1 引言

目前的電能計量芯片，具備電能計量的功能，即可以計量出用電設備的電壓、電流和所消耗電能，基于這樣的功能均很完備。而在實際的用電過程中，電器總存在著一定比例的漏電的現象。針對這一現象，市面上有很多漏電檢測和漏電保護裝置，但均作為另一個外部設備，加裝在電表之外[1]。即使這樣，這樣的漏電檢測設備還存在這樣的問題：

（1）漏電檢測規格的劃分：通常一般的漏電等級分為 6 mA、10 mA、30 mA 或者 100 mA 以上等等這些規格，而往往一種漏電檢測設備只能針對一個規格進行檢測或保護，這就造成了針對不同電器只能選擇不同規格的漏電檢測設備，不同規格的漏電檢測設備不能混用，否則會引起誤檢測或誤報警[2]。

（2）漏電檢測往往只能區分漏電電流，而不能分析是何種設備漏電。因為目前的漏電檢測方法就是單純檢測漏電電流，對于設備其他的電能特征并不分析，因此并不能判斷出是何種設備漏電，因此就更無法進行針對性的報警或處理[3,4]。

2 方案設計

圖 1 表示本設計的電路連接示意圖。其包括了電能計量芯片 IC1，這枚計量芯片可以使是上海貝嶺出產的 BL6523 系列或 BL093X 系列計量芯片、剩余電流互感器 CT1、計量用電流互感器 CT2、計量用電壓互感器 PT、MCU 和繼電器驅動。圖 2 表示電能計量芯片 IC1 的內部結構示意圖。

在圖 2 中可以看出電能計量芯片 IC1 設有以下引腳：IAN 引腳和 IAP 引腳、IBN 引腳和 IBP 引腳、VP 引腳和 VN 引腳、VREF 引腳、兩個 GND 引腳、VDD 引腳、/RST 引腳、CF 引腳、CF1 引腳和 CF2 引腳、RX 引腳和 TX 引腳。

其中，IAN 引腳和 IAP 引腳形成了第一電流采樣通道，IBN 引腳和 IBP 引腳形成了第二電流采樣通道，VP 引腳和 VN 引腳形成了電壓采樣通道。VREF 引腳為電能計量芯片 IC1 提供基準電壓，VDD引腳為電能計量芯片 IC1 提供參考電壓源，GND 引腳接地，/RST 引腳用于復位，CF 引腳、CF1 引腳和CF2 引腳為 3 個輸出引腳，RX 引腳和 TX 引腳為串口，RX 引腳用于信號輸入，TX 引腳用于信號輸出。

在電能計量芯片 IC1 中還包括信號處理模塊和UART（通用異步收發傳輸器）。信號處理模塊分別與第一電流采樣通道、第二電流采樣通道和電壓采樣通道連接。信號處理模塊還與 UART 連接，UART 提供串口。

第一電流采樣通道用于采樣用電回路的漏電電流并將漏電電流傳輸至信號處理模塊，信號處理模塊利用漏電電流與預設閾值之間的比較關系進行漏電檢測。第二電流采樣通道用于采樣用電回路的用電電流并將用電電流傳輸至信號處理模塊，電壓采樣通道用于采樣用電回路的用電電壓并將用電電壓傳輸至信號處理模塊，信號處理模塊利用用電電流和用電電壓進行電能計量。

為了采樣用電回路的漏電電流，第一電流采樣通道的連接方式為。第一電流采樣通道（即 IAN 引腳和 IAP 引腳）連接剩余電流互感器 CT1 的次級，剩余電流互感器 CT1 的初級串接于用電回路的火線 L 與零線 N 之間。

當用電回路未存在漏電時，火線 L 與零線 N間的進線電流和出現電流相等，剩余電流互感器CT1 不會產生磁通信號。在用電回路存在漏電電流時，火線 L 與零線 N 之間產生電流差，根據基爾霍夫定律，剩余電流互感器 CT1 的線圈中產生感應電壓，剩余電流互感器 CT1 的次級產生感應信號，第一電流采樣通道采樣感應信號并將感應信號傳輸至信號處理模塊。信號處理模塊對感應信號進行模數轉換以得到漏電電流波形，通過對漏電電流波形進行數字信號處理得到漏電電流的幅值并在幅值超過預設閾值時發出報警。

