本實(shí)用新型涉及一種電能計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電能計(jì)量芯片和電能表。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，電子式電能表的多功能要求在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的地位越來(lái)越重要，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在電能計(jì)量芯片領(lǐng)域，相應(yīng)地要求芯片具有靈活的設(shè)計(jì)方案和多功能計(jì)量要求，并能完成各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。

電能計(jì)量主要是將采樣的電流和電壓信號(hào)通過(guò)各種信號(hào)處理，有選擇的得到電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量等電能計(jì)量值。電子式電能表就是采用數(shù)字化的信號(hào)處理方式，精確地給出電能計(jì)量值和完成各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。并且電子式電能表可以方便的實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量芯片的自動(dòng)校準(zhǔn)，保證高精度的計(jì)量，同時(shí)提供便捷的校表方案，給用戶(hù)的生產(chǎn)使用帶來(lái)極大的便捷。

單相電能表和三相電能表的計(jì)量原理相似，電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于單相電能計(jì)量芯片，包括簡(jiǎn)單單相電能計(jì)量芯片和單相雙電流電能計(jì)量芯片，或者擴(kuò)展到三相電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，基本原理和結(jié)構(gòu)不變。在簡(jiǎn)單單相電能計(jì)量芯片中，需要兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣通道，分別采樣電流和電壓；在單相雙電流電能計(jì)量芯片中，需要三路模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣通道，分別采樣火線電流、零線電流和電壓；在三相電能計(jì)量芯片中，需要六路模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣通道，分別采樣各分相的電流、電壓，或者增加一路數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣通道用來(lái)采樣中線電流，每一分相的計(jì)量按照電能計(jì)量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)得到分相的計(jì)量值，再加上計(jì)算合相的結(jié)構(gòu)，即可。

符合智能電網(wǎng)的多功能智能電能表要求可以靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量，并且可以由此給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。

理想情況下，電網(wǎng)電壓和電流波形為頻率為50Hz(有些國(guó)家為60Hz)的正弦波。但是現(xiàn)實(shí)情況并非如此，電壓和電流波形不是完美的正弦波，這被稱(chēng)為“畸變”。利用傅立葉分析法，這個(gè)畸變的波形可以分解為一系列不同頻率的正弦波的疊加，其中序數(shù)為1的是我們需要的50Hz(或60Hz)的基波，其余的分量的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，這些頻率的電能是我們不希望看到的，被稱(chēng)為諧波?；ê椭C波合起來(lái)就是全波，通常計(jì)量的是全波的電能。

傳統(tǒng)的電能計(jì)量芯片，其工作原理為把輸入的電壓和電流信號(hào)按照時(shí)間相乘，得到功率隨著時(shí)間變化的信息，有功功率為電能表首要計(jì)量值。假設(shè)電流電壓信號(hào)為余弦函數(shù)，并存在相位差φ，有功功率為：如若電流電壓信號(hào)為非余弦函數(shù)，則可按傅立葉變換將信號(hào)展開(kāi)為余弦函數(shù)的諧波，同樣可按上述計(jì)算公式來(lái)計(jì)算有功功率。

在多功能智能電能表中要求可以靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量，并且可以由此給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。用傳統(tǒng)的電能計(jì)量芯片只能得到有功功率和有功能量，其他計(jì)量值又要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的處理，比如無(wú)功功率計(jì)算需要實(shí)現(xiàn)精確的90°移相，有效值計(jì)算需要復(fù)雜的平方根算法，視在功率可以由有功功率和無(wú)功功率相乘得到也可以由電流電壓有效值相乘得到，同理功率因子也有兩種方式得到。以上只是得到全波的計(jì)量值，如果需要基波的計(jì)量值需要將基波從全波中分離出來(lái)，如果需要各次諧波的計(jì)量值需要將各次諧波從全波中分離出來(lái)。如若是三相多功能智能電能表，其計(jì)算復(fù)雜度又將增加許多。

由上可見(jiàn)，一種可以靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量的電能計(jì)量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是符合智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的設(shè)計(jì)要求，這種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)還可以給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的電能計(jì)量芯片只能得到有功功率和有功能量，其他計(jì)量值需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算處理的缺陷，提供一種電能計(jì)量芯片和電能表。

本實(shí)用新型是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：

本實(shí)用新型提供了一種電能計(jì)量芯片，其特點(diǎn)在于，包括：轉(zhuǎn)換模塊、全波波形模塊、第一計(jì)算模塊、視在功率計(jì)算模塊、功率因子計(jì)算模塊以及能量計(jì)算模塊；

