CN202196119U

CN202196119U - 单相多功能电能计量电路

Info

Publication number: CN202196119U
Application number: CN201120345823XU
Authority: CN
Inventors: 陈富涛; 胡燕; 杨思彦; 尤剑源
Original assignee: Wuxi China Resources Semico Co Ltd
Current assignee: CRM ICBG Wuxi Co Ltd
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: CN102998525A; CN102998525B

Abstract

本实用新型公开了一种单相多功能电能计量电路，该计量电路包括三路模拟数字数字转换器、三组有效值计算单元、功率计算单元及数字频率转换单元，通过上述模块，本实用新型可以能够同时计量基于火线电流和零线电流的有功能量、无功能量和视在能量以及功率因数，同时可计量电流及电压有效值，并可以根据两路电流的有效值或有功功率的不同产生窃电指示，另外本实用新型还包含内置自动校准模块，不仅可以自动修正系统的失调和增益误差，使智能电表的校表流程大大简化，且可以修正不同电路间的不同偏差。

Description

单相多功能电能计量电路

技术领域

本实用新型涉及一种单相多功能电能计量电路，特别是涉及一种可自动校表的单相多功能电能计量电路，属于电能计量技术领域。

背景技术

电能计量主要把输入的电压和电流信号按照时间相乘，得到功率随着时间变化的信息即瞬时功率，假设电流电压信号为正弦函数，并存在相位差Φ，电流电压信号的关系如下：

则功率p为：

若相位差Φ＝0，则

若相位差Φ≠0，则

其中p(t)称为瞬时功率信号，理想的p(t)只包括两部分：瞬时有功功率

和瞬时无功功率

其中瞬时有功功率包括直流部分：VI*cos(Φ)和频率为的交流部分：

因此P＝VI*cos(Φ)，Q＝VI*sin(Φ)，S＝VI分别为平均有功功率(watts)，平均无功功率(VARS)和视在功率(VA)，其中平均有功功率为电能表的首要计量对象。

相应的功率经过一定时间的积分就得到相应的能量信号，即有功功率对应有功能量，无功功率对应无功能量，而视在功率对应视在能量。

如若电流电压信号非余弦函数，则可按傅立叶变换将信号展开为余弦函数的谐波，同样可按上述p(t)＝v(t)*i(t)计算，此处不再详述。

图1为ADI公司生产的型号为ADE7755的电能计量芯片的架构图，如图1所示，该电能计量芯片包括两路模拟数字转换器(ADC)、1组乘法器、一组低通滤波器(LPF)、一路积分器(Integrator)和一路数字频率转换器，该电能计量芯片直接直接驱动计度器累积有功电能，信号处理电路采用数字电路，抗干扰能力强，它可直接与不同程量的传感器相连，可达到简化接口设计并提高功率测量的精确度和稳定性的目的，从而得到广泛的使用，然而，这种电能计量芯片仅具有有功电能计量的功能，无法计量无功电能、视在电能和功率因数等，无法对用户的用电质量进行全面的评价。

另外，由于电能计量芯片与外部电路往往会引起一定的差异性，为了消除这种差异性，往往需要对电能表进行校准。典型的校准类型一般包括：增益校准、失调offset校准以及相位校准。传统的单相电子式电能表校表方法通常是在设计电压采样回路的电阻网络时，设置5到7个固定阻值的串联电阻，然后再放8到10个阻值按照2n的顺序递减的串联电阻调整网络，这些电阻称为调整电阻。每个电阻都设有短接点，然后根据校表装置显示的百分比误差，通过短接或断开短接点来调整适当阻值的电阻来改变电压取样回路的阻值，从而改变电压采样值，使得计量电路输出的低频校表脉冲与标准表阈值的脉冲周期尽可能相近或相等，从而达到校准的目的。这种方法通过纯硬件来实现，设计过程中需要预留至少8个以上的短接点，以便能够将误差调整到要求的范围内，占用PCB板面积大，增加了硬件成本，在大规模生生产过程中调整速度慢，劳动强度大，需要调表人员有一定的经验。

