一种基于锰铜采样的三相表及计量方法

技术领域

本发明涉及电能表技术领域，特别是基于锰铜采样三相表的电路结构以及用电数据的计量方法。

背景技术

强磁场对电能表的干扰会造成电能表计量精度失准，且输电线缆中偶次谐波和直流分量过多也会对电能表精度造成影响，为此，常规的电流互感器三相表一般会增加屏蔽外壳及改善磁芯，这必然会增加电能表的成本，且效果一般。锰铜三相电能表在防强磁场、抗偶次谐波和直流分量方面性能优异，不需要额外保护。

锰铜三相表对各相电流进行采样时，需要以所采相线的电压为参考地，这就要求ABCN各相计量单元的电源相互隔离。通常锰铜三相表需要五路电源：三路计量电源，分别为各路的计量单元供电；一路主电源，为MCU等电表设备供电；一路对外通讯电源，为对外通讯的设备供电。由于电源采用锰铜分流器串进相线进行电流采样，需要以各相线为参考地，因此各相电源之间需要隔离，且需要与MCU系统进行隔离；此外，对外通讯电源一般也要求隔离，因此锰铜三相表的电源一般比较复杂。

目前锰铜三相表的常用电源方案的有两种：

第一种是阻容降压方案，此方案每相电源输入后由安规电容或者聚酯电容与功率电阻串联分压，再经二极管整流，经稳压二极管稳压后通过电源芯片输出稳定电源，给计量芯片或者AD采样芯片供电。此种电源供电方式不适合动态负载，供电不稳定。

第二种方案是釆用常规方式获取两路电源：主电源与通信电源，然后釆用隔离DC-DC变压器，从主电源上获取三路隔离电源，分别供ABC相计量使用。此种方式电源体积大，成本相对较高。

此外，常规的锰铜三相表一般使用三个AD分别对ABC相电压电流进行釆样，然后通过光耦隔离系统将数据汇总到一个三相计量芯片上，通过三相计量芯片对数据进行运算，再通过MCU与三相计量芯片进行通讯读取相关计量数据，此种方法增加了三相计量芯片，提高了成本。

发明内容

为解决当前技术存在的问题，提出了本发明。

本发明的技术方案包括两部分：

1、一种基于锰铜采样的三相表，包括电源单元、计量单元、通信单元和主控系统，所述主控系统包括MCU、显示模块、存储模块和交互模块，电源单元为计量单元、通信单元和主控系统供电，所述主控系统连接计量单元、通信单元。

所述计量单元包括4个单相电能计量AFE和与之对应的锰铜分流器，分别设置在A、B、C、N相上。

所述电源单元包括分别设置在A、B、C相上的三个线性变压器，每个线性变压器设置三路输出，第一路输岀设置在原边，第二路输出和第三路输出设置在副边；三个线性变压器的第一路输出为本相上的单相电能计量AFE供电；三个线性变压器的第二路输岀并联到一起为通信单元供电；三个线性变压器的第三路输出并联到一起为N相上的单相电能计量AFE和主控系统供电。