所述轉(zhuǎn)換模塊與所述全波波形模塊電連接，所述全波波形模塊與所述第一計(jì)算模塊電連接，所述第一計(jì)算模塊分別與所述視在功率計(jì)算模塊、所述功率因子計(jì)算模塊以及所述能量計(jì)算模塊電連接，所述視在功率計(jì)算模塊分別與所述功率因子計(jì)算模塊和所述能量計(jì)算模塊電連接；

所述轉(zhuǎn)換模塊用于將采樣電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為采樣電流的數(shù)字信號(hào)，以及將采樣電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為采樣電壓的數(shù)字信號(hào)，并傳輸至所述全波波形模塊；

所述全波波形模塊用于對(duì)采樣電流的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波得到電流采樣值，以及對(duì)采樣電壓的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波得到電壓采樣值，并傳輸至所述第一計(jì)算模塊；

所述第一計(jì)算模塊用于根據(jù)所述電流采樣值和所述電壓采樣值計(jì)算得到電流有效值、電壓有效值、有功功率和無(wú)功功率，并將所述電流有效值和所述電壓有效值傳輸至所述視在功率計(jì)算模塊，將所述有功功率傳輸至所述功率因子計(jì)算模塊，將所述有功功率和所述無(wú)功功率傳輸至所述能量計(jì)算模塊；

所述視在功率計(jì)算模塊用于根據(jù)所述電流有效值和所述電壓有效值計(jì)算得到視在功率，并將所述視在功率傳輸至所述功率因子計(jì)算模塊和所述能量計(jì)算模塊；

所述功率因子計(jì)算模塊用于根據(jù)所述有功功率和所述視在功率計(jì)算得到功率因子；

所述能量計(jì)算模塊用于根據(jù)所述有功功率計(jì)算得到有功能量，根據(jù)所述無(wú)功功率計(jì)算得到無(wú)功能量以及根據(jù)所述視在功率計(jì)算得到視在能量。

較佳地，所述轉(zhuǎn)換模塊包括相互電連接的可編程增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述可編程增益放大器用于對(duì)所述采樣電流的模擬信號(hào)進(jìn)行放大以及對(duì)所述采樣電壓的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，并傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

較佳地，所述全波波形模塊包括依次電連接的相位校準(zhǔn)單元、CIC(積分梳狀降采樣濾波)單元以及通道校準(zhǔn)單元；

所述相位校準(zhǔn)單元用于校準(zhǔn)采樣電流和采樣電壓的相位差；

所述CIC單元用于對(duì)采樣電流的數(shù)字信號(hào)和采樣電壓的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波；

所述通道校準(zhǔn)單元用于校準(zhǔn)通道采樣產(chǎn)生的誤差。

較佳地，所述第一計(jì)算模塊包括傅里葉變換單元、電流有效值計(jì)算單元、電壓有效值計(jì)算單元、有功功率計(jì)算單元以及無(wú)功功率計(jì)算單元；

所述傅里葉變換單元用于對(duì)所述電流采樣值進(jìn)行傅里葉變換得到N次諧波的電流值實(shí)部和N次諧波的電流值虛部，以及對(duì)所述電壓采樣值進(jìn)行傅里葉變換得到N次諧波的電壓值實(shí)部和N次諧波的電壓值虛部；

所述電流有效值計(jì)算單元包括兩個(gè)平方運(yùn)算器、一個(gè)加法運(yùn)算器和一個(gè)平方根運(yùn)算器，所述兩個(gè)平方運(yùn)算器與所述加法運(yùn)算器電連接，所述加法運(yùn)算器與所述平方根運(yùn)算器電連接；所述兩個(gè)平方運(yùn)算器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電流值虛部進(jìn)行平方運(yùn)算，并將平方運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，所述加法運(yùn)算器還用于將加法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述平方根運(yùn)算器進(jìn)行平方根運(yùn)算，以得到N次諧波電流有效值；

所述電壓有效值計(jì)算單元包括兩個(gè)平方運(yùn)算器、一個(gè)加法運(yùn)算器和一個(gè)平方根運(yùn)算器，所述兩個(gè)平方運(yùn)算器與所述加法運(yùn)算器電連接，所述加法運(yùn)算器與所述平方根運(yùn)算器電連接；所述兩個(gè)平方運(yùn)算器用于分別對(duì)所述N次諧波的電壓值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行平方運(yùn)算，并將平方運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，所述加法運(yùn)算器還用于將加法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述平方根運(yùn)算器進(jìn)行平方根運(yùn)算，以得到N次諧波電壓有效值；

