CN113884963A

CN113884963A - 一种高精度直流标准电能表

Info

Publication number: CN113884963A
Application number: CN202111132419.9A
Authority: CN
Inventors: 杨雨瑶; 潘峰; 危阜胜; 党三磊; 马键; 杨路; 何俊文
Original assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Measurement Center of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Measurement Center of Guangdong Power Grid Co Ltd; Metrology Center of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2022-01-04

Abstract

本发明公开了一种高精度直流标准电能表，涉及电能检测技术领域。包括前端调理模组和AD采样模组和信号输出模组；所述前端调理模组包括自调零模块、电压变换模块、电流变换模块、电压挡位切换模块和电流挡位切换模块；AD采样模组包括电压采样模块、电流采样模块和数字信号处理模块；所述电压采样模块和所述电流采样模块分别与所述数字信号处理模块连接；所述信号输出模组通过串口与数字信号处理模块进行通讯连接。本发明采用前端调理模组和AD采样模组结合的方式，对电路实现挡位切换，不同电流量采用不同的取样方式，提高了测量精度。

Description

一种高精度直流标准电能表

技术领域

本发明涉及电能检测技术领域，尤其涉及一种高精度直流标准电能表。

背景技术

电能表根据使用场合可分为安装式电能表和标准电能表。安装式电能表用于工业和民用电能计量，常年不间断工作。安装式电能表作为一种计量工具，其准确度等级比标准电能表低。标准电能表是一种量值传递的标准，它的准确度等级较高，一般在实验室使用，用于检定安装式或准确度较低的电能表。安装式电能表和标准电能表的工作原理基本一样，只是在设计时各有所侧重，标准电能表更侧重于准确度，而且设置有校验程序，能够方便、准确地检定被检电能表。对于大电流取样，工频电流放大器一般采用交流互感器作为反馈取样环节，使用互感器取样功率小，不受输出电流大小的限制，但是工频电流放大器存在无法反馈直流电能的弊端。此外，大电流取样容易导致电路发热严重，导致大电流取样的准确度难以保证。

发明内容

本发明目的在于，提供一种高精度直流标准电能表，以解决大电流取样容易导致电路发热严重，取样准确度较低的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种高精度直流标准电能表，包括前端调理模组和AD采样模组和信号输出模组；

所述前端调理模组包括自调零模块、电压变换模块、电流变换模块、电压挡位切换模块和电流挡位切换模块；所述自调零模块分别连接所述电压变换模块和所述电流变换模块，所述电压变换模块与所述电压挡位切换模块连接，所述电流变换模块与所述电流挡位切换模块连接；

所述AD采样模组包括电压采样模块、电流采样模块和数字信号处理模块；所述电压采样模块与所述电压挡位切换模块连接，所述电流采样模块与所述电流挡位切换模块连接；所述电压采样模块和所述电流采样模块分别与所述数字信号处理模块连接；所述信号输出模组与所述数字信号处理模块连接；

所述信号输出模组通过串口与数字信号处理模块进行通讯连接。

优选地，所述AD采样模组还包括数字隔离模块，所述数字隔离模块设置于所述电压采样模块和所述电流采样模块与所述数字信号处理模块之间。

优选地，所述电压变换模块包括依次串联的分压电阻、电压增益仪表放大器和电压运算放大器；所述分压电阻的输出端连接所述电压增益仪表放大器的负输入端；所述电压增益仪表放大器的输出端连接所述电压运算放大器的负输入端。

优选地，所述电流变换模块包括零磁通互感器、分流电阻、电流增益仪表放大器和电流运算放大器；

所述零磁通互感器与所述分流电阻并联，所述分流电阻的两端分别连接所述电流增益仪表放大器的负输入端和正输入端；所述电流增益仪表放大器的输出端连接所述电流运算放大器的负输入端。