2、一种基于锰铜采样的三相表的计量方法，所述计量方法基于上述的基于锰铜采样的三相表，

首先获取基于锰铜采样的三相表的启动功率

所述计量方法包括以下步骤：

步骤A、MCU依次与ABC相的AFE通信，读取ABC各相的采样值；计算合相功率

步骤B、如果

步骤C、设MCU定时器

步骤D、判定是否有定时器中断产生，如果否，继续等待；如果定时器

步骤E、计算累积脉冲电能量：

步骤E1、令

步骤E2、如果

步骤E3、输出一个电能脉冲，并且将

步骤F、计算总电能

步骤G、计算基于锰铜采样的三相表总功率因数，执行步骤H；

步骤H、将采集及计算的结果在基于锰铜采样的三相表的显示模块显示。

进一步地，MCU还通过选择控制端打开N相的AFE开关，读取N相的采样值；

增加以下步骤：

步骤I、MCU计算ABC相电流矢量和，并与N相电流比较，判断是否发生电流旁路事件。

有益效果：

1、本发明采用了三个线性变压器，输出三路，给电能计量AFE供电从变压器原边取电，另外两路从副边取电，使用变压器本身完成了电源隔离，大大减少了变压器的体积。

2、4个单相电能计量AFE配合MCU完成三相表的计量，不用三相计量单元，减少了对硬件资源的占用，有效地控制了成本。

3、电能表本身可以判断电流旁路事件，可以据此发出窃电告警。

附图说明

图1为基于锰铜采样的三相表系统组成框图；

图2为电源单元电路原理图；

图3为串口收发电路原理图；

图4是AFE与锰铜分流器连接的原理图。

具体实施方式

参看图1，一种基于锰铜采样的三相表，包括电源单元、计量单元、通信单元和主控系统，所述主控系统包括MCU、显示模块、存储模块和交互模块，电源单元为计量单元、通信单元和主控系统供电，所述主控系统连接计量单元、通信单元，主控系统通过计量单元采集数据，通过通信单元与上位机通信。

所述计量单元包括4个单相电能计量AFE和与之对应的锰铜分流器，分别设置在A、B、C、N相上，AFE通过抗混叠滤波电路连接锰铜分流器，参看图4。

电能计量AFE为模拟前端，如V9240为低功耗、带串口的单相电能计量AFE。

所述电源单元包括分别设置在A、B、C相上的三个线性变压器，每个线性变压器设置三路输出，第一路输岀设置在变压器T1的原边，第二路输出和第三路输出设置在T1的副边；三个线性变压器的第一路输出为本相上的单相电能计量AFE供电；三个线性变压器的第二路输岀并联到一起为通信单元供电；三个线性变压器的第三路输出并联到一起为N相上的单相电能计量AFE和主控系统供电。

所述第一路输出经二极管整流、电容滤波、低压差线性稳压器输出直流电压，提供电源接口1，图中为VDD_A，为本相上的单相电能计量AFE供电；所述第二路输出经二极管整流后并联到一起，经电容滤波，低压差线性稳压器输出直流电压，提供电源接口2，图中为V_485，为通信单元供电；所述第三路输出经整流桥整流后并联到一起，经电容滤波、低压差线性稳压器输出直流电压，提供电源接口3，图中为VDD_3.3，为N相上的单相电能计量AFE和主控系统供电。GND_A是电源电源接口VDD_A对应的地，G485是电源接口V_485对应的地，N是电源接口VDD_3.3对应的地。不同的电源接口对应不同的地，实现了电源隔离。

参看图2，RV1是压敏电阻，PT1是复合型热敏电阻，为常规电路设置。U1、U2、U3为低压差线性稳压器，P1为整流桥。

本实施例中，在变压器一次侧输入回路中，复合型热敏电阻PT1串联在N相回路里面，然后跨接在N相和A\B\C相之间。

常规的变压器一次侧回路中，复合型热敏电阻是串联在A\B\C相回路里面，然后跨接在N相和A\B\C相之间。

由于供电线路故障或者接线错误，导致当A\B\C相与N相之间有大电压时，比如1.5Un(Un为额定电压交流220V)=330V，长时间维持如此大电压会导致变压器严重发热，甚至烧毁。复合型热敏电阻的作用是：在大电压下复合型热敏动作，PT1的1、2脚间电阻变大，并分压约110V，使通过变压器两端的电压维持在220V左右，以免对变压器产生不良影响。

如果按常规方式，将复合型热敏电阻串联在A\B\C相和变压器连接回路里面，然后跨接在N相和A\B\C相之间，当火零线输入大电压时，热敏电阻PT1动作，其1、2脚间分压约交流110V，即A\B\C相与变压器输入引脚间电压约为交流110V，那么在输入A\B\C相计量回路的电压（其以A\B\C相为地）必然大于110V，经过二极管稳压、电容滤波后，输入低压差线性稳压器的直流电压也大于110V，而低压差线性稳压器的耐压值一般在40V左右，必然将其烧毁。