所述有功功率計(jì)算單元包括兩個(gè)乘法運(yùn)算器和一個(gè)加法運(yùn)算器，所述兩個(gè)乘法器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值實(shí)部進(jìn)行乘法運(yùn)算以及對(duì)所述N次諧波的電流值虛部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將乘法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，以得到N次諧波的有功功率；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元包括兩個(gè)乘法運(yùn)算器和一個(gè)減法運(yùn)算器，所述兩個(gè)乘法器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行乘法運(yùn)算以及對(duì)所述N次諧波的電流值虛部和所述N次諧波的電壓值實(shí)部進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將乘法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述減法運(yùn)算器進(jìn)行減法運(yùn)算，以得到N次諧波的有功功率；

其中N為正整數(shù)。

較佳地，所述電流有效值計(jì)算單元還包括N次諧波電流有效值校準(zhǔn)單元，用于對(duì)N次諧波電流有效值的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述電壓有效值計(jì)算單元還包括N次諧波電壓有效值校準(zhǔn)單元，用于對(duì)N次諧波電壓有效值的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述有功功率計(jì)算單元還包括N次諧波有功功率校準(zhǔn)單元，用于對(duì)N次諧波有功功率的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元還包括N次諧波無(wú)功功率校準(zhǔn)單元，用于對(duì)N次諧波無(wú)功功率的計(jì)算進(jìn)行校準(zhǔn)；和/或；

所述電流有效值計(jì)算單元用于計(jì)算得到基波電流有效值和全波電流有效值；

所述電壓有效值計(jì)算單元用于計(jì)算得到基波電壓有效值和全波電壓有效值；

所述有功功率計(jì)算單元用于計(jì)算得到基波有功功率和全波有功功率；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元用于計(jì)算得到基波無(wú)功功率和全波無(wú)功功率。

較佳地，所述視在功率計(jì)算模塊包括乘法運(yùn)算器，用于對(duì)所述電流有效值和所述電壓有效值進(jìn)行乘法運(yùn)算，以得到所述視在功率。

較佳地，所述視在功率計(jì)算模塊還包括視在功率校準(zhǔn)單元，用于對(duì)視在功率的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；和/或，

所述視在功率計(jì)算模塊用于計(jì)算得到基波視在功率和全波視在功率。

較佳地，所述功率因子計(jì)算模塊包括除法運(yùn)算器，用于對(duì)所述有功功率和所述視在功率進(jìn)行除法運(yùn)算，以得到所述功率因子；

所述功率因子計(jì)算模塊用于計(jì)算得到基波功率因子和全波功率因子。

較佳地，所述能量計(jì)算模塊包括第一積分運(yùn)算器、第二積分運(yùn)算器以及第三積分運(yùn)算器；

所述第一積分運(yùn)算器用于對(duì)所述有功功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述有功能量；

所述第二積分運(yùn)算器用于對(duì)所述無(wú)功功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述無(wú)功能量；

所述第三積分運(yùn)算器用于對(duì)所述視在功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述視在能量；

所述第一積分運(yùn)算器用于計(jì)算得到基波有功能量和全波有功能量，所述第二積分運(yùn)算器用于計(jì)算得到基波無(wú)功能量和全波無(wú)功能量，所述第三積分運(yùn)算器用于計(jì)算得到基波視在能量和全波視在能量。

