（电子科学与技术专业论文）基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计.pdf

d e s i g no ft h r e e p h a s es m a r tm e t e rb a s e do ns h u n tc u r r e n ts e n s o r b y x i a oq i a n b e ( m i a n y a n gn o r m a lu n i v e r s i t y ) 1 2 0 0 8 a t h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e i n t h e g r a d u a t es c h o o l h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a oj i mx u m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：奄迕 日期：户年歹月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 肖迕 钐辽杪 日期：o f 年厂月二。日 日期：如l |年岁月歹d 日 随着智能电网的全面建设，对于智能电能表的技术要求也越来越高，目前市 场上的三相智能电能表大都采用电磁式电流传感器对交流电流信号进行变换，这 种电磁式电流传感器存在成本高，易直流饱和，测量范围小且易受外界电磁干扰 等问题，而分流式电流传感器相比于电磁式电流传感器在成本、安装体积、抗直 流饱和以及抗电磁干扰能力上都具有极大的优势，本文正是针对分流式电流传感 器应用于三相智能电能表中的技术瓶颈，提出了一种通用性强、高可靠性的解决 方案，并设计了一款符合技术标准要求的三相智能电能表产品，从而推动分流式 电流传感器在三相智能电能中的应用，特别是在防强磁窃电方面的应用。 本文首先介绍了课题研究背景，阐述了电能表中常用的几种电流传感器的工 作原理与应用现状，并分析了分流式电流传感器应用于三相电能表中的技术瓶 颈，然后针对这个技术瓶颈，总结分析了目前市场上已经提出的三种比较典型的 解决方案的优缺点，并提出了一种可行性更强的解决方案。 在硬件电路设计中，根据解决方案的电气隔离要求，设计了彼此独立的计量 电源和系统电源；总结了交流信号采集过程中的抗干扰措施，并对传统锰铜分流 器的结构进行了改良；深入剖析了s o c 计量芯片m s p 4 3 0 f e 4 2 5 的工作原理及其 性能特性；借鉴r s 4 8 5 总线思想，设计了本课题专用的数据通信接口模块；针 对防窃电功能的需求，设计了用于电能表外部恒定磁场及交变磁场检测的强磁检 测模块；根据四象限电能的定义，设计了对应的实时电能脉冲输出电路；最后介 绍了远程抄表中最常用的g p r s 模块和载波模块在电能表产品中应用。 在系统软件设计中，采用了模块化设计思想，整个软件系统分为计量软件、 数据通信接口软件、功能管理软件三部分。重点剖析了e s p 4 3 0 c e l 底层计量程 序的算法原理以及计量数据组织与处理的方法；制定了主控制m c u 与三块s o c 计量芯片之间的数据通信协议并详细说明了数据接口软件的设计过程。 本文同时也总结分析了计量过程中主要误差的来源及其减少方法，详细说明 了目前电能表产品中最常用的误差校正方法的数学实现原理，应用该误差校正方 法设计了一款本课题专用的校表软件。 最后，对产品样机进行了准确度实验和e m c 实验，并进行了实验分析。交 流电流线路直流和偶次谐波影响实验、外部交变磁场影响实验、外部连续恒定磁 场影响实验这三种影响量误差实验的测试结果表明本课题所设计的三相电能表 在抗直流饱和性能以及防强磁窃电性能上具有很大的突破，达到预期设计目标。 关键词：分流式电流传感器；三相智能电能表；电气隔离；s o c 计量芯片； 防强磁窃电 硕七学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tp o w e rg r i d ，t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o r s m a r tw a t t - h o u rm e t e ri sm o r ea n dm o r e h i g h ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n t t r a n s d u c e ro fs m a l ls i z ei s c o m m o n l yu s e dt ot r a n s f o t i nt h ec u r r e n ts i g n a l si n t h r e e - p h a s es m a r tw a t t - h o u rm e t e ra tp r e s e n t ，t h i sk i n do fc u r r e n ts e n s o rh a ss o m e i s s u e ss u c ha sh i g hc o s t ，e a s i l yd cs a t u r a t e d ，s m a l lm e a s u r e m e n t r a n g ea n d v u l n e r a b l et oe