這是電表芯片中的一種特殊計量設計，在智能電表中，計量部分的電路通常采用分流器作為電流采樣，但是由于運輸或其它外力左右，給分流器供電的線路有可能意外斷開。提供了一種設計方案，旨在解決當分流器的供電線發生意外斷開時，電表仍能準確計量。

1 引言

電能表是測量電能的儀表，其計量原理是：通過對用戶用電線上電流、電壓的采樣，然后通過和時間乘積，從而得出某戶電能的使用量。而在電流采樣中，采用分流器是電子式電能表上最為常用采樣的方式，幾乎涵蓋了國內所有的戶用電子式電能表[1]。

圖 1 給出的是采用分流器作為電流采樣的電能表的局部電路[2]，在正常的使用中，供電線連接市電中L、N連接至變壓器，從而給整個電表供電，計量芯片的地、變壓器的 a、分流器的 b 與火線是同電位，即火地。電流采樣元件為分流器，分流器有 3 根引線，分別為供電線、采樣線+、采樣線-。供電線與分流器 b 端相連，并連接市電火線 L，采樣線+ 與分流器 n 端相連，采樣線與分流器 m 端相連，m 點和 n 點是有一定電阻的，一般為 200～３00 μΩ之間的一個確定分流器阻值。圖 1 中兩個電阻 R1、R2 與他們相連的電容 C1、C2 分別構成RC 濾波電路（電阻阻值相同，一般為 1 kΩ左右）。

當用戶用電時，電流通過分流器的 m、n 兩點，由于當電流通過時，則會在 ｍ 和 ｎ 點產生一定電壓差，通過對 ｍ 和 ｎ 之間的電壓差數值的采樣，即求得通過此處電流的大小，這就是電能表中，對電流采樣的方法。當對電流采樣后，將信號傳入計量芯片內，計量芯片再乘以采樣的電壓值和時間，即可完成對電能量的計算。

2 計量電路中分流器供電線斷開引發的計量問題

在實際的生產、運輸過程中，由于焊接、環境應力的改變，在分流器的供電線上ａｂ兩點之間會發生斷開的情況，如圖 2 所示。這種情況雖然并不常見，然而一旦斷開，會導致整個電表的供電回路發生變化，供電電流從變壓器、電流采樣部分及電流采樣輸入管腳流過，在電流采樣輸入端產生約1到幾伏的共模電壓(與交流供電電流、R1 阻值、芯片內部電路等有關)，而現有的電能計量芯片都沒有共模電壓輸入抑制電路，現有電表一般都會出現飛走現象（國內、國外采用現有的各種不同品牌型號計量芯片的單相電表），在電力結算部門與電力用戶間產生很大的糾紛，對電力結算部門和電表制造企業造成極大負面的影響。

經實際測試，采用現有的銳能微、炬泉光電、貝嶺及 ADI 公司的單相計量芯片的電表，普遍都具有這個問題。即使有的電表在此故障下未出現飛走現象，也是因為在電表軟件中對于此故障時測量到異常的大電流（如量程 60 A 的電表測量到 100 A 以上電流）進行軟件處理，屏蔽了計量輸出，這樣處理的結果只有在電表無負載時是正確的，而帶載時該計量的電能被少計。

3 帶檢測功能的電流采樣電路方案

3.1 帶檢測功能的電流采樣電路設計

圖 3 的設計方式，實際上是在圖 1 的基礎上增加故障檢測電路和故障處理電路。故障檢測電路由故障檢測電阻 R2+、R2-，以及加在計量芯片內部（外部也可以）的故障電壓測量電路組成。R2- 接在采樣線- 和 AGND 間，R2+ 接在采樣線+和 AGND 間，一般用同樣的阻值，故障電壓測量電路與上圖中 c 端相連。

電阻 R1+、R1- 和 k1、k2 及其控制部分組成故障處理電路。正常時不起作用，在出現斷供電線故障后啟動工作。

電阻 R1- 一端連接采樣線-，另一端接 MOS 開關 K1 的漏極，K1 的源級接 AGND，電阻 R1+ 一端連接采樣線+，另一端接 MOS 開關 K2 的漏極，K2 的源級接 AGND，K1、K2 的柵極接在一起由主控 MCU 控制。R1-、R1+ 一般也用同樣的阻值，可以減少采樣線+ 和采樣線- 本身的壓降不同對計量的影響。

R2+ 和 R2- 的值一般取分流器電阻值的十萬倍以上，以避免對經過分流器的負載電流產生分流。按分流器 300μΩ計算，R2+ 和 R2- 應該在 30Ω以上。

單相電表正常工作時的視在功耗一般在 0.6 VA 至 10 VA（標準上限）之間，根據功耗可以計算出故障發生后流過 R2+ 和 R2- 的電流（視在功耗/2R2-），c 端電壓幾十 mV 以上，造成計量誤差超過標準幾倍以上。為保證計量精度符合標準，需要啟動正常時不工作的故障處理電路。

