连接到网络的第二相导体，以及经由第三变压器被连接到网络的第三相导体，第一外部变压器的初级端子被连接至第一相导体，第二外部变压器的初级端子被连接至第二相导体，而第三外部变压器的初级端子被连接至第三相导体。电表1也被连接到网络的中性导体。

电表1首先包括端子块2，该端子块2包括第一电压端口3、第二电压端口4、第三电压端口5、中性端口6、上游和下游第一电流端口7a和7b、上游和下游第二电流端口8a和8b，以及上游和下游第三电流端口9a和9b。

当电表1被连接到网络时，第一电压端口3被连接到第一相导体，第二电压端口4被连接到第二相导体，而第三电压端口5被连接到第三相导体。

第一外部变压器的次级呈现分别连接到上游和下游的第一电流端口7a和7b的第一和第二端子，第二外部变压器的次级呈现分别连接到上游和下游第二电流端口8a和8b的第一和第二端子，第三外部变压器的次级呈现分别连接到上游和下游第三电流端口9a和9b的第一和第二端子。中性端口6被连接到网络的中性导体。

电表1进一步包括电流测量电路20。

电流测量电路20包括三个电流传感器，具体地说是三个分流器11和三个第一模数转换器12。

第一分流器11a被连接在上游与下游第一电流端口7a和7b之间。第二分流器11b被连接在上游与下游第二电流端口8a和8b之间。第三分流器11c被连接在上游与下游第三电流端口9a和9b之间。

第一模拟测量电压V1a跨第一分流器11a的端子生成。第一模拟测量电压V1a代表在第一相导体中流动的第一相电流。第一模数转换器12a具有两者都连接到第一分流器11a的第一端子的第一输入引脚13和第二输入引脚14，以及被连接到第一分流器11a的第二端子的第三输入引脚15。在该示例中，“引脚”可以是任何合适组件(模数转换器、微控制器等)的引脚，不管该组件的封装类型如何。

第一模数转换器12a使用取自将上游第一电流端口7a、第一分流器11a的端子之一和第一模数转换器12a的第一输入13连接在一起的导体的第一参考接地m1。

第一模拟测量电压V1b跨第二分流器11b的端子生成。第一模拟测量电压V1b代表在第二相导体中流动的第二相电流。第一模数转换器12b具有两者都连接到第二分流器11b的第一端子的第一输入引脚13和第二输入引脚14，以及被连接到第二分流器11b的第二端子的第三输入引脚15。第一模数转换器12b使用取自将上游第二电流端口8a、第二分流器11b的端子之一和第一模数转换器12b的第一输入13连接在一起的导体的第二参考接地m2。

第一模拟测量电压V1c跨第三分流器11c的端子生成。第三模拟测量电压V1c代表在第三相导体中流动的第三相电流。第一模数转换器12c具有两者都连接到第三分流器11c的第一端子的第一输入引脚13和第二输入引脚14，以及被连接到第三分流器11c的第二端子的第三输入引脚15。第一模数转换器12c使用取自将上游第一电流端口9a、第三分流器11c的端子之一和第一模数转换器12c的第一输入13连接在一起的导体的第三参考接地m3。

第一参考接地m1、第二参考接地m2和第三参考接地m3是不同的，并且彼此隔离。

每个第一模数转换器12获取施加到其第二输入引脚14和其第三输入引脚15的第一模拟测量电压V1，并且它采集第一模拟测量电压V1的第一样本以获得第一数字值。

在该示例中，三个第一模数转换器12是Σ-Δ转换器。适于用于第一模数转换器12的组件的示例具有参考号ADE7912(模拟设备)。

每个第一模数转换器12具有由隔离屏障18彼此隔离的输入级16和输出级17。隔离屏障18包括具有约8毫米(mm)气隙的隔离变压器。隔离屏障18对于高达5千伏(kV)的均方根(rms)交流(AC)电压有效。

