淺談電能計(jì)量芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

1 引言

目前的電能計(jì)量芯片，具備電能計(jì)量的功能，即可以計(jì)量出用電設(shè)備的電壓、電流和所消耗電能，基于這樣的功能均很完備。而在實(shí)際的用電過(guò)程中，電器總存在著一定比例的漏電的現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象，市面上有很多漏電檢測(cè)和漏電保護(hù)裝置，但均作為另一個(gè)外部設(shè)備，加裝在電表之外[1]。即使這樣，這樣的漏電檢測(cè)設(shè)備還存在這樣的問(wèn)題：

（1）漏電檢測(cè)規(guī)格的劃分：通常一般的漏電等級(jí)分為 6 mA、10 mA、30 mA 或者 100 mA 以上等等這些規(guī)格，而往往一種漏電檢測(cè)設(shè)備只能針對(duì)一個(gè)規(guī)格進(jìn)行檢測(cè)或保護(hù)，這就造成了針對(duì)不同電器只能選擇不同規(guī)格的漏電檢測(cè)設(shè)備，不同規(guī)格的漏電檢測(cè)設(shè)備不能混用，否則會(huì)引起誤檢測(cè)或誤報(bào)警[2]。

（2）漏電檢測(cè)往往只能區(qū)分漏電電流，而不能分析是何種設(shè)備漏電。因?yàn)槟壳暗穆╇姍z測(cè)方法就是單純檢測(cè)漏電電流，對(duì)于設(shè)備其他的電能特征并不分析，因此并不能判斷出是何種設(shè)備漏電，因此就更無(wú)法進(jìn)行針對(duì)性的報(bào)警或處理[3,4]。

2 方案設(shè)計(jì)

圖 1 表示本設(shè)計(jì)的電路連接示意圖。其包括了電能計(jì)量芯片 IC1，這枚計(jì)量芯片可以使是上海貝嶺出產(chǎn)的 BL6523 系列或 BL093X 系列計(jì)量芯片、剩余電流互感器 CT1、計(jì)量用電流互感器 CT2、計(jì)量用電壓互感器 PT、MCU 和繼電器驅(qū)動(dòng)。圖 2 表示電能計(jì)量芯片 IC1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖 2 中可以看出電能計(jì)量芯片 IC1 設(shè)有以下引腳：IAN 引腳和 IAP 引腳、IBN 引腳和 IBP 引腳、VP 引腳和 VN 引腳、VREF 引腳、兩個(gè) GND 引腳、VDD 引腳、/RST 引腳、CF 引腳、CF1 引腳和 CF2 引腳、RX 引腳和 TX 引腳。

其中，IAN 引腳和 IAP 引腳形成了第一電流采樣通道，IBN 引腳和 IBP 引腳形成了第二電流采樣通道，VP 引腳和 VN 引腳形成了電壓采樣通道。VREF 引腳為電能計(jì)量芯片 IC1 提供基準(zhǔn)電壓，VDD引腳為電能計(jì)量芯片 IC1 提供參考電壓源，GND 引腳接地，/RST 引腳用于復(fù)位，CF 引腳、CF1 引腳和CF2 引腳為 3 個(gè)輸出引腳，RX 引腳和 TX 引腳為串口，RX 引腳用于信號(hào)輸入，TX 引腳用于信號(hào)輸出。

在電能計(jì)量芯片 IC1 中還包括信號(hào)處理模塊和UART（通用異步收發(fā)傳輸器）。信號(hào)處理模塊分別與第一電流采樣通道、第二電流采樣通道和電壓采樣通道連接。信號(hào)處理模塊還與 UART 連接，UART 提供串口。

第一電流采樣通道用于采樣用電回路的漏電電流并將漏電電流傳輸至信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊利用漏電電流與預(yù)設(shè)閾值之間的比較關(guān)系進(jìn)行漏電檢測(cè)。第二電流采樣通道用于采樣用電回路的用電電流并將用電電流傳輸至信號(hào)處理模塊，電壓采樣通道用于采樣用電回路的用電電壓并將用電電壓傳輸至信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊利用用電電流和用電電壓進(jìn)行電能計(jì)量。

為了采樣用電回路的漏電電流，第一電流采樣通道的連接方式為。第一電流采樣通道（即 IAN 引腳和 IAP 引腳）連接剩余電流互感器 CT1 的次級(jí)，剩余電流互感器 CT1 的初級(jí)串接于用電回路的火線 L 與零線 N 之間。

當(dāng)用電回路未存在漏電時(shí)，火線 L 與零線 N間的進(jìn)線電流和出現(xiàn)電流相等，剩余電流互感器CT1 不會(huì)產(chǎn)生磁通信號(hào)。在用電回路存在漏電電流時(shí)，火線 L 與零線 N 之間產(chǎn)生電流差，根據(jù)基爾霍夫定律，剩余電流互感器 CT1 的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，剩余電流互感器 CT1 的次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，第一電流采樣通道采樣感應(yīng)信號(hào)并將感應(yīng)信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊。信號(hào)處理模塊對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到漏電電流波形，通過(guò)對(duì)漏電電流波形進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理得到漏電電流的幅值并在幅值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警。

