一種電能表中分流器供電線斷開(kāi)后電能表仍能準(zhǔn)確計(jì)量的方法

這是電表芯片中的一種特殊計(jì)量設(shè)計(jì)，在智能電表中，計(jì)量部分的電路通常采用分流器作為電流采樣，但是由于運(yùn)輸或其它外力左右，給分流器供電的線路有可能意外斷開(kāi)。提供了一種設(shè)計(jì)方案，旨在解決當(dāng)分流器的供電線發(fā)生意外斷開(kāi)時(shí)，電表仍能準(zhǔn)確計(jì)量。

1 引言

電能表是測(cè)量電能的儀表，其計(jì)量原理是：通過(guò)對(duì)用戶用電線上電流、電壓的采樣，然后通過(guò)和時(shí)間乘積，從而得出某戶電能的使用量。而在電流采樣中，采用分流器是電子式電能表上最為常用采樣的方式，幾乎涵蓋了國(guó)內(nèi)所有的戶用電子式電能表[1]。

圖 1 給出的是采用分流器作為電流采樣的電能表的局部電路[2]，在正常的使用中，供電線連接市電中L、N連接至變壓器，從而給整個(gè)電表供電，計(jì)量芯片的地、變壓器的 a、分流器的 b 與火線是同電位，即火地。電流采樣元件為分流器，分流器有 3 根引線，分別為供電線、采樣線+、采樣線-。供電線與分流器 b 端相連，并連接市電火線 L，采樣線+ 與分流器 n 端相連，采樣線與分流器 m 端相連，m 點(diǎn)和 n 點(diǎn)是有一定電阻的，一般為 200～３00 μΩ之間的一個(gè)確定分流器阻值。圖 1 中兩個(gè)電阻 R1、R2 與他們相連的電容 C1、C2 分別構(gòu)成RC 濾波電路（電阻阻值相同，一般為 1 kΩ左右）。

當(dāng)用戶用電時(shí)，電流通過(guò)分流器的 m、n 兩點(diǎn)，由于當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，則會(huì)在 ｍ 和 ｎ 點(diǎn)產(chǎn)生一定電壓差，通過(guò)對(duì) ｍ 和 ｎ 之間的電壓差數(shù)值的采樣，即求得通過(guò)此處電流的大小，這就是電能表中，對(duì)電流采樣的方法。當(dāng)對(duì)電流采樣后，將信號(hào)傳入計(jì)量芯片內(nèi)，計(jì)量芯片再乘以采樣的電壓值和時(shí)間，即可完成對(duì)電能量的計(jì)算。

2 計(jì)量電路中分流器供電線斷開(kāi)引發(fā)的計(jì)量問(wèn)題

在實(shí)際的生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中，由于焊接、環(huán)境應(yīng)力的改變，在分流器的供電線上ａｂ兩點(diǎn)之間會(huì)發(fā)生斷開(kāi)的情況，如圖 2 所示。這種情況雖然并不常見(jiàn)，然而一旦斷開(kāi)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電表的供電回路發(fā)生變化，供電電流從變壓器、電流采樣部分及電流采樣輸入管腳流過(guò)，在電流采樣輸入端產(chǎn)生約1到幾伏的共模電壓(與交流供電電流、R1 阻值、芯片內(nèi)部電路等有關(guān))，而現(xiàn)有的電能計(jì)量芯片都沒(méi)有共模電壓輸入抑制電路，現(xiàn)有電表一般都會(huì)出現(xiàn)飛走現(xiàn)象（國(guó)內(nèi)、國(guó)外采用現(xiàn)有的各種不同品牌型號(hào)計(jì)量芯片的單相電表），在電力結(jié)算部門與電力用戶間產(chǎn)生很大的糾紛，對(duì)電力結(jié)算部門和電表制造企業(yè)造成極大負(fù)面的影響。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，采用現(xiàn)有的銳能微、炬泉光電、貝嶺及 ADI 公司的單相計(jì)量芯片的電表，普遍都具有這個(gè)問(wèn)題。即使有的電表在此故障下未出現(xiàn)飛走現(xiàn)象，也是因?yàn)樵陔姳碥浖袑?duì)于此故障時(shí)測(cè)量到異常的大電流（如量程 60 A 的電表測(cè)量到 100 A 以上電流）進(jìn)行軟件處理，屏蔽了計(jì)量輸出，這樣處理的結(jié)果只有在電表無(wú)負(fù)載時(shí)是正確的，而帶載時(shí)該計(jì)量的電能被少計(jì)。