較佳地，所述電能計(jì)量芯片為單相電能計(jì)量芯片或三相電能計(jì)量芯片。

本實(shí)用新型的目的在于還提供了一種電能表，其特點(diǎn)在于，其包括上述的電能計(jì)量芯片。

其中，電壓瞬時(shí)值為v＝v_Re+jv_Im，電流瞬時(shí)值為i＝i_Re+ji_Im；

則電壓有效值為電流有效值為

電壓相位角余弦值為電壓相位角正弦值為

電流相位角余弦值為電流相位角正弦值為

有功功率計(jì)算公式為：

由三角函數(shù)和差化積公式cos(α-β)＝cosαcosβ+sinβsinβ，可得：

無(wú)功功率計(jì)算公式為：

由三角函數(shù)和差化積公式sin(α-β)＝sinα·cosβ-cosα·sinβ，可得：

視在功率計(jì)算公式為：S＝V_rms×I_rms；

功率因子計(jì)算公式為：

有功能量計(jì)算公式為：

無(wú)功能量計(jì)算公式為：

視在能量計(jì)算公式為：

本實(shí)用新型的積極進(jìn)步效果在于：本實(shí)用新型可以靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量，并且可以由此給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)，給用戶(hù)提供最大的設(shè)計(jì)靈活性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片中電流有效值計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片中電壓有效值計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片中有功功率計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片中無(wú)功功率計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為采用本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)單相雙電流電能計(jì)量芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為采用本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)三相電能計(jì)量芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為采用本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)防竊電設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出本實(shí)用新型較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。

本實(shí)用新型提供了一種電能計(jì)量芯片，可應(yīng)用于智能電網(wǎng)的智能電能表，具體地，如圖1-5所示，所述電能計(jì)量芯片包括轉(zhuǎn)換模塊1、全波波形模塊2、第一計(jì)算模塊3、視在功率計(jì)算模塊4、功率因子計(jì)算模塊5以及能量計(jì)算模塊6；

其中，所述轉(zhuǎn)換模塊1與所述全波波形模塊2電連接，所述全波波形模塊2與所述第一計(jì)算模塊3電連接，所述第一計(jì)算模塊3分別與所述視在功率計(jì)算模塊4、所述功率因子計(jì)算模塊5以及所述能量計(jì)算模塊6電連接，所述視在功率計(jì)算模塊4與所述功率因子計(jì)算模塊5和所述能量計(jì)算模塊6電連接；

其中，所述轉(zhuǎn)換模塊1用于將采樣電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為采樣電流的數(shù)字信號(hào)，以及將采樣電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為采樣電壓的數(shù)字信號(hào)，并傳輸至所述全波波形模塊2；

具體地，所述轉(zhuǎn)換模塊1包括相互電連接的可編程增益放大器11和模數(shù)轉(zhuǎn)換器12，

所述可編程增益放大器(PGA)首先會(huì)接收采樣電流的模擬信號(hào)和采樣電壓的模擬信號(hào)，并對(duì)所述采樣電流的模擬信號(hào)進(jìn)行放大以及對(duì)所述采樣電壓的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，并傳輸至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

由于采樣電流的模擬信號(hào)非常小，因此需要所述可編程增益放大器11對(duì)采樣電流的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，同理對(duì)采樣電壓的模擬信號(hào)也可以進(jìn)行放大；放大后的采樣信號(hào)再經(jīng)過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器12可取得較好的轉(zhuǎn)換效果，當(dāng)然，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器12會(huì)帶來(lái)一定的直流偏置和噪聲，從而會(huì)帶來(lái)計(jì)量誤差，而高精度的電能計(jì)量芯片就要最大限度地減小誤差，所以后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理除了完成所有電能計(jì)量所需的功能外還需包含校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以保證高精度的計(jì)量；

本實(shí)用新型所述轉(zhuǎn)換模塊1主要完成將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的工作，輸出1bit的采樣電流的數(shù)字信號(hào)和采樣電壓的數(shù)字信號(hào)。

所述全波波形模塊2則用于對(duì)采樣電流的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波得到電流采樣值，以及對(duì)采樣電壓的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波得到電壓采樣值，并傳輸至所述第一計(jì)算模塊3；

具體地，所述全波波形模塊2包括依次電連接的相位校準(zhǔn)單元21、CIC單元22以及通道校準(zhǔn)單元23；

由于系統(tǒng)的不同應(yīng)用，采樣到的采樣電流的模擬值和采樣電壓的模擬值可能會(huì)存在一個(gè)小的相位差，這個(gè)相位差會(huì)帶來(lái)計(jì)量誤差，所述相位校準(zhǔn)單元21就是用來(lái)校準(zhǔn)這個(gè)相位差的，即所述相位校準(zhǔn)單元21用于校準(zhǔn)采樣電流和采樣電壓的相位差。而由于采樣電流、采樣電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器戶(hù)帶來(lái)一定的噪聲，所述CIC單元22就可以對(duì)采樣電流的數(shù)字信號(hào)和采樣電壓的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，將噪聲整形到高頻。所述通道校準(zhǔn)單元23則用于校準(zhǔn)有通道采樣產(chǎn)生的誤差以便于后面的數(shù)字信號(hào)處理。