优选地，所述电压挡位切换模块包括分压单元、低失调运放单元、PGA放大单元和继电器切换单元。

优选地，所述电流挡位切换模块包括过流保护单元；所述过流保护单元包括整流桥和运算放大器。

优选地，所述电压采样模块或所述电流采样模块的数据带宽不小于15Bit。

优选地，所述数字隔离模块为采用4/0通道方向性的四通道数字隔离器。

优选地，所述数字信号处理模块的内核为双核DSP处理器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高精度直流标准电能表，包括前端调理模组和AD采样模组和信号输出模组；所述前端调理模组包括自调零模块、电压变换模块、电流变换模块、电压挡位切换模块和电流挡位切换模块；所述自调零模块分别连接所述电压变换模块和所述电流变换模块，所述电压变换模块与所述电压挡位切换模块连接，所述电流变换模块与所述电流挡位切换模块连接；所述AD采样模组包括电压采样模块、电流采样模块和数字信号处理模块；所述电压采样模块与所述电压挡位切换模块连接，所述电流采样模块与所述电流挡位切换模块连接；所述电压采样模块和所述电流采样模块分别与所述数字信号处理模块连接；所述信号输出模组与所述数字信号处理模块连接；所述信号输出模组通过串口与数字信号处理模块进行通讯连接。本发明采用前端调理模组和AD采样模组结合的方式，对电路实现挡位切换，不同电流量采用不同的取样方式，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的高精度直流标准电能表的结构示意图；

图2是本发明某一实施例提供的电压变换模块的结构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的电流变换模块的结构示意图；

图4是本发明某一实施例提供的内部电流端口的过流保护电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1是本发明某一实施例提供的高精度直流标准电能表的结构示意图。本发明实施例提供的高精度直流标准电能表，包括前端调理模组100和AD采样模组200和信号输出模组300；所述前端调理模组100包括自调零模块110、电压变换模块120、电流变换模块130、电压挡位切换模块140和电流挡位切换模块150；AD采样模组200包括电压采样模块210、电流采样模块220和数字信号处理模块230；所述自调零模块110分别连接所述电压变换模块120和所述电流变换模块130，所述电压变换模块120与所述电压挡位切换模块140连接，所述电流变换模块130与所述电流挡位切换模块150连接；所述电压采样模块210与所述电压挡位切换模块140连接，所述电流采样模块220与所述电流挡位切换模块150连接；所述电压采样模块210和所述电流采样模块220分别与所述数字信号处理模块230连接；所述信号输出模组300通过串口与数字信号处理模块230进行通讯连接。

在本发明实施例中，高精度直流标准电能表中的AD采样模组200还包括数字隔离模块240，所述数字隔离模块240设置于所述电压采样模块210和所述电流采样模块220与所述数字信号处理模块230之间。

在某一具体实施例中，前端调理模组100包括自调零模块110，自调零模块110采用零位自校准技术，通过内部的切换电路和控制软件的联合工作，实现在测量过程中，对电路的零位进行校准，解决前端调理电路的初始零位漂移的问题，以提升挡位量程的线性度，可将线性度提升至10PPM级别，解决直流电能表测量稳定度的问题，满足0.01级直流电能表的设计。

请参阅图2，在本发明实施例中，所述电压变换模块120包括依次串联的分压电阻121、电压增益仪表放大器122和电压运算放大器123；所述分压电阻121的输出端连接所述电压增益仪表放大器122的负输入端；所述电压增益仪表放大器122的输出端连接所述电压运算放大器123的负输入端。

在某一具体实施例中，0-1000V电压通过高精密电阻分压，将大电压分压为适合AD采集的电压值，分压电阻采用高精密的铂电阻，具有1ppm内的温漂，0.01％的准确度选用低失调、低温漂的运算放大器，满足线性度和准确度的设计要求。采用电压增益仪表放大器122进行反相放大并利用电压运算放大器123进行反相放大的做法进行电压电压(V/V)转换，如图2所示。其中，外部输入的电压经电阻分压后的电压为U1，电压增益仪表放大器122之后电压运算放大器123输入的电压为U2，电压运算放大器123输出为U3，以上的转换关系如下：

