一種電能計(jì)量芯片中的閃變檢測(cè)電路及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨工業(yè)快速發(fā)展，沖擊性功率的電力負(fù)荷設(shè)備大量增加，引起電網(wǎng)供電系統(tǒng)電 壓波動(dòng)與閃變，對(duì)敏感電氣設(shè)備產(chǎn)生影響。國際電工委員會(huì)IEC將電壓波動(dòng)和閃變正式列 為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于與歐洲電力系統(tǒng)等級(jí)最為接近，中國參照IEC61000-4-15 規(guī)范，制訂了電壓波動(dòng)閃變標(biāo)準(zhǔn)GB/T12326-2008和閃變儀功能設(shè)計(jì)及測(cè)試規(guī)范GB/ T17626. 15-2011。
[0003] 目前關(guān)于電壓閃變的分析方法及實(shí)現(xiàn)的研究，大致可分成模擬和數(shù)字兩類。模擬 設(shè)計(jì)W硬件為主體，修改、升級(jí)不便，儀器較為昂貴。數(shù)字實(shí)現(xiàn)通過A/D采樣，之后應(yīng)用微型 計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理，如虛擬儀器。該種軟件為主體的實(shí)現(xiàn)方法靈活，但計(jì)算量大、對(duì) 處理器性能要求較高。隨著集成電路設(shè)計(jì)及制造工藝水平的提高，基于專用硬件數(shù)字電路 ASIC來實(shí)現(xiàn)數(shù)字閃變儀成為設(shè)計(jì)研究的新熱點(diǎn)。而巧片面積則隨著工藝的提升迅速縮小， 使得閃變電路集成在諸如智能計(jì)量巧片等專用巧片中成為可能，該將使得閃變的測(cè)量變得 更加簡(jiǎn)單、容易，測(cè)量成本大大降低。閃變功能的集成無疑會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)量巧片在電能質(zhì) 量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的作用，提升廠商產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，也對(duì)計(jì)量巧片的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了在計(jì)量巧片中有效的實(shí)現(xiàn)閃變檢測(cè)功能，本發(fā)明W IEC閃變儀規(guī)范為基礎(chǔ)， 提供一種電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路及檢測(cè)方法，降低了閃變檢測(cè)的電路資源開銷和 功耗。
[0005] 本發(fā)明提供一種電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路，包括相互連接的輸入轉(zhuǎn)換模塊 和處理模塊，所述輸入轉(zhuǎn)換模塊用于接受差分輸入的模擬電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字信 號(hào)輸出至所述處理模塊，所述處理模塊用于實(shí)現(xiàn)閃變視感度的檢測(cè)，并輸出瞬時(shí)閃變視感 度數(shù)值。
[0006] 具體的，所述輸出轉(zhuǎn)換模塊包括順次連接的增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述增益 放大器用于將所輸入的信號(hào)縮放至一個(gè)合適所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作的線性區(qū)間，所述模數(shù)轉(zhuǎn) 換器用于將所輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為所述第一數(shù)字信號(hào)并輸出至所述處理模塊。
[0007] 具體的，所述處理模塊包括：
[000引電壓波形采樣模塊，所述電壓波形采樣模塊與所述輸入轉(zhuǎn)換模塊相連接，用于接 受所述第一數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生并輸出第二數(shù)字信號(hào)；
[0009] 有效值計(jì)算模塊，與所述電壓波形采樣模塊相連接，用于接受所述第二數(shù)字信號(hào)， 計(jì)算并輸出所述第二數(shù)字信號(hào)的有效值；
[0010] 視感度檢測(cè)模塊，與所述電壓波形采樣模塊和所述有效值計(jì)算模塊相連接，用于 對(duì)所輸入第二數(shù)字信號(hào)的閃變視感度進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生并輸出瞬時(shí)閃變視感度數(shù)值；
[0011] 數(shù)字時(shí)鐘分頻模塊，分別與所述電壓波形采樣模塊、所述有效值計(jì)算模塊、W及所 述視感度檢測(cè)電路相連接，用于提供數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)。
