一种检测电路和基于此电路的电能计量芯片及设备的制作方法

本申请涉及电能计量技术领域，特别涉及一种检测电路和基于此电路的电能计量芯片及设备。

背景技术：

在智能电能表在电能测量中，一般都将电网电流、电压信号经过电能表、传感器和采样网络转换为满足adc(analogtodigitalconverter，模数转换芯片)的输入电压安全范围的电压信号，adc转换后的数字信号再输入到数字处理单元，进行功率计算及计量。

在供电系统中，电能计量装置的准确与否，直接关系到供用电双方的经济利益,虽然电能计量设备在出厂前均会经过更高精度等级的标准表进行校准来电能计量设备标准规定的准确度等级，但是电能计量设备现场安装后，由于外界环境变化、元器件老化失效等诸多原因会造成电能计量设备产生计量误差。电能计量设备在现场是否会产生计量误差，是否可以采取措施来降低计量误差，计量电路故障是否能及时发现，是供用电双方重点关心的问题。

目前，电能表的管理人员在电能表挂网后整个生命周期管理过程中，都采用定期离线抽检电能表误差的方法，无法实时在线监测及时地发现每一块挂网电能计量设备精度变化，并自诊断电能计量电路故障，造成电能计费的误差，给供用电双方带来不必要的麻烦和损失。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种检测电路和基于此电路的电能计量芯片及设备，极大地降低了由于基准电流源频率发生变化或者采样信号中存在干扰信号而带来的计量误差，提高了计量精度和计量系统的可靠性。

为了解决上述问题，本申请公开了一种检测电路，包括：

输出第二频率交流信号的基准电流源；

与该基准电流源耦合的采样电路，该采样电路还与输出第一频率交流信号的第一信号源耦合，输出对该第一频率交流信号和该第二频率交流信号的混合信号的采样信号；

自适应滤波模块，包括自适应滤波器和减法器，该采样电路分别耦合到该自适应滤波器的输入端和该减法器的第一输入端，该自适应滤波器的输出端耦合到该减法器的第二输入端，该自适应滤波器用于对该采样信号进行滤波得到该第一频率交流信号，该减法器用于将该第一输入端的采样信号和该第二输入端的第一频率交流信号相减后输出该第二频率交流信号；

信号处理模块，与该自适应滤波模块耦合，用于对该自适应滤波模块输出的第二频率交流信号进行信号处理。

在一个优选例中，该自适应滤波器使用前需要计算并固定该自适应滤波器的各阶参数，该各阶参数是基于最速下降法确定的。

在一个优选例中，该各阶参数是基于最小均方法确定的，依据一种fir滤波器各阶参数的迭代公式，通过多次迭代使该加法器的输出的均方期望值趋于最小，从而得到该自适应滤波器的各阶参数。

在一个优选例中，还包括与该采样电路耦合的模数转换器，该模数转换器耦合到该自适应滤波模块。

在一个优选例中，还包括与该模数转换器的两个输入端耦合的第一检测模块，该第一检测模块耦合到该信号处理模块，该第一检测器用于检测该模数转换器的第一输入端和第二输入端的信号中是否存在异常的交流信号。

在一个优选例中，还包括：

输入端与该采样电路耦合的rc滤波器，该rc滤波器的输出端耦合到该模数转换器的输入端；

与该采样电路两端耦合的第一阻抗元件。

在一个优选例中，还包括：

第二检测模块，其中输入端与该基准电流源耦合，输出端耦合到该信号处理模块，用于检测该基准电流源是否发生开路故障，并反馈给信号处理模块；

第二阻抗元件，其中一端与该基准电流源耦合，另一端耦合到地。

在一个优选例中，该采样电路使用锰铜或者电流互感器进行采样。

本申请还公开了一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括如前文描述的检测电路。

本申请还公开了一种电能计量设备，该电能计量设备包括前文描述的电能计量芯片。

本申请实施方式中，所述检测电路包括基准电流源、采样电路、自适应滤波模块、信号处理模块和断线工况检测电路及针对所述工况所采取的保护措施，此电路的优点具体如下：

一、采用自适应滤波器和减法器组成的自适应滤波模块：

(1)所述自适应滤波器使用前需要计算并固定该自适应滤波器的各阶参数，所述各阶参数是基于最速下降法确定的，进一步的，所述各阶参数是基于最小均方法确定的，依据一种fir滤波器各阶参数的迭代公式，通过多次迭代使所述加法器的输出的均方期望值趋于最小，从而得到所述自适应滤波器的各阶参数；

