CN202372569U - 一种电力参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电力参数测量装置，包括：电流传感芯片的一端连接电流传感器件，另一端连接脉冲变压器的一次绕组；电压传感芯片的一端连接电压传感器件，另一端连接脉冲变压器一次绕组；脉冲变压器的二次绕组连接计量芯片或片上系统芯片；电流传感芯片将电流传感器采集的模拟电流信号转换为数字电流信号，再进行高通滤波以后，经过脉冲变压器传递给计量芯片或片上系统芯片；电压传感芯片将电压传感器采集的模拟电压信号转换为数字电压信号，再进行高通滤波以后，经过脉冲变压器传递给计量芯片或片上系统芯片；计量芯片或片上系统芯片利用电流信号和电压信号进行电力参数的测量。该装置可以实现模拟地和数字地的完全隔离。

Description

一种电力参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及电能计量技术领域，特别涉及一种电力参数测量装置。

背景技术

目前，以微处理器(MCU)为中心，并在同一硅片上集成了时钟电路(RTC)、液晶驱动电路(LCD Drive)、电擦写存储器(EEPROM)电路、计量电路的片上系统(SOC)芯片，其计量部分的地(数字地和模拟地)使用时需要连接在AC220V的火线上。

而微处理器的地(数字地和模拟地)由于与计量部分的地同处于一个硅片上，且之间有信号传递，因此无法实现物理上几千伏的隔离。例如，采集电压和电流的采集部分以及负责计算的DSP处理部分都是集成在一个硅片上。从而出现了AC220V火线上各种电气设备的干扰(带宽从0Hz到上百MHz、信号强度从mV到几千伏)直接进入微处理器的地的严重局面，导致电表SOC芯片将计量部分集成在同一个硅片上带来了困难，目前已经集成在同一个硅片上的，虽然采用了很多抗干扰技术，但是仍然无法保证其可靠性。

目前，这种没有将数字地和模拟地完全隔离的电表SOC芯片基本不被电力仪表行业接收。

在国际上，西方发达国家的电表已经逐步实现SOC化，其SOC芯片的模拟地和数字地未作隔离。但是由于西方发达国家的电网对用电设备的注入干扰控制极其严格，电网干扰极小，因此数字地和模拟地不做隔离也不会影响微处理器的可靠工作。但我们国家的电网对用电设备的输入干扰没有做到西方发达国家的地步。

因此，如何将电表SOC芯片中的数字地和模拟地进行完全隔离是本领域技术人员需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种电力参数测量装置，其数字地和模拟地可以实现完全隔离。

本实用新型提供一种电力参数测量装置，包括：电流传感芯片、电压传感芯片、脉冲变压器、计量芯片或片上系统芯片；

所述电流传感芯片的一端连接电流传感器件，另一端连接所述脉冲变压器的一次绕组；

所述电压传感芯片的一端连接电压传感器件，另一端连接所述脉冲变压器一次绕组；

所述脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片；

所述电流传感芯片将电流传感器采集的模拟电流信号转换为数字电流信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器传递给所述计量芯片或片上系统芯片；

所述电压传感芯片将电压传感器采集的模拟电压信号转换为数字电压信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器传递给所述计量芯片或片上系统芯片；

所述计量芯片或片上系统芯片利用所述电流信号和电压信号进行电力参数的测量。

优选地，所述电流传感芯片为两个；

所述电压传感芯片为一个。

优选地，所述脉冲变压器为一个，所述电流传感芯片和电压传感芯片均连接所述脉冲变压器的一次绕组。

优选地，所述脉冲变压器的数量等于所述电流传感芯片和电压传感芯片的数量之和，一个电流传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组；一个电压传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组。

优选地，所述电流传感芯片和电压传感芯片均包括：AD转换模块、高通滤波模块、SRAM模块和数据发送模块；

所述AD转换模块连接所述电流传感器件或电压传感器件，AD转换模块将模拟电流或电压信号转换为数字电流或电压信号；

所述高通滤波模块连接所述AD转换模块，对数字电流或电压信号进行滤波；

所述SRAM模块连接所述高通滤波模块，缓存滤波后的数字电流或电压信号；

所述数据发送模块连接所述SRAM，将SRAM中缓存的数字电流或电压信号经过所述脉冲变压器发送给计量芯片或片上系统芯片。

优选地，所述电压传感芯片和电流传感芯片均还包括：脉冲能量收集稳压模块；

计量芯片或片上系统芯片向脉冲变压器发送几百kHz至几十MHz的高频脉冲信号；

电压传感芯片和电流传感芯片中的脉冲能量收集稳压模块将接收的高频脉冲信号进行整流滤波后作为本芯片的供电电源。

优选地，所述计量芯片或片上系统芯片利用所述电流信号和电压信号进行电力参数的测量，具体为：

有功功率P： $P=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v\left(k\right)i\left(k\right)\right]-P_{\mathrm{off}}$