因此，整体隔离屏障19由三个第一模拟-数字转换器12的隔离屏障18定义。整体隔离屏障19因此将电流测量模块与输出模块电隔离。

电流测量模块位于整体隔离屏障19的上游(在与网络同侧)，而输出模块位于整体隔离屏障19的下游(在与工业电气设施同侧)。

电流测量模块包括三个分流器11和三个第一模数转换器12的输入级16。输出模块包括三个第一模数转换器12的输出级17。

电表1进一步包括电压测量电路21。

电压测量电路21包括其中集成有第二模数转换器、电压传感器(具体地说是四个分压电桥24)和电源组件25的处理器组件。

在该示例中，处理器组件是微控制器23，然而它可以是其他组件，例如现场可编程门阵列(FPGA)。适于用于微控制器23的组件的示例具有参考号STM32F105(STMicroelectronics)。

微控制器23和电源组件25利用在电表1内定义的第四参考接地GND(并且与参考接地m1、m2和m3隔离)。

电源组件25的第一输入引脚26和微控制器23的第一输入引脚27经由包含两个电阻器的第一分压电桥24a连接到第一电压端口3。第一分压器电桥24a利用第四参考接地GND。

电源组件25的第二输入引脚29和微控制器23的第二输入引脚30经由包括两个电阻器的第二分压器电桥24b连接到第二电压端口4。第二分压器电桥24b利用第四参考接地GND。

电源组件25的第三输入引脚31和微控制器23的第三输入引脚32经由包括两个电阻器的第三分压电桥24c连接到第三电压端口5。第三分压器电桥24c利用第四参考接地GND。

电源组件25的第四输入引脚33和微控制器23的第四输入引脚34经由包括两个电阻器的第四分压器电桥24d连接到中性端口6之一。第四分压器电桥24d利用第四参考接地GND。

第二模拟测量电压V2a在第一分压电桥24a的输出端生成。第二模拟测量电压V2a代表在第一相导体上的第一相的电压。微控制器23获取第二模拟测量电压V2a并将其传送给第二模数转换器。

第二模拟测量电压V2b在第二分压电桥24b的输出端生成。第二模拟测量电压V2b代表在第二相导体上的第二相的电压。微控制器23获取第二模拟测量电压V2b并将其传送给第二模数转换器。

第二模拟测量电压V2c在第三分压电桥24c的输出端生成。第二模拟测量电压V2c代表在第三相导体上的第三相的电压。微控制器23获取第二模拟测量电压V2c并将其传送给第二模数转换器。

中性模拟测量电压Vn在第四分压电桥24d的输出端生成。中性模拟测量电压Vn代表中性电压。微控制器23获取中性模拟测量电压Vn并将其传送给第二模数转换器。

第二模数转换器因此获取第二模拟测量电压V2，并对每个第二模拟测量电压V2进行第二采样以获得第二数字值。

电源组件25使用第二模拟测量电压V2来产生电源电压，在该示例中，该电源电压等于3.3伏(V)。电源电压尤其为微控制器23和三个第一模数转换器12供电(经由其输出级17)。

应该观察到，电流测量电路20的电流测量模块通过整体隔离屏障19与电压测量电路21电隔离。

继续描述微控制器23与三个第一模数转换器12之间的电连接。

微控制器23具有SPI时钟(SCK)引脚40、主输入、从输出(MISO)引脚41、主输出、从输入(MOSI)引脚42、芯片选择一(CS1)引脚43、芯片选择二(CS2)引脚44、芯片选择三(CS3)引脚45、时钟(CLK)引脚46和定时引脚57。

