CN206321704U - 电能计量芯片和电能表 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电能计量芯片和电能表，电能计量芯片包括：转换模块用于将采样电流、电压的模拟信号转换为数字信号；全波波形模块用于对数字信号进行滤波电流、电压采样值；第一计算模块用于根据电流、电压采样值计算得到电流、电压有效值、有功和无功功率；视在功率计算模块用于根据电流、电压有效值计算得到视在功率；功率因子计算模块用于根据有功功率和视在功率计算得到功率因子；能量计算模块用于根据有功、无功、视在功率计算得到有功、无功、视在能量。本实用新型可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电能计量技术领域，特别是涉及一种电能计量芯片和电能表。
背景技术
当前，电子式电能表的多功能要求在智能电网应用中的地位越来越重要，随着智能电网的发展，在电能计量芯片领域，相应地要求芯片具有灵活的设计方案和多功能计量要求，并能完成各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。
电能计量主要是将采样的电流和电压信号通过各种信号处理，有选择的得到电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量等电能计量值。电子式电能表就是采用数字化的信号处理方式，精确地给出电能计量值和完成各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。并且电子式电能表可以方便的实现电能计量芯片的自动校准，保证高精度的计量，同时提供便捷的校表方案，给用户的生产使用带来极大的便捷。
单相电能表和三相电能表的计量原理相似，电能计量芯片的实现结构可以应用于单相电能计量芯片，包括简单单相电能计量芯片和单相双电流电能计量芯片，或者扩展到三相电能计量芯片的实现结构，基本原理和结构不变。在简单单相电能计量芯片中，需要两路模数转换采样通道，分别采样电流和电压；在单相双电流电能计量芯片中，需要三路模数转换采样通道，分别采样火线电流、零线电流和电压；在三相电能计量芯片中，需要六路模数转换采样通道，分别采样各分相的电流、电压，或者增加一路数模转换采样通道用来采样中线电流，每一分相的计量按照电能计量实现结构得到分相的计量值，再加上计算合相的结构，即可。
符合智能电网的多功能智能电能表要求可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。
理想情况下，电网电压和电流波形为频率为50Hz(有些国家为60Hz)的正弦波。但是现实情况并非如此，电压和电流波形不是完美的正弦波，这被称为“畸变”。利用傅立叶分析法，这个畸变的波形可以分解为一系列不同频率的正弦波的叠加，其中序数为1的是我们需要的50Hz(或60Hz)的基波，其余的分量的频率是基波频率的整数倍，这些频率的电能是我们不希望看到的，被称为谐波。基波和谐波合起来就是全波，通常计量的是全波的电能。
传统的电能计量芯片，其工作原理为把输入的电压和电流信号按照时间相乘，得到功率随着时间变化的信息，有功功率为电能表首要计量值。假设电流电压信号为余弦函数，并存在相位差φ，有功功率为：如若电流电压信号为非余弦函数，则可按傅立叶变换将信号展开为余弦函数的谐波，同样可按上述计算公式来计算有功功率。
在多功能智能电能表中要求可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。用传统的电能计量芯片只能得到有功功率和有功能量，其他计量值又要经过复杂的处理，比如无功功率计算需要实现精确的90°移相，有效值计算需要复杂的平方根算法，视在功率可以由有功功率和无功功率相乘得到也可以由电流电压有效值相乘得到，同理功率因子也有两种方式得到。以上只是得到全波的计量值，如果需要基波的计量值需要将基波从全波中分离出来，如果需要各次谐波的计量值需要将各次谐波从全波中分离出来。如若是三相多功能智能电能表，其计算复杂度又将增加许多。