R1+、R1- 阻值需要小于 R2+ 和 R2- 阻值的十分之一。當 K1、K2 導通后，相當于 R1- 與 R2- 并聯，R1+ 與 R2+ 并聯，選取合適的 R1+、R1- 阻值，可以使 c 端電壓在計量芯片允許的共模輸入電壓范圍內，使故障發生后的計量精度達到一級表允許的 1% 誤差以下。

3.2 故障檢測方法

出現故障后，供電線斷開時，相當于 a、b 間斷開，外部輸入交流電（在 L、N 間）通過變壓器及R2+、 R2- 供電，使用電壓采樣電路（電路 C）檢測 R2- 上的電壓 VR2rms，當 VR2rms＞＞閾值 Verr（幾個 mV）時，且持續時間大于 N1（至少 2）個工頻周期以上，判別為斷火線故障。

在判斷到故障發生后，通過 MCU 或者計量芯片的控制口打開 MOS 開關 K1 和 K2，使交流供電電流通過 R1+、R1-，VR2rms 電壓降低，共模輸入電壓在計量芯片允許的輸入范圍內，對計量部分誤差影響大幅下降。選擇合適的 R1+、R1- 阻值，可以使計量誤差在允許的范圍內（一般要求為 1% 以下）。

如果需要在此故障發生后達到更高的計量精度，還可以做軟件補償，即對計量芯片的電流通道增益或者功率偏置寄存器寫一個補償值。

如果 R1+、R1- 阻值較小，導致負載電流被分流，則需要調整計量芯片電流通道增益，將故障后額定電壓、額定電流時誤差調整到 0.1% 以下；如果原來在額定電壓、額定電流下誤差是 0，而在故障發生且啟動故障處理電路后誤差 ERR 為 -0.4%，則可以計算出補償系數為 -ERR/(1+ERR)=0.004，電流通道增益為：0.004×2N，計量芯片為 RN8209，N=15（不同計量芯片電流通道增益寄存器位數不同，N 取值不同），計算后為 0X83。如果電流通道增益原來為 0，則只需要將 0X83 寫入 RN8209 計量芯片的電流通道增益寄存器。

如果 R1+、R1- 阻值稍大，負載電流被分流可以忽略，則需要補償的為小負載電流時誤差，一般調整功率偏置寄存器。將正常工作狀態的已經校準過的電表置于故障狀態，清除潛動閾值，在只加額定電壓不加電流的情況下，讀取計量單元測量到的有功功率值 P0，將 P0 轉換成功率偏置寄存器值 Pr0，將 Pr0 與正常工作情況時的功率偏置寄存器 Poffset1 相加得到故障發生后的 Poffset2，并將其寫入計量芯片的功率偏置寄存器。

3.3 故障恢復檢測

檢測 VR2rms 電壓，當持續 100 ms 以上時間小于故障恢復閾值 Vnor（可根據實際情況設置）時，判斷為故障恢復，斷開開關 K1，恢復電流通道增益或將功率偏置寄存器值恢復為正常值 Poffset1。

3.4 電阻 R1 和 R2 的阻值選擇

根據整表的功率范圍可以計算出斷供電線后流過電阻 R2+、R2-、R1+、R1- 的電流。再根據計量允許的采樣電壓輸入范圍，可以得到 R2+、R2- 的最大允許值，一般計量芯片允許輸入電壓 660 mV 到 1 V 左右，得到 R2+、R2- 允許值為 30～100Ω左右。根據誤差不能超過 1%，可以得到 R1+、R1- 的值為幾歐。

4 設計變化

實施例中電表計量芯片采用銳能微的 RN8209，在使用常規電路時，AC 220 V 供電時交流供電電流約 5 mA。斷開供電線，電表處于故障狀態，不加負載時電表測量到負載電流 100 A 以上，電表飛走。

（1）將 R2+、R2- 為100Ω，R1+、R1- 為 2.4Ω，及 R2- 上電壓測量電路和 MOS 管及控制電路加到電表上后,測量到 VR2rms 為 250 mV（100×5/2）左右,可以確定電表處于斷供電線狀態；在 220 V 5 A 時電表誤差約為 -4% 左右。

（2）通過主控 MCU 控制 MOS 管導通，使 R1+、R1- 加入供電電路，在未放大時測量到 VR2rms 接近 6 mV 左右。用標準表測量電表誤差，數據見表 1，各點誤差都符合 1 級表要求。

（3）根據 5A 時誤差 -0.43%，計算電流通道增益補償值，再調整計量芯片電流通道增益寄存器，重新測量電表誤差，數據見表 2。

5 結語

本文給出了一種電能表中分流器供電線斷開后電能表仍能準確計量的方法，并論證了其設計的合理性，給出了改進后的測量結果。結果表明，通過這樣的設計改進，提出了一種電表計量出現巨大誤差時排查的思路，同時增強電表設計的可靠性，對于智能電表設計極具現實意義。