所述第一計(jì)算模塊3則用于根據(jù)所述電流采樣值和所述電壓采樣值計(jì)算得到電流有效值、電壓有效值、有功功率和無(wú)功功率，并將所述電流有效值和所述電壓有效值傳輸至所述視在功率計(jì)算模塊4，將所述有功功率傳輸至所述功率因子計(jì)算模塊5，將所述有功功率和所述無(wú)功功率傳輸至所述能量計(jì)算模塊6；

具體地，所述第一計(jì)算模塊3包括傅里葉變換單元31、電流有效值計(jì)算單元32、電壓有效值計(jì)算單元33、有功功率計(jì)算單元34以及無(wú)功功率計(jì)算單元35；

所述傅里葉變換單元31用于對(duì)所述電流采樣值進(jìn)行傅里葉變換得到N次諧波的電流值實(shí)部(In(r))和N次諧波的電流值虛部(In(i))，以及對(duì)所述電壓采樣值進(jìn)行傅里葉變換得到N次諧波的電壓值實(shí)部(Vn(r))和N次諧波的電壓值虛部(Vn(i))；所述傅里葉變換模塊31將所述電流采樣值和所述電壓采樣值進(jìn)行傅里葉變換得到電流瞬時(shí)值i＝i_Re+ji_Im和電壓瞬時(shí)值v＝v_Re+jv_Im，用戶(hù)可以有選擇地計(jì)量N次諧波的電能計(jì)量值，將N次諧波的電流值實(shí)部和N次諧波的電流值虛部以及N次諧波的電壓值實(shí)部和N次諧波的電壓值虛部經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算，完成的電流有效值的計(jì)算、的電壓有效值的計(jì)算、P＝v_Re·i_Re+v_Im·i_Im的有功功率的計(jì)算、Q＝v_Im·i_Re-v_Re·i_Im的無(wú)功功率的計(jì)算；具體如下：

所述電流有效值計(jì)算單元32包括兩個(gè)平方運(yùn)算器、一個(gè)加法運(yùn)算器和一個(gè)平方根(root)運(yùn)算器，所述兩個(gè)平方運(yùn)算器與所述加法運(yùn)算器電連接，所述加法運(yùn)算器與所述平方根運(yùn)算器電連接；所述兩個(gè)平方運(yùn)算器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電流值虛部進(jìn)行平方運(yùn)算，并將平方運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，所述加法運(yùn)算器還用于將加法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述平方根運(yùn)算器進(jìn)行平方根運(yùn)算，以得到N次諧波電流有效值；

所述電壓有效值計(jì)算單元33包括兩個(gè)平方運(yùn)算器、一個(gè)加法運(yùn)算器和一個(gè)平方根運(yùn)算器，所述兩個(gè)平方運(yùn)算器與所述加法運(yùn)算器電連接，所述加法運(yùn)算器與所述平方根運(yùn)算器電連接；所述兩個(gè)平方運(yùn)算器用于分別對(duì)所述N次諧波的電壓值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行平方運(yùn)算，并將平方運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，所述加法運(yùn)算器還用于將加法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述平方根運(yùn)算器進(jìn)行平方根運(yùn)算，以得到N次諧波電壓有效值；

所述有功功率計(jì)算單元34包括兩個(gè)乘法運(yùn)算器和一個(gè)加法運(yùn)算器，所述兩個(gè)乘法器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值實(shí)部進(jìn)行乘法運(yùn)算以及對(duì)所述N次諧波的電流值虛部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將乘法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述加法運(yùn)算器進(jìn)行加法運(yùn)算，以得到N次諧波的有功功率；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元35包括兩個(gè)乘法運(yùn)算器和一個(gè)減法運(yùn)算器，所述兩個(gè)乘法器用于分別對(duì)所述N次諧波的電流值實(shí)部和所述N次諧波的電壓值虛部進(jìn)行乘法運(yùn)算以及對(duì)所述N次諧波的電流值虛部和所述N次諧波的電壓值實(shí)部進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將乘法運(yùn)算結(jié)果傳輸至所述減法運(yùn)算器進(jìn)行減法運(yùn)算，以得到N次諧波的有功功率；