微控制器23的SCK引脚40被连接到第一模数转换器12a的SCLK引脚47、第一模数转换器12b的SCLK引脚47以及第一模数转换器12c的SCLK引脚47。

微控制器23的MISO引脚41被连接到第一模数转换器12a的MISO引脚49、第一模数转换器12b的MISO引脚49以及第一模数转换器12c的MISO引脚49。

微控制器23的MOSI引脚42连接到第一模数转换器12a的MOSI引脚51、第一模数转换器12b的MOSI引脚51以及第一模数转换器12c的MOSI引脚51。

微控制器23的CS1引脚43被连接到第一模数转换器12a的CS引脚52，微控制器23的CS2引脚44被连接到第一模数转换器12b的CS引脚52，以及微控制器23的CS3引脚45被连接到第一模数转换器12c的CS引脚52。

因此，微控制器23和三个第一模数转换器12通过数字总线，特别是SPI总线50被连接在一起。

微控制器23的CLK引脚46被连接到第一模数转换器12a的同步引脚54、第一模数转换器12b的同步引脚54以及第一模数转换器12c的同步引脚54。

第一模数转换器12c的可用性引脚55被连接到微控制器23的定时引脚57。

三个第一模数转换器12由微控制器经由SPI总线50在频率上同步。微控制器23在其CLK引脚46上产生时钟信号。在该示例中，时钟信号的频率等于4兆赫(MHz)(但它自然可以不同)。三个第一模数转换器12中的每一个都使用时钟信号来控制相应的第一样本的采集的定时，使得三个第一模数转换器12在频率上彼此同步。

此外，微控制器23在其CS1引脚43、其CS2引脚44和其CS3引脚45上同时发出同步命令。因此，所有三个第一模数转换器12在其CS引脚52上同时接收同步命令。

然而，每个第一模数转换器12包括计数器，从而使其能够调整其采集第一样本的相位瞬间。当三个第一模数转换器12的内部计数器都具有相同的值时，三个第一模数转换器12在相位上同步。

在该示例中，三个第一模数转换器12的内部计数器通过同步命令在同一时刻被重置为0，使得三个第一模数转换器12在相位上同步。

电表1包括第一同步电路，其被布置成在频率上同步由每个第一模数转换器12执行的第一样本的采集与由微控制器23的第二模数转换器执行的第二样本的采集。

在该示例中，第一同步电路包括数字总线，具体地说是SPI总线50，并且其操作如下。

每个第一模数转换器12被布置成在SPI总线50上发出定时信号，该定时信号代表用于采集第一样本的第一频率。

这些定时信号包括脉冲。当第一数字值就绪时，第一模数转换器12生成脉冲，每个第一数字值从采集第一样本产生并且代表所讨论的由第一模数转换器12数字化的第一模拟测量电压V1的值(即，针对第一模数转换器12a的第一模拟测量电压V1a，针对第一模数转换器12b的第一模拟测量电压V1b，以及针对第一模数转换器12c的第一模拟测量电压V1c)。

这些定时信号在ADE7912的数据表中被标记为“数据就绪”信号。

定时信号由每个第一模数转换器12在其可用引脚上生成。

然而，第一模数转换器12c的可用性引脚55被连接到微控制器23的定时引脚57。

微控制器23因此获取其定时引脚57上的定时信号，并基于该定时信号来启动第二样本的采集。在微控制器23内部，定时信号在输入定时信号的边缘上生成中断，从而使得采集第二模拟测量电压V2的第二样本。

因此，第一样本的采集和第二样本的采集在频率上是同步的。

应该观察到，只有一个第一模数转换器12(具体地，第一模数转换器12c)的可用性引脚55被连接到微控制器23的定时引脚57就足够了，因为所有三个第一模数转换器12彼此是频率同步的。

因此，使用第一模数转换器12c的定时信号和可用性引脚55构成了以实际方式执行频率同步的非常有利的解决方案，并且它也是特别创新的，因为可用性引脚55(也称为clkout/dready引脚)并非是为此目的提供的。

第一同步电路用于在频率上而不是在相位上同步第一和第二样本的采集。第二模拟测量电压V2的样本采集相对于第一模拟测量电压V1的样本采集具有短延迟，该短延迟在第一数字值与第二数字值之间产生测量相位偏移。