x t e m a le l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n ，b u tt h es h u n tc u r r e n t s e n s o rh a sg r e a ta d v a n t a g e si nt h ec o s t ，s i z eo ft h ei n s t a l l a t i o n ，r e s i s t a n c et od c s a t u r a t e da n da n t i e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea b i l i t yi n c o m p a r i s o nw i t ht h e e l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e r , t h i sp a p e rh a v eb e e na i m e da tt h et e c h n i c a l b o t t l e n e c kt h a tt h es h u n tc u r r e n ts e n s o ra p p l i e st ot h r e e p h a s es m a r tw a t t h o u rm e t e r , p u tf o r w a r das o l u t i o nw i t hs t r o n gc o m m o n a l i t ya n dh ig hr e l i a b i l i t y , d e s i g n e da n e ws m a r tt h r e e p h a s ew a t t h o u r sp r o d u c ta c c o r d i n gw i t ha l lt e c h n o l o g ys t a n d a r d r e q u i r e m e n to fn a t i o n a lg r i ds oa st op r o m o t et h es h u n tc u r r e n ts e n s o ri nt h e a p p l i c a t i o no ft h r e e p h a s es m a r tw a t t - h o u rm e t e r ，e s p e c i a l l yi nt h ea p p l i c a t i o no f p r e v e n t i n ge l e c t r i cl a r c e n yw i t hs t r o n gm a g n e t i c t h i s p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h e s u b je c t ， e x p o u n d e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs e v e r a lc u r r e n t s e n s o r sc o m m o n l yu s e di nw a t t - h o u rm e t e r , a n da n a l y z e dt h et e c h n i c a lb o t t l e n e c k t h a tt h es h u n tc u r r e n ts e n s o ra p p l i e dt o t h r e e - p h a s ew a t t - h o u rm e t e r ，a n dt h e n s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h r e e t y p i c a l s o l u t i o n sp r o p o s e db a s e do nt h et e c h n i c a lb o t t l e n e c ki nt h ec u r r e n tm a r k e t ，a n dp u t f o r w a r dam o r ef e a s i b l es o l u t i o nb a s e do nt h e s es o l u t i o n s i nt h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t ，d e s i g n e dt h ei n d e p e n d e n tp o w e ro f m e a s u r e m e n tm o d u l e sa n dt h ep o w e ro ff u n c t i o nm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h es o l u t i o n o fe l e c t r i c a li s o l a t i o nr e q u i r e m e n t ；s u m m a r i z e dt h ea n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e si na