(2)自适应滤波器包括一个阶数可调的fir滤波器，当关闭目标信号且只有交流信号时，通过所述的自适应滤波算法来计算fir滤波器的各阶参数，使所述加法器的输出为零，固定滤波器的各阶参数；当打开目标信号且只有交流信号时(此时所有采样信号通过)，信号经过各阶参数固定的自适应滤波器后，通过减法器对“所有采样信号”和“除目标信号的采样信号”做减法后可以精确得到目标信号；

(3)所述的目标信号或者采样信号受到外部信号干扰或者自身发生变化时，自适应滤波算法可以重新计算自适应滤波器的最优参数，从而得到准确的目标信号；

因为此自适应滤波模块是通过滤除其他信号的方式物理分离出基准电流源，所以不会响应分离前后基准电流源的频率，所以基准电流源的频率的改变也不会造成计量误差；而如果采样信号中存在干扰信号，所述自适应滤波模块可以重新计算自适应滤波器的最优参数，使此干扰信号在自适应滤波器的滤波范围内，从而使得到的基准电流源的频率f1不会受到影响。

而且，采用上述自适应滤波模块极大地降低了检测电路由于基准电流源频率发生变化或者采样信号中存在干扰信号而带来的计量误差，提高了检测电路的测量精度和可靠性。

二、采样电路两端连接rc滤波器：

采样电路两端连接到rc滤波器，使采样信号在输入到自适应滤波器前先经过rc滤波器，所述rc滤波器采用差分的结构，能够有效抑制信号中的共模干扰，极大地降低了检测电路由于信号干扰带来的计量误差。

三、针对断线工况检测和采取的应急保护措施：

分别引入“基准电流源断线检测及保护措施”，“采样线断线检测及保护措施”，“火线断线检测及保护措施”，针对所述断线工况，设计了检测电路和保护电路，很大程度上增加检测电路所处的计量系统运行的可靠性和安全性。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是根据本申请第一实施方式的检测电路的电路框图

图2(a)是根据本申请第一实施方式的自适应滤波模块的原理框图

图2(b)是根据本申请第一实施方式的自适应滤波模块处于训练状态时的原理框图

图2(c)是根据本申请第一实施方式的自适应滤波模块处于工作状态时的原理框图

图3是根据本申请一种自适应滤波模块的原理框图

图4是根据本申请一种fir横向滤波器的参数固定算法原理框图

图5是根据本申请rc滤波器的一个实施例

图6是根据本申请一种典型的具有电流自校准功能的电流检测装置

图7是根据本申请一种具有电流自校准功能的电流检测装置一个实施例

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

部分概念的说明：

潜动：电能表在运行或校验时，常会出现只加电压而负载电流为零时，表盘仍然连续旋转的现象，这种现象称为电压潜动，简称为潜动。

最速下降法：又称为梯度法，它是解析法中最古老的一种，其他解析方法或是它的变形，或是受它的启发而得到的，因此它是最优化方法的基础。最速下降法正是n元函数的无约束非线性规划问题minf(x)的一种重要解析法，研究最速下降法原理及其算法实现对我们有着极其重要的意义。

最小均方算法：最小均方算法，简称lms算法，是一种最陡下降算法的改进算法，是在维纳滤波理论上运用速下降法后的优化延伸，该算法不需要已知输入信号和期望信号的统计特征，“当前时刻”的权系数是通过“上一时刻”权系数再加上一个负均方误差梯度的比例项求得。其具有计算复杂程度低、在信号为平稳信号的环境中收敛性好、其期望值无偏地收敛到维纳解和利用有限精度实现算法时的平稳性等特性，使lms算法成为自适应算法中稳定性最好、应用最广的算法。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请的第一实施方式涉及一种检测电路，该检测电路的电路框图如图1所示，该检测电路包括：(1)输出第二频率交流信号的基准电流源；(2)与该基准电流源耦合的采样电路，该采样电路还与输出第一频率交流信号的第一信号源耦合，该采样电路输出为该第一频率交流信号和该第二频率交流信号的混合信号的采样信号；(3)自适应滤波模块，包括自适应滤波器和减法器，该采样电路分别耦合到该自适应滤波器的输入端和该减法器的第一输入端，该自适应滤波器的输出端耦合到该减法器的第二输入端，该自适应滤波器用于对该采样信号进行滤波得到该第一频率交流信号，该减法器用于将该第一输入端的采样信号和该第二输入端的第一频率交流信号相减后输出该第二频率交流信号；(4)信号处理模块，该信号处理模块与自适应滤波模块耦合，该信号处理模块用于对该自适应滤波模块输出的第二频率交流信号进行信号处理。