将复合型热敏电阻串联在N相和变压器连接回路里面，然后跨接在N相和A\B\C相之间，当火零线输入大电压时，热敏电阻PT1动作后，变压器两端电压为交流220V，输入A\B\C相计量回路的电压与常态下基本一样，不会对低压差线性稳压器造成影响。

图中的电阻、电容以及二极管的指标为常规选择，这里不再冗述。

图2是以A相为例，B、C相上电路与此一致，不同的是B、C相上第一路输出提供的电源接口1分别为VDD_B、VDD_C（图中未表示）和对应的地，为本相上的单相电能计量AFE供电。

图中，B相变压器第二路输出、C相变压器第二路输出与A相变压器第二路输出经二极管整流后并联，B相变压器第三路输出、C相变压器第三路输出与A相变压器第三路输出经整流桥整流后并联。

MCU的串口资源有限，为了节省资源，所述4个单相电能计量AFE的通讯串口分别通过两个光耦连接到所述MCU的一个串口的发送端和接收端，分别用MCU的发送电路和MCU的接收电路实现。

参看图3，以A相为例：

MCU的发送电路：单相电能计量AFE的RX管脚连接第一三极管Q1的集电极和电阻R47，第一三极管Q1的发射极接地、基极经并联的电阻R50和电容C36连接电阻R51和第一光耦OE1的第3脚，电阻R51的另一端接地；连接RX管脚电阻R47的另一端连接本相线性变压器第一路输岀VDD_A和第一光耦OE1的第4脚。

第一光耦OE1的第1脚通过电阻R63连接第二三极管Q12的集电极，第二三极管Q12的发射极连接电源接口3的输出VDD_3.3、基极通过电阻R79连接MCU的选择控制端。

第一光耦OE1的第2脚连接电容C38和MCU串口的发送端TXD，电容C38另一端接地。

MCU的接收电路：MCU串口的接收端RXD连接第三三极管Q7的集电极和电阻R89，第三三极管Q7的发射极接地、基极经并联的电阻R110和电容C37连接电阻R118和第二光耦OE2的第3脚，电阻R118的另一端接地；连接MCU串口的接收端RXD电阻R89的另一端连接第二光耦OE2的第4脚，并经电阻R56连接电源接口3的输出VDD_3.3；

第二光耦OE2的第1脚连接电源本相线性变压器第一路输岀VDD_A，第二光耦OE2的第2脚经电阻R45连接单相电能计量AFE的RX管脚。

图中的电阻、电容以及二极管的指标为常规选择，不再冗述。

其它三相的电路与上述基本相同，区别在于各相上第一光耦的第二引脚相互连接、第二光耦的第三引脚相互连接、第四引脚相互连接，MCU上为每相设置选择控制端，如图所示，分别为PHA_CTRL、PHB_CTRL、PHC_CTRL、PHN_CTRL。

通讯过程如下：PHA_CTRL置为低电平，第二三极管Q12的基极为低电平，发射极电压为高电平（VDD_3.3），第二三极管Q12的发射极与基极电压差大于0.7V（三极管导通压差），第二三极管Q12导通，A相AFE的串口通信开关被打开；同时BCN相对应的PHB_CTRL、PHC_CTRL、PHN_CTRL置为高电平, BCN相的第二三极管的发射极与基极电压均为高电平，压差小于0.7V，三极管不导通，BCN相AFE的串口通信开关均关闭。

MCU通过 EMU_TXD发送数据，此时只有A相第一光耦打开，因此只有A相AFE收到召测命令，BCN相AFE不会收到召测命令，同时由于光耦左侧AFE收发为同一引脚，MCU的接收引脚 EMU_RXD也会收到数据，但此时MCU与AFE的通信为半双工方式，在发送数据的同时，不对此数据进行解析。当MCU发送数据停止后，A相AFE会将MCU召测数据发送，此时MCU再对接收引脚接收的数据进行解析。