令U3＝K_V/V*U1，由以上可知其V/V的传递函数为：

K_V/V＝G

实际设计中电压增益仪表放大器122的增益G即可得到要求的转换量。

请参阅图3，在本发明实施例中，所述电流变换模块130包括零磁通互感器131、分流电阻132、电流增益仪表放大器133和电流运算放大器134；所述零磁通互感器131与所述分流电阻132并联，所述分流电阻132的两端分别连接所述电流增益仪表放大器133的负输入端和正输入端；所述电流增益仪表放大器133的输出端连接所述电流运算放大器134的负输入端。

在某一具体实施例中，电流首先通过零磁通互感器131转换为小电流，再配合小电流I/V变换，实现对大电流的测量。小电流变换通过精密铂电阻，将输入的电流转换为AD可采样测量的电压，最终通过对电压的测量完成对电流的测量。电流电压(I/V)进行转换时首先将精密电阻串联进外部输入的电流信号中，同时利用放大器对其电阻上的电压信号进行转换，最终得到适合AD采样的电压值，其具体电路如图3所示。其中，分流电阻132的阻值为R，零磁通互感器131输出电流为I，分流电阻132两侧电压为U1，电流增益仪表放大器133之后电流运算放大器134输入的电压为U2，电流运算放大器134输出为U3，以上的转换关系如下：

令U3＝K_I/V*I，由以上可知其I/V的传递函数为：

K_I/V＝GR

实际中同时改变增益G和精密电阻R阻值可得要求的转换量。

同时由以上电压电压(V/V)转换和电流电压(I/V)转换的传递函数可知，其中的传递函数均为常数项，因此转换过程中不必考虑频率以及相位的关系，只需在硬件选型时选择满足系统指标要求的硬件即可。

在本发明实施例中，所述电压挡位切换模块140包括分压单元、低失调运放单元、PGA放大单元和继电器切换单元。

在某一具体实施例中，电压挡位切换模块140包括两部分，小信号直接采样，大电压通过电阻分压接入采样电路。将分压的最大值设置为AD的最大满量程电压，通过低失调运算放大器对小电压进行一级放大，后级输入PGA放大换挡。考虑到大电压的分压电阻比较大，一般10M左右，因此电阻上的噪声较大，小信号直接采样，限流电阻的阻值100K左右即可，相比较10M的电阻，阻值小了百倍，其电阻带来的噪声大大降低，提高小信号的测量精度，通过PGA将信号放大至AD的量程高端，有利于提高AD的采样精度，放大靠近信号源。AD的模拟信号输入范围0-10V，因此对于10V以下可以直接采样。

在本发明实施例中，所述电流挡位切换模块150包括过流保护单元；所述过流保护单元包括整流桥和运算放大器。

在某一具体实施例中，对于大电流取样，工频电流放大器采用交流互感器作为反馈取样器件，对于1A以下小电流采用电阻取样的方式，确保全测量范围的准确度。请参阅图4，图4是内部电流端口的过流保护电路图，由一个整流桥加一个运算放大器构成，通过运算放大器的跟随，保证对应二极管两端的电压基本相等，即二极管两端电压基本为零，从而整流桥的泄露电流非常小，保证取样电阻上电流的精度。

图4所示电路通过二极管过流旁路电流，当输入过流发生时，取样电阻上的电压升高，整流桥上相应的二极管导通，由于二极管的导通压降随电流变化不大，因此当取样电阻上的电压达到一定值之后，剩下的电流将从二极管导走，从而取样电阻上不流过大电流，起到限幅、保护作用。如果限流不足，可以考虑串入一个二极管提高电压，确保采样电压能够到1V，超载120％。对于档位切换，越快越好，这样做能够更好的保护内部的取样电路，不至于自动换挡时，出现过载损坏。