[0012] 電路配置模塊：分別與所述輸入轉(zhuǎn)換模塊、所述電壓波形采樣模塊、所述有效值計(jì) 算模塊、W及所述視感度測(cè)量模塊相連接，用于存儲(chǔ)并提供配置參數(shù)。
[0013] 具體的，所述電壓波形采樣模塊包括順次連接的降采樣濾波器，直流隔離電路和 數(shù)字增益調(diào)整電路；
[0014] 所述降采樣濾波器用于接受所述第一數(shù)字信號(hào)，并將所述第一數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為定 點(diǎn)格式的數(shù)字序列；
[0015] 所述直流隔離電路用于接受所述數(shù)字序列并濾除其中的直流分量；
[0016] 所述數(shù)字增益調(diào)整電路用于調(diào)整并輸出所述第二數(shù)字信號(hào)。
[0017] 具體的，所述有效值計(jì)算模塊包括順次連接的乘法器、積分器、開平方運(yùn)算電路、 平均值計(jì)算電路W及平滑濾波器，用于使所述第二數(shù)字信號(hào)經(jīng)過平方運(yùn)算、積分運(yùn)算、開平 方運(yùn)算、平均值運(yùn)算后通過所述平滑濾波器輸出所述有效值。
[0018] 具體的，所述視感度檢測(cè)模塊包括；輸入適配電路、平方解調(diào)器、高通低通濾波器、 頻率加權(quán)濾波器W及平方和積分濾波器電路、輔助優(yōu)化電路，接受第二數(shù)字信號(hào)輸入，輸出 瞬時(shí)閃變視感度數(shù)值。
[0019] 優(yōu)選的，所述輸入適配電路包括采樣速率適配電路、有效值歸一化電路和數(shù)字增 益設(shè)置電路；
[0020] 所述采樣速率適配電路，根據(jù)輸入帶寬和閃變敏感頻率范圍調(diào)整閃變檢測(cè)電路的 采樣頻率，采用兩級(jí)抽取的方式來降低采樣率，包括第一下抽取模塊和第二下抽取模塊；
[0021] 所述有效值歸一化電路，使用有效值計(jì)算電路輸出的有效值作為歸一化除數(shù)因 子，將不同幅值的電壓波形調(diào)整到一個(gè)統(tǒng)一到參考水平；
[0022] 所述數(shù)字增益調(diào)整電路，通過設(shè)置數(shù)字增益寄存器對(duì)輸入信號(hào)縮小適當(dāng)?shù)谋壤?避免電壓波動(dòng)過大導(dǎo)致后續(xù)定點(diǎn)電路運(yùn)算中出現(xiàn)溢出，并在閃變視感度檢測(cè)結(jié)果輸出之 前，自動(dòng)執(zhí)行放大恢復(fù)功能。
[0023] 優(yōu)選的，所述輔助優(yōu)化電路包括直流偏置加速電路、視感度系數(shù)歸一化電路和視 感度增益補(bǔ)償電路；
[0024] 所述直流偏置加速電路，在平方解調(diào)器的輸出信號(hào)上自適應(yīng)減去一個(gè)直流偏置分 量，用于消除平方解調(diào)器的輸出信號(hào)中包含的直流分量，加速其后連接的高通濾波器的收 斂速度；
[0025] 所述視感度系數(shù)歸一化電路，在加權(quán)濾波器之前針對(duì)檢測(cè)出波動(dòng)電壓的系數(shù)進(jìn)行 歸一化，使輸出符合IEC定義的1覺察單位視感度輸出的相對(duì)電壓波動(dòng)幅度要求；
[0026] 所述視感度增益補(bǔ)償電路，使用根據(jù)實(shí)際情況校準(zhǔn)得到的補(bǔ)償數(shù)值設(shè)置寄存器， 在瞬時(shí)閃變視感度輸出之前，補(bǔ)償視感度檢測(cè)電路的濾波器增益衰減。
[0027] 本發(fā)明還設(shè)及一種電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)方法，基于如權(quán)利要求6所述的電 能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路，包括W下步驟：
[002引模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟：所述輸入轉(zhuǎn)換模塊將所接受的差分輸入模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一 數(shù)字信號(hào)，并輸入至所述處理模塊；
[0029]電壓波形采樣步驟；所述電壓波形采樣模塊接受所述第一數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生并輸出 第二數(shù)字信號(hào)；
[0030] 有效值計(jì)算步驟：所述有效值計(jì)算模塊接受所述第二數(shù)字信號(hào)，并對(duì)所述第二數(shù) 字信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算，產(chǎn)生并輸出有效值；
[0031] 視感度檢測(cè)步驟：所述視感度檢測(cè)模塊接受所述有效值W及所述第二數(shù)字信號(hào)， 產(chǎn)生并輸出瞬時(shí)閃變視感度數(shù)值；
[0032] 其中所述有效值計(jì)算步驟包括；對(duì)所輸入的所述第二數(shù)字信號(hào)依次進(jìn)行平方運(yùn) 算、積分運(yùn)算、開平方運(yùn)算、平均值運(yùn)算后通過所述平滑濾波器輸出所述有效值。