c s i g n a la c q u i s i t i o n ，a n di m p r o v e dt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a ls h u n t ；a n a l y z e dt h e o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs o cm e a s u r e m e n tc h i p m s p 4 3 0 f e 4 2 5 ；d e s i g n e dt h e d a t ac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e d e d i c a t e d b o r r o w i n gi d e a sf r o mr s 4 8 5b u s ；d e s i g n e ds t r o n gm a g n e t i ci n s p e c t i o nm o d u l et h a t c o u l dd e t e c te x t e r n a lc o n s t a n tm a g n e t i cf i e l da n da l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l do u t s i d e t h ew a t t h o u rm e t e rs oa st om e e tt h ed e m a n do fp r e v e n t i n ge l e c t r i c l a r c e n y ； d e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gr e a l t i m ep o w e rp u l s eo u t p u tc i r c u i ta c c o r d i n gt ot h e i i i 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 d e f i n i t i o no fq u a d r a n te l e c t r i c i t y ；a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec i r c u i td e s i g no f t h eg p r sm o d u l ea n dc a r r i e rm o d u l ew h i c hh a v eb e e nc o m m o n l yu s e dt or e a l i z e r e m o t em e t e rr e a d i n g i nt h e d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e ，t h es o f t w a r es y s t e mw a sd i v i d e di n t o m e a s u r i n gs o f t w a r e ，d a t ac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es o f t w a r e ，f u n c t i o nm a n a g e m e n t s o f t w a r et h r e e p a r t su s i n g m o d u l a r d e s i g nt h o u g h t e m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e d m e a s u r e m e n ta l g o r i t h mt h e o r yo fe s p 4 3 0 c e lm o d u l ea sw e l la sm e a s u r e m e n td a t a s o f t w a r ep r o c e s s i n gm e t h o d s ；f o r m u l a t e dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e n t h em a s t e rc o n t r o lm c ua n dt h r e es o cm e a s u r e m e n tc h i p ，a n dm e a n w h i l e ，i l l u s t r a t e t h ed e s i g np r o c e s so fd a t ac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es o f t w a r e f i n a l l y ，t h ea c c u r a c ye x p e r i m e n t a la n de m cp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n tw a sd o n e w i t ht h ep r o d u c tp r o t o t y p e ，a n dc a r r i