可选地，如图2所示，自适应滤波模块包括自适应滤波器和减法器，该自适应滤波器使用前，需要计算并固定该自适应滤波器的各阶参数。

可选地，如图2所示，该自适应滤波模块包括两个工作状态：训练状态和工作状态；其中，训练状态用于对自适应滤波的参数计算和固定。

具体的，以第一信号源是电网为例，当自适应滤波模块处于训练状态时，该自适应滤波模块的连接方式为图2(b)所示，关闭目标信号，输入信号只加有50hz电网信号，通过对自适应滤波器的训练，使得自适应滤波模块的输出端为零；完成上述训练工作后，该自适应滤波模块即可正常工作(即处于工作状态)，其连接方式为图2(c)所示，输入信号为目标信号和50hz的电网信号的混合信号，此混合信号通过自适应滤波器滤除其他信号只保留与50hz电网相关的信号后输出到减法器的第二输入端，最终，减法器的第一输入端的混合信号减去所述第二输入端的信号即输出得到目标信号。

可选地，自适应滤波器的训练状态可以通过在目标信号输出端设置开关来控制。

可选地，自适应滤波器的各阶参数是基于最速下降法确定的。

可选地，自适应滤波器的各阶参数是基于最小均方法确定的。

可选地，如图3所示，此自适应滤波器是一个阶数可调fir滤波器，可以根据各阶参数的迭代公式，通过多次迭代使自适应滤波模块中减法器的输出的均方期望值趋于最小，从而得到该自适应滤波器的各阶参数。

本申请自适应滤波器各阶参数固定的一个实施方式为：将自适应滤波模块(包括减法器和自适应滤波器)与采样电路和基准电流源连接后，关闭基准电流源且只有交流信号，该交流信号通过该自适应滤波器，使所述加法器的输出为零，然后根据各阶参数的迭代公式，通过多次迭代使该加法器的输出的均方期望值趋于最小得到最优参数，然后固定滤波器的各阶参数。

本申请自适应滤波器的一个实施例是一个fir横向滤波器，图4为此fir横向滤波器的内部结构，其中，

权序列：h(k)＝[h1(k),h2(k),…,hm(k)]^t(1)

回归向量：x(k)＝[x(k),x(k-1),…,x(k-m+1)]^t(2)

根据式(1)和式(2)，该fir横向滤波器输出为：

需要了解的是，本申请中所述各阶参数的迭代公式是根据情况、通过算法模块来进行设定的。

可选地，本申请是通过信号处理模块对目标信号(如，基准电流源输出的第二频率信号)的信息(如，幅值、相位等)相对于预设标定值的变化情况来判断该检测电路的计量误差的大小。

可选地，本申请中采样信号受到外部信号干扰或者自身发生变化时，所述自适应滤波模块通过“训练”重新计算自适应滤波器的各阶参数，进而可以得到准确的目标信号。

可选地，本申请涉及的检测电路还包括与采样电路耦合的模数转换器，所述模数转换器耦合到该自适应滤波模块的输入端，该模数转换器对该采样电路输出的采样信号进行模数转换。

可选地，本申请涉及的检测电路还包括与模数转换器的两个输入端耦合的第一检测模块，该第一检测模块耦合到信号处理模块，该第一检测器用于检测模数转换器的第一输入端和第二输入端的信号中是否存在异常的交流信号(如，干扰信号)。

可选地，该第一检测模块进一步包括检测器和检测算法，为了防止因模数转换器的第一输入端和第二输入端存在干扰信号而导致误判，该检测算法可以可靠检测模数转换器的第一输入端和第二输入端上的异常交流信号来判别出此检测电路的火线是否真实断开，并反馈给信号处理模块进行处理或者信号处理模块通过与外部通信将此判别的结果传递给电表维护人员。

可选地，本申请涉及的检测电路还包括输入端与该采样电路耦合的rc滤波器，该rc滤波器的输出端耦合到该模数转换器的输入端，此rc滤波器能够有效抑制信号中的共模干扰，进而提高检测电路计量的准确性。

