一种电能计量芯片中的闪变检测电路及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电能计量巧片中的闪变检测电路及检测方法。
【背景技术】
[0002] 伴随工业快速发展，冲击性功率的电力负荷设备大量增加，引起电网供电系统电 压波动与闪变，对敏感电气设备产生影响。国际电工委员会IEC将电压波动和闪变正式列 为衡量电能质量的重要指标。由于与欧洲电力系统等级最为接近，中国参照IEC61000-4-15 规范，制订了电压波动闪变标准GB/T12326-2008和闪变仪功能设计及测试规范GB/ T17626. 15-2011。
[0003] 目前关于电压闪变的分析方法及实现的研究，大致可分成模拟和数字两类。模拟 设计W硬件为主体，修改、升级不便，仪器较为昂贵。数字实现通过A/D采样，之后应用微型 计算机进行各种数字处理，如虚拟仪器。该种软件为主体的实现方法灵活，但计算量大、对 处理器性能要求较高。随着集成电路设计及制造工艺水平的提高，基于专用硬件数字电路 ASIC来实现数字闪变仪成为设计研究的新热点。而巧片面积则随着工艺的提升迅速缩小， 使得闪变电路集成在诸如智能计量巧片等专用巧片中成为可能，该将使得闪变的测量变得 更加简单、容易，测量成本大大降低。闪变功能的集成无疑会进一步加强计量巧片在电能质 量监测领域的作用，提升厂商产品竞争力，也对计量巧片的设计提出了新的要求。
【发明内容】
[0004] 为了在计量巧片中有效的实现闪变检测功能，本发明W IEC闪变仪规范为基础， 提供一种电能计量巧片中的闪变检测电路及检测方法，降低了闪变检测的电路资源开销和 功耗。
[0005] 本发明提供一种电能计量巧片中的闪变检测电路，包括相互连接的输入转换模块 和处理模块，所述输入转换模块用于接受差分输入的模拟电压信号，并转换为第一数字信 号输出至所述处理模块，所述处理模块用于实现闪变视感度的检测，并输出瞬时闪变视感 度数值。
[0006] 具体的，所述输出转换模块包括顺次连接的增益放大器和模数转换器，所述增益 放大器用于将所输入的信号缩放至一个合适所述模数转换器工作的线性区间，所述模数转 换器用于将所输入的模拟信号转化为所述第一数字信号并输出至所述处理模块。
[0007] 具体的，所述处理模块包括：
[000引电压波形采样模块，所述电压波形采样模块与所述输入转换模块相连接，用于接 受所述第一数字信号，产生并输出第二数字信号；
[0009] 有效值计算模块，与所述电压波形采样模块相连接，用于接受所述第二数字信号， 计算并输出所述第二数字信号的有效值；
[0010] 视感度检测模块，与所述电压波形采样模块和所述有效值计算模块相连接，用于 对所输入第二数字信号的闪变视感度进行检测，产生并输出瞬时闪变视感度数值；
[0011] 数字时钟分频模块，分别与所述电压波形采样模块、所述有效值计算模块、W及所 述视感度检测电路相连接，用于提供数字时钟信号。
[0012] 电路配置模块：分别与所述输入转换模块、所述电压波形采样模块、所述有效值计 算模块、W及所述视感度测量模块相连接，用于存储并提供配置参数。
[0013] 具体的，所述电压波形采样模块包括顺次连接的降采样滤波器，直流隔离电路和 数字增益调整电路；
[0014] 所述降采样滤波器用于接受所述第一数字信号，并将所述第一数字信号恢复为定 点格式的数字序列；
[0015] 所述直流隔离电路用于接受所述数字序列并滤除其中的直流分量；
[0016] 所述数字增益调整电路用于调整并输出所述第二数字信号。
[0017] 具体的，所述有效值计算模块包括顺次连接的乘法器、积分器、开平方运算电路、 平均值计算电路W及平滑滤波器，用于使所述第二数字信号经过平方运算、积分运算、开平 方运算、平均值运算后通过所述平滑滤波器输出所述有效值。
[0018] 具体的，所述视感度检测模块包括；输入适配电路、平方解调器、高通低通滤波器、 频率加权滤波器W及平方和积分滤波器电路、辅助优化电路，接受第二数字信号输入，输出 瞬时闪变视感度数值。
[0019] 优选的，所述输入适配电路包括采样速率适配电路、有效值归一化电路和数字增 益设置电路；
[0020] 所述采样速率适配电路，根据输入带宽和闪变敏感频率范围调整闪变检测电路的 采样频率，采用两级抽取的方式来降低采样率，包括第一下抽取模块和第二下抽取模块；
[0021] 所述有效值归一化电路，使用有效值计算电路输出的有效值作为归一化除数因 子，将不同幅值的电压波形调整到一个统一到参考水平；
[0022] 所述数字增益调整电路，通过设置数字增益寄存器对输入信号缩小适当的比例， 避免电压波动过大导致后续定点电路运算中出现溢出，并在闪变视感度检测结果输出之 前，自动执行放大恢复功能。