e do nt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s t e s tr e s u l to f t h r e ek i n d so fi n f l u e n c ee r r o re x p e r i m e n tw h i c hw e r ea cc u r r e n tc i r c u i tw i t hd c a n da c c i d e n t a l l yh a r m o n i ci n f l u e n c e e x p e r i m e n t ，a l t e r n a t i n gm a g n e t i c f i e l d i n f l u e n c ee x p e r i m e n ta n dc o n s t a n tm a g n e t i cf i e l di n f l u e n c ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a t t h et h r e e - p h a s ew a t t - h o u rm e t e rd e s i g n e di nt h es u b je c th a dg r e a tb r e a k t h r o u g hi n t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t a n c et od cs a t u r a t e da n dp r e v e n t i n ge l e c t r i cl a r c e n yw i t h s t r o n gm a g n e t i c ，h a da c h i e v e dt h ee x p e c t e dd e s i g ng o a l k e yw o r d s ：s h u n tc u r r e n tc e n s o r ；t h r e e - p h a s es m a r tw a t t h o u rm e t e r ；e l e c t r i c a l i s o l a t i o n ；s o cm e a s u r e m e n tc h i p ；p r e v e n t i n ge l e c t r i cl a r c e n yw i t h s t r o n gm a g n e t i c i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 电能表用电流传感器研究与应用现状2 1 2 1 霍尔电流传感器2 1 2 2r o g o w s k i 线圈电流传感器3 1 2 3 电磁式电流传感器4 1 2 4 分流式电流传感器5 1 3 基于分流式电流传感器的三相智能电能表研究现状6 1 3 1 光电隔离方式解决方案。6 1 3 2 电容隔离方式解决方案7 1 3 3 电感耦合隔离方式解决方案。9 1 4 课题来源与研究意义1 0 1 4 1 课题来源及作者承担的科研任务1 0 1 4 2 课题研究意义1 0 1 5 论文主要研究内容1 0 第2 章系统方案与硬件电路设计1 2 2 1 系统技术指标要求与总体方案设计1 2 2 1 1 系统技术指标要求1 2 2 1 2 系统总体方案设计1 2 2 2 电源模块设计1 4 2 3 计量模块设计l5 2 3 1 交流信号采集电路1 5 2 3 2s o c 计量芯片1 6 2 4 数据通信接口模块设计2 2 2 5 功能管理模块设计2 4 2 5 1 主控芯片m c u 介绍2 4 2 5 2 人机界面设计2 5 2 5 3 电能实时脉冲输出电路设计2 6 2 5 4 强磁检测模块设计一2 7 v 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 2 5 5 远程抄表模块设计2 8 第3 章系统软件设计与实现。3 1 3 1 系统软件构架3 l 3 2 功能管理软件设计3 2 3 3 计量软件设计3 3 3 3 1 底层计量程序设计3 4 3 3 2 计量数据处理与调度程序设计3 9 3 4 数据通信接口软件设计4 1 3 4 1 初始化设置4 2 3 4 2 电力参数数据实时更新4 4 3 4 3 校正参数更新4 7 3 4 4 电能计量与实时电能脉冲4 9 第4 章系统误差分析与校正5 3 4 1 系统误差分析5 3 4 1 1 误差主要来源及其减少方法5 3 4 1 2 电能计量误差校正5 8 4 2 校表软件设计6l 第5 章实验测试与分析6 5 5 1 准确度实验6 5 5 1 1 基本误差实验6 5 5 1 2 影响量误差实验6 8 5 2 电磁兼容实验7 1 结论与展望7 4 参考文献。7 6 致i 射8 0 附录a ( 攻读学位期间发表的学术论文) 8 l 附录b ( 攻读学位期间申请的国家专利) 8 2 附录c ( 攻读学位期间参加的科研项目) 一8 3 附录d ( 产品实物图) 。8 4 v l 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着智能电网的日益发展，智能电能表作为智能电网建设的基石，其本身已 经远远超出了单纯的计量功能，同时具有用户端控制功能、双向多费率计量功能、 多种数据传输模式的双向数据通信功能等智能化的功能，智能电能表代表着未来 节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向【l 】。 