[0033] 具體的，所述視感度檢測(cè)步驟包括：
[0034] 采樣速率適配步驟，該步驟采用兩級(jí)抽取的方式來降低采樣率，具體的包括輸入 第二數(shù)字信號(hào)首先經(jīng)過第一下抽取模塊實(shí)現(xiàn)一級(jí)抽取，抽取采樣率率滿足IEC輸入信號(hào)帶 寬要求，其后，低通濾波信號(hào)經(jīng)第二下抽取模塊實(shí)現(xiàn)二級(jí)抽取，采樣率降低符合閃變頻率上 限要求；
[0035] 有效值歸一化步驟，使用有效值計(jì)算電路輸出的有效值作為歸一化除數(shù)因子，將 不同幅值的第二數(shù)字信號(hào)調(diào)整到一個(gè)統(tǒng)一到參考水平；
[0036] 數(shù)字增益調(diào)整步驟，具體的將增益調(diào)整比例分級(jí)，通過設(shè)置數(shù)字增益寄存器選擇 適當(dāng)比例，對(duì)輸入信號(hào)縮小，避免電壓波動(dòng)過大導(dǎo)致后續(xù)定點(diǎn)電路運(yùn)算中出現(xiàn)溢出，并在閃 變視感度檢測(cè)結(jié)果輸出之前，自動(dòng)執(zhí)行放大恢復(fù)功能；
[0037] 直流偏置加速步驟，該步驟用于消除平方解調(diào)器輸出信號(hào)中包含的直流分量，力口 速其后連接的高通濾波器的收斂速度，具體的在平方解調(diào)器輸出信號(hào)中自適應(yīng)的減去一個(gè) 直流偏置分量；
[003引視感度系數(shù)歸一化步驟，該步驟用于對(duì)所測(cè)得的視感度系數(shù)歸一化處理并輸出， 具體的在頻率加權(quán)濾波器之前的低通濾波器的輸出信號(hào)上除W-個(gè)恒定的歸一化系數(shù)；
[0039] 視感度增益補(bǔ)償步驟，該步驟用于在瞬時(shí)閃變視感度輸出之前，補(bǔ)償視感度檢測(cè) 電路的濾波器增益衰減，具體的在平滑低通濾波器輸出的瞬時(shí)閃變視感度信號(hào)上除W-個(gè) 恒定的數(shù)值，該數(shù)值通過寄存器設(shè)置。
[0040] 利用本發(fā)明的電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路及檢測(cè)方法能夠在滿足IEC基本 要求同時(shí)，降低了閃變檢測(cè)的電路資源開銷和功耗，降低閃變檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)成本。
【附圖說明】
[0041] 圖1是本發(fā)明的電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0042] 圖2是電壓波形采樣模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0043] 圖3是有效值計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0044] 圖4是視感度檢測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0045] 圖5是IEC視感度頻率特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0046] W下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路及方法進(jìn)行詳細(xì)的說 明。圖1是本發(fā)明的電能計(jì)量巧片中的閃變檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，本實(shí)施例中， 輸入轉(zhuǎn)換模塊1用于接受差分輸入的電壓信號(hào)VP和VN，經(jīng)過增益放大器11將輸入的信號(hào) 縮放至一個(gè)合適模數(shù)轉(zhuǎn)換器12工作的線性區(qū)間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12用于將所輸入的模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)化為第一數(shù)字信號(hào)并輸出至處理模塊2中。
[0047] 電壓波形采樣模塊21與模數(shù)轉(zhuǎn)換器12相連接，用于接受第一數(shù)字信號(hào)輸出第二 數(shù)字信號(hào)，具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括順次連接的降采樣濾波器211，直流隔離電路212和 數(shù)字增益調(diào)整電路213,本實(shí)施例中，降采樣濾波器211選用梳狀濾波器SINC，用于將第一 直流信號(hào)進(jìn)行位寬調(diào)整，滿足檢測(cè)精度的要求，直流隔離電路212在本實(shí)施例中采用高通 濾波器HPF，用于過濾所接收信號(hào)中的直流分量，經(jīng)過數(shù)字增益調(diào)整電路213進(jìn)行增益和偏 置補(bǔ)償后，輸出第二數(shù)字信號(hào)。
[0048] 有效值計(jì)算模塊22與電壓波形采樣模塊21相連接，用于計(jì)算第二數(shù)字信號(hào)的有 效值，具體的，參見圖3所示，由順次連接的乘法器221，