3 漏電預設閾值的設置

將串口連接至 MCU，MCU 輸入設置預設閾值的指令，串口傳輸 MCU 輸入的指令至信號處理模塊，信號處理模塊根據指令設置預設閾值。為了適用于不同的使用環境，滿足不同的漏電檢測等級需求，可以設置不同的預設閾值。具體地，信號處理模塊包括若干報警寄存器，串口與報警寄存器連接，串口根據 MCU 輸入的指令設置報警寄存器的至少一寄存器值，每一寄存器值分別對應一種預設閾值。如表 1 所示。

以需要滿足 6 mA 的漏電等級檢測為例，MCU 輸入指令通過串口傳輸至報警寄存器，報警寄存器將寄存器值設為 000，此時的預設閾值即為 8 mV，若漏電電流的幅值超過 8 mV，則發出報警。

本方案給出了兩種報警方式。

（1）將 CF1 引腳和 CF2 引腳作為用于連接繼電器驅動的驅動輸出引腳，驅動輸出引腳通過輸出用于驅動繼電器驅動動作的驅動信號來發出報警。

（2）將 CF 引腳作為用于輸出報警脈沖的脈沖輸出引腳，脈沖輸出引腳通過輸出報警脈沖來發出報警。CF 引腳還可以兼具計量脈沖輸出的功能，報警脈沖可以為有別于正常計量脈沖的快速脈沖。

為了實現電能計量，第二采樣通道的連接方式為：第二采樣通道（即 IBN 引腳和 IBP 引腳）連接計量用電流互感器 CT2 的次級，計量用電流互感器 CT2 的初級串接于用電回路的火線 L 上；電壓采樣通道的連接方式為：電壓采樣通道（即 VP 引腳和 VN 引腳）連接計量用電壓互感器 PT 的次級，計量用電壓互感器 PT 的初級并聯在用電回路的火線 L 和零線 N 之間，

第二電流采樣通道采樣計量用電流互感器 CT2 的次級的電流信號并將電流信號傳輸至信號處理模塊，電壓采樣通道采樣火線 L 與零線N之間的電壓信號并將電壓信號傳輸至信號處理模塊。

信號處理模塊對電流信號進行模數轉換以得到電流用電波形（電流用電波形包括火線用電波形和零線用電波形），對電壓信號進行模數轉換以得到電壓用電波形，通過對電流用電波形和電壓用電波形進行數字信號處理，得到用于電能計量的若干參數，如電流電壓有效值、功率因子、有功/視在功率值、有功/視在能量值等等。串口可以將上述參數輸出至所連接的MCU，串口還可以將電流用電波形和電壓用電波形輸出至所連接的 MCU。

4 漏電設備的判斷

本方案的電能計量裝置在電能計量芯片 IC1 和MCU 的配合下還能夠實現判斷用電設備究竟是何種設備，尤其是針對漏電的用電設備的判斷。

具體地說 MCU 預存有至少一已知用電設備的特征波形特征波形包括已知用電設備在使用過程中在某些特定時間的火線電流波形、零線電流波形和電壓波形。已知用電設備可以自由選取，如家庭中常用的用電設備，洗衣機、空調、電冰箱等，不同的用電設備的特征波形不完全相同，每一已知用電設備的特征波形被做成程序庫，存于 MCU 的寄存器中。

如圖 3 所示，電能計量芯片 IC1 的 UART 通過串口將未知用電設備的用電波形（包括火線用電波形、零線用電波形和電壓用電波形）輸出至 MCU，MCU 通過比較用電波形與寄存器中預存的特征波形，找出符合用電波形的特征波形，輸出未知用電設備的判斷結果，未知用電設備即為找出的特征波形對應的已知用電設備。例如，經比較，未知用電設備的用電波形與電冰箱的特征波形相同，那么即可確定未知用電設備即為電冰箱。

5 結語

通過實驗論證，這種設計方案的電能計量芯片和經改進的計量電路在實現傳統的電能計量，完成電能計量芯片對電壓、電流、電能量的測量的基礎上，還可根據預先設定閾值的不同，進行不同規格的漏電檢測，并進行不同的報警輸出。并根據預先寫入的已知用電設備的電壓、電流的用電波形，對實際漏電的用電設備進行分析，從而確定漏電的用電設備究竟為何種設備，具備良好的應用前景。