【核心介绍】针对单相智能电能表多种电流规格带来的研发、生产以及产品型号维护工作量大等问题，本文设计了一种高精度宽量程单相智能电能表，依托于新一代计量芯片，解决了计量芯片与主控芯片的通讯3.3V电平与5V电平的匹配问题、采取多种措施有效降低了小电流误差跳变、单点校表生产工艺设计大大提高了生产效率。 　

3 小电流误差跳变

电表运行电流为小电流，即在额定电流5%-10%以下时，称之为轻载。轻载对智能电能表计量的影响主要体现在两个方面：锰铜分流器的影响，潜动性能的影响，电流互感器的影响。

3.1锰铜分流器

锰铜分流器实际上是一个阻值很小的电阻，当负载电流流过锰铜片时，会在锰铜片两端产生一个毫伏级的电压。电压的大小可由欧姆定律U=RI决定，I为电流，R为锰铜片的电阻值，如图3所示。由此可见，大小相同的电流流经不同分流器所得到的采样效果是不同的。通过采样信号线传送采样信号到电能表，经过RC抗混叠滤波器后送入至计量芯片，并根据欧姆定律计算出电流值，实现计量。

图3 锰铜分流器采样原理示意图

导体回路所围成的面积的磁通量发生变化时，回路中就会出现感应电动势，并产生感应电流。感应电动势与穿过回路所围成面积的磁通量的时间变化率成正比。如果回路是静止的，则穿过回路的磁通变化由磁场随时间变化引起的，产生的电动势的实际方向是由磁通量改变量的符号与规定的电动势的参考方向相比较而得出的。

传统的锰铜分流器安装在电能表的壳体内部，它是由两块纯铜片以及一片锰铜片三部分所构成，且三者处于同一平面中。交流输变电设施在传输电力的过程中产生的磁场以电磁波的形式辐射出去，该磁场被称为工频磁场。由于电能表连接电缆的缘故，会在电缆及分流器周围产生交变工频磁场干扰。锰铜分流器、信号线以及电能表的电路板能够构成一个如图2所示的闭合电路。当空间存在方向如图4所示的逐渐减小的磁场时，会产生同回路方向一致的感应电动势，从而产生如图所示反向的感应电流。此时引线之间产生的感应电流会直接附加在采样电流上，影响计量精确度，特别对小电流计量精度影响很大。

图4磁场在分流器中产生感应电流

为了消除感应电流对电表计量，尤其是对小电流计量带来的影响，选用一种改进的锰铜分流器。改进后的锰铜分流器能够消除感应电流的影响，通过将回路划分为两个方向不同的回路，如图5所示，产生两个方向不同的感应电动势，形成方向不同的感应电流，使之互相抵消，降低感应电流带来的影响，有效的降低了小电流误差跳变。

图5 新型锰铜分流器结构

3.2潜动性能

对电能表来说，其潜动与启动是两个相互矛盾的性能，当我们强调灵敏度的同时，必须考虑其抗干扰性能，两项折中，最后会损失一定的精度，所以误差是无法避免的。与机械式电能表相比，智能电能表没有机械测量部件，不会因为装配位置问题出现潜动，但还是会因为其他问题出现潜动，比如说在轻载时，产生的脉冲没有规律，这样就会引起潜动。智能电能表对电压信号、电流信号进行采集，转换成数字信号，送入CPU进行计算处理。所以本设计中选用高分辨率的A/D转换器。能够分辨小信号，将小电流进行精确转换，送到单片机进行处理。这样从内部进行改良，提高准确度的同时，又不影响电表的灵敏度。

3.3电流互感器

电能表零线回路使用电流互感器采样。对电流互感器而言，它本身在工作时就有一定的激磁损耗和铁损耗，当负载为正常负载时，这一部分损耗占电流互感器总容量的比重不大，此时电流互感器的误差在线性范围内，即电流互感器的误差会随着负载的增大而增大，那么在计量时，电能表能够采用分段补偿的方式，只要补偿系数设置合理，就能使误差在允许范围内逐渐趋于平衡。但在轻载时，这一部分损耗所比例过大，影响了电流互感器的误差特性，使其进入非线性区域，此时误差与负载之间就不存在对应关系，那么就很难准确对其误差进行补偿。本设计中选用高精度的电流互感器，性能优异的电流互感器，具有低损耗的特征，小电流时，其误差特性在线性范围内，消除了角差和比差对电能准确度的影响。

4 单点校表生产工艺设计

基于计量芯片良好的线性，本研究中，软件和校表工艺流程配合，采用单点校准，一般在基本电流I_b下进行：首先在PF=1.0L时校准增益，接着在PF=0.5L时校准角差即可。

然而，考虑到L线采用锰铜分流器输出的信号非常小，任何外部的干扰，入电能表电压用变压器对锰铜的干扰即可引起较大的计量误差，针对这种近似恒定的外部干扰，计量芯片提供了功率偏差补偿功能。本研究中采用计量芯片提供的小电流模式首先放大电能表在无功率情况下的功率偏差值，进而实现采用功率偏差补偿功能，更加精准的实现功率偏差补偿。

4.1校表流程

（1）设置计量参数校准起动命令寄存器和计量模式配置寄存器。

（2）设置高频脉冲常数寄存器：

PL_Constant=int(838860800×GL×VL×Vu)/(MC×Un×I_b)

838860800 为常数。

GL:L线电流回路增益。

VL:为L线电流回路在I_b下的采样电压，单位为 mV。

Vu：为电压回路在U_n下的采样电压，单位为mV。

MC为电能表脉冲常数，单位为imp/kWh或imp/kvarh。

U_n为参比电压，单位为V。

I_b为基本电流，单位为A。

（3）设置L线校表增益和角差。

（4）读取电压有效值寄存器，设置电压有效值系数。

（5）读取电流有效值寄存器，设置电流有效值系数。

5计量动态范围试验结果

实验表明，电能表在20mA-100A的电流范围内，有功能量的计量误差低于±0.2%。图6是L线有功的试验数据截图。

图6 L线电流变化误差实验数据截图

6 结论

本研究采用美国IDT公司研制的新型计量芯片，设计了一款电流规格为2（100）A的单相电能表，实现了在20mA-100A(动态范围为5000:1)的电流范围内计量误差优于±0.2%，温度系数优于±150*10^-6/℃的计量性能，2（100）A宽量程、高准确度电能表的研制成功，能覆盖5（20）A、5（30）A、5（60）A、20（80）A等最大电流不超过100A的所有规格的电能表。电力公司仅采购2（100）A规格的电能表，即能满足用户对不同用电负荷的需求，可以降低备用表的库存量，简化检测设备的规格和数量。电能表企业采用一种物料清单就能生产上述所有电流规格的电能表，减少了物料品种和库存数量，可简化电能表的生产工艺，提高生产效率，达到良好的社会和经济效益。

参考文献

[1] 宗建华、闫华光等编著，智能电能表，中国电力出版社，2010.09

[2] 邱关源编著，电路，高等教育出版社，2004.04

[3] 童诗白编著，模拟电子技术基础，高等教育出版社，2006.05

[4] 胡斌，胡松编著，元器件应用宝典，人民邮电出版社，2012.09

[5] 黄智伟编著，印制电路板（PCB）设计技术与实践（第2版），电子工业出版社，2013.01

[6] 张毅刚编著，单片机原理及接口技术（C51编程），人民邮电出版社，2011.08

[7] [美] 曼特罗斯（Montrose M.I.）编著电磁兼容的印制电路板设计（原书第2版），机械工业出版社，2008.01

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