由上可见，一种可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量的电能计量实现结构是符合智能电网发展趋势的设计要求，这种实现结构还可以给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统的电能计量芯片只能得到有功功率和有功能量，其他计量值需要经过复杂的计算处理的缺陷，提供一种电能计量芯片和电能表。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本实用新型提供了一种电能计量芯片，其特点在于，包括：转换模块、全波波形模块、第一计算模块、视在功率计算模块、功率因子计算模块以及能量计算模块；
所述转换模块与所述全波波形模块电连接，所述全波波形模块与所述第一计算模块电连接，所述第一计算模块分别与所述视在功率计算模块、所述功率因子计算模块以及所述能量计算模块电连接，所述视在功率计算模块分别与所述功率因子计算模块和所述能量计算模块电连接；
所述转换模块用于将采样电流的模拟信号转换为采样电流的数字信号，以及将采样电压的模拟信号转换为采样电压的数字信号，并传输至所述全波波形模块；
所述全波波形模块用于对采样电流的数字信号进行滤波得到电流采样值，以及对采样电压的数字信号进行滤波得到电压采样值，并传输至所述第一计算模块；
所述第一计算模块用于根据所述电流采样值和所述电压采样值计算得到电流有效值、电压有效值、有功功率和无功功率，并将所述电流有效值和所述电压有效值传输至所述视在功率计算模块，将所述有功功率传输至所述功率因子计算模块，将所述有功功率和所述无功功率传输至所述能量计算模块；
所述视在功率计算模块用于根据所述电流有效值和所述电压有效值计算得到视在功率，并将所述视在功率传输至所述功率因子计算模块和所述能量计算模块；
所述功率因子计算模块用于根据所述有功功率和所述视在功率计算得到功率因子；
所述能量计算模块用于根据所述有功功率计算得到有功能量，根据所述无功功率计算得到无功能量以及根据所述视在功率计算得到视在能量。
较佳地，所述转换模块包括相互电连接的可编程增益放大器和模数转换器；
所述可编程增益放大器用于对所述采样电流的模拟信号进行放大以及对所述采样电压的模拟信号进行放大，并传输至所述模数转换器进行模数转换。
较佳地，所述全波波形模块包括依次电连接的相位校准单元、CIC(积分梳状降采样滤波)单元以及通道校准单元；
所述相位校准单元用于校准采样电流和采样电压的相位差；
所述CIC单元用于对采样电流的数字信号和采样电压的数字信号进行滤波；
所述通道校准单元用于校准通道采样产生的误差。
较佳地，所述第一计算模块包括傅里叶变换单元、电流有效值计算单元、电压有效值计算单元、有功功率计算单元以及无功功率计算单元；
所述傅里叶变换单元用于对所述电流采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电流值实部和N次谐波的电流值虚部，以及对所述电压采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电压值实部和N次谐波的电压值虚部；
所述电流有效值计算单元包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电流值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电流有效值；
所述电压有效值计算单元包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电压值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电压有效值；
所述有功功率计算单元包括两个乘法运算器和一个加法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，以得到N次谐波的有功功率；
所述无功功率计算单元包括两个乘法运算器和一个减法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述减法运算器进行减法运算，以得到N次谐波的有功功率；
其中N为正整数。
较佳地，所述电流有效值计算单元还包括N次谐波电流有效值校准单元，用于对N次谐波电流有效值的计算误差进行校准；
所述电压有效值计算单元还包括N次谐波电压有效值校准单元，用于对N次谐波电压有效值的计算误差进行校准；
所述有功功率计算单元还包括N次谐波有功功率校准单元，用于对N次谐波有功功率的计算误差进行校准；