世界各国对于智能电能表的需求日益增大，据不完全统计，在未来3 年，智 能电能表在全球安装的数量将高达2 亿只。在中国，随着国家坚强智能电网建设 的进展，智能电能表的需求也大幅度地增长，2 0 0 9 年年底，国家电网公司计划通 过“总部统一组织，网省公司具体实施的新模式集中招标采购智能电能表，国内 电表行业将面临一个每年超过5 0 亿元规模的市场【2 1 ，这对智能电能表制造业更是 巨大的推动，新政策形势下的国内智能电能表的发展趋势将具有以下几个特点： ( 1 ) 网络化 智能电能表将采用先进计量体系( a m i ：a d v a n c e dm e t e r i n gi n f r a s t r u c t u r e ) ， 并成为未来家庭区域网络( h a n ) 的组成部分。a m i 是一个用来测量、收集、储 存、分析和运用用户用电信息的完整的网络处理系统，利用a m i 能够实现电能数 据的实时采样和存储，并通过有线或者无线网络将信息实时地输送到用电信息管 理系统。通过共享和分析数据，供用电管理部门能够对异地用电信息的实时测量 和监控，同时可以将智能电能表的一部分功能上移到网络层和数据管理平台层， 从而简化智能电能表的设计【1 1 。 ( 2 ) 模块化 智能电能表将实现功能模块化设计，可以通过替换部分功能模块就能实现电 能表的换代升级，不需要更换整个电能表，从而摆脱传统电能表设计中由于某种 功能更改导致的成批替换的厄运，也使得供用电管理部门在购买电能表时无需过 分依赖某一电能表厂家产品，为规范电能表的研发提供可能，还可以通过现场或 者远程升级的方法，提高电能表的可维护性从而节省维护费用【3 】。 ( 3 ) 防窃电 目前国内和国外都已经研发出多种具有防窃电功能的电能表，而且申请了很 多专利，有的是在机械方面防止窃电，有的则是在电磁特性方面防窃电，将各种 先进的现代电子技术融入其中。这些防窃电装置和措施，确实对有些窃电行为起 到有效的防止作用，但是对于花样繁多的窃电手段来说，仍显得有些不足，常见 的窃电方法有欠压法窃电、欠流法窃电、移相法窃电、强磁场窃电等，未来智能 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 电能表必定将在防窃电技术有长足进步，从技术设计与功能管理两个方面防止窃 电的行为【4 6 1 。 ( 4 ) 低功耗 随着绿色节能环保时代的到来，对于各类电子产品的能源消耗提出了更高的 要求，作为能源计量与管理产品的电能表，对于严格控制好智能电能表系统及各 模块的静态功耗、动态功耗、峰值功耗、延长智能电能表电池的使用寿命以及提 高用电计量与管理侧的节能环保效率显得尤其重要【7 卅。 ( 5 ) 低成本 国家电网公司实行智能电能表统一招标后，智能电能表的性价比将成为市场 竞争的一个重要砝码。国内各大电能表制造企业将在保证电能表精度与性能的前 提下，不断改良设计方案以达到降低成本的目的，比如目前市场上比较火热的s o c 计量芯片方案、采用开关电源替换电能表常用的稳压电源、使用更高性价比的传 感器件等。 1 2 电能表用电流传感器研究与应用现状 准确地从电网中提取交流电流、电压信号是电能表精确测量电网的电流、电 压、频率、功率、电能等各种电力参数的关键，电能表外的交流电流、电压信号 不能直接输入到电能表内部的测量芯片，必须变换成小电流、小电压信号，交流 电压信号普遍采用精密电阻分压的方式实现信号的变换，交流电流信号则采用电 流传感器实现变换【9 1 ，下面将分别介绍目前电能表中最常用的电流传感器的工作原 理及其应用现状。 1 2 1 霍尔电流传感器 霍尔电流传感器主要分为开环型和闭环型两种类型，基于成本上的考虑，电 能表中使用的霍尔电流传感器大多为开环型。图1 1 为一种开环型霍尔电流传感器 的工作原理图。 图1 1 开环型霍尔电流传感器工作原理图 当待测交流电流信号i p 流过导线时，在导线周围产生一磁场，磁场的大小与 流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内部，利用磁环气隙中的霍尔元 硕士学位论文 件对这个感应磁场进行测量，然后将霍尔元件感应出的电压放大，最后输出的电 压v s 可以精确地反映出待测交流电流信号i p 的大小。霍尔电流传感器具有突出 的频率响应特性，能够测量非常大的电流【1 0 】，但霍尔电流传感器受温度影响大， 价格昂贵，并且易受外界电磁场干扰，目前只有少数的电能表制造公司如美国兰 吉尔公司采用这种电流传感器。 1 2 2r o g o w s k i 线圈电流传感器 r o g o w s k i 线圈是一种空心环形的线圈，可以直接套在待测交流电流信号i 陪 所流经的导体上，待测交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在 线圈中感应出一个与电流信号变化率成比例的交流电压信号，线圈的输出电压v 惜 可以用公式( 1 1 ) 来表示。 矗t 圪= m 睾 ( 1 1 ) 0 - 4 公式中m 为r o g o w s k i 线圈的互感，d i , j d t 是交流电流的变化率【1 1 1 ，图1 2 为r o g o w s k i 线圈电流传感器的基本工作原理图。 