为解决上述传统单相电子式电能表校表方法存在的问题，江苏卡欧万泓电子有限公司提出的专利号为200810196038的中国专利则提供了一种自动校表方法，其省去可调电阻网络，减少了硬件开销，而且可以大幅度提高校表效率，降低劳动强度，全自动化操作，能实现更加精确的校准。但上述校表方法仅适用于计量有功电能的传统的单相电子式电能表，无法对无功电能、视在电能、有效值和功率因数等进行校正。

综上所述，可知先前技术的电能计量电路及其校准方法存在无法对无功电能、视在电能、有效值和功率因数等进行计量及校正的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。

实用新型内容

为克服现有技术存在无法对无功电能、视在电能、有效值和功率因数等进行计量及校正的缺点，本实用新型的之一目的在于提供一种单相多功能电能计量电路，其能够同时计量基于火线电流和零线电流的有功能量、无功能量和视在能量以及功率因数，同时可计量电流及电压有效值。

本实用新型的之另一目的在于提供一种单相多功能电能计量电路，其可以根据两路电流的有效值或有功功率的不同产生窃电指示。

本实用新型的之再一目的在于提供一种单相多功能电能计量电路，其通过内置自动校准模块，不仅可以自动修正系统的失调和增益误差，使智能电表的校表流程大大简化，且可以修正不同电路间的不同偏差。

为达上述及其它目的，本实用新型提供一种单相多功能电能计量电路，应用于一智能电表系统，至少包括：

三路模拟数字转换器，分别用于接收火线电流采样信号、零线电流采样信号及电压采样信号，并将接收到的模拟的该火线电流采样信号、该零线电流采样信号及该电压采样信号转换为数字信号，以得到第一电流采样数据、第二电流采样数据及电压采样数据；

三组有效值计算单元，分别接收该第一电流采样数据、该第二电流采样数据及该电压采样数据，并将其分别计算处理后获得第一电流有效值、第二电流有效值及电压有效值；

功率运算单元，将该第一电流采样数据、该第二电流采样数据分别与该电压采样数据相乘，得到瞬时有功功率，并将该瞬时有功功率经过一CIC滤波器输出平均有功功率；将该电压采样数据移相90度后再与该第一电流采样数据、该第二电流采样数据分别相乘，得到瞬时无功功率，并将该瞬时无功功率经过一CIC滤波器输出平均无功功率；将该第一电流有效值与该第二电流有效值分别与该电压有效值相乘，得到视在功率；以及

数字频率转换单元，用于将该瞬时有功功率、该瞬时无功功率和该视在功率通过一定时间的积分，以获得有功能量、无功能量和视在能量，并将该平均有功功率和平均无功功率经过数字到频率转换、潜动判断和频率调制后转换为脉冲信号输出。

进一步地，该单相多功能电能计量电路还包括一窃电判断单元，该窃电判断单元接受两路电流的平均有功功率或电流有效值，通过比较两路电流的平均有功功率或电流有效值的大小，产生窃电指示提供给主控MCU。

进一步地，每组有效值计算单元至少包括平方电路、CIC滤波器及开方电路，将接收到的该第一电流采样数据、该第二电流采样数据及该电压采样数据分别通过该平方电路、该CIC滤波器及该开方电路计算后输出该第一电流有效值、该第二电流有效值及该电压有效值

进一步地，在每路模拟数字转换器与每组有效值计算单元之间，该单相多功能电能计量电路还包含一数字抽取滤波器、相位校准电路及高通滤波器，以滤去数字信号中的高频噪声与直流增益。

进一步地，在该火线电流采样信号、该零线电流采样信号以及该电压采样信号输入到该三路模拟数字转换器之前，还可分别经过一可编程增益放大器对各采样信号进行放大。

进一步地，该单相多功能电能计量电路还包括一自动校准模块以修正模拟数字转换器的增益误差和失调误差，该自动校准模块至少包括系统增益校准及系统失调校准两种模式，当该单相多功能电能计量电路在自动校准模式下，通过该主控MCU给该单相多功能电能计量电路发出系统增益校准和系统失调校准的指令，当校准流程完成后，该单相多功能电能计量电路生成校准完成就绪的中断信号，通知主控MCU读取相应的寄存器的值存储到存储器中；当正常工作模式时，主控MCU从该存储器读取校准数据，写入相应的计量电路校准寄存器中。