其中N為正整數(shù)。

優(yōu)選地，所述電流有效值計(jì)算單元32還包括N次諧波電流有效值校準(zhǔn)單元321，用于對(duì)N次諧波電流有效值的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述電壓有效值計(jì)算單元33還包括N次諧波電壓有效值校準(zhǔn)單元331，用于對(duì)N次諧波電壓有效值的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述有功功率計(jì)算單元34還包括N次諧波有功功率校準(zhǔn)單元341，用于對(duì)N次諧波有功功率的計(jì)算誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元35還包括N次諧波無(wú)功功率校準(zhǔn)單元351，用于對(duì)N次諧波無(wú)功功率的計(jì)算進(jìn)行校準(zhǔn)；

所述電流有效值計(jì)算單元32能夠計(jì)算得到基波電流有效值，或者將N次諧波的電流有效值累加得到全波電流有效值；

所述電壓有效值計(jì)算單元33用于計(jì)算得到基波電壓有效值，或者將N次諧波的電壓有效值累加得到全波電壓有效值；

所述有功功率計(jì)算單元34用于計(jì)算得到基波有功功率，或者將N次諧波的有功功率累加得到全波有功功率；

所述無(wú)功功率計(jì)算單元35用于計(jì)算得到基波無(wú)功功率，或者將N次諧波的無(wú)功功率累加得到全波無(wú)功功率。

所述視在功率計(jì)算模塊4用于根據(jù)所述電流有效值和所述電壓有效值計(jì)算得到視在功率，并將所述視在功率傳輸至所述功率因子計(jì)算模塊5和所述能量計(jì)算模塊6；

具體地，所述視在計(jì)算模塊4包括乘法運(yùn)算器以及視在功率校準(zhǔn)單元41，所述乘法運(yùn)算器用于對(duì)所述電流有效值和所述電壓有效值進(jìn)行乘法運(yùn)算，以得到所述視在功率，具體可將基波電流有效值和基波電壓有效值相乘計(jì)算得到基波視在功率，或者將全波電流有效值和全波電壓有效值相乘計(jì)算得到全波視在功率；其中視在功率的計(jì)算公式為：S＝V_rms×I_rms，所述視在功率校準(zhǔn)單元?jiǎng)t用來(lái)對(duì)視在功率計(jì)算中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

所述功率因子計(jì)算模塊5用于根據(jù)所述有功功率和所述視在功率計(jì)算得到功率因子；具體地，所述功率因子計(jì)算模塊5包括除法運(yùn)算器，用于將所述有功功率和所述視在功率相除，計(jì)算得到所述功率因子，具體可將基波有功功率與基波視在功率相除計(jì)算得到基波功率因子，或者將全波有功功率和全波視在功率相除計(jì)算得到全波功率因子，具體的功率因子計(jì)算公式為：

所述能量計(jì)算模塊6用于根據(jù)所述有功功率計(jì)算得到有功能量，根據(jù)所述無(wú)功功率計(jì)算得到無(wú)功能量以及根據(jù)所述視在功率計(jì)算得到視在能量；

具體地，所述能量計(jì)算模塊6包括第一積分運(yùn)算器61、第二積分運(yùn)算器62以及第三積分運(yùn)算器63；

所述第一積分運(yùn)算器61用于對(duì)所述有功功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述有功能量；

所述第二積分運(yùn)算器62用于對(duì)所述無(wú)功功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述無(wú)功能量；

所述第三積分運(yùn)算器63用于對(duì)所述視在功率進(jìn)行積分運(yùn)算，以得到所述視在能量；

所述第一積分運(yùn)算器61可對(duì)基波有功功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到基波有功能量，或者對(duì)全波有功功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到全波有功能量，所述第二積分運(yùn)算器62可對(duì)基波無(wú)功功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到基波無(wú)功能量，或者對(duì)全波無(wú)功功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到全波無(wú)功能量，所述第三積分運(yùn)算器63可對(duì)基波視在功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到基波視在能量，或者對(duì)全波視在功率進(jìn)行積分運(yùn)算得到全波視在能量。其中，有功能量的計(jì)算公式為：

從而，本實(shí)用新型的電能計(jì)量芯片通過(guò)上述模塊單元可以靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量，并且可以由此給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖1、圖8)。

并且參見(jiàn)圖1，如果所述全波波形模塊2輸出的電流采樣值和電壓采樣值存在反向(即數(shù)字信號(hào)的符號(hào)位相反)或者所述第一計(jì)算模塊3計(jì)算的有功功率如果為負(fù)功(即數(shù)字信號(hào)為負(fù)數(shù))，則可判斷所述電能計(jì)量芯片存在反向用電的竊電行為，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出反向用電的指示。以上兩種判斷方式二選一即可。