所述无功功率计算单元还包括N次谐波无功功率校准单元，用于对N次谐波无功功率的计算进行校准；和/或；
所述电流有效值计算单元用于计算得到基波电流有效值和全波电流有效值；
所述电压有效值计算单元用于计算得到基波电压有效值和全波电压有效值；
所述有功功率计算单元用于计算得到基波有功功率和全波有功功率；
所述无功功率计算单元用于计算得到基波无功功率和全波无功功率。
较佳地，所述视在功率计算模块包括乘法运算器，用于对所述电流有效值和所述电压有效值进行乘法运算，以得到所述视在功率。
较佳地，所述视在功率计算模块还包括视在功率校准单元，用于对视在功率的计算误差进行校准；和/或，
所述视在功率计算模块用于计算得到基波视在功率和全波视在功率。
较佳地，所述功率因子计算模块包括除法运算器，用于对所述有功功率和所述视在功率进行除法运算，以得到所述功率因子；
所述功率因子计算模块用于计算得到基波功率因子和全波功率因子。
较佳地，所述能量计算模块包括第一积分运算器、第二积分运算器以及第三积分运算器；
所述第一积分运算器用于对所述有功功率进行积分运算，以得到所述有功能量；
所述第二积分运算器用于对所述无功功率进行积分运算，以得到所述无功能量；
所述第三积分运算器用于对所述视在功率进行积分运算，以得到所述视在能量；
所述第一积分运算器用于计算得到基波有功能量和全波有功能量，所述第二积分运算器用于计算得到基波无功能量和全波无功能量，所述第三积分运算器用于计算得到基波视在能量和全波视在能量。
较佳地，所述电能计量芯片为单相电能计量芯片或三相电能计量芯片。
本实用新型的目的在于还提供了一种电能表，其特点在于，其包括上述的电能计量芯片。
其中，电压瞬时值为v＝vRe+jvIm，电流瞬时值为i＝iRe+jiIm；
则电压有效值为电流有效值为
电压相位角余弦值为电压相位角正弦值为
电流相位角余弦值为电流相位角正弦值为
有功功率计算公式为：
由三角函数和差化积公式cos(α-β)＝cosαcosβ+sinβsinβ，可得：
无功功率计算公式为：
由三角函数和差化积公式sin(α-β)＝sinα·cosβ-cosα·sinβ，可得：
视在功率计算公式为：S＝Vrms×Irms；
功率因子计算公式为：
有功能量计算公式为：
无功能量计算公式为：
视在能量计算公式为：
本实用新型的积极进步效果在于：本实用新型可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计，给用户提供最大的设计灵活性。
附图说明
图1为本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片的结构示意图。
图2为本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片中电流有效值计算单元的结构示意图。
图3为本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片中电压有效值计算单元的结构示意图。
图4为本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片中有功功率计算单元的结构示意图。
图5为本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片中无功功率计算单元的结构示意图。
图6为采用本实用新型较佳实施例的电能计量芯片实现单相双电流电能计量芯片的结构示意图。
图7为采用本实用新型的较佳实施例的电能计量芯片实现三相电能计量芯片的结构示意图。
图8为采用本实用新型较佳实施例的电能计量芯片实现防窃电设计的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。
本实用新型提供了一种电能计量芯片，可应用于智能电网的智能电能表，具体地，如图1-5所示，所述电能计量芯片包括转换模块1、全波波形模块2、第一计算模块3、视在功率计算模块4、功率因子计算模块5以及能量计算模块6；
其中，所述转换模块1与所述全波波形模块2电连接，所述全波波形模块2与所述第一计算模块3电连接，所述第一计算模块3分别与所述视在功率计算模块4、所述功率因子计算模块5以及所述能量计算模块6电连接，所述视在功率计算模块4与所述功率因子计算模块5和所述能量计算模块6电连接；
