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摘要：随着智能化和网络化对生活的改善，目前户用的插排或插座也逐渐具备了电能计量和用电习惯分析等功能，这些功能再配合房屋中的无线网络，即可实现远程监控插排或插座用电情况的功能。而同样是客户需求痛点之一的用电安全的监控，尤其是家用电器的漏电检测，目前仍必须使用专用的漏电检测设备才能实现。基于这样的需求，研究通过对现有计量电路的改进，使用电流互感器和计量芯片配合就可实现漏电的检测功能。再将用电信息中的特征波形提取，与已知特征库中的特征波形进行比对和分析，又可实现对漏电设备的确认。结合这两种方式，可以使用户快速发现并消除用日常用电中的安全隐患。实验表明，该方案便捷可行，极具推广前景。
关键词：集成电路设计；计量芯片；电流互感器；漏电；特征波形
1引言
目前的电能计量芯片，具备电能计量的功能，即可以计量出用电设备的电压、电流和所消耗电能，基于这样的功能均很完备。而在实际的用电过程中，电器总存在着一定比例的漏电的现象。针对这一现象，市面上有很多漏电检测和漏电保护装置，但均作为另一个外部设备，加装在电表之外[1]。即使这样，这样的漏电检测设备还存在这样的问题：（1）漏电检测规格的划分：通常一般的漏电等级分为6mA、10mA、30mA或者100mA以上等等这些规格，而往往一种漏电检测设备只能针对一个规格进行检测或保护，这就造成了针对不同电器只能选择不同规格的漏电检测设备，不同规格的漏电检测设备不能混用，否则会引起误检测或误报警[2]。（2）漏电检测往往只能区分漏电电流，而不能分析是何种设备漏电。因为目前的漏电检测方法就是单纯检测漏电电流，对于设备其他的电能特征并不分析，因此并不能判断出是何种设备漏电，因此就更无法进行针对性的报警或处理[3,4]。
2方案设计
图1表示本设计的电路连接示意图。其包括了电能计量芯片IC1，这枚计量芯片可以使是上海贝岭出产的BL6523系列或BL093X系列计量芯片、剩余电流互感器CT1、计量用电流互感器CT2、计量用电压互感器PT、MCU和继电器驱动。图2表示电能计量芯片IC1的内部结构示意图。在图2中可以看出电能计量芯片IC1设有以下引脚：IAN引脚和IAP引脚、IBN引脚和IBP引脚、VP引脚和VN引脚、VREF引脚、两个GND引脚、VDD引脚、/RST引脚、CF引脚、CF1引脚和CF2引脚、RX引脚和TX引脚。其中，IAN引脚和IAP引脚形成了第一电流采样通道，IBN引脚和IBP引脚形成了第二电流采样通道，VP引脚和VN引脚形成了电压采样通道。VREF引脚为电能计量芯片IC1提供基准电压，VDD引脚为电能计量芯片IC1提供参考电压源，GND引脚接地，/RST引脚用于复位，CF引脚、CF1引脚和CF2引脚为3个输出引脚，RX引脚和TX引脚为串口，RX引脚用于信号输入，TX引脚用于信号输出。在电能计量芯片IC1中还包括信号处理模块和UART（通用异步收发传输器）。信号处理模块分别与第一电流采样通道、第二电流采样通道和电压采样通道连接。信号处理模块还与UART连接，UART提供串口。第一电流采样通道用于采样用电回路的漏电电流并将漏电电流传输至信号处理模块，信号处理模块利用漏电电流与预设阈值之间的比较关系进行漏电检测。第二电流采样通道用于采样用电回路的用电电流并将用电电流传输至信号处理模块，电压采样通道用于采样用电回路的用电电压并将用电电压传输至信号处理模块，信号处理模块利用用电电流和用电电压进行电能计量。为了采样用电回路的漏电电流，第一电流采样通道的连接方式为。第一电流采样通道（即IAN引脚和IAP引脚）连接剩余电流互感器CT1的次级，剩余电流互感器CT1的初级串接于用电回路的火线L与零线N之间。当用电回路未存在漏电时，火线L与零线N间的进线电流和出现电流相等，剩余电流互感器CT1不会产生磁通信号。在用电回路存在漏电电流时，火线L与零线N之间产生电流差，根据基尔霍夫定律，剩余电流互感器CT1的线圈中产生感应电压，剩余电流互感器CT1的次级产生感应信号，第一电流采样通道采样感应信号并将感应信号传输至信号处理模块。信号处理模块对感应信号进行模数转换以得到漏电电流波形，通过对漏电电流波形进行数字信号处理得到漏电电流的幅值并在幅值超过预设阈值时发出报警。
