1.1 电表电流检测选项：电流互感器和分流器

您好，我是Mekre Mesganaw，是德州仪器电网 基础设施团队的一员。 欢迎使用独立充电ADC系统概述培训 如何设计单相分流电表。 在本培训模块中，我们将讨论 如何设计单相分流电表的 硬件和软件。 在我们开始之前，提供一些关于我自己的背景， 我是德州仪器的网格基础设施 系统团队的系统工程师， 我专注于电表的系统解决方案。 我毕业于乔治亚理工学院。 我在那里获得了学士和硕士学位。 我已经在TI全职工作了七年多， 另外还有两年的实习生。 我开始研究MSP430测量设备。 我共同设计了MSP430F67xx和MSP430i2040电表 参考设计，之后我扩展到电表内的 其他子系统和插座。 在此期间，我发布了20多个参考设计， 涵盖了各种主题，例如为仪表添加Wi-Fi连接， 磁性和案例 篡改检测，计量计算 以及实现多相分流电流传感器。 随着电表的处理要求逐渐增加， 找到一个满足为智能电表添加 先进计量功能的处理要求的 设备变得越来越困难， 同时还准确地感测计量参数， 例如RMS电压，RMS电流 和有功功率。 为了应对这一设计挑战， 一种选择是使用单独的计量 微控制器和独立的ADC。 本次会议将重点介绍如何使用ADS131M04 独立delta-sigma计量ADC设计电表。 采用板载MSP432 ARM Cortex-M4F计量微控制器 的TIDA-010036参考设计 将用于说明如何使用ADS131M04独立ADC 实现带分流电流传感器的 0.5级单相电表。 电表的另一个设计挑战 是保护仪表免受篡改。 一种形式的篡改是磁性篡改， 这是篡改仪表的最常见方式之一。 在TIDA-010036设计中，我们通过 使用分流电流传感器作为主电流传感器 和帽降电源作为设计的AC/DC电源来解决这一设计挑战。 传统的帽盖电源具有有限的最大电流。 然而，在这种设计中，与传统的下降电源相比， TPS7A78的开关电容级 使我们能够获得更高的最大电流输出。 开关帽级不使用磁性元件， 这使得AC/DC电源具有磁性 免疫力。 篡改仪表的另一种方法 是去除中性线。 本设计中的ADS131M04 采用特殊电流检测模式， 以低功耗方式确定此中性线电流断开， 从而最大限度地延长备用电源的使用寿命。 该设计还可测量线路和零线电流， 以防有人试图通过 绕过这两个通道中的一个上的感应电流 来篡改仪表。 详细说一下， 我们将首先使用电表比较两种类型的 电流传感器 - 电流互感器和分流器。 然后，我们将讨论三种不同的架构， 用于检测用于计算计量参数的 电压和电流样本。 在第一种架构中，SOC器件 用于检测电流电压，计算计量 参数，以及处理后处理任务， 例如驱动LCD和跟踪时间。 在第二种架构中，应用特定的 计量AFE设备用于检测电压和 电流并计算计量参数。 但是，单独的设备用于 主微控制器。 在第三种架构中，独立ADC 仅用于检测电压和电流， 但独立ADC不计算计量参数 或执行任何应用任务。 在本次培训中，我们提供了 第三个独立ADS架构 与其他两个AFE和SOC架构相比的优势。 在介绍了三种计量架构选项后， 我们将概述TIDA-010036参考设计， 该设计使用ADS131M04 delta 独立ADC来检测计算测量参数所需的 电压和电流。 TIDA-010036设计针对 具有分流电流传感器的 0.5级单相2线制仪表，并且还具有紧凑的磁性无电容下降电源， 可为交流电源的设计供电。 讨论了该设计中使用的硬件的概述。 此外，我们还将介绍可用于 使用感测电压和电流样本计算单相 系统中的计量参数的初始化 代码和算法。 接下来，我们将讨论电流检测模式， 这是ADS131M04独立ADC的一种 特殊低功耗模式，可以在有人通过移除 其中性连接来篡改仪表时 检测是否存在电流。 最后，我们将展示测试此设计时 获得的计量精度结果。 在本视频中，在培训系列的当前传感器 测量架构选项部分中， 我们将提供有关分流器和电流 互感器特性以及每个传感器优势的详细信息。 为了提供电表的背景， 让我们提出我们的 在线电表参考 图。 要访问此图表，请先访问TI.com/smartgrid。 从那里，我们点击电表。 现在我们将看到电表和设备 参考图。 对于此培训系列，我们将重点关注住宅仪表， 因此我们更改了变量，如此处所示。 在此图中，应用程序子系统性能 主机任务，如驱动LCD和跟踪时间。 AC/DC电源子系统， 储能子系统和DC-DC电源子系统 处理电表的供电。 对于从仪表到外部世界的通信， 存在有线通信子系统 以及无线通信子系统。 