其中，所述转换模块1用于将采样电流的模拟信号转换为采样电流的数字信号，以及将采样电压的模拟信号转换为采样电压的数字信号，并传输至所述全波波形模块2；
具体地，所述转换模块1包括相互电连接的可编程增益放大器11和模数转换器12，
所述可编程增益放大器(PGA)首先会接收采样电流的模拟信号和采样电压的模拟信号，并对所述采样电流的模拟信号进行放大以及对所述采样电压的模拟信号进行放大，并传输至所述模数转换器(ADC)进行模数转换；
由于采样电流的模拟信号非常小，因此需要所述可编程增益放大器11对采样电流的模拟信号进行放大，同理对采样电压的模拟信号也可以进行放大；放大后的采样信号再经过所述模数转换器12可取得较好的转换效果，当然，所述模数转换器12会带来一定的直流偏置和噪声，从而会带来计量误差，而高精度的电能计量芯片就要最大限度地减小误差，所以后续的数字信号处理除了完成所有电能计量所需的功能外还需包含校准设计，以保证高精度的计量；
本实用新型所述转换模块1主要完成将模拟信号转换为数字信号的工作，输出1bit的采样电流的数字信号和采样电压的数字信号。
所述全波波形模块2则用于对采样电流的数字信号进行滤波得到电流采样值，以及对采样电压的数字信号进行滤波得到电压采样值，并传输至所述第一计算模块3；
具体地，所述全波波形模块2包括依次电连接的相位校准单元21、CIC单元22以及通道校准单元23；
由于***的不同应用，采样到的采样电流的模拟值和采样电压的模拟值可能会存在一个小的相位差，这个相位差会带来计量误差，所述相位校准单元21就是用来校准这个相位差的，即所述相位校准单元21用于校准采样电流和采样电压的相位差。而由于采样电流、采样电压的模拟信号转换为数字信号的过程中，模数转换器户带来一定的噪声，所述CIC单元22就可以对采样电流的数字信号和采样电压的数字信号进行滤波，将噪声整形到高频。所述通道校准单元23则用于校准有通道采样产生的误差以便于后面的数字信号处理。
所述第一计算模块3则用于根据所述电流采样值和所述电压采样值计算得到电流有效值、电压有效值、有功功率和无功功率，并将所述电流有效值和所述电压有效值传输至所述视在功率计算模块4，将所述有功功率传输至所述功率因子计算模块5，将所述有功功率和所述无功功率传输至所述能量计算模块6；
具体地，所述第一计算模块3包括傅里叶变换单元31、电流有效值计算单元32、电压有效值计算单元33、有功功率计算单元34以及无功功率计算单元35；
所述傅里叶变换单元31用于对所述电流采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电流值实部(In(r))和N次谐波的电流值虚部(In(i))，以及对所述电压采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电压值实部(Vn(r))和N次谐波的电压值虚部(Vn(i))；所述傅里叶变换模块31将所述电流采样值和所述电压采样值进行傅里叶变换得到电流瞬时值i＝iRe+jiIm和电压瞬时值v＝vRe+jvIm，用户可以有选择地计量N次谐波的电能计量值，将N次谐波的电流值实部和N次谐波的电流值虚部以及N次谐波的电压值实部和N次谐波的电压值虚部经过相关计算，完成的电流有效值的计算、的电压有效值的计算、P＝vRe·iRe+vIm·iIm的有功功率的计算、Q＝vIm·iRe-vRe·iIm的无功功率的计算；具体如下：
所述电流有效值计算单元32包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根(root)运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电流值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电流有效值；
所述电压有效值计算单元33包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电压值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电压有效值；
所述有功功率计算单元34包括两个乘法运算器和一个加法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，以得到N次谐波的有功功率；