3 漏電預(yù)設(shè)閾值的設(shè)置

將串口連接至 MCU，MCU 輸入設(shè)置預(yù)設(shè)閾值的指令，串口傳輸 MCU 輸入的指令至信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊根據(jù)指令設(shè)置預(yù)設(shè)閾值。為了適用于不同的使用環(huán)境，滿足不同的漏電檢測(cè)等級(jí)需求，可以設(shè)置不同的預(yù)設(shè)閾值。具體地，信號(hào)處理模塊包括若干報(bào)警寄存器，串口與報(bào)警寄存器連接，串口根據(jù) MCU 輸入的指令設(shè)置報(bào)警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分別對(duì)應(yīng)一種預(yù)設(shè)閾值。如表 1 所示。

以需要滿足 6 mA 的漏電等級(jí)檢測(cè)為例，MCU 輸入指令通過(guò)串口傳輸至報(bào)警寄存器，報(bào)警寄存器將寄存器值設(shè)為 000，此時(shí)的預(yù)設(shè)閾值即為 8 mV，若漏電電流的幅值超過(guò) 8 mV，則發(fā)出報(bào)警。

本方案給出了兩種報(bào)警方式。

（1）將 CF1 引腳和 CF2 引腳作為用于連接繼電器驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輸出引腳，驅(qū)動(dòng)輸出引腳通過(guò)輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器驅(qū)動(dòng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)發(fā)出報(bào)警。

（2）將 CF 引腳作為用于輸出報(bào)警脈沖的脈沖輸出引腳，脈沖輸出引腳通過(guò)輸出報(bào)警脈沖來(lái)發(fā)出報(bào)警。CF 引腳還可以兼具計(jì)量脈沖輸出的功能，報(bào)警脈沖可以為有別于正常計(jì)量脈沖的快速脈沖。

為了實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，第二采樣通道的連接方式為：第二采樣通道（即 IBN 引腳和 IBP 引腳）連接計(jì)量用電流互感器 CT2 的次級(jí)，計(jì)量用電流互感器 CT2 的初級(jí)串接于用電回路的火線 L 上；電壓采樣通道的連接方式為：電壓采樣通道（即 VP 引腳和 VN 引腳）連接計(jì)量用電壓互感器 PT 的次級(jí)，計(jì)量用電壓互感器 PT 的初級(jí)并聯(lián)在用電回路的火線 L 和零線 N 之間，

第二電流采樣通道采樣計(jì)量用電流互感器 CT2 的次級(jí)的電流信號(hào)并將電流信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊，電壓采樣通道采樣火線 L 與零線N之間的電壓信號(hào)并將電壓信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊。

信號(hào)處理模塊對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到電流用電波形（電流用電波形包括火線用電波形和零線用電波形），對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到電壓用電波形，通過(guò)對(duì)電流用電波形和電壓用電波形進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到用于電能計(jì)量的若干參數(shù)，如電流電壓有效值、功率因子、有功/視在功率值、有功/視在能量值等等。串口可以將上述參數(shù)輸出至所連接的MCU，串口還可以將電流用電波形和電壓用電波形輸出至所連接的 MCU。

4 漏電設(shè)備的判斷

本方案的電能計(jì)量裝置在電能計(jì)量芯片 IC1 和MCU 的配合下還能夠?qū)崿F(xiàn)判斷用電設(shè)備究竟是何種設(shè)備，尤其是針對(duì)漏電的用電設(shè)備的判斷。

具體地說(shuō) MCU 預(yù)存有至少一已知用電設(shè)備的特征波形特征波形包括已知用電設(shè)備在使用過(guò)程中在某些特定時(shí)間的火線電流波形、零線電流波形和電壓波形。已知用電設(shè)備可以自由選取，如家庭中常用的用電設(shè)備，洗衣機(jī)、空調(diào)、電冰箱等，不同的用電設(shè)備的特征波形不完全相同，每一已知用電設(shè)備的特征波形被做成程序庫(kù)，存于 MCU 的寄存器中。

如圖 3 所示，電能計(jì)量芯片 IC1 的 UART 通過(guò)串口將未知用電設(shè)備的用電波形（包括火線用電波形、零線用電波形和電壓用電波形）輸出至 MCU，MCU 通過(guò)比較用電波形與寄存器中預(yù)存的特征波形，找出符合用電波形的特征波形，輸出未知用電設(shè)備的判斷結(jié)果，未知用電設(shè)備即為找出的特征波形對(duì)應(yīng)的已知用電設(shè)備。例如，經(jīng)比較，未知用電設(shè)備的用電波形與電冰箱的特征波形相同，那么即可確定未知用電設(shè)備即為電冰箱。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，這種設(shè)計(jì)方案的電能計(jì)量芯片和經(jīng)改進(jìn)的計(jì)量電路在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電能計(jì)量，完成電能計(jì)量芯片對(duì)電壓、電流、電能量的測(cè)量的基礎(chǔ)上，還可根據(jù)預(yù)先設(shè)定閾值的不同，進(jìn)行不同規(guī)格的漏電檢測(cè)，并進(jìn)行不同的報(bào)警輸出。并根據(jù)預(yù)先寫入的已知用電設(shè)備的電壓、電流的用電波形，對(duì)實(shí)際漏電的用電設(shè)備進(jìn)行分析，從而確定漏電的用電設(shè)備究竟為何種設(shè)備，具備良好的應(yīng)用前景。