其中，P_j为功率增益校正系数，P_off为有功功率偏置校正系数，v(k)为电压传感器件测量的电压信号；i(k)为电流传感器件测量的电流信号；

无功功率Q： $Q=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v{\left(k\right)}_{\∠-\frac{\mathrm{\π}}{2}}i\left(k\right)\right]-Q_{\mathrm{off}}$

Q_off为无功功率偏置校正系数，

为电压信号v(k)后移90度相角后的数值；

电流有效值I_rms： $I_{\mathrm{rms}}=I_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i\left(k\right)\right]}^2}-I_{\mathrm{off}}$

I_j电流增益校正系数，I_off为电流偏置校正系数，i(k)为电流传感器件测量的电流信号；

电压有效值V_rms： $V_{\mathrm{rms}}=V_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[v\left(k\right)\right]}^2}-V_{\mathrm{off}}$

V_j电压增益校正系数，V_off为电流偏置校正系数，v(k)为电压传感器件测量的电压信号。

优选地，所述电流传感芯片和电压传感芯片集成为一个芯片，称为电流和电压传感芯片；该电力参数测量装置包括两个电流和电压传感芯片，分别为第一电流和电压传感芯片，第二电流和电压传感芯片；

其中，第一电流和电压传感芯片的一端连接第一电流传感器件和第一电压传感器件，另一端连接第一脉冲变压器一次绕组；

第二电流和电压传感芯片的一端连接第二电流传感器件和第二电压传感器件，另一端连接第二脉冲变压器的一次绕组；

第一脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片；

第二脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的电力参数测量装置，设计了电流传感芯片和电压传感芯片，在这两个芯片上实现了AD转换功能和高通滤波功能，然后通过脉冲变压器将数字信号传递给计量芯片或片上系统芯片。这样将AD转换模块从计量芯片或片上系统芯片上移出，并且由脉冲变压器实现了物理上隔离，将数据采集部分和计算部分进行隔离，这样可以实现模拟地和数字地的完全隔离，从而避免强电信号对计量芯片或片上系统芯片上的弱电信号的电磁干扰。

附图说明

图1是本实用新型提供的电力参数测量装置实施例一示意图；

图2是本实用新型提供的电力参数测量装置实施例二结构图；

图3是本实用新型提供的电力参数测量装置实施例三结构图；

图4是本实用新型提供的电力参数测量装置实施例四结构图；

图5是本实用新型提供的电力参数测量装置实施例五结构图；

图6是本实用新型提供的电压传感芯片或电流传感芯片结构图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解和实施本实用新型提供的技术方案，首先介绍几个电力参数。

计量芯片或SOC芯片的DSP处理器将各传感IC上传的各原始数据按下列数学公式进行处理即可得到各电参数实时值。

有功功率P：

$P=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v\left(k\right)i\left(k\right)\right]-P_{\mathrm{off}}---\left(1\right)$

式中：P_j为功率增益校正系数，P_off为有功功率偏置校正系数，v(k)为电压传感器测量的电压信号；i(k)为电流传感器测量的电流信号；

无功功率Q：

$Q=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v{\left(k\right)}_{\∠-\frac{\mathrm{\π}}{2}}i\left(k\right)\right]-Q_{\mathrm{off}}---\left(2\right)$

式中：P_j为功率增益校正系数，Q_off为无功功率偏置校正系数，

为电压信号v(k)后移90度相角后的数值。

电流有效值I_rms：

$I_{\mathrm{rms}}=I_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i\left(k\right)\right]}^2}-I_{\mathrm{off}}---\left(3\right)$

式中：I_j电流增益校正系数，I_off为电流偏置校正系数，i(k)为电流传感器测量的电流信号。

电压有效值V_rms：

$V_{\mathrm{rms}}=V_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[v\left(k\right)\right]}^2}-V_{\mathrm{off}}---\left(4\right)$