[0023] 优选的，所述辅助优化电路包括直流偏置加速电路、视感度系数归一化电路和视 感度增益补偿电路；
[0024] 所述直流偏置加速电路，在平方解调器的输出信号上自适应减去一个直流偏置分 量，用于消除平方解调器的输出信号中包含的直流分量，加速其后连接的高通滤波器的收 敛速度；
[0025] 所述视感度系数归一化电路，在加权滤波器之前针对检测出波动电压的系数进行 归一化，使输出符合IEC定义的1觉察单位视感度输出的相对电压波动幅度要求；
[0026] 所述视感度增益补偿电路，使用根据实际情况校准得到的补偿数值设置寄存器， 在瞬时闪变视感度输出之前，补偿视感度检测电路的滤波器增益衰减。
[0027] 本发明还设及一种电能计量巧片中的闪变检测方法，基于如权利要求6所述的电 能计量巧片中的闪变检测电路，包括W下步骤：
[002引模数转换步骤：所述输入转换模块将所接受的差分输入模拟电压信号转换为第一 数字信号，并输入至所述处理模块；
[0029]电压波形采样步骤；所述电压波形采样模块接受所述第一数字信号，产生并输出 第二数字信号；
[0030] 有效值计算步骤：所述有效值计算模块接受所述第二数字信号，并对所述第二数 字信号进行有效值计算，产生并输出有效值；
[0031] 视感度检测步骤：所述视感度检测模块接受所述有效值W及所述第二数字信号， 产生并输出瞬时闪变视感度数值；
[0032] 其中所述有效值计算步骤包括；对所输入的所述第二数字信号依次进行平方运 算、积分运算、开平方运算、平均值运算后通过所述平滑滤波器输出所述有效值。
[0033] 具体的，所述视感度检测步骤包括：
[0034] 采样速率适配步骤，该步骤采用两级抽取的方式来降低采样率，具体的包括输入 第二数字信号首先经过第一下抽取模块实现一级抽取，抽取采样率率满足IEC输入信号带 宽要求，其后，低通滤波信号经第二下抽取模块实现二级抽取，采样率降低符合闪变频率上 限要求；
[0035] 有效值归一化步骤，使用有效值计算电路输出的有效值作为归一化除数因子，将 不同幅值的第二数字信号调整到一个统一到参考水平；
[0036] 数字增益调整步骤，具体的将增益调整比例分级，通过设置数字增益寄存器选择 适当比例，对输入信号缩小，避免电压波动过大导致后续定点电路运算中出现溢出，并在闪 变视感度检测结果输出之前，自动执行放大恢复功能；
[0037] 直流偏置加速步骤，该步骤用于消除平方解调器输出信号中包含的直流分量，力口 速其后连接的高通滤波器的收敛速度，具体的在平方解调器输出信号中自适应的减去一个 直流偏置分量；
[003引视感度系数归一化步骤，该步骤用于对所测得的视感度系数归一化处理并输出， 具体的在频率加权滤波器之前的低通滤波器的输出信号上除W-个恒定的归一化系数；
[0039] 视感度增益补偿步骤，该步骤用于在瞬时闪变视感度输出之前，补偿视感度检测 电路的滤波器增益衰减，具体的在平滑低通滤波器输出的瞬时闪变视感度信号上除W-个 恒定的数值，该数值通过寄存器设置。
[0040] 利用本发明的电能计量巧片中的闪变检测电路及检测方法能够在满足IEC基本 要求同时，降低了闪变检测的电路资源开销和功耗，降低闪变检测的实现成本。
【附图说明】
[0041] 图1是本发明的电能计量巧片中的闪变检测电路的结构图；
[0042] 图2是电压波形采样模块的结构图；
[0043] 图3是有效值计算模块的结构图；
[0044] 图4是视感度检测模块的结构图；
[0045] 图5是IEC视感度频率特性曲线。
【具体实施方式】
[0046] W下结合附图，对本发明的电能计量巧片中的闪变检测电路及方法进行详细的说 明。图1是本发明的电能计量巧片中的闪变检测电路的结构图，如图1所示，本实施例中， 输入转换模块1用于接受差分输入的电压信号VP和VN，经过增益放大器11将输入的信号 缩放至一个合适模数转换器12工作的线性区间，模数转换器12用于将所输入的模拟信号 转化为第一数字信号并输出至处理模块2中。
[0047] 电压波形采样模块21与模数转换器12相连接，用于接受第一数字信号输出第二 数字信号，具体的结构如图2所示，包括顺次连接的降采样滤波器211，直流隔离电路212和 数字增益调整电路213,本实施例中，降采样滤波器211选用梳状滤波器SINC，用于将第一 直流信号进行位宽调整，满足检测精度的要求，直流隔离电路212在本实施例中采用高通 滤波器HPF，用于过滤所接收信号中的直流分量，经过数字增益调整电路213进行增益和偏 置补偿后，输出第二数字信号。
[0048] 有效值计算模块22与电压波形采样模块21相连接，用于计算第二数字信号的有 效值，具体的，参见图3所示，由顺次连接的乘法器221，