3 帶檢測(cè)功能的電流采樣電路方案

3.1 帶檢測(cè)功能的電流采樣電路設(shè)計(jì)

圖 3 的設(shè)計(jì)方式，實(shí)際上是在圖 1 的基礎(chǔ)上增加故障檢測(cè)電路和故障處理電路。故障檢測(cè)電路由故障檢測(cè)電阻 R2+、R2-，以及加在計(jì)量芯片內(nèi)部（外部也可以）的故障電壓測(cè)量電路組成。R2- 接在采樣線- 和 AGND 間，R2+ 接在采樣線+和 AGND 間，一般用同樣的阻值，故障電壓測(cè)量電路與上圖中 c 端相連。

電阻 R1+、R1- 和 k1、k2 及其控制部分組成故障處理電路。正常時(shí)不起作用，在出現(xiàn)斷供電線故障后啟動(dòng)工作。

電阻 R1- 一端連接采樣線-，另一端接 MOS 開(kāi)關(guān) K1 的漏極，K1 的源級(jí)接 AGND，電阻 R1+ 一端連接采樣線+，另一端接 MOS 開(kāi)關(guān) K2 的漏極，K2 的源級(jí)接 AGND，K1、K2 的柵極接在一起由主控 MCU 控制。R1-、R1+ 一般也用同樣的阻值，可以減少采樣線+ 和采樣線- 本身的壓降不同對(duì)計(jì)量的影響。

R2+ 和 R2- 的值一般取分流器電阻值的十萬(wàn)倍以上，以避免對(duì)經(jīng)過(guò)分流器的負(fù)載電流產(chǎn)生分流。按分流器 300μΩ計(jì)算，R2+ 和 R2- 應(yīng)該在 30Ω以上。

單相電表正常工作時(shí)的視在功耗一般在 0.6 VA 至 10 VA（標(biāo)準(zhǔn)上限）之間，根據(jù)功耗可以計(jì)算出故障發(fā)生后流過(guò) R2+ 和 R2- 的電流（視在功耗/2R2-），c 端電壓幾十 mV 以上，造成計(jì)量誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)幾倍以上。為保證計(jì)量精度符合標(biāo)準(zhǔn)，需要啟動(dòng)正常時(shí)不工作的故障處理電路。

R1+、R1- 阻值需要小于 R2+ 和 R2- 阻值的十分之一。當(dāng) K1、K2 導(dǎo)通后，相當(dāng)于 R1- 與 R2- 并聯(lián)，R1+ 與 R2+ 并聯(lián)，選取合適的 R1+、R1- 阻值，可以使 c 端電壓在計(jì)量芯片允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)，使故障發(fā)生后的計(jì)量精度達(dá)到一級(jí)表允許的 1% 誤差以下。

3.2 故障檢測(cè)方法

出現(xiàn)故障后，供電線斷開(kāi)時(shí)，相當(dāng)于 a、b 間斷開(kāi)，外部輸入交流電（在 L、N 間）通過(guò)變壓器及R2+、 R2- 供電，使用電壓采樣電路（電路 C）檢測(cè) R2- 上的電壓 VR2rms，當(dāng) VR2rms＞＞閾值 Verr（幾個(gè) mV）時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于 N1（至少 2）個(gè)工頻周期以上，判別為斷火線故障。

在判斷到故障發(fā)生后，通過(guò) MCU 或者計(jì)量芯片的控制口打開(kāi) MOS 開(kāi)關(guān) K1 和 K2，使交流供電電流通過(guò) R1+、R1-，VR2rms 電壓降低，共模輸入電壓在計(jì)量芯片允許的輸入范圍內(nèi)，對(duì)計(jì)量部分誤差影響大幅下降。選擇合適的 R1+、R1- 阻值，可以使計(jì)量誤差在允許的范圍內(nèi)（一般要求為 1% 以下）。

如果需要在此故障發(fā)生后達(dá)到更高的計(jì)量精度，還可以做軟件補(bǔ)償，即對(duì)計(jì)量芯片的電流通道增益或者功率偏置寄存器寫一個(gè)補(bǔ)償值。