所述无功功率计算单元35包括两个乘法运算器和一个减法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述减法运算器进行减法运算，以得到N次谐波的有功功率；
其中N为正整数。
优选地，所述电流有效值计算单元32还包括N次谐波电流有效值校准单元321，用于对N次谐波电流有效值的计算误差进行校准；
所述电压有效值计算单元33还包括N次谐波电压有效值校准单元331，用于对N次谐波电压有效值的计算误差进行校准；
所述有功功率计算单元34还包括N次谐波有功功率校准单元341，用于对N次谐波有功功率的计算误差进行校准；
所述无功功率计算单元35还包括N次谐波无功功率校准单元351，用于对N次谐波无功功率的计算进行校准；
所述电流有效值计算单元32能够计算得到基波电流有效值，或者将N次谐波的电流有效值累加得到全波电流有效值；
所述电压有效值计算单元33用于计算得到基波电压有效值，或者将N次谐波的电压有效值累加得到全波电压有效值；
所述有功功率计算单元34用于计算得到基波有功功率，或者将N次谐波的有功功率累加得到全波有功功率；
所述无功功率计算单元35用于计算得到基波无功功率，或者将N次谐波的无功功率累加得到全波无功功率。
所述视在功率计算模块4用于根据所述电流有效值和所述电压有效值计算得到视在功率，并将所述视在功率传输至所述功率因子计算模块5和所述能量计算模块6；
具体地，所述视在计算模块4包括乘法运算器以及视在功率校准单元41，所述乘法运算器用于对所述电流有效值和所述电压有效值进行乘法运算，以得到所述视在功率，具体可将基波电流有效值和基波电压有效值相乘计算得到基波视在功率，或者将全波电流有效值和全波电压有效值相乘计算得到全波视在功率；其中视在功率的计算公式为：S＝Vrms×Irms，所述视在功率校准单元则用来对视在功率计算中产生的误差进行校准。
所述功率因子计算模块5用于根据所述有功功率和所述视在功率计算得到功率因子；具体地，所述功率因子计算模块5包括除法运算器，用于将所述有功功率和所述视在功率相除，计算得到所述功率因子，具体可将基波有功功率与基波视在功率相除计算得到基波功率因子，或者将全波有功功率和全波视在功率相除计算得到全波功率因子，具体的功率因子计算公式为：
所述能量计算模块6用于根据所述有功功率计算得到有功能量，根据所述无功功率计算得到无功能量以及根据所述视在功率计算得到视在能量；
具体地，所述能量计算模块6包括第一积分运算器61、第二积分运算器62以及第三积分运算器63；
所述第一积分运算器61用于对所述有功功率进行积分运算，以得到所述有功能量；
所述第二积分运算器62用于对所述无功功率进行积分运算，以得到所述无功能量；
所述第三积分运算器63用于对所述视在功率进行积分运算，以得到所述视在能量；
所述第一积分运算器61可对基波有功功率进行积分运算得到基波有功能量，或者对全波有功功率进行积分运算得到全波有功能量，所述第二积分运算器62可对基波无功功率进行积分运算得到基波无功能量，或者对全波无功功率进行积分运算得到全波无功能量，所述第三积分运算器63可对基波视在功率进行积分运算得到基波视在能量，或者对全波视在功率进行积分运算得到全波视在能量。其中，有功能量的计算公式为：
从而，本实用新型的电能计量芯片通过上述模块单元可以灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并且可以由此给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计(参见图1、图8)。
并且参见图1，如果所述全波波形模块2输出的电流采样值和电压采样值存在反向(即数字信号的符号位相反)或者所述第一计算模块3计算的有功功率如果为负功(即数字信号为负数)，则可判断所述电能计量芯片存在反向用电的窃电行为，可以根据实际***设计给出反向用电的指示。以上两种判断方式二选一即可。
