电表芯片中的一种特殊计量设计
闫书芳1，石飞2，王甲2
（1. 江阴长仪集团有限公司，江苏 214432；
2. 上海贝岭股份有限公司，上海 200233）
摘要：在智能电表中，计量部分的电路通常采用分流器作为电流采样，但是由于运输或其它外力左右，给分流器供电的线路有可能意外断开。提供了一种设计方案，旨在解决当分流器的供电线发生意外断开时，电表仍能准确计量。
关键词：智能电表；分流器；计量；可靠性；电流采样
中图分类号：TN402 文章编号：1674-2583(2018)01-0027-03
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2018.01.007
中文引用格式：闫书芳，石飞，王甲.电表芯片中的一种特殊计量设计[J]. 集成电路应用, 2018, 35(1): 27-29.
1 引言
电能表是测量电能的仪表，其计量原理是：通过对用户用电线上电流、电压的采样，然后通过和时间乘积，从而得出某户电能的使用量。而在电流采样中，采用分流器是电子式电能表上最为常用采样的方式，几乎涵盖了国内所有的户用电子式电能表[1]。
图 1 给出的是采用分流器作为电流采样的电能表的局部电路[2]，在正常的使用中，供电线连接市电中L、N连接至变压器，从而给整个电表供电，计量芯片的地、变压器的 a、分流器的 b 与火线是同电位，即火地。电流采样元件为分流器，分流器有 3 根引线，分别为供电线、采样线+、采样线-。供电线与分流器 b 端相连，并连接市电火线 L，采样线+ 与分流器 n 端相连，采样线与分流器 m 端相连，m 点和 n 点是有一定电阻的，一般为 200～３00 μΩ之间的一个确定分流器阻值。图 1 中两个电阻 R1、R2 与他们相连的电容 C1、C2 分别构成RC 滤波电路（电阻阻值相同，一般为 1 kΩ左右）。
当用户用电时，电流通过分流器的 m、n 两点，由于当电流通过时，则会在 ｍ 和 ｎ 点产生一定电压差，通过对 ｍ 和 ｎ 之间的电压差数值的采样，即求得通过此处电流的大小，这就是电能表中，对电流采样的方法。当对电流采样后，将信号传入计量芯片内，计量芯片再乘以采样的电压值和时间，即可完成对电能量的计算。
2 计量电路中分流器供电线断开引发的计量问题
在实际的生产、运输过程中，由于焊接、环境应力的改变，在分流器的供电线上ａｂ两点之间会发生断开的情况，如图 2 所示。这种情况虽然并不常见，然而一旦断开，会导致整个电表的供电回路发生变化，供电电流从变压器、电流采样部分及电流采样输入管脚流过，在电流采样输入端产生约1到几伏的共模电压(与交流供电电流、R1 阻值、芯片内部电路等有关)，而现有的电能计量芯片都没有共模电压输入抑制电路，现有电表一般都会出现飞走现象（国内、国外采用现有的各种不同品牌型号计量芯片的单相电表），在电力结算部门与电力用户间产生很大的纠纷，对电力结算部门和电表制造企业造成极大负面的影响。
经实际测试，采用现有的锐能微、炬泉光电、贝岭及 ADI 公司的单相计量芯片的电表，普遍都具有这个问题。即使有的电表在此故障下未出现飞走现象，也是因为在电表软件中对于此故障时测量到异常的大电流（如量程 60 A 的电表测量到 100 A 以上电流）进行软件处理，屏蔽了计量输出，这样处理的结果只有在电表无负载时是正确的，而带载时该计量的电能被少计。
3 带检测功能的电流采样电路方案
3.1 带检测功能的电流采样电路设计
图 3 的设计方式，实际上是在图 1 的基础上增加故障检测电路和故障处理电路。故障检测电路由故障检测电阻 R2+、R2-，以及加在计量芯片内部（外部也可以）的故障电压测量电路组成。R2- 接在采样线- 和 AGND 间，R2+ 接在采样线+和 AGND 间，一般用同样的阻值，故障电压测量电路与上图中 c 端相连。
电阻 R1+、R1- 和 k1、k2 及其控制部分组成故障处理电路。正常时不起作用，在出现断供电线故障后启动工作。
电阻 R1- 一端连接采样线-，另一端接 MOS 开关 K1 的漏极，K1 的源级接 AGND，电阻 R1+ 一端连接采样线+，另一端接 MOS 开关 K2 的漏极，K2 的源级接 AGND，K1、K2 的栅极接在一起由主控 MCU 控制。R1-、R1+ 一般也用同样的阻值，可以减少采样线+ 和采样线- 本身的压降不同对计量的影响。
R2+ 和 R2- 的值一般取分流器电阻值的十万倍以上，以避免对经过分流器的负载电流产生分流。按分流器 300μΩ计算，R2+ 和 R2- 应该在 30Ω以上。
单相电表正常工作时的视在功耗一般在 0.6 VA 至 10 VA（标准上限）之间，根据功耗可以计算出故障发生后流过 R2+ 和 R2- 的电流（视在功耗/2R2-），c 端电压几十 mV 以上，造成计量误差超过标准几倍以上。为保证计量精度符合标准，需要启动正常时不工作的故障处理电路。