进一步地，该计量电路校准寄存器包括直流失调校准寄存器、交流失调校准寄存器及直流增益校准寄存器。

进一步地，在该系统增益校准模式下，该自动校准模块通过外部精确电压源提供准确的参考电压作为参考信号，将该单相多功能电能计量电路的外部输入引脚接该外部精确电压源，并通过一共模电压接地。

进一步地，在该系统失调校准模式下，该自动校准模块将该该单相多功能电能计量电路的外部输入引脚短接，并通过一共模电压接地。

进一步地，在三个通道的高通滤波器之后，该直流失调校准寄存器的值分别通过一加法器对该高通滤波器的输出进行修正。

进一步地，该直流增益校准寄存器的值分别通过一乘法器对直流失调校准后的结果进行修正，以得到需要的该第一电流采样数据、该第二电流采样数据及该电压采样数据。

进一步地，在开平方电路之后，该交流失调校准寄存器的值分别通过一加法器对该开平方电路的输出进行修正。

进一步地，该单相多功能电能计量电路包含一个数字接口单元，该数字接口单元用于与主控MCU之间专递校表参数和计量结果，其可以为I2C，SPI，UART或单线通讯总线。

与现有技术相比，本实用新型一种单相多功能电能计量电路通过三路模拟数字数字转换器、三组有效值计算单元、功率计算单元及数字频率转换单元能够同时计量基于火线电流和零线电流的有功能量、无功能量和视在能量以及功率因数，可计量电流及电压有效值，并可以根据两路电流的有效值或有功功率的不同产生窃电指示，同时本实用新型还通过内置自动校准模块，不仅可以自动修正系统的失调和增益误差，使智能电表的校表流程大大简化，且可以修正不同电路间的不同偏差。

附图说明

图1为应用本实用新型之一种智能电表系统示意图；

图2为本实用新型一种单相多功能电能计量电路之较佳实施例的电路结构图；

图3为图2中ADC增益和失调误差的示意图；

图4为本实用新型采用之自动校准电路的系统增益校准模式与系统失调校准模式外接信号示意图；

图5为本实用新型之自动增益和失调校准示意图；

图6为本实用新型之电能表的自动校准方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

图1为应用本实用新型之一种智能电表系统示意图，该智能电表系统包括电流电压采样模块101、本实用新型之电能计量电路102、主控MCU103、液晶驱动芯片104、红外通讯接口105、RS485通讯电路106、电源管理模块107及校表脉冲输出电路108。

图2为本实用新型一种单相多功能电能计量电路之较佳实施例的电路结构图，如图2所示，本实用新型一种单相多功能电能计量电路，主要使用于单相两线或三线智能电表，应用于图1之智能电表系统，其至少包括：三路模拟数字转换器201、三组有效值计算单元202、功率计算单元203及数字频率转换单元204。