3漏电预设阈值的设置
将串口连接至MCU，MCU输入设置预设阈值的指令，串口传输MCU输入的指令至信号处理模块，信号处理模块根据指令设置预设阈值。为了适用于不同的使用环境，满足不同的漏电检测等级需求，可以设置不同的预设阈值。具体地，信号处理模块包括若干报警寄存器，串口与报警寄存器连接，串口根据MCU输入的指令设置报警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分别对应一种预设阈值。如表1所示。以需要满足6mA的漏电等级检测为例，MCU输入指令通过串口传输至报警寄存器，报警寄存器将寄存器值设为000，此时的预设阈值即为8mV，若漏电电流的幅值超过8mV，则发出报警。本方案给出了两种报警方式。（1）将CF1引脚和CF2引脚作为用于连接继电器驱动的驱动输出引脚，驱动输出引脚通过输出用于驱动继电器驱动动作的驱动信号来发出报警。（2）将CF引脚作为用于输出报警脉冲的脉冲输出引脚，脉冲输出引脚通过输出报警脉冲来发出报警。CF引脚还可以兼具计量脉冲输出的功能，报警脉冲可以为有别于正常计量脉冲的快速脉冲。为了实现电能计量，第二采样通道的连接方式为：第二采样通道（即IBN引脚和IBP引脚）连接计量用电流互感器CT2的次级，计量用电流互感器CT2的初级串接于用电回路的火线L上；电压采样通道的连接方式为：电压采样通道（即VP引脚和VN引脚）连接计量用电压互感器PT的次级，计量用电压互感器PT的初级并联在用电回路的火线L和零线N之间，第二电流采样通道采样计量用电流互感器CT2的次级的电流信号并将电流信号传输至信号处理模块，电压采样通道采样火线L与零线N之间的电压信号并将电压信号传输至信号处理模块。信号处理模块对电流信号进行模数转换以得到电流用电波形（电流用电波形包括火线用电波形和零线用电波形），对电压信号进行模数转换以得到电压用电波形，通过对电流用电波形和电压用电波形进行数字信号处理，得到用于电能计量的若干参数，如电流电压有效值、功率因子、有功/视在功率值、有功/视在能量值等等。串口可以将上述参数输出至所连接的MCU，串口还可以将电流用电波形和电压用电波形输出至所连接的MCU。
4漏电设备的判断
本方案的电能计量装置在电能计量芯片IC1和MCU的配合下还能够实现判断用电设备究竟是何种设备，尤其是针对漏电的用电设备的判断。具体地说MCU预存有至少一已知用电设备的特征波形特征波形包括已知用电设备在使用过程中在某些特定时间的火线电流波形、零线电流波形和电压波形。已知用电设备可以自由选取，如家庭中常用的用电设备，洗衣机、空调、电冰箱等，不同的用电设备的特征波形不完全相同，每一已知用电设备的特征波形被做成程序库，存于MCU的寄存器中。如图3所示，电能计量芯片IC1的UART通过串口将未知用电设备的用电波形（包括火线用电波形、零线用电波形和电压用电波形）输出至MCU，MCU通过比较用电波形与寄存器中预存的特征波形，找出符合用电波形的特征波形，输出未知用电设备的判断结果，未知用电设备即为找出的特征波形对应的已知用电设备。例如，经比较，未知用电设备的用电波形与电冰箱的特征波形相同，那么即可确定未知用电设备即为电冰箱。
5结语
通过实验论证，这种设计方案的电能计量芯片和经改进的计量电路在实现传统的电能计量，完成电能计量芯片对电压、电流、电能量的测量的基础上，还可根据预先设定阈值的不同，进行不同规格的漏电检测，并进行不同的报警输出。并根据预先写入的已知用电设备的电压、电流的用电波形，对实际漏电的用电设备进行分析，从而确定漏电的用电设备究竟为何种设备，具备良好的应用前景。
参考文献
[1]王甲,阮颐,宋文博,杨兴智.一种基于M-BUS通信技术和图像识别算法的摄像式水表设计[J].仪表技术,2017(06):5-8.
[2]王甲,阮颐.一种简化型M-BUS通信芯片设计[J].集成电路应用,2017,34(01):33-35.
[3]王甲,宋文博,阮颐,宋清亮.磁阻传感器在电子式水表、气表中的应用研究[J].集成电路应用,2017,34(04):40-42.
[4]王甲,傅代军,阮颐,宋文博.一种单IO口控制的继电器驱动芯片设计思路[J].集成电路应用,2017,34(05):27-29.
作者:王甲 阮颐 傅代军 单位:上海贝岭股份有限公司