式中：V_j电压增益校正系数，V_off为电流偏置校正系数，v(k)为电压传感器测量的电压信号。

需要说明的是，其它电力参数例如视在功率S、功率因素cosθ等可从上述已知结果中进一步计算得到。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本实用新型提供的电力参数测量装置实施例一示意图。

本实施例提供的电力参数测量装置，包括：电流传感芯片100、电压传感芯片200、脉冲变压器300、计量芯片或片上系统芯片400；

所述电流传感芯片100的一端连接电流传感器件10，另一端连接所述脉冲变压器300的一次绕组；

所述电压传感芯片200的一端连接电压传感器件20，另一端连接所述脉冲变压器300一次绕组；

所述脉冲变压器300的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片400；

所述电流传感芯片100将电流传感器10采集的模拟电流信号转换为数字电流信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器300传递给所述计量芯片或片上系统芯片400；

所述电压传感芯片200将电压传感器20采集的模拟电压信号转换为数字电压信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器300传递给所述计量芯片或片上系统芯片400；

所述计量芯片或片上系统芯片400利用所述电流信号和电压信号进行电力参数的测量。

本实用新型提供的电力参数测量装置，设计了电流传感芯片和电压传感芯片，在这两个芯片上实现了AD转换功能和高通滤波功能，然后通过脉冲变压器将数字信号传递给计量芯片或片上系统芯片。这样将AD转换模块从计量芯片或片上系统芯片上移出，并且由脉冲变压器实现了物理上隔离，将数据采集部分和计算部分进行隔离，这样可以实现模拟地和数字地的完全隔离，从而避免强电信号对计量芯片或片上系统芯片上的弱电信号的电磁干扰。

参见图2，该图为本实用新型提供的电力参数测量装置实施例二结构图。

图2所示的实施例是以测量AC220V市电的电力参数为例进行介绍本实用新型提供的装置的工作原理。

如图2所示，本实施例中包括第一电流传感芯片，第二电流传感芯片、电压传感芯片；

其中第一电流传感芯片100a的一端连接第一分流器S1，第一分流器S1用于测量零线上的电流；将测量的电流信号发送给第一电流传感芯片100a；

第二电流传感芯片100b的一端连接第二分流器S2，第二分流器S1用于测量火线上的电流；将测量的电流信号发送给第二电流传感芯片100b；

电压传感芯片200的一端连接由第一电阻R1和第二电阻R2组成的分压电路，该分压电路用于测量AC220V市电上的电压信号；将测量的电压信号发送给电压传感芯片200；

需要说明的是，本实施例中所述脉冲变压器为一个，所述电流传感芯片和电压传感芯片均连接所述脉冲变压器的一次绕组。

如图2所示，本实施例中第一电流传感芯片100a、第二电流传感芯片100b、电压传感芯片200共用一个脉冲变压器T；脉冲变压器T包括三个一次绕组，一个二次绕组；三个一次绕组分别连接两个电流传感芯片和一个电压传感芯片，二次绕组连接计量芯片或SOC芯片400。

脉冲变压器T将数字电流信号和数字电压信号传递给计量芯片或SOC芯片400。

需要说明的是，脉冲变压器T一方面可以实现物理隔离，将数字地和模拟地实现完全隔离；另一方面实现信号的传递。

图2所示实施例是电流传感芯片和电压传感芯片分别单独采集电流和电压；下面介绍电流传感芯片和电压传感芯片集成在一起，既实现电流信号的采集，又实现电压信号的采集。

参见图3，本实用新型提供的电力参数测量装置实施例三结构图。

本实施例提供的装置，包括两个信号采集通道，每个信号采集通道包括一路电压信号，一路电流信号。如图3所示，两个信号采集通道采集的电压和电流信号分别发送给第一电流和电压传感芯片100c，及第二电流和电压传感芯片200c；本实施例中的电流传感芯片和电压传感芯片集成为同一个芯片，称为电流和电压传感芯片。

需要说明的是，本实施例中的脉冲变压器T也为一个，第一电流和电压传感芯片100c，及第二电流和电压传感芯片200c共用同一个脉冲变压器T。

可以理解的是，也可以每个电流和电压传感器件分别独立对应一个脉冲变压器，参见图4，该图为本实用新型提供的电力参数测量装置实施例四结构图。

本实施例中，电流传感芯片和电压传感芯片集成为一个芯片，称为电流和电压传感芯片；该电力参数测量装置包括两个电流和电压传感芯片，分别为第一电流和电压传感芯片100c，第二电流和电压传感芯片200c；