三路模拟数字转换器201与智能电表系统的电流电压采样模块101连接，其用于分别接收火线电流采样信号(如I1p与I1n)、零线电流采样信号(I1p与I1n)以及电压采样信号(例如Vp与Vn)，并将接收到模拟信号转换为数字信号，以分别得到第一电流采样数据I1、第二电流采样数据I2及及电压采样数据V；三组有效值计算单元202，分别接收第一电流采样数据I1、第二电流采样数据I2及电压采样数据V，并将其分别计算处理后获得第一电流有效值I_1RMS、第二电流有效值I_2RMS及V_RMS，更具体地说，每组有效值计算单元还包括平方电路、CIC滤波器及开方电路，即第一电流采样数据I1、第二电流采样数据I2及电压采样数据分别通过平方电路、CIC滤波器、开方电路的计算后，得到第一电流有效值I_1RMS、第二电流有效值I_2RMS及电压有效值V_RMS；功率运算单元203将第一电流采样数据I1、第二电流采样数据I2分别与电压采样数据V相乘，得到瞬时有功功率P1与P2，这样将瞬时有功功率P1与P2经过一CIC滤波器，便得到平均有功功率(P1avg与P2avg)，对于瞬时无功功率的计算，功率运算单元203将电压采样数据V经过数字滤波器(Hilbert滤波器)移相90度，然后再与第一电流采样数据I1、第二电流采样数据I2分别相乘，便得到瞬时无功功率Q1及Q2，这样将瞬时无功功率Q1及Q2经过一CIC滤波器，便得到平均无功功率(Q1avg与Q2avg)，对于视在功率的计算，功率运算单元203将第一电流有效值I_1RMS与第二电流有效值I2RMS分别与电压有效值VRMS相乘便得到视在功率S1及S2，平均有功功率(P1avg与P2avg)除以视在功率(S1/S2)可得到功率因数(PF1与PF2)；数字频率转换单元204用于将有功功率(P1/P2)、无功功率(Q1/Q2)和视在功率(S1/S2)通过一定时间的积分，获得得有功能量、无功能量和视在能量，并将有功功率和无功率经过数字到频率转换、潜动判断和频率调制后转换为脉冲信号输出(CF1/CF2/CF3)，脉冲输出(CF1/CF2/CF3)可以通过一个简单的、单线、光学隔离端口连接到外部校验设备上从而完成电能表的校准，在此需说明的是，本实用新型之计量电路内部包含一个数字接口单元与主控MCU之间专递校表参数和计量结果，数字接口单元可以为I2C，SPI，UART或单线通讯总线等。

较佳的，本实用新型一种单相多功能电能计量电路还包括一窃电判断单元205，其接收两路电流的平均有功功率(P1avg与P2avg)或电流有效值(第一电流有效值I1RMS与第二电流有效值I2RMS)，通过比较两路比较两路电流的平均有功功率或电流有效值的大小，窃电判断单元205可以产生窃电指示提供个主控MCU，提示存在窃电。

为更好实现本实用新型，本实用新型一种单相多功能电能计量电路在三路模拟数字转换器201将模拟信号转换为数字信号之后，还包括数字抽取滤波器、相位校准电路(PHCAL)及高通滤波器，其目的是滤去数字信号中的高频噪声与直流增益，得到需要的电流采样数据与电压采样数据，另外，在火线电流采样信号(如I1p与I1n)、零线电流采样信号(I1p与I1n)以及电压采样信号(例如Vp与Vn)输入到三路模拟数字转换器201之前，还可经过一可编程增益放大器(PGA)对采样信号进行放大。