如果 R1+、R1- 阻值較小，導(dǎo)致負(fù)載電流被分流，則需要調(diào)整計(jì)量芯片電流通道增益，將故障后額定電壓、額定電流時(shí)誤差調(diào)整到 0.1% 以下；如果原來(lái)在額定電壓、額定電流下誤差是 0，而在故障發(fā)生且啟動(dòng)故障處理電路后誤差 ERR 為 -0.4%，則可以計(jì)算出補(bǔ)償系數(shù)為 -ERR/(1+ERR)=0.004，電流通道增益為：0.004×2N，計(jì)量芯片為 RN8209，N=15（不同計(jì)量芯片電流通道增益寄存器位數(shù)不同，N 取值不同），計(jì)算后為 0X83。如果電流通道增益原來(lái)為 0，則只需要將 0X83 寫入 RN8209 計(jì)量芯片的電流通道增益寄存器。

如果 R1+、R1- 阻值稍大，負(fù)載電流被分流可以忽略，則需要補(bǔ)償?shù)臑樾∝?fù)載電流時(shí)誤差，一般調(diào)整功率偏置寄存器。將正常工作狀態(tài)的已經(jīng)校準(zhǔn)過(guò)的電表置于故障狀態(tài)，清除潛動(dòng)閾值，在只加額定電壓不加電流的情況下，讀取計(jì)量單元測(cè)量到的有功功率值 P0，將 P0 轉(zhuǎn)換成功率偏置寄存器值 Pr0，將 Pr0 與正常工作情況時(shí)的功率偏置寄存器 Poffset1 相加得到故障發(fā)生后的 Poffset2，并將其寫入計(jì)量芯片的功率偏置寄存器。

3.3 故障恢復(fù)檢測(cè)

檢測(cè) VR2rms 電壓，當(dāng)持續(xù) 100 ms 以上時(shí)間小于故障恢復(fù)閾值 Vnor（可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）時(shí)，判斷為故障恢復(fù)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān) K1，恢復(fù)電流通道增益或?qū)⒐β势眉拇嫫髦祷謴?fù)為正常值 Poffset1。

3.4 電阻 R1 和 R2 的阻值選擇

根據(jù)整表的功率范圍可以計(jì)算出斷供電線后流過(guò)電阻 R2+、R2-、R1+、R1- 的電流。再根據(jù)計(jì)量允許的采樣電壓輸入范圍，可以得到 R2+、R2- 的最大允許值，一般計(jì)量芯片允許輸入電壓 660 mV 到 1 V 左右，得到 R2+、R2- 允許值為 30～100Ω左右。根據(jù)誤差不能超過(guò) 1%，可以得到 R1+、R1- 的值為幾歐。

4 設(shè)計(jì)變化

實(shí)施例中電表計(jì)量芯片采用銳能微的 RN8209，在使用常規(guī)電路時(shí)，AC 220 V 供電時(shí)交流供電電流約 5 mA。斷開(kāi)供電線，電表處于故障狀態(tài)，不加負(fù)載時(shí)電表測(cè)量到負(fù)載電流 100 A 以上，電表飛走。

（1）將 R2+、R2- 為100Ω，R1+、R1- 為 2.4Ω，及 R2- 上電壓測(cè)量電路和 MOS 管及控制電路加到電表上后,測(cè)量到 VR2rms 為 250 mV（100×5/2）左右,可以確定電表處于斷供電線狀態(tài)；在 220 V 5 A 時(shí)電表誤差約為 -4% 左右。

（2）通過(guò)主控 MCU 控制 MOS 管導(dǎo)通，使 R1+、R1- 加入供電電路，在未放大時(shí)測(cè)量到 VR2rms 接近 6 mV 左右。用標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量電表誤差，數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1，各點(diǎn)誤差都符合 1 級(jí)表要求。

（3）根據(jù) 5A 時(shí)誤差 -0.43%，計(jì)算電流通道增益補(bǔ)償值，再調(diào)整計(jì)量芯片電流通道增益寄存器，重新測(cè)量電表誤差，數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種電能表中分流器供電線斷開(kāi)后電能表仍能準(zhǔn)確計(jì)量的方法，并論證了其設(shè)計(jì)的合理性，給出了改進(jìn)后的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提出了一種電表計(jì)量出現(xiàn)巨大誤差時(shí)排查的思路，同時(shí)增強(qiáng)電表設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)于智能電表設(shè)計(jì)極具現(xiàn)實(shí)意義。