防篡改子系统处理 检测磁和篡改。 最后的子系统是计量子系统， 它处理感测和计算 计量参数。 在本次培训课程中， 我们将重点关注这个计量子系统。 在计量子系统中，电源电压和市电电流 被转换为可由ADC检测的电压。 对于电压感测，分压器用于 转换电源电压。 对于电流检测，可以使用电流互感器分流器 或Rogowski线圈。 用于电表的两种最常见的 电流传感器是电流互感器 和分流器。 分流器易于使用，并且基于欧姆定律工作。 分流器输出的电压 等于流过它的电流乘以分流值， 对于电表，分流值通常 在几百微欧范围内。 对于电流互感器，流过初级的电流 根据CT的匝数比 在次级上分流。 在次级上，放置负载电阻器。 输出电压等于二次电流 乘以负载电阻， 或等于通过匝数比乘以 负载电阻值的初级电流。 为了减少由于分流引起的功率损耗， 通常选择低分流值， 这导致与CT相比输出电压较低， 这意味着与较低电流的分流器相比， CT通常会获得 更好的结果。 此外，在较高电流下， 您可能会看到更好的CT结果， 因为分流器在较高电流时会升温， 这会导致分流器的电阻值发生偏移， 从而导致电流读数发生类似的变化。 分流器的一个优点是， 与电流互感器不同，它没有固有的相移。 电流互感器相移可以 在电流上稍微改变， 这将导致电流和功率因数变化时 计量精度的漂移。 传统上，电流互感器 已被用作多相电流传感器， 因为它们具有固有的隔离， 这对于多相电表中的电流传感器是必需的。 然而，由于电流互感器 易受磁篡改攻击，许多新仪表 正朝着使用额外组件 隔离分流器的方向发展， 并将这些隔离式闭路器用作多相电表的电流传感器， 而不是使用易受磁敏感的电流 互感器电流传感器。 在本视频中，我们将了解当前的变压器 如何受到强磁铁的影响。 为了显示磁篡改的影响， 我们在电表的每相上施加230伏，5安培 和单位功率因数。 为了显示篡改的影响， 我们使用PC GUI显示每个阶段的 有效功率读数。 在这里，我们看到每个阶段已经 应用了大约1,150瓦。 现在我们将看到当您在特定CT上应用磁铁时， 这些值会如何变化。 对于该测试，我们将磁体施加在CT的顶部 用于C相。在施加磁体之后， 我们然后应用相同的230伏，5安培， 单位功率因数条件。 在这里，我们看到C相的有功功率 读数从1,150瓦降低到43瓦。 结果，消费者的电费 将比实际使用的 电量少得多。 这都是因为磁铁 对电流互感器电流传感器的影响。 在视频中，物理上相对较小尺寸的 磁体放置得比典型的 篡改方案更靠近CT， 以便显示磁体对CT的影响。 在右边，我们看到一些人们可以 用来篡改仪表的大磁铁的例子。 右侧所示的磁铁为1.3特斯拉磁铁， 直径为63.5毫米，高度为 25.4毫米。 左图显示了单相电表的 连接方式。 在图中，连接到左侧 第一个终端的红色箭头对应于 该行。 连接到左侧第二个终端的红色箭头 对应于线路输出。 连接到左侧第三个端子的 黑色箭头对应于中性点。 并且连接到第四端子的黑色箭头 对应于中性线。 在这种配置中，通过测量线路输入 和线性输入之间的电压 以及在线路输入和线路输出之间连接的分流器上 感测的电流来计算能量消耗。 电压电流乘积之和 用于计算有功功率。 这也相当于RMS电压和RMS电流 乘以电压和电流之间 角度的余弦的乘积。 使用仪表进行驯服的一种 常用方法是在特定相位的线路输入 和线路输出端子之间放置金属物体， 如右图中的绿色箭头所示。 该金属与电流感测 电路形成分流器， 其导致金属物体绕过电流， 使得感测电路感测的电流小于实际消耗的电流， 从而也减少有功功率读数 和能量读数。 为了处理不平衡的电流篡改， 通常也测量中性电流。 在单相系统中，中性线电流 应等于线电流。 因此，如果有人尝试在线路通道上 进行电流旁路，您仍然可以使用 来自中性通道的当前样本计算计量读数。 如果有人试图篡改两个通道， 则无法准确计算读数， 但是在这种情况下，如果中性线和线通道的 当前读数之间存在较大的不匹配， 您仍然至少可以检测到篡改。 要在单相系统中使用分流器， 必须确保用于检测电流的 ADC参考分流器。 如果将分流器放置在线路中， 则应相对于线路参考ADC， 以使ADC在其引脚上看不到 任何高压。 类似地，如果在中性点上放置分流器， 则应参考中性点 参考ADC。 如果分流器在线路上 或反之亦然，则不应 将ADC视为中性线， 因为这将导致大的电压大约等于器件引脚上的电源电压， 从而损坏它。 最初，对于单相电表， 如果没有在其中一个通道上提供隔离， 则无法使用分流器测量线路 和零线电流。 可以通过使用具有第二通道的