图1 2r o g o w s k i 线圈电流传感器工作原理图 r o g o w s k i 线圈传感器后级可以采用信号积分器对线圈输出的电压信号进行积 分从而得到另一个交流电压信号，这个电压信号可以准确地反映出待测电流信号 的大小，通用型r o g o w s k i 线圈电流传感器具有抗直流饱和、瞬态反应速度快、测 量电流频率范围宽等优点【l 引，但是目前市场上的r o g o w s k i 线圈普遍转换精度不 高，不适合做小电流、高精度电能表，同时输出信号的稳定性与线性度较差，很 容易受外部磁场干扰，并且线圈在绕制过程中要求线圈密度恒定、骨架截面积恒 定、线圈横截面与中心线垂直，工艺要求很高，不适合大批量生产。 p c b 型r o g o w s k i 线圈由于其良好的抗电磁干扰能力，近些年来成为国内外学 者研究的热点i l 引。s e n t e c 公司设计的m o b i u s 电流传感头就是采用了p c b 结构的 空心线圈，这种类型的线圈在应用中表现出了良好的性能；国内一些学者如湖南 大学周有庆教授团队正努力将p c b 型r o g o w s k i 线圈应用于电能表中电流信号的 变换，图1 3 为他们设计的一种类型的p c b 型空心线圈结构示意图。 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 徊 a ) 顶层结构示意图b ) 底层结构示意图 图1 3p c b 型空心线圈结构示意图 当待测交流电流信号流经载流导体时，由于p c b 空心线圈具有对称性，在p c b 线圈的1 、3 位置上会产生方向垂直于p c b 向外的大小相同的磁链，在p c b 线圈 2 、4 位置上产生的磁链相同但方向垂直p c b 线圈向里，因此p c b 线圈l 、3 位置 上感应出的电动势方向为逆时针，在p c b 线圈2 、4 位置上感应出的电动势方向 为顺时针，p c b 线圈依次串接，这样可以使二次线圈产生的感应电动势方向相同 【9 1 ，二次线圈感应出的电动势与被测电流的关系为： e ( 0 一譬一警一警一譬 一m 警一鸩警一鸠警一鸩警 l d td l 3 d ld l ：ua i c t - a ) ，dt ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中、壬，。2 刖分别为螺旋线圈交链的磁链，m 2 鲋分别为载流导体与螺旋 线圈的互感系数，m = m i + m 2 + m 3 + m 4 ，为整个二次线圈的互感系数。互感系数主 要取决于以下几个因素9 】：螺旋线圈的结构、尺寸、匝数以及与载流导体的位置 关系；p c b 的层数。目前这种线圈正处于实验测试阶段，还不适合应用于成熟 的电能表产品中并批量生产。 1 2 3 电磁式电流传感器 电磁式电流传感器又叫电流互感器( c t ) 。电流互感器由一次线圈、二次线圈、 铁心、绝缘支撑及出线端子等组成，如图1 4 所示。电流互感器的铁心由硅钢片叠 制而成，其一次线圈与主电路串联，且通过被测电流i l ，它在铁心内产生交变磁 通，使二次线圈感应出的二次电流1 2 。假设励磁损耗可以忽略不计，被测电流i i 与其在二次线圈中感应出来的电流1 2 的关系为： l lni = ，2n2 ( 1 3 ) 其中n l 和n 2 分别为一、二次线圈的匝数。电流互感器的电流变换比为 k = i t 1 2 = n 2 n i 。 硕士学位论文 图1 4电流互感器工作原理图 普通的电磁式电流互感器( c t ) 的主要缺点有：由于励磁电流的影响，电流互 感器会产生较大的数值误差和相角误差；铁芯使用的铁氧体材料在大电流和直流 输入时会饱和，磁化后的铁芯会产生磁滞现象【1 4 1 5 】；在外部强磁场干扰下，信号 变换的精度会受到极大的影响；电磁式电流互感器成本比较高，并且在电能表内 的安装体积较大 1 6 1 。 根据国内电能表市场上的统计数据，目前国内9 0 以上的三相智能电能表都 是采用这种电磁式电流互感器作为电流信号传感器。 1 2 4 分流式电流传感器 分流式电流传感器又叫分流器，电能表中最常用的分流器为锰铜分流器。锰 铜分流器其本质为一种阻抗很小的精密电阻，串接在待测电流信号回路中，当锰铜 分流器上有电流信号通过时，利用欧姆定律u = i x r ，通过测量分流器两端上的电 压降就可以完成电流信号的转换和测量，图1 5 为锰铜分流器实现电流信号变换的 工作原理图。 图1 5 锰铜分流器工作原理图 锰铜分流器在成本上具有极大的优势，同时具有良好的抗电磁干扰能力，不 存在直流和大电流饱和现象，目前已广泛应用于单相智能电能表中，占据国内单 相智能电能表用电流传感器6 0 以上的份额。 当输入电流信号频率较高时需要考虑锰铜分流器旁路的寄生电感，它将影响 旁路阻抗的幅值，因此锰铜分流器不可以用于高次谐波信号的测量与分析。同时 锰铜分流器还有个很大的缺陷，在大电流时存在自热现象【17 1 ，但随着制造工艺的 改良，这个缺陷在慢慢地被弥补。 一直以来，锰铜分流器很难应用到三相智能电能表中的最根本原因在于：与 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 磁式电流传感器不同，锰铜分流器在变换电流信号的过程中不能实现信号端与 号采集器件( 计量芯片) 间的电气隔离，在利用三个锰铜分流器变换a 、b 、c 三相交流电流信号时，必须保证各相信号之间的电气隔离，否则三相信号之间固 有的大幅值交流电压差会给计量芯片造成永久性损坏。