其中，第一电流和电压传感芯片100c的一端连接第一电流传感器件和第一电压传感器件，另一端连接第一脉冲变压器T1一次绕组；

第二电流和电压传感芯片200c的一端连接第二电流传感器件和第二电压传感器件，另一端连接第二脉冲变压器T2的一次绕组；

第一脉冲变压器T1的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片400；

第二脉冲变压器T2的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片400。可以理解的是，脉冲变压器可以为多个，每个传感芯片对应一个脉冲变压器，如图5所示，该图为本实用新型提供的电力参数测量装置实施例五结构图。

本实施例提供的装置中的脉冲变压器的数量等于所述电流传感芯片和电压传感芯片的数量之和，一个电流传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组；一个电压传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组。

图5中包括三个脉冲变压器，分别为第一脉冲变压器T1、第二脉冲变压器T2和第三脉冲变压器T3；

第一脉冲变压器T1的一次绕组连接第一电流传感芯片100a；

第二脉冲变压器T2的一次绕组连接第一电流传感芯片100b；

第三脉冲变压器T3的一次绕组连接电压传感芯片200；

第一脉冲变压器T1、第二脉冲变压器T2和第三脉冲变压器T3的二次绕组均连接计量芯片或SOC芯片400，从而将电压和电流信号传递给计量芯片或SOC芯片400，计量芯片或SOC芯片400利用电压信号和电流信号进行电力参数的计算。

需要说明的是，图2和图3所示的实施例中的脉冲变压器也可以为多个。

参见图6，该图为本实用新型提供的电压传感芯片或电流传感芯片结构图。

本实施例提供的电流传感芯片和电压传感芯片均包括：AD转换模块101、高通滤波模块102、SRAM模块103和数据发送模块104；

所述AD转换模块101连接所述电流传感器件或电压传感器件，AD转换模块101将模拟电流或电压信号转换为数字电流信号或数字电压信号；

所述高通滤波模块102连接所述AD转换模块101，对数字电流信号或数字电压信号进行滤波；

所述SRAM模块103连接所述高通滤波模块102，缓存滤波后的数字电流信号或数字电压信号；

所述数据发送模块104连接所述SRAM模块103，将SRAM模块103中缓存的数字电流信号或数字电压信号经过所述脉冲变压器发送给计量芯片或片上系统芯片。

本实施例提供的电压传感芯片或电流传感芯片独立完成了模数转换，进而传递给计量芯片或片上系统芯片的电压信号和电流信号为数字信号，而现有技术中的模数转换是在计量芯片或片上系统芯片内部完成的。本实用新型提供的装置在数据采集的前端实现了模数转换，数据传递过程中是数字信号，这样抗干扰能力得到提高。

本实用新型提供的另一个实施例中的电压传感芯片和电流传感芯片均还包括：脉冲能量收集稳压模块105，继续参见图6。

计量芯片或片上系统芯片向脉冲变压器发送几百kHz至几十MHz的高频脉冲信号；

电压传感芯片和电流传感芯片中的脉冲能量收集稳压模块105将接收的高频脉冲信号进行整流滤波后作为本芯片的供电电源。

即本实施例中，脉冲变压器既可以传递信号，又为传感芯片提供电源。

具体工作过程可以为：假设工作时间周期为T，且有T＝(N+M)t，其中N和M为正整数，N远大于M；即Nt占周期T的大部分时间，Mt占周期T的小部分时间。

在Nt时间内，计量芯片或SOC芯片的DSP处理器通过两个端口V/IP、V/IN向脉冲变压器发送几百KHz至几十MHz的高频脉冲信号，各传感芯片将接收的高频脉冲信号经整流滤波后作为本芯片供电电源；

在Mt时间内，各传感芯片依次向计量芯片或SOC芯片的DSP处理器发送采集到的数据，下一次Nt时间，计量芯片或SOC芯片的DSP处理器将这些数据处理成所需的电力参数输出或上传。

本实用新型提供的电力参数测量装置的印刷电路板(PCB)上可以不用设置AC220V电源，而由脉冲变压器为传感芯片提供电源，这样电工操作安全性得到大幅度提高。

需要说明的是，以上实施例是以AC220V电网系统为例进行介绍的，可以理解的是，本实用新型提供的电力参数测量装置同样适用于AC380V电网系统，其工作原理相似，在此不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种电力参数测量装置，其特征在于，包括：电流传感芯片、电压传感芯片、脉冲变压器、计量芯片或片上系统芯片；