如图8所示，采用本实用新型的电能计量芯片实现防窃电设计的具体结构，“电流采样A”模拟值、“电流采样B”模拟值和“电压采样”模拟值分别用于采样电能表的火线电流信号、零线电流信号和电压信号，然后通过第一转换模块401，所述第一转换模块401由三套所述转换模块1组成，将“电流采样”模拟值和“电压采样”模拟值(“电流采样A”模拟值、“电流采样B”模拟值、“电压采样”模拟值)通过采样和模数转换得到“电流采样D”数字值和“电压采样D”数字值(即“电流A采样D”数字值、“电流B采样D”数字值、“电压采样D”数字值)。再通过第一火线(A通道)零线(B通道)计量选择模块402a，选择需要计量的“电流采样D”数字值(“电流A采样D”数字值与“电流B采样D”数字值)，该选择可以采用时钟复用设计，即在一定时间段内分时间段分别计算火线(A通道)电流、零线(B通道)电流，为后续计算所用。时钟复用设计可以显著的降低该方案实现的成本。再通过第一全波波形模块403，所述第一全波波形模块403由两套所述全波波形模块2组成，得到“电流A/B采样值”和“电压采样值”。随后全波分离出N次谐波用以第一计算模块3，将“电流A/B采样值”和“电压采样值”通过傅里叶变换和一系列计算得到“A/B N次谐波的电流有效值”、“A/B N次谐波的有功功率”。再通过第二火线(A通道)零线(B通道)计量选择模块402b，分离出火线(A通道)N次谐波的电流有效值、零线(B通道)N次谐波的电流有效值，以及火线(A通道)N次谐波的有功功率、零线(B通道)N次谐波的有功功率，将N次谐波计量值相加就可以得到火线(A通道)零线(B通道)的全波计量值(“电流A有效值”、“电流B有效值”、“有功功率A”、“有功功率B”)。如果“火线通道电流有效值”、“电流A有效值”和“零线通道电流有效值”的差值大于某个预设的阈值，则可判断计量芯片存在不平衡用电的窃电行为，可以根据实际***设计给出不平衡用电的指示并将较大的电流采样值用于计量。或者分别计算得到“火线通道有功功率”(“有功功率A”)和“零线通道有功功率”(“有功功率B”)，如果“有功功率A”和“有功功率值B”的差值大于某个预设的阈值，则可判断计量芯片存在不平衡用电的窃电行为，可以根据实际***设计给出不平衡用电的指示并将较大的有功功率用于计量。以上两种判断方式二选一即可。
本实用新型可应用于单相电能计量芯片，即本实用新型的电能计量芯片可以为单相电能计量芯片，包括简单单相电能计量芯片和单相双电流电能计量芯片(参见图6，其中各模块单元与图8中相同，在此就不再赘述)，或者扩展到三相电能计量芯片的实现结构，基本原理和结构不变，在三相电能计量芯片中每一分相的计量按照电能计量实现结构得到分相的计量值，再加上合相的计算即可，参见图7，三相电能计量芯片的实现结构，分别将三相电流电压信号(“A相电流采样”模拟值、“A相电压采样”模拟值、“B相电流采样”模拟值、“B相电压采样”模拟值、“C相电流采样”模拟值、“C相电压采样”模拟值)通过第二转换模块301，所述第二转换模块301由六套所述转换模块1组成，将“电流采样”模拟值和“电压采样”模拟值(“A相电流采样”模拟值、“A相电压采样”模拟值、“B相电流采样”模拟值、“B相电压采样”模拟值、“C相电流采样”模拟值、“C相电压采样”模拟值)通过采样和模数转换得到“电流采样D”数字值和“电压采样D”数字值(“A相电流采样D”数字值、“A相电压采样D”数字值、“B相电流采样D”数字值、“B相电压采样D”数字值、“C相电流采样D”数字值、“C相电压采样D”数字值)。再通过计量选择模块302，选择需要计量的分相“电流采样D”数字值和“电压采样D”数字值(“A相电流采样D”数字值与“A相电压采样D”数字值、“B相电流采样D”数字值与“B相电压采样D”数字值、“C相电流采样D”数字值与“C相电压采样D”数字值)，该选择可以采用时钟复用设计，即在一定时间段内分时间段分别计算A相电能计量、B相电能计量和C相电能计量，为合相计算所用。时钟复用设计可以显著的降低该方案实现的成本，使三相电能计量芯片的实现复杂度与电能计量芯片的实现复杂度相当。分相“电流采样D”数字值和“电压采样D”数字值通过第二全波波形模块303，所述第二全波波形模块303由两套所述全波波形模块2组成，得到“A/B/C电流采样值”和“A/B/C电压采样值”。随后全波分离出N次谐波用以第一计算模块3，将“A/B/C电流采样值”和“A/B/C电压采样值”通过傅里叶变换和一系列计算得到“A/B/C相N次谐波的电流有效值”、“A/B/C相N次谐波的电压有效值”、“A/B/C相N次谐波的有功功率”、“A/B/C相N次谐波的无功功率”。将需要的N次谐波计量值相加就可以得到分相的全波计量值(“A/B/C全波电流有效值”、“A/B/C全波电压有效值”、“A/B/C全波有功功率”、“A/B/C全波无功功率”)，继而，可以将分相计量值相加，得到“全波合相有功功率”、“全波合相无功功率”。再可以用上所述的视在功率计算模块4得到“全波合相视在功率”，再可以用上所述的功率因子计算模块5，将“全波合相有功功率”和“全波合相视在功率”相除计算得到“合相功率因子”。再可以用上所述的有功无功视在能量计算模块6，将“全波合相有功功率”积分计算得到“全波合相有功能量”、将“全波合相无功功率”积分计算得到“全波合相无功能量”、将“全波合相视在功率”积分计算得到“全波合相视在能量”。