由于计量电路内部的模数转换器(ADC)把采样后的电压信号和电流信号转换为数字信号，ADC实质上为模拟和数字信号之间的接口，因此ADC的误差特性决定了整个电能计量的计量精度。图3为图2中ADC增益和失调误差的示意图，从图3中我们可以看出，理想曲线为y＝(m1)x，具有增益误差的曲线为y＝(m2)x，而具有满幅度误差的本实用新型的实际曲线为y＝(m2)x+b，可见实际的ADC的转换曲线存在增益误差和失调误差，由于工艺偏差的存在，不同芯片的ADC转换曲线也略有差异，因此本实用新型还包括一自动校准模块206以修正上述的所有偏差。在本实用新型较佳实施例中自动校准模块206包括系统增益校准和系统失调校准两种模式，而系统失调校准又包括直流失调校准与交流失调校准两种模式，系统增益校准也包括直流增益校准与交流增益校准。图4为本实用新型采用之自动校准电路的系统增益校准模式与系统失调校准模式外接信号示意图。其中，系统增益校准模式下，自动校准模块206通过外部精确的电压源提供准确的参考电压作为参考信号，即将计量电路的外部输入引脚(IN+及IN-)接一参考电压源Vcc，并通过共模电压接地，在系统失调教准模式下，自动校准模块206将计量电路的外部输入引脚短接，并通过共模电压接地。当本实用新型之计量电路在自动校准模式下，通过主控MCU给计量电路发出系统增益校准和系统失调校准的指令，当校准流程完成后，本实用新型之计量电路生成校准完成就绪的中断信号，通知主控MCU读取相应的寄存器的值存储到存储器(如EEPROM)中；当正常工作模式时，主控MCU从存储器读取校准数据，写入相应的计量电路校准寄存器中(如直流失调校准寄存器I1dcoff、I2dcoff及Vdcoff，增益校准寄存器I1gn、I2gn及Vgn，交流失调校准寄存器I1acoff、I2acoff及Vacoff)，从而修正内部ADC的增益误差和失调误差，得到准确的计量结果。请继续参照图2，具体来说，在本实用新型较佳实施例中，在三个通道的高通滤波器(HPF)之后，直流失调校准寄存器(I1dcoff、I2dcoff及Vdcoff)的值分别通过一加法器对高通滤波器的输出进行修正，增益校准寄存器(I1gn、I2gn及Vgn)的值则分别通过一乘法器对直流失调校准后的结果进一步修正，以得到需要的电流采样数据(第一电流采样数据I1与第二电流采样数据I2)与电压采样数据V；在开平方电路之后，交流失调校准寄存器(I1acoff、I2acoff及Vacoff)的值则分别通过一加法器对开平方电路的输出进行修正，以得到准确的电流有效值(第一电流有效值I_1RMS、第二电流有效值I_2RMS)及电压有效值V_RMS。另外，对于瞬时有功功率(P1及P2)、瞬时无功功率(Q1及Q2)，在其进行积分之前，直流失调校准寄存器(P1off与P2off及Q1off与Q2off)的值分别通过一加法器对瞬时有功功率(P1及P2)、瞬时无功功率(Q1及Q2)进行修正。

图5为本实用新型之自动增益和失调校准示意图。图6为本实用新型之电能表的自动校准方法的流程图。以下将配合图5及图6对本实用新型之自动校准方法进行详细说明。

本实用新型中之电能自动校准方法，支持针对瞬时计量值的直流失调和增益校准，针对有效值的交流失调校准，由于各个通道具有独立的增益和失调校准寄存器，因此三个通道的校准可以同时进行，本实用新型之电能自动校准方法包括如下步骤校准顺序如下：

步骤601，在进行校准程序之前，计量电路必须处于有效状态，准备通过数字接口单元接收有效命令，相应的校准中断信号被复位。

步骤602，将自动校准模块206的校准参考信号输入到模拟输入引脚；

步骤603，主控MCU发送相应的校准命令到计量电路的数字接口，该校准命令为8位命令，对其中各位的不同设置指定了不同的校准(比如电压通道AC增益校准、电流通道DC失调校准等)，用户必须正确设置需要进行的校准命令；

步骤604，当计量电路完成内部校准并将结果存入相应的校准寄存器后，产生校准完成中断信号，指示校准完成，若有必要，此时可通过数字接口从相应的增益/失调寄存器中读出校准值。

如下为各个校准模式的详细流程描述：

直流和交流失调校准模式下，外部输入引脚短接接地，

直流失调的校准的流程如下：内部增益校准寄存器的初始值为1.0，然后把最近一个计算周期(N个样值)内的瞬时采样值的平均值存储到直流失调校准寄存器(I1dcoff，I2dcoff及Vdcoff)中，在正常工作模式下，直流失调量的值将从信号通道中被减去，以抵消系统的直流偏移。

交流失调的校准与此类似，只不过把瞬时值替换为有效值。

在直流增益校准模式下，外部输入引脚接直流校准信号，然后将由一个计算周期(N个样值)内瞬态电压采样值的平均值取倒数存储到直流增益校准寄存器中(I1gn、I2gn及Vgn)，然后对该平均值进行调整，使相应的瞬时采样值为1。因此，执行完直流增益校准后，当输入信号直流电平等于校准时的直流校准信号电平时，瞬态电压寄存器的读数为满量程值1.0。