R1+、R1- 阻值需要小于 R2+ 和 R2- 阻值的十分之一。当 K1、K2 导通后，相当于 R1- 与 R2- 并联，R1+ 与 R2+ 并联，选取合适的 R1+、R1- 阻值，可以使 c 端电压在计量芯片允许的共模输入电压范围内，使故障发生后的计量精度达到一级表允许的 1% 误差以下。
3.2 故障检测方法
出现故障后，供电线断开时，相当于 a、b 间断开，外部输入交流电（在 L、N 间）通过变压器及R2+、 R2- 供电，使用电压采样电路（电路 C）检测 R2- 上的电压 VR2rms，当 VR2rms＞＞阈值 Verr（几个 mV）时，且持续时间大于 N1（至少 2）个工频周期以上，判别为断火线故障。
在判断到故障发生后，通过 MCU 或者计量芯片的控制口打开 MOS 开关 K1 和 K2，使交流供电电流通过 R1+、R1-，VR2rms 电压降低，共模输入电压在计量芯片允许的输入范围内，对计量部分误差影响大幅下降。选择合适的 R1+、R1- 阻值，可以使计量误差在允许的范围内（一般要求为 1% 以下）。
如果需要在此故障发生后达到更高的计量精度，还可以做软件补偿，即对计量芯片的电流通道增益或者功率偏置寄存器写一个补偿值。
如果 R1+、R1- 阻值较小，导致负载电流被分流，则需要调整计量芯片电流通道增益，将故障后额定电压、额定电流时误差调整到 0.1% 以下；如果原来在额定电压、额定电流下误差是 0，而在故障发生且启动故障处理电路后误差 ERR 为 -0.4%，则可以计算出补偿系数为 -ERR/(1+ERR)=0.004，电流通道增益为：0.004×2N，计量芯片为 RN8209，N=15（不同计量芯片电流通道增益寄存器位数不同，N 取值不同），计算后为 0X83。如果电流通道增益原来为 0，则只需要将 0X83 写入 RN8209 计量芯片的电流通道增益寄存器。
如果 R1+、R1- 阻值稍大，负载电流被分流可以忽略，则需要补偿的为小负载电流时误差，一般调整功率偏置寄存器。将正常工作状态的已经校准过的电表置于故障状态，清除潜动阈值，在只加额定电压不加电流的情况下，读取计量单元测量到的有功功率值 P0，将 P0 转换成功率偏置寄存器值 Pr0，将 Pr0 与正常工作情况时的功率偏置寄存器 Poffset1 相加得到故障发生后的 Poffset2，并将其写入计量芯片的功率偏置寄存器。
3.3 故障恢复检测
检测 VR2rms 电压，当持续 100 ms 以上时间小于故障恢复阈值 Vnor（可根据实际情况设置）时，判断为故障恢复，断开开关 K1，恢复电流通道增益或将功率偏置寄存器值恢复为正常值 Poffset1。
3.4 电阻 R1 和 R2 的阻值选择
根据整表的功率范围可以计算出断供电线后流过电阻 R2+、R2-、R1+、R1- 的电流。再根据计量允许的采样电压输入范围，可以得到 R2+、R2- 的最大允许值，一般计量芯片允许输入电压 660 mV 到 1 V 左右，得到 R2+、R2- 允许值为 30～100Ω左右。根据误差不能超过 1%，可以得到 R1+、R1- 的值为几欧。
4 设计变化
实施例中电表计量芯片采用锐能微的 RN8209，在使用常规电路时，AC 220 V 供电时交流供电电流约 5 mA。断开供电线，电表处于故障状态，不加负载时电表测量到负载电流 100 A 以上，电表飞走。
（1）将 R2+、R2- 为100Ω，R1+、R1- 为 2.4Ω，及 R2- 上电压测量电路和 MOS 管及控制电路加到电表上后,测量到 VR2rms 为 250 mV（100×5/2）左右,可以确定电表处于断供电线状态；在 220 V 5 A 时电表误差约为 -4% 左右。
（2）通过主控 MCU 控制 MOS 管导通，使 R1+、R1- 加入供电电路，在未放大时测量到 VR2rms 接近 6 mV 左右。用标准表测量电表误差，数据见表 1，各点误差都符合 1 级表要求。
（3）根据 5A 时误差 -0.43%，计算电流通道增益补偿值，再调整计量芯片电流通道增益寄存器，重新测量电表误差，数据见表 2。
5 结语
本文给出了一种电能表中分流器供电线断开后电能表仍能准确计量的方法，并论证了其设计的合理性，给出了改进后的测量结果。结果表明，通过这样的设计改进，提出了一种电表计量出现巨大误差时排查的思路，同时增强电表设计的可靠性，对于智能电表设计极具现实意义。
参考文献
[1] 王光耀.电力计量误差产生的原因及改进对策[J].电子世界，2017(18).
[2] 崔茗璇.浅谈电力计量误差产生的原因及改善策略[J].现代国企研究，2017(08).
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