为了补偿测量相位偏移并进一步提高测量精度，电表1包括第二同步电路。

第二同步电路用于通过确定要被应用于电流测量与电压测量之间的补偿相位偏移来补偿测量相位偏移。

由此确定以下：第一相导体的第一补偿相位偏移量

第二相位导体的第二补偿相位偏移量

以及第三相位导体的第三补偿相位偏移量

第二同步电路包括其中存储校准参数的存储器。校准参数包括第一补偿相位偏移量

和第一补偿增益K1、第二补偿相位偏移量

和第二补偿增益K2、以及第三补偿相位偏移量

和第三补偿增益K3。对于每个相导体而言，补偿增益K用于补偿归因于电流测量电路20和电压测量电路21的增益差。

校准参数是在电表1投入使用前获得的，即在制造或组装时，或在安装时。此后，当电表1工作时，微控制器23将补偿相位偏移和补偿增益应用于与每个相导体相关联的第一和第二数字值。

对于每一相导体而言，补偿相位偏移

和相关的补偿增益K如下被获得。

参考图2，以230V的测试电压Ut将1A的测试电流It注入到各相导体中。测试电流It和测试电压Ut同相。

因此，在测试电压Vt处将测试电流注入到电流测量电路20的输入端，该测试电压Vt被施加于电压测量电路21的输入端。

电流测量电路20和电压测量电路21然后被用于测量有功和无功功率值，以便获得测得的原始有功功率P(步骤E1)和测得的原始无功功率Q(步骤E2)。

在没有任何测量相位偏移的情况下，消耗的有功功率将等于230W，即等于Ut·It，而无功功率将为0W。

因此，通过引入补偿相位偏移

应获得等于230W的经补偿的有功功率P’和等于0W的经补偿的无功功率Q’。

然而，在P和Q上引入补偿相位偏移

以便获得P'和Q'相当于执行以下乘法：

得到以下方程：

以及

其中P是测得的原始有功功率，Q是测得的原始无功功率，P'是经补偿的有功功率，使得P'＝Ut·It，其中Ut是测试电压，而It是测试电流，Q'是经补偿的无功功率，使得Q'＝0。

补偿增益K用于补偿测得的原始有功功率P和测得的原始无功功率Q与经补偿的有功功率P'和经补偿无功功率Q'之间的增益差。

因此，在两个未知数中有两个方程，由此可能确定

和K。

对每个相导体执行这些操作。这用于获得第一补偿相位偏移量

和第一补偿增益K1、第二补偿相位偏移量

和第二补偿增益K2、以及第三补偿相位偏移量

和第三补偿增益K3。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入如由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。

尽管本文所述的电表是三相电表，但本发明自然适用于单相电表或任何多相电表。然后，每个相导体与相应的电流传感器及其第一模数转换器以及电压传感器相关联。

并非使用单个第二模数转换器，自然可能为每个相导体使用相应的第二模数转换器，并且在单相情况下也同样可以只使用单个第一模数转换器。

电流传感器和电压传感器可以不同于本文所述的分流器和分压器电桥。

在上面的描述中，第一同步电路包括数字总线，具体地说是SPI总线50，并且每个第一模数转换器12被布置成在SPI总线50上发出定时信号，这些信号代表用于采集第一样本的第一频率。当使用多个第一模数转换器时，定时信号可以仅由第一模数转换器中的一个发出，或者仅由其中一些转换器发出。

替换地，为了在频率上同步第一和第二样本，可以将每一第二模数转换器布置成在数字总线上发出定时信号，该信号将代表用于采集第二样本的第二频率。当使用多个第二模数转换器时，定时信号可仅由第二模数转换器中的一个发出，或者仅由其中一些转换器发出。

Claims (13)