交流电压增益校准算法的出发点是调整电压通道增益寄存器值，以使得对应输入端校准参考信号电平的有效值寄存器的值为0.6。校准信号加在外部输入正负引脚上，电平由用户决定(最好不要超过最大输入信号幅度的70％，若超过则瞬时值计量结果将溢出)。然后将由一个计算周期(N个样值)内瞬态电压采样值的平均值取倒数存储到直流增益校准寄存器中，然后对该平均值进行调整，使相应有效值值为0.6。因此，执行完交流增益校准后，当输入信号为校准时的交流校准信号电平时，有效值的计量结果为0.6。

可见，通过上述电路及方法，本实用新型一种单相多功能电能计量电路能够同时计量基于火线电流和零线电流的有功能量、无功能量和视在能量以及功率因数，可计量电流及电压有效值，并可以根据两路电流的有效值或有功功率的不同产生窃电指示，同时本实用新型内置自动校准模块可以修正系统的失调和增益误差，使智能电表的校表流程大大简化，不仅能够自动完成，无需人工干预，且可以修正不同电路间的不同偏差。

Claims

1.一种单相多功能电能计量电路，应用于一智能电表系统，至少包括：

2.如权利要求1所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：该单相多功能电能计量电路还包括一窃电判断单元，该窃电判断单元接受两路电流的平均有功功率或电流有效值，通过比较两路电流的平均有功功率或电流有效值的大小，产生窃电指示提供给主控MCU。

3.如权利要求1所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：每组有效值计算单元至少包括平方电路、CIC滤波器及开方电路，将接收到的该第一电流采样数据、该第二电流采样数据及该电压采样数据分别通过该平方电路、该CIC滤波器及该开方电路计算后输出该第一电流有效值、该第二电流有效值及该电压有效值

4.如权利要求3所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在每路模拟数字转换器与每组有效值计算单元之间，该单相多功能电能计量电路还包含一数字抽取滤波器、相位校准电路及高通滤波器，以滤去数字信号中的高频噪声与直流增益。

5.如权利要求4所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在该火线电流采样信号、该零线电流采样信号以及该电压采样信号输入到该三路模拟数字转换器之前，还可分别经过一可编程增益放大器对各采样信号进行放大。

6.如权利要求4所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：该单相多功能电能计量电路还包括一自动校准模块以修正模拟数字转换器的增益误差和失调误差，该自动校准模块至少包括系统增益校准及系统失调校准两种模式，当该单相多功能电能计量电路在自动校准模式下，通过该主控MCU给该单相多功能电能计量电路发出系统增益校准和系统失调校准的指令，当校准流程完成后，该单相多功能电能计量电路生成校准完成就绪的中断信号，通知主控MCU读取相应的寄存器的值存储到存储器中；当正常工作模式时，主控MCU从该存储器读取校准数据，写入相应的计量电路校准寄存器中。

7.如权利要求6所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：该计量电路校准寄存器包括直流失调校准寄存器、交流失调校准寄存器及直流增益校准寄存器。

8.如权利要求7所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在该系统增益校准模式下，该自动校准模块通过外部精确电压源提供准确的参考电压作为参考信号，将该单相多功能电能计量电路的外部输入引脚接该外部精确电压源，并通过一共模电压接地。

9.如权利要求7所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在该系统失调校准模式下，该自动校准模块将该该单相多功能电能计量电路的外部输入引脚短接，并通过一共模电压接地。

10.如权利要求9所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在三个通道的高通滤波器之后，该直流失调校准寄存器的值分别通过一加法器对该高通滤波器的输出进行修正。

11.如权利要求8所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：该直流增益校准寄存器的值分别通过一乘法器对直流失调校准后的结果进行修正，以得到需要的该第一电流采样数据、该第二电流采样数据及该电压采样数据。

12.如权利要求9所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：在开平方电路之后，该交流失调校准寄存器的值分别通过一加法器对该开平方电路的输出进行修正。

13.如权利要求1所述的单相多功能电能计量电路，其特征在于：该单相多功能电能计量电路包含一个数字接口单元，该数字接口单元用于与主控MCU之间专递校表参数和计量结果，其可以为I2C，SPI，UART或单线通讯总线。