MCU召测BCN相AFE相关参数通讯过程与上述过程相同，只是设置不同的选择控制端电平。

在以上电表结构基础上，本发明提出以下的实施例：

一种基于锰铜采样的三相表的计量方法，首先获取基于锰铜采样的三相表的启动功率

电能表开始累计电能时的功率称为启动功率，IEC和国网电表规范对电能表启动功率都有要求：对于基于锰铜采样的三相表等直通式电能表一般要求额定功率为额定功率的千分之四，为保证电能表不少计电能且及时启动电能累计，将启动功率

所述计量方法包括以下步骤：

步骤A、MCU依次与ABC相的AFE通信，读取ABC各相的采样值；计算合相功率

上述步骤中，MCU的选择控制端为AFE的通信开关，MCU通过依次打开ABCN各相AFE通讯开关实现分别同各相的AFE通信。

步骤B、如果

如果

步骤C、设MCU定时器

步骤D、判定是否有定时器中断产生，如果否，继续等待；如果定时器

当三个定时器如果同时产生计数溢出中断时，优先执行

步骤E、计算累积脉冲电能量：

每隔

若按照AFE功率更新时间

由（1）（2）得电能量累加周期为

由式（3）知，当

步骤E1、令

该步骤用来统计在一个

步骤E2、如果

如果

步骤E3、输出一个电能脉冲，并且将

当电能量已经累积到一个脉冲对应的能量时， MCU控制输出一个电能脉冲，显示模块中的LED灯闪烁一次，累积电能量

步骤F、计算总电能

步骤G、计算基于锰铜采样的三相表总功率因数，执行步骤H；

步骤H、将采集及计算的结果在基于锰铜采样的三相表的显示模块显示。

本实施例中的基于锰铜采样的三相表还判断电流旁路事件：

首先，在步骤A中，MCU还通过选择控制端打开N相的AFE通讯开关，读取N相的采样值；步骤I、MCU计算ABC相电流矢量和，并与N相电流比较，判断是否发生电流旁路事件。

步骤I中电流旁路事件的判断方法为：

设A、B、C、N各相电流分别为Ia、Ib、Ic、In，

以A相电流Ia为基准，A、B、C各相电流角度分别为0°、–120°、–240°，分解Ia、Ib、Ic：

A相y向的电流Iay=Ia*sin0°=0，

A相x向的电流Iax=Ia*cos0°= Ia，

B相y向的电流Iby=Ib*sin(–120°)=–

B相x向的电流Ibx=Ib*cos(–120°)=–

C相y向的电流Icy=Ic*sin(–240°)=

C相x向的电流Icx=Ic*cos(–240°)=–

三相y向电流和Iy=Iay+Iby+Icy=0–

三相x向电流和Ix=Iax+Ibx+Icx= Ia–

三相电流矢量和的模I=

如果ABS(I–In)>

本实施例中的基于锰铜采样的三相表通过以下方式判断逆相序：

MCU向ABC相AFE下达相位测量命令，计量AFE收到命令后随即开始用6.4kHz的采样频率（正常工作频率50Hz下，电压信号每周波采样点数是128点）进行计数，直到判断正向过零点事件发生，停止计数，将此计数值写入相位寄存器中。

MCU读取ABC相AFE相位寄存器的值，以A相AFE相位寄存器为基准，进行B相、C相与A相AFE相位寄存器差值计算。正常情况下，电压A相超前B相120°或滞后B相240°，A相超前C相240°或滞后C相120°，B相超前C相120°或滞后C相240°。

每周波360°采样点数是128点，则120°约采43个基点，240°约采85个基点。则正常情况下，电压A相超前B相43个基点或后B相85个基点，A相超前C相85个基点或滞后C相43个基点，B相超前C相43个基点或后C相85个基点，通过ABC相AFE相位寄存器差值运算，可判定ABC相电压相位关系。如果不符合正常基点个数差，则判定逆相序事件发生。

MCU通过合相的有功功率

将电能表各相电压、各相电流、总电能、总功率因数等轮显在LCD上，并每1秒钟获取最新的参数，更新显示在LCD上；若发生逆相序、电流旁路等，记录事件，并在LCD上显示对应标志。