如圖8所示，采用本實(shí)用新型的電能計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)防竊電設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)，“電流采樣A”模擬值、“電流采樣B”模擬值和“電壓采樣”模擬值分別用于采樣電能表的火線電流信號(hào)、零線電流信號(hào)和電壓信號(hào)，然后通過(guò)第一轉(zhuǎn)換模塊401，所述第一轉(zhuǎn)換模塊401由三套所述轉(zhuǎn)換模塊1組成，將“電流采樣”模擬值和“電壓采樣”模擬值(“電流采樣A”模擬值、“電流采樣B”模擬值、“電壓采樣”模擬值)通過(guò)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到“電流采樣D”數(shù)字值和“電壓采樣D”數(shù)字值(即“電流A采樣D”數(shù)字值、“電流B采樣D”數(shù)字值、“電壓采樣D”數(shù)字值)。再通過(guò)第一火線(A通道)零線(B通道)計(jì)量選擇模塊402a，選擇需要計(jì)量的“電流采樣D”數(shù)字值(“電流A采樣D”數(shù)字值與“電流B采樣D”數(shù)字值)，該選擇可以采用時(shí)鐘復(fù)用設(shè)計(jì)，即在一定時(shí)間段內(nèi)分時(shí)間段分別計(jì)算火線(A通道)電流、零線(B通道)電流，為后續(xù)計(jì)算所用。時(shí)鐘復(fù)用設(shè)計(jì)可以顯著的降低該方案實(shí)現(xiàn)的成本。再通過(guò)第一全波波形模塊403，所述第一全波波形模塊403由兩套所述全波波形模塊2組成，得到“電流A/B采樣值”和“電壓采樣值”。隨后全波分離出N次諧波用以第一計(jì)算模塊3，將“電流A/B采樣值”和“電壓采樣值”通過(guò)傅里葉變換和一系列計(jì)算得到“A/B N次諧波的電流有效值”、“A/B N次諧波的有功功率”。再通過(guò)第二火線(A通道)零線(B通道)計(jì)量選擇模塊402b，分離出火線(A通道)N次諧波的電流有效值、零線(B通道)N次諧波的電流有效值，以及火線(A通道)N次諧波的有功功率、零線(B通道)N次諧波的有功功率，將N次諧波計(jì)量值相加就可以得到火線(A通道)零線(B通道)的全波計(jì)量值(“電流A有效值”、“電流B有效值”、“有功功率A”、“有功功率B”)。如果“火線通道電流有效值”、“電流A有效值”和“零線通道電流有效值”的差值大于某個(gè)預(yù)設(shè)的閾值，則可判斷計(jì)量芯片存在不平衡用電的竊電行為，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出不平衡用電的指示并將較大的電流采樣值用于計(jì)量?；蛘叻謩e計(jì)算得到“火線通道有功功率”(“有功功率A”)和“零線通道有功功率”(“有功功率B”)，如果“有功功率A”和“有功功率值B”的差值大于某個(gè)預(yù)設(shè)的閾值，則可判斷計(jì)量芯片存在不平衡用電的竊電行為，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出不平衡用電的指示并將較大的有功功率用于計(jì)量。以上兩種判斷方式二選一即可。