这样，本实用新型优选的一种电能计量芯片的实现结构，实现了应用于智能电网的智能电表的计量芯片，可以满足用户灵活的选择计算全波、基波、各次谐波的电流电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子以及有功无功视在能量，并可以完成电能计量芯片的自动校准，保证高精度的计量，同时提供便捷的校表方案，给用户的生产使用带来极大的便捷。并且由此给出所有多功能电能计量芯片设计要求的各种电能质量管理的控制，比如防窃电设计。
综上所述，本实用新型提供的一种在芯片内的模块电路实现结构，尤其涉及一种在电能计量芯片内实现多功能电能计量设计要求的结构，应用于单相电能计量芯片，包括简单单相电能计量芯片和单相双电流电能计量芯片，或者可以扩展到三相电能计量芯片的实现结构。大大提高了多功能智能电表的设计灵活度，降低智能电网的多功能智能电表的制造成本，且较易于实现。
本实用新型还提供了一种电能表，其包括上述的电能计量芯片。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
Claims (11)
1.一种电能计量芯片，其特征在于，包括：转换模块、全波波形模块、第一计算模块、视在功率计算模块、功率因子计算模块以及能量计算模块；
所述转换模块与所述全波波形模块电连接，所述全波波形模块与所述第一计算模块电连接，所述第一计算模块分别与所述视在功率计算模块、所述功率因子计算模块以及所述能量计算模块电连接，所述视在功率计算模块分别与所述功率因子计算模块和所述能量计算模块电连接；
所述转换模块用于将采样电流的模拟信号转换为采样电流的数字信号，以及将采样电压的模拟信号转换为采样电压的数字信号，并传输至所述全波波形模块；
所述全波波形模块用于对采样电流的数字信号进行滤波得到电流采样值，以及对采样电压的数字信号进行滤波得到电压采样值，并传输至所述第一计算模块；
所述第一计算模块用于根据所述电流采样值和所述电压采样值计算得到电流有效值、电压有效值、有功功率和无功功率，并将所述电流有效值和所述电压有效值传输至所述视在功率计算模块，将所述有功功率传输至所述功率因子计算模块，将所述有功功率和所述无功功率传输至所述能量计算模块；
所述视在功率计算模块用于根据所述电流有效值和所述电压有效值计算得到视在功率，并将所述视在功率传输至所述功率因子计算模块和所述能量计算模块；
所述功率因子计算模块用于根据所述有功功率和所述视在功率计算得到功率因子；
所述能量计算模块用于根据所述有功功率计算得到有功能量，根据所述无功功率计算得到无功能量以及根据所述视在功率计算得到视在能量。
2.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述转换模块包括相互电连接的可编程增益放大器和模数转换器；
所述可编程增益放大器用于对所述采样电流的模拟信号进行放大以及对所述采样电压的模拟信号进行放大，并传输至所述模数转换器进行模数转换。
3.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述全波波形模块包括依次电连接的相位校准单元、CIC单元以及通道校准单元；
所述相位校准单元用于校准采样电流和采样电压的相位差；
所述CIC单元用于对采样电流的数字信号和采样电压的数字信号进行滤波；
所述通道校准单元用于校准通道采样产生的误差。
4.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述第一计算模块包括傅里叶变换单元、电流有效值计算单元、电压有效值计算单元、有功功率计算单元以及无功功率计算单元；
所述傅里叶变换单元用于对所述电流采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电流值实部和N次谐波的电流值虚部，以及对所述电压采样值进行傅里叶变换得到N次谐波的电压值实部和N次谐波的电压值虚部；