所述电流传感芯片的一端连接电流传感器件，另一端连接所述脉冲变压器的一次绕组；

所述电压传感芯片的一端连接电压传感器件，另一端连接所述脉冲变压器一次绕组；

所述脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片；

所述电流传感芯片将电流传感器采集的模拟电流信号转换为数字电流信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器传递给所述计量芯片或片上系统芯片；

所述电压传感芯片将电压传感器采集的模拟电压信号转换为数字电压信号，再进行高通滤波以后，经过所述脉冲变压器传递给所述计量芯片或片上系统芯片；

所述计量芯片或片上系统芯片利用所述电流信号和电压信号进行电力参数的测量。

2.根据权利要求1所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述电流传感芯片为两个；

所述电压传感芯片为一个。

3.根据权利要求1或2所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述脉冲变压器为一个，所述电流传感芯片和电压传感芯片均连接所述脉冲变压器的一次绕组。

4.根据权利要求1或2所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述脉冲变压器的数量等于所述电流传感芯片和电压传感芯片的数量之和，一个电流传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组；一个电压传感芯片连接一个脉冲变压器的一次绕组。

5.根据权利要求1所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述电流传感芯片和电压传感芯片均包括：AD转换模块、高通滤波模块、SRAM模块和数据发送模块；

所述AD转换模块连接所述电流传感器件或电压传感器件，AD转换模块将模拟电流或电压信号转换为数字电流或电压信号；

所述高通滤波模块连接所述AD转换模块，对数字电流或电压信号进行滤波；

所述SRAM模块连接所述高通滤波模块，缓存滤波后的数字电流或电压信号；

所述数据发送模块连接所述SRAM，将SRAM中缓存的数字电流或电压信号经过所述脉冲变压器发送给计量芯片或片上系统芯片。

6.根据权利要求5所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述电压传感芯片和电流传感芯片均还包括：脉冲能量收集稳压模块；

计量芯片或片上系统芯片向脉冲变压器发送几百kHz至几十MHz的高频脉冲信号；

电压传感芯片和电流传感芯片中的脉冲能量收集稳压模块将接收的高频脉冲信号进行整流滤波后作为本芯片的供电电源。

7.根据权利要求1所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述计量芯片或片上系统芯片利用所述电流信号和电压信号进行电力参数的测量，具体为：

有功功率P： $P=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v\left(k\right)i\left(k\right)\right]-P_{\mathrm{off}}$

其中，P_j为功率增益校正系数，P_off为有功功率偏置校正系数，v(k)为电压传感器件测量的电压信号；i(k)为电流传感器件测量的电流信号；

无功功率Q： $Q=P_j\left[\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}v{\left(k\right)}_{\∠-\frac{\mathrm{\π}}{2}}i\left(k\right)\right]-Q_{\mathrm{off}}$

Q_off为无功功率偏置校正系数，

为电压信号v(k)后移90度相角后的数值；

电流有效值I_rms： $I_{\mathrm{rms}}=I_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i\left(k\right)\right]}^2}-I_{\mathrm{off}}$

I_j电流增益校正系数，I_off为电流偏置校正系数，i(k)为电流传感器件测量的电流信号；

电压有效值V_rms： $V_{\mathrm{rms}}=V_j\sqrt{\frac{1}{N}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[v\left(k\right)\right]}^2}-V_{\mathrm{off}}$

V_j电压增益校正系数，V_off为电流偏置校正系数，v(k)为电压传感器件测量的电压信号。

8.根据权利要求1所述的电力参数测量装置，其特征在于，所述电流传感芯片和电压传感芯片集成为一个芯片，称为电流和电压传感芯片；该电力参数测量装置包括两个电流和电压传感芯片，分别为第一电流和电压传感芯片，第二电流和电压传感芯片；

其中，第一电流和电压传感芯片的一端连接第一电流传感器件和第一电压传感器件，另一端连接第一脉冲变压器一次绕组；

第二电流和电压传感芯片的一端连接第二电流传感器件和第二电压传感器件，另一端连接第二脉冲变压器的一次绕组；

第一脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片；

第二脉冲变压器的二次绕组连接所述计量芯片或片上系统芯片。

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