本申请中rc滤波器的一个实施例是由电阻器r1、电容器c1、电阻器r2、和电容器c2组成，如图5所示，采用对称差分的形式，能够有效抑制信号中的共模干扰。

可选地，本申请涉及的检测电路还包括与该采样电路两端耦合的第一阻抗元件，此第一阻抗元件可以在该检测电路的采样线断开或脱落时，将信号潜住，防止出现计量严重失真，多计电费的现象的发生。

可选地，本申请涉及的检测电路还包括第二检测模块和第二阻抗元件；此第二检测模块的输入端与该基准电流源耦合，输出端耦合到该信号处理模块，此第二检测模块时刻监测基准电流源的输出电压情况，用来检测该基准电流源是否发生开路故障，并反馈给信号处理模块；此第二阻抗元件一端与该基准电流源耦合，另一端耦合到地，该第一阻抗元件在基准电流源发生开路故障时提供续流回路，起到保护的作用。

本领域技术人员需要了解的是，由于电流自校准理论基于基准电流源是恒定不变的，一旦基准电流源发生开路的情况时，将会导致系统认为采样电路涉及的采样电阻变化到很小的值，从而将第一信号源(如电网)校准到很大的值，这在电表计量上，最直观的结果就是会导致电表过多计费，给用户带来损失。另外，电流源开路将会对系统造成不可控的损害。

可选地，本申请涉及的阻抗元件可以是电阻器、电容器或者电感。

可选地，本申请涉及的检测电路中的采样电路使用锰铜或者电流互感器进行采样。

本申请中的信号处理模块的功能是多种多样的并且可扩展，可选地，该信号处理模块用来计算检测电路的电流信号；可选地，该信号处理模块用来比较基准电流源输出信号(如，幅值)相对于预设标定值的变化情况来确定该检测电路的计量误差的大小，进而重新固定自适应滤波器的各阶参数；可选地，该信号处理模块用于接收和处理断线情况；可选地，该信号处理模块与外部通讯。

本申请第二实施方式涉及了一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括本申请第一实施方式涉及的检测电路且具有所述检测电路的所具有的有益效果。

所述电能计量芯片被使用时，所述电能计量芯片可以通过所述检测电路可以精确的得到目标信号，如果交流信号受到外部信号干扰时，可以通过采样电路接入的差分结构的rc滤波器滤除干扰，或者如果目标信号或者自身发生变化时，所述检测电路采用的自适应滤波模块可以重新计算自适应滤波器的最优参数，从而得到准确的目标信号；如此，极大地减小了电能计量芯片的计量误差。

本申请第三实施方式涉及了一种电能计量设备，该电能计量设备包括本申请第一实施方式涉及的检测电路且具有所述检测电路的所具有的有益效果。

其中，所述电能计量设备使用时，所述电能计量设备可以通过所述检测电路可以精确的得到目标信号，如果交流信号受到外部信号干扰时，可以通过采样电路接入的差分结构的rc滤波器滤除干扰，或者如果目标信号或者自身发生变化时，所述检测电路采用的自适应滤波模块可以重新计算自适应滤波器的最优参数，从而得到准确的目标信号；如此，极大地减小了电能计量设备的计量误差。

为了能够更好地理解本申请的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明。

图6是一种典型的具有电流自校准功能的电流检测装置，r0是采样电阻，设火线l上的负载电流为iload，频率为f0，基准电流源产生的电流iref，频率为f1，基准电流源与火线l并联在r0两端。adc模块采集v1p/v1n的电压，即可得到同时包含有iload和iref的信号，使用滤波器组对该信号进行滤波，分离出iload和iref，从而实现对iload的测量。同时，由于基准信号源产生的电流iref是固定不变的，所以根据滤波器组得到的iref信号的大小可以实现对采样电路参数的监控以及自校准。

实际应用中，①、②、③、④、⑤五处线是通过导线和连接端子将检测计量模块和采样模块连接起来的，以单相电表为例，在电表的安装与运输过程中，不可避免会存在震动，使得导线出现脱落情况。

具体的：

情况1：该检测电路的自校准原理是从adc模块输出信号中提取频率为f1的信号，来判断外部电路参数是否发生了变化，实际应用中，f1很难保持理想状态固定不变，若基准电流源的频率f1发生变化或者存在干扰信号，均会影响最终的检测结果，导致误计量。