图1 6 为三相四线星型负载 连接条件下采用锰铜分流器作为电流传感器时错误的连接示意图。 一 啪挂饷黼 v 图1 6 星型负载连接条件下采用锰铜分流器作为电流传感器时错误的连接示意图 鉴于锰铜分流器优越的抗电磁干扰能力、安装体积非常小以及在成本上的优 势，许多电能表制造公司以及芯片设计公司都在积极寻求可行性强并且适合市场 推广的解决方案，最终推动锰铜分流器在三相智能电能表中的应用。 1 3 基于分流式电流传感器的三相智能电能表研究现状 为了解决锰铜分流器应用到三相智能电能表中的最大技术瓶颈，就必须解决 在利用锰铜分流器采集变换三相交流电流信号时各分相之间的电气隔离问题。在 电能表中所使用的锰铜分流器的电阻值一般都非常小，模拟电流信号经过锰铜分 流器变换后得到的模拟电压信号也非常微弱，在模拟信号端实现隔离的技术方案 难度较大且技术成本较高，因此可行性强的隔离方案是将模拟信号先转换成数字 信号，最后通过数字信号隔离的方法解决利用锰铜分流器采集变换各相交流电流 信号时相与相之间的电气隔离问题。本文将介绍目前市场上最具代表性的三种解 决方案。 1 3 1 光电隔离方式解决方案 国内知名电能表制造公司杭州华隆电子公司在2 0 0 7 年提出了利用光耦合器来 解决三相交流信号采集过程中的电气隔离问题【1 7 】，其解决方案总体框图如图1 7 所示。 一 硕士学位论文 b 相电尊竺全广百耵 b 相电病一 b 橙巫厮 n 线蓼萼- 1 坌墨翌竺 c 相电流竺仝广百盯 c 相电滴一 c 坦堂4 磊丽 n 线i 茹列坌至! 竺 i 能量脉冲输出 a 相 i心光耦 计量芯片广1 1 隔离 气输出 b 相i h j 光耦 计量芯片f 吲隔离 l i 一 一 毫输出 c 相l j 光耦 计量芯片r 。叫隔离 功能管理_ m c u 图1 7 杭州华隆电子公司解决方案总体框图 方案中采用了三块独立的计量芯片与供电电源以保证三相交流电压信号与电 流信号在采集拾取过程中的彼此电气隔离，各相通道中的计量芯片分别根据该相 通道的交流电压信号与电流信号计算出该相的电流有效值、电压有效值、频率、 有功功率、无功功率等关键电力参数数据，计量芯片同时还输出与当前累积电能 对应的实时电能脉冲，并通过光耦合器输入到功能管理m c u ，功能管理m c u 采 取中断的方式对传输过来的电能脉冲进行实时计数，并根据脉冲与其表征的电能 关系，完成对电能的累积与计量。 由于光耦合器输入与输出端互相电气隔离，信号传输具有单向性、良好的电 绝缘能力和抗干扰能力，可以有效地实现计量芯片侧与功能管理m c u 侧间的电气 隔离，从而保证了三相交流信号不会对功能管理m c u 造成永久性的损害。 但是这种方案设计的电能表由于功能管理m c u 无法从计量芯片读取到电压、 电流有效值，功率值等电力参数数据，所以只能够完成对有功能电能和无功电能 的计量，功能过于简单，应用前景比较局限。 1 3 2 电容隔离方式解决方案 美国著名的解决方案供应商m a x i m 半导体公司在2 0 0 9 年提出了 m a x q 3 1 0 8 + d s 8 1 0 2 的解决方案【l 引，该解决方案总体框图如图1 8 所示。 差差 枷 棚啪哦 硝 斛 n 基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计 no ba l 电阻分压oa 棚离档掣 叫 h 卜 l 上八叮一一1 “ 肘阴况抛勰i l 刨 一中 剧郁爵离电容m a x q 3 1 0 8 矗黼刊一半h 图8m a x i m 半导体公司解决方案总 系统正常工作时，各相交流电压信号、交流电流信号分别经过电阻分络 和锰铜分流器被采样到ds8102内部两个独立的调制通道进行数字信号， 转换结果被编码成曼彻斯特码流，再通过隔离耦合电容传输到微器 maxq3108，maxq3108对输入的曼彻斯特码流解码并转换为十进制，还信 号原始的adc采样值，并保存在24位的adc结果寄存器中，图19为其转 换传输流程图。maxq3108内部集成的dsp核再利用电压、电流信号的a采 样值计算出各项电力参数数据，maxq3108内部的用户核则对这些电力参据 进行组织管理，实现电能表各项。 斗 + d s 8 m a q 3 图9m a x q 3 1 0 8 + d s 8 1 0 2 解决方案中的信号转换传输 各相信号采集通道中的ds8102分别由该相交流电压信号所形成的电立 供电，保证了三相电压、电流信号的采集彼此电气隔离。利用隔离耦合电行数据码流的传输有效地实现了信号“热端”与微控制器“冷端”问的电气 该解决方案采用了电容隔离技术，极大地降低了设计成本。但是由于电 容较易受外界电场影响，电能表所处恶劣的电磁场工作环境极易干扰数字的正常传输，因此，这种方案设计的电能表在电磁兼容性能上稍有欠缺。目 硕士学位论文 市场上还没有采用该设计方案的电能表产品问世。 1 3 3 电感耦合隔离方式解决方案 电能表解决方案的领跑者美国t e r i d i a n 半导体公司在2 0 1 0 年推出了基于s o c 计量芯片7 1 m 6 5 4 3 的解决方案，该方案采用了t e r i d i a n 半导体公司专用的电流信 号转换与调制器与脉冲变压器来实现交流电流信号与s o c 计量芯片的隔离【1 9 】。图 1 1 0 为该解决方案的总体框图。 v 3 1 a d 叽v 3 p 3 s y