1.一种电表(1)，其包括电流测量电路(20)和电压测量电路(21)，所述电流测量电路(20)被布置成测量配电网的相导体中流动的相电流，所述电压测量电路(21)被布置成测量所述相导体上的相电压，所述电流测量电路包括产生代表所述相电流的第一模拟测量电压(V1a)的电流传感器(11a)和布置成采集所述第一模拟测量电压的第一样本以便产生第一数字值的第一模数转换器(12a)，所述电压测量电路包括产生代表所述相电压的第二模拟测量电压(V2a)的电压传感器(24a)和被布置成采集所述第二模拟测量电压的第二样本以产生第二数字值的第二模数转换器，所述电表进一步包括第一同步电路，所述第一同步电路被布置成在频率上同步所述第一样本和所述第二样本的采集，所述第一同步电路包括数字总线(50)，所述第一模数转换器(12a)被布置成在所述数字总线上发出代表用于采集所述第一样本的第一频率的定时信号，或者所述第二模数转换器被布置成在所述数字总线上发出代表用于采集所述第二样本的第二频率的定时信号。

2.如权利要求1所述的电表，其特征在于，所述第一模数转换器(12a)被布置成在所述数字总线上发出代表用于采集所述第一样本的所述第一频率的所述定时信号。

3.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述第二模数转换器被集成到处理器组件(23)中，所述处理器组件(23)被布置成获取所述定时信号并且基于所述定时信号来控制所述第二模数转换器的操作的定时，使得用于采集所述第二样本的第二频率等于所述第一频率。

4.如权利要求3所述的电表，其特征在于，所述电表是连接至多个相导体的多相电表，所述电表包括与每个相导体相关联的相应的电流传感器和相应的第一模数转换器，诸第一模数转换器通过所述处理器组件(3)经由所述数字总线(50)在频率和在相位上同步。

5.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述定时信号包括脉冲，每个脉冲在第一数字值就绪时被生成。

6.如任一前述权利要求所述的电表，其特征在于，进一步包括第二同步电路，所述第二同步电路被布置成在相位上同步所述第一样本和所述第二样本的采集。

7.如权利要求6所述的电表，其特征在于，所述第二同步电路包括存储校准参数的存储器，所述校准参数包括用于施加在所述第一数字值与所述第二数字值之间的补偿相位偏移

8.如权利要求7所述的电表，其特征在于，通过在作为输入施加到所述电压测量电路(21)的测试电压(Ut)处将测试电流(It)作为输出注入到所述电流测量电路(20)、通过测量有功和无功功率值以便获得测得的原始有功功率(P)和测得的原始无功功率(Q)、以及通过根据测得的原始有功功率和测得的原始无功功率估计所述补偿相位偏移来获得所述校准参数。

9.如权利要求8所述的电表，其特征在于，所述校准参数进一步包括补偿增益(K)，用于补偿测得的原始有功功率(P)和测得的原始无功功率(Q)与经补偿的有功功率(P')和经补偿的无功功率(Q')之间的增益差。

10.如权利要求9所述的电表，其特征在于，所述校准参数是通过使用以下方程来获得的：

以及

其中P是测得的原始有功功率，Q是测得的原始无功功率，P'是经补偿的有功功率，使得P'＝Ut·It，其中Ut是测试电压，而It是测试电流，Q'是经补偿的无功功率，使得Q'＝0，

是补偿相位偏移，而K是补偿增益。

11.如任一前述权利要求所述的电表，其特征在于，所述电流测量电路(20)包括电流测量模块，该电流测量模块包括电流传感器(11a)且与所述电压测量电路(21)电隔离。

12.如权利要求11所述的电表，其特征在于，所述电流测量模块与所述电压测量电路之间的电隔离是通过集成到所述第一模数转换器(12a)中的隔离屏障(18)来获得的。

13.如任一前述权利要求所述的电表，其特征在于，所述电流传感器包括分流器，并且所述电压传感器包括分压电桥。

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