情况2：若②、③号导线至少有一条出现断路的情况，则会导致电表不能潜住，出现计量严重失真，多计电费的现象。

情况3：若①、④号导线至少有一条出现断路的情况，由于电流自校准理论基于基准电流源是恒定不变的，一旦基准电流源发生开路的情况时，将会导致系统认为r0变化到很小的值，从而将iload校准到很大的值，这在电表计量上，最直观的结果就是会导致电表过多计费，给用户带来损失。另外，电流源开路将会对系统造成不可控的损害。

情况4：若⑤号导线出现断路，同样会出现有效值过大以及乱计电费现象。

根据本申请第一实施方式涉及的检测电路，对图6所述的电流检测装置及提出的问题进行了改善，详细方案如图7所示，具体如下：

针对情况1：增加自适应滤波模块

检测电路增加自适应滤波模块，该自适应滤波模块包括自适应滤波器和减法器，该自适应滤波器为一个fir横向滤波器，在使用前，对该自适应滤波器的各阶参数进行计算和固定处理；

具体计算和固定方法：将自适应滤波模块(包括减法器和自适应滤波器)与采样电路r0和基准电流源iref连接后，关闭iref且只有交流信号(包含iload)，该交流信号通过该自适应滤波器，使所述加法器的输出为零，然后根据各阶参数的迭代公式，通过多次迭代使该加法器的输出的均方期望值趋于最小得到最参数，然后固定滤波器的各阶参数。

将各阶参数已固定的自适应滤波模块(包括减法器和自适应滤波器)与采样电路r0和基准电流源iref连接后，打开基准电流源iref且只有交流信号(包含iref和iload)，该交流信号经过分别输入上述参数固定的自适应滤波器的输入端和减法器的第一输入端，参数固定的自适应滤波器对该交流信号滤波处理(即滤除iref)将得到的交流信号输入到减法器的第二输入端，该减法器将第一输入端的交流信号和第二输入端的交流信号做减法，则输出得到基准电流源iref的信号。

因为此自适应滤波模块是通过滤除其他信号的方式物理分离出基准电流源，所以不会响应分离前后基准电流源的频率，所以基准电流源的频率的改变也不会造成计量误差；

如果存在干扰信号，所述自适应滤波模块可以重新计算自适应滤波器的固定参数，使此干扰信号在自适应滤波器的滤波范围内，从而使得到的基准电流源的频率f1不会受到影响。

针对情况2：增加掉采样线检测及保护措施

如图7所示，在图6的基础上增加了r3和第一检测模块，该第一检测模块用于检测v1p/v1n引脚的信号来判断采样线②、③号导线是否掉线；同时在采样线②和③之间跨接一个1k电阻器r3，发生掉采样线的工况时，1k跨接电阻可以拉住采样线的差模信号v1p-v1n，从而防止因掉采样线而导致的电压潜动。

针对情况3：增加基准电流源断线检测及保护措施

在图7所示，在图6的基础上增加了r4和第二检测模块。以5v的计量系统为例，正常工况下，基准电流源的iams端口电压v1基本等于0v，当基准电流源发生断线工矿时(①或④中至少一根断开)，v1将会变成5v左右的高电平，此时检测模块将会把断线工况发送给信号处理模块；同时，一旦第二检测模块监测到基准电流源的断线工况，电阻器r4提供了此时基准电流源发生开路故障时的续流回路，避免电表计费故障或者系统瘫痪的发生。

针对情况4：增加了掉火线检测和保护措施

如图7所示，在图的基础上增加了第一检测模块，该第一检测模块用于检测v1p/v1n引脚的信号是否存在异常的交流信号；同时，为防止因v1p/v1n引脚上存在干扰信号而导致误判，该第一检测模块进一步包括检测算法模块，通过涉及检测算法可靠检测v1p/v1n上的异常交流信号，判别出火线是否真实断开，并反馈给信号处理模块。

同时，当⑤号断线时，计量检测模块的v1p/v1n与火线l连接，并与系统gnd形成环路，因此，零线n到火线l之间的回路：零线n—>系统gnd—>计量检测模块—>v1p/v1n—>锰铜信号线2/3—>火线l，而n-l间的电压差会周期性地通过v1p/v1n对avcc(电源模块提供的输入电压)的esd保护二极管导通，从而形成v1p/v1n对系统gnd的钳位交流电压，形成保护。

进一步，如图7所示，在图6的基础上增加了rc滤波器，此rc滤波器由电阻器r1、电容器c1、电阻器r2、和电容器c2组成，并且采用差分的结构，能够有效抑制信号中的共模干扰，进而提高检测电路计量的准确性。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。