换挡是通过改变初级线圈的匝数。对于档位切换，越快越好，这样做能够更好的保护内部的取样电路，不至于自动换挡时，出现过载损坏。

档位切换的方法包括：方案一，往上调一个档位，如果再过载再往上调一个档位，优点：可以减少换挡次数，增加换挡效率，缺点：大电流经过换挡的档位，会对取样电路造成冲击；方案二，检测到过载直接跳至最大电流档位，再在大电流档位测量电流值，根据测得的电流值换挡，优点：可以快速的切换到输出最大电流档，防止大电流可能损坏档位取样电路。缺点：如果在小量程档位过载，比如1mA档，输入2mA，此时如果直接跳至500A，那么此时测量到的电流值非常小，基本可以认为是0，因此下一档位根本没办法判断，只能继续一档一档往下调；结合方案一和方案二，首先测得最大电流档位的最小分辨率，采用过载直接换至最大电流档位，如果此时测量值太小，没办法测得，那么跳至最小分辨率附近的档位，再次测量，再切换至合适量程，这样，自动换挡过程中档位切换次数，最多切换：3次，通常状态下：2次，且默认档位必须设置为能够测量到最小档位电流值的档位，或者直接默认最小档，这样不至于输入非常小电流时，自动换挡没有反应。

档位切换时，采用逐步上调档位的方法虽然可以减少换挡次数，增加换挡效率，但是大电流经过换挡的档位，会对取样电路造成冲击。如果采用检测到过载直接跳至最大电流档位，再在大电流档位测量电流值，根据测得的电流值换挡的方式切换档位，虽然可以快速的切换到输出最大电流档，防止大电流可能损坏档位取样电路，但是直接跳至最大档位，对于大部分情况此时测量到的电流值非常小，基本可以认为是0，因此下一档位根本没办法判断，只能继续一档一档往下调，耗时较长，换挡效率很低。

档位切换方法，首先测得最大电流档位的最小分辨率，采用过载直接换至最大电流档位，如果此时测量值太小，没办法测得，那么跳至最小分辨率附近的档位，再次测量，再切换至合适量程，这样，自动换挡过程中档位切换次数，最多切换3次，通常状态下2次，且默认档位必须设置为能够测量到最小档位电流值的档位，或者直接默认最小档，这样不至于输入非常小电流时，自动换挡没有反应。对于电阻档切换到大电流600A，其旁路电流主要靠整流桥导走，因此整流桥的过流能力大小，对大电流限幅起到关键作用。本发明采用MDQ100A单相整流桥，对于短时间600A的旁路电流，其限幅至3V左右，浪涌周波数可至25周波，因此，对于50mS的换挡延时，完全可以实现保护取样电阻。

在本发明实施例中，所述电压采样模块210或所述电流采样模块220的数据带宽不小于15Bit。

在某一具体实施例中，AD采样技术是本方案的关键，是搭建模拟和数字的桥梁，必须要高精度的前端调理电路和高精度的AD采样芯片，才能完成高精度的测量，满足0.01级的设计要求。

由于通常对直流信号进行高精度采样时，加载在直流信号上的各种噪声将对直流量的检测带来很大干扰，通常做法为在AD输入之前对模拟量进行除噪处理，例如低通滤波等，或者在数字化之后通过数字信号处理进行除噪处理，通常是低通滤波，中值滤波或者过采样处理等，此过程会将中低频率以上的交流信号进行衰减，同时对不同频率的交流信号带来相位偏移，这种做法能大大增加直流量采样的采集精度。

对于直流量采样的AD转换器，其总体精度需求不应低于0.005％，因此当输入信号为3V时，其最低检测电压不低于3V*0.005％＝150uV。此时对于AD转换的有效转换位数(ENOB)要求不小于15Bit，不过AD的有效转换位数往往受到信噪比(SNR)的限制，而且数据处理转换过程的各项误差引入，此处的AD转换器最好大于18Bit。

本实施例中高精度A/D转换器采用ADI的AD7172转换器。AD7172-2是一款智能型、低噪声、低功耗、多路复用的Σ-Δ型模数转换器(ADC)，具有2/4通道(全差分/单端)输入，可供低带宽信号使用。对于完全建立的数据，AD7172-2的最大通道扫描速率为6.21kSPS(161μs)。该器件的输出数据速率范围为1.25SPS至31.25kSPS。AD7172-2集成关键的模拟和数字信号调理模块，允许用户通过SPI对每一个使用中的模拟输入通道进行单独配置。模拟输入端和外部基准电压输入端的集成式真轨到轨缓冲器可提供易于驱动的高阻抗输入。精密2.5V低漂移(2ppm/℃)带隙内部基准电压源(带输出基准电压缓冲器)增加了内嵌功能，同时减少了外部元件数。数字滤波器允许以27.27SPS输出数据速率提供同步50Hz/60Hz抑制。用户可根据应用中各通道的需求在不同滤波器选项间切换，并提供进一步的数字处理功能，比如失调和增益校准寄存器，这些器件也能按通道进行配置。通用输入/输出(GPIO)可控制外部多路复用器，并同步至ADC转换时序。