本實(shí)用新型可應(yīng)用于單相電能計(jì)量芯片，即本實(shí)用新型的電能計(jì)量芯片可以為單相電能計(jì)量芯片，包括簡(jiǎn)單單相電能計(jì)量芯片和單相雙電流電能計(jì)量芯片(參見(jiàn)圖6，其中各模塊單元與圖8中相同，在此就不再贅述)，或者擴(kuò)展到三相電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，基本原理和結(jié)構(gòu)不變，在三相電能計(jì)量芯片中每一分相的計(jì)量按照電能計(jì)量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)得到分相的計(jì)量值，再加上合相的計(jì)算即可，參見(jiàn)圖7，三相電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，分別將三相電流電壓信號(hào)(“A相電流采樣”模擬值、“A相電壓采樣”模擬值、“B相電流采樣”模擬值、“B相電壓采樣”模擬值、“C相電流采樣”模擬值、“C相電壓采樣”模擬值)通過(guò)第二轉(zhuǎn)換模塊301，所述第二轉(zhuǎn)換模塊301由六套所述轉(zhuǎn)換模塊1組成，將“電流采樣”模擬值和“電壓采樣”模擬值(“A相電流采樣”模擬值、“A相電壓采樣”模擬值、“B相電流采樣”模擬值、“B相電壓采樣”模擬值、“C相電流采樣”模擬值、“C相電壓采樣”模擬值)通過(guò)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到“電流采樣D”數(shù)字值和“電壓采樣D”數(shù)字值(“A相電流采樣D”數(shù)字值、“A相電壓采樣D”數(shù)字值、“B相電流采樣D”數(shù)字值、“B相電壓采樣D”數(shù)字值、“C相電流采樣D”數(shù)字值、“C相電壓采樣D”數(shù)字值)。再通過(guò)計(jì)量選擇模塊302，選擇需要計(jì)量的分相“電流采樣D”數(shù)字值和“電壓采樣D”數(shù)字值(“A相電流采樣D”數(shù)字值與“A相電壓采樣D”數(shù)字值、“B相電流采樣D”數(shù)字值與“B相電壓采樣D”數(shù)字值、“C相電流采樣D”數(shù)字值與“C相電壓采樣D”數(shù)字值)，該選擇可以采用時(shí)鐘復(fù)用設(shè)計(jì)，即在一定時(shí)間段內(nèi)分時(shí)間段分別計(jì)算A相電能計(jì)量、B相電能計(jì)量和C相電能計(jì)量，為合相計(jì)算所用。時(shí)鐘復(fù)用設(shè)計(jì)可以顯著的降低該方案實(shí)現(xiàn)的成本，使三相電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相當(dāng)。分相“電流采樣D”數(shù)字值和“電壓采樣D”數(shù)字值通過(guò)第二全波波形模塊303，所述第二全波波形模塊303由兩套所述全波波形模塊2組成，得到“A/B/C電流采樣值”和“A/B/C電壓采樣值”。隨后全波分離出N次諧波用以第一計(jì)算模塊3，將“A/B/C電流采樣值”和“A/B/C電壓采樣值”通過(guò)傅里葉變換和一系列計(jì)算得到“A/B/C相N次諧波的電流有效值”、“A/B/C相N次諧波的電壓有效值”、“A/B/C相N次諧波的有功功率”、“A/B/C相N次諧波的無(wú)功功率”。將需要的N次諧波計(jì)量值相加就可以得到分相的全波計(jì)量值(“A/B/C全波電流有效值”、“A/B/C全波電壓有效值”、“A/B/C全波有功功率”、“A/B/C全波無(wú)功功率”)，繼而，可以將分相計(jì)量值相加，得到“全波合相有功功率”、“全波合相無(wú)功功率”。再可以用上所述的視在功率計(jì)算模塊4得到“全波合相視在功率”，再可以用上所述的功率因子計(jì)算模塊5，將“全波合相有功功率”和“全波合相視在功率”相除計(jì)算得到“合相功率因子”。再可以用上所述的有功無(wú)功視在能量計(jì)算模塊6，將“全波合相有功功率”積分計(jì)算得到“全波合相有功能量”、將“全波合相無(wú)功功率”積分計(jì)算得到“全波合相無(wú)功能量”、將“全波合相視在功率”積分計(jì)算得到“全波合相視在能量”。

這樣，本實(shí)用新型優(yōu)選的一種電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于智能電網(wǎng)的智能電表的計(jì)量芯片，可以滿(mǎn)足用戶(hù)靈活的選擇計(jì)算全波、基波、各次諧波的電流電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因子以及有功無(wú)功視在能量，并可以完成電能計(jì)量芯片的自動(dòng)校準(zhǔn)，保證高精度的計(jì)量，同時(shí)提供便捷的校表方案，給用戶(hù)的生產(chǎn)使用帶來(lái)極大的便捷。并且由此給出所有多功能電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)要求的各種電能質(zhì)量管理的控制，比如防竊電設(shè)計(jì)。

綜上所述，本實(shí)用新型提供的一種在芯片內(nèi)的模塊電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種在電能計(jì)量芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能電能計(jì)量設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于單相電能計(jì)量芯片，包括簡(jiǎn)單單相電能計(jì)量芯片和單相雙電流電能計(jì)量芯片，或者可以擴(kuò)展到三相電能計(jì)量芯片的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。大大提高了多功能智能電表的設(shè)計(jì)靈活度，降低智能電網(wǎng)的多功能智能電表的制造成本，且較易于實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)用新型還提供了一種電能表，其包括上述的電能計(jì)量芯片。

雖然以上描述了本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書(shū)限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本實(shí)用新型的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。