所述电流有效值计算单元包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电流值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电流有效值；
所述电压有效值计算单元包括两个平方运算器、一个加法运算器和一个平方根运算器，所述两个平方运算器与所述加法运算器电连接，所述加法运算器与所述平方根运算器电连接；所述两个平方运算器用于分别对所述N次谐波的电压值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行平方运算，并将平方运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，所述加法运算器还用于将加法运算结果传输至所述平方根运算器进行平方根运算，以得到N次谐波电压有效值；
所述有功功率计算单元包括两个乘法运算器和一个加法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述加法运算器进行加法运算，以得到N次谐波的有功功率；
所述无功功率计算单元包括两个乘法运算器和一个减法运算器，所述两个乘法器用于分别对所述N次谐波的电流值实部和所述N次谐波的电压值虚部进行乘法运算以及对所述N次谐波的电流值虚部和所述N次谐波的电压值实部进行乘法运算，并将乘法运算结果传输至所述减法运算器进行减法运算，以得到N次谐波的有功功率；
其中N为正整数。
5.如权利要求4所述的电能计量芯片，其特征在于，所述电流有效值计算单元还包括N次谐波电流有效值校准单元，用于对N次谐波电流有效值的计算误差进行校准；
所述电压有效值计算单元还包括N次谐波电压有效值校准单元，用于对N次谐波电压有效值的计算误差进行校准；
所述有功功率计算单元还包括N次谐波有功功率校准单元，用于对N次谐波有功功率的计算误差进行校准；
所述无功功率计算单元还包括N次谐波无功功率校准单元，用于对N次谐波无功功率的计算进行校准；和/或；
所述电流有效值计算单元用于计算得到基波电流有效值和全波电流有效值；
所述电压有效值计算单元用于计算得到基波电压有效值和全波电压有效值；
所述有功功率计算单元用于计算得到基波有功功率和全波有功功率；
所述无功功率计算单元用于计算得到基波无功功率和全波无功功率。
6.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述视在功率计算模块包括乘法运算器，用于对所述电流有效值和所述电压有效值进行乘法运算，以得到所述视在功率。
7.如权利要求6所述的电能计量芯片，其特征在于，所述视在功率计算模块还包括视在功率校准单元，用于对视在功率的计算误差进行校准；和/或，
所述视在功率计算模块用于计算得到基波视在功率和全波视在功率。
8.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述功率因子计算模块包括除法运算器，用于对所述有功功率和所述视在功率进行除法运算，以得到所述功率因子；
所述功率因子计算模块用于计算得到基波功率因子和全波功率因子。
9.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述能量计算模块包括第一积分运算器、第二积分运算器以及第三积分运算器；
所述第一积分运算器用于对所述有功功率进行积分运算，以得到所述有功能量；
所述第二积分运算器用于对所述无功功率进行积分运算，以得到所述无功能量；
所述第三积分运算器用于对所述视在功率进行积分运算，以得到所述视在能量；
所述第一积分运算器用于计算得到基波有功能量和全波有功能量，所述第二积分运算器用于计算得到基波无功能量和全波无功能量，所述第三积分运算器用于计算得到基波视在能量和全波视在能量。
10.如权利要求1所述的电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片为单相电能计量芯片或三相电能计量芯片。
11.一种电能表，其特征在于，其包括如权利要求1-10中任意一项所述的电能计量芯片。
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