在本发明实施例中，所述数字隔离模块240为采用4/0通道方向性的四通道数字隔离器。

在某一具体实施例中，电压和电流的采样必须要相互隔离，因此需要在AD芯片和高性能数字信号处理之间，加入高速的数字隔离器，目的是将电压、电流的测量相互隔离，又不影响电压和电流之间的采样同步。本实施例选用ADI的数字隔离器ADuM1400。ADuM1400是采用4/0通道方向性的四通道数字隔离器，采用ADI公司iCoupler技术。该隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。这些iCoupler产品不需要外部驱动器和其它分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。ADuM140x系列隔离器提供四个独立的隔离通道，支持多种通道配置和数据速率(请参考数据手册“订购指南”部分)。所有型号均可采用2.7V至5.5V电源电压工作，与低压系统兼容，并且能够跨越隔离栅实现电压转换功能。此外，ADuM140x具有低脉冲宽度失真(CRW级小于2ns)和严格的通道间匹配(CRW级小于2ns)特性。与其它光耦合器不同，ADuM140x隔离器具有已取得专利的刷新特性，可确保不存在输入逻辑转换时及缺少一个电源条件下的直流正确性。

在本发明实施例中，所述数字信号处理模块230的内核为双核DSP处理器。

在某一具体实施例中，内核使用ADI公司的双核数字信号处理器，并扩展128M的DDR同步内存和32M的异步存取Flash，为装置提供强大的信号处理能力。高性能DSP通过其SPI接口高速读取电压电流的24bitAD芯片，通过其内置的SPI的DMA模式，可以高速读取AD采样数据的同时，实现高速的数据处理。DSP处理器和人机交互模块连接，通过串口或网口和人机交互模块通讯，接收人机交互模块的参数设置数据，并将计算后的测量数据，如电压、电流的幅值、功率电能、电能误差、脉冲常数等数据传输至信号输出模组300，能够实现人机交互的显示控制。

在本发明实施例中，所述信号输出模组300通过串口与数字信号处理模块230进行通信。

在某一具体实施例中，信号输出模组300包括人机交互界面，其人机交互的过程均通过工控机进行控制，工控机通过串口与数字信号处理进行通信，同时利用Labview软件进行仪器控制界面的设计，通讯接口具备网口、串口和USB接口。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高精度直流标准电能表，其特征在于，包括前端调理模组和AD采样模组和信号输出模组；

2.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述AD采样模组还包括数字隔离模块，所述数字隔离模块设置于所述电压采样模块和所述电流采样模块与所述数字信号处理模块之间。

3.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述电压变换模块包括依次串联的分压电阻、电压增益仪表放大器和电压运算放大器；所述分压电阻的输出端连接所述电压增益仪表放大器的负输入端；所述电压增益仪表放大器的输出端连接所述电压运算放大器的负输入端。

4.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述电流变换模块包括零磁通互感器、分流电阻、电流增益仪表放大器和电流运算放大器；

5.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述电压挡位切换模块包括分压单元、低失调运放单元、PGA放大单元和继电器切换单元。

6.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述电流挡位切换模块包括过流保护单元；所述过流保护单元包括整流桥和运算放大器。

7.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述电压采样模块或所述电流采样模块的数据带宽不小于15Bit。

8.根据权利要求2所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述数字隔离模块为采用4/0通道方向性的四通道数字隔离器。

9.根据权利要求1所述的高精度直流标准电能表，其特征在于，所述数字信号处理模块的内核为双核DSP处理器。