如何进行三电流矢量和测量

篡改电能测量会给能源供应商带来重大的收入损失。MAXQ3183多相AFE为篡改检测提供电流矢量和测量。本应用笔记介绍如何将MAXQ3183配置为三电流矢量和。提供使用参考设计仪表生成的测试结果。

介绍

篡改电能测量以多种形式发生，给能源供应商造成重大收入损失。据估计，在某些市场¹，多达 40% 的收入因能源盗窃而损失。一种常见的篡改方法是绕过电能表外部的测量传感器，但有一种方法可以检查这一点。通过监测三相电能表中中性电流和三相电流之间的不平衡，您可以检测电流旁路连接。

在普通的三相系统中，实时测量的瞬时零线电流是三相电流的矢量和，因为零线电流是所有相电流的唯一返回路径。如果尝试任何电流旁路，电流之间的平衡就会被打破。参见图1。因此，可以监视当前余额，在每个数据样本中查找不平衡，然后在发现不平衡时发出警报。或者，能源供应商只有在收集到足够可靠的“正常”操作证据后才能决定开始监测过程。在每个样品上发出警报可能会导致系统中断过多，对于大多数系统来说通常不是必需的。

将中性电流的RMS值与三相电流的矢量和进行比较是自然的选择。RMS计算中的累积过程过滤掉了由于噪声引起的数据样本中的峰值，从而消除了误报。一种更方便的方法是监视零线电流与三相电流的矢量和，然后仅在该四电流和的RMS超过预设阈值时才中断主机。本应用笔记讨论了使用MAXQ3183（低功耗多功能多相AFE）的电流矢量和特性进行电流旁路检测。

图1.B相上的电流旁路。

矢量和测量模式

MAXQ3183提供两种电流矢量和测量模式：IVS3和IVS4。IVS3 模式对三相电流求和，IVS4 模式对三相电流加上零线电流求和。

为了使用ISV3进行旁路检测，主机控制器定期命令MAXQ3183进行ISV3测量（以RMS为单位返回），并将其与零线电流（RMS，也可按需测量）进行比较。如果差值高于阈值，则检测到旁路事件。

更方便的方法使用 ISV4。在该方法中，在ISUMLVL寄存器和相应的中断位（IRQ_MASK中设置阈值。EISUM）启用。当四电流矢量和的RMS超过门限时，MAXQ3183将产生中断。使用中断功能，仅在必要时联系主机，而不是主机不断轮询向量和寄存器以确定是否发生了超限事件。矢量和测量模式的选择在AUX_CFG寄存器中配置。

在矢量和测量期间，将配置和访问以下寄存器。

 

Register	地址	大小（位）	简短描述
AUX_CFG	0x010	16	辅助通道配置
SCAN_IN	0x00E	8	时隙分配：中性电流通道
一、危害	0x840	64	零线电流有效值/谐波分量/矢量和的虚拟寄存器（IVS3 或 IVS4）
A.IRMS	0x1CC	32	电流有效值，阶段 A
B.IRMS	0x2B8	32	当前有效值，B 阶段
C.IRMS	0x3A4	32	电流有效值，C 阶段
N.IRMS	0x11C	16	中性电流有效值/谐波分量/矢量和（IVS3 或 IVS4）

 

SCAN_IN寄存器的说明。

 

位	名字	功能
7:4	ADCMX	模拟转换选择。此四位字段确定在此时间段内对以下哪些模拟输入进行采样。保留所有其他值。默认情况下，此寄存器设置为 0110。 0000 = V0P - VN 0001 = V1P - VN 0010 = V2P - VN 0011 = I0P - I0N 0100 = I1P - I1N 0101 = I2P - I2N 0110 = INP - VN 1xxx = 温度
3	DADCNV	ADC 禁用。设置后，禁用此时隙的 ADC。
2:0	—	保留。

 

AUX_CFG寄存器的说明。

 

位	名字	功能
15:13, 4	—	保留。
12:8	ORDH	谐波阶数 （1–21）。谐波电压的输出通过虚拟寄存器0x830读取，电流为0x840。
7	ENHARM	启用辅助通道谐波滤波器。设置后，辅助通道通过谐波滤波器进行处理。此滤波器的参数可以在 B0HARM 和 A1HARM 寄存器中设置。
6	ENAUX	启用辅助通道。设置后，启用辅助通道处理。
5	INREV	设置矢量和计算中使用的零线电流的符号。 0 = 正，即 IN 直接与 IA + IB + IC 求和。 1 = 负数，-IN 与 I 求和IA + IB + IC
3:0	AUX_MUX	辅助通道输入或电流矢量和选择。较低的三位选择要作为 如果清除了 MSB（位 3），则由辅助通道处理。设置 MSB 时，此字段选择 向量和计算： 1001 = IA + IB +IC 1111 = IA + IB + IC + IN (INREV = 0) or IA + IB + IC - IN (INREV = -1) 0001 = IN 0010 = VA 0011 = IA 0100 = VB 0101 = IB 0110 = VC 0111 = IC 保留所有其他值。

 

配置 IVS4

要使用 IVS4 模式，必须启用零线电流监控（默认情况下，零线电流通道监控处于关闭状态）。有两个寄存器控制零线电流监测：AUX_CFG和SCAN_IN。设置AUX_CFG。ENAUX位启用“辅助通道的处理”并清除SCAN_IN。DADCNV 位，用于在零线电流通道上启用 ADC 转换。此两步过程是必需的，因为AUX_CFG指定DSP处理器应在分配给辅助通道的时隙中计算的内容，这与中性通道的ADC操作无关。辅助通道处理可以配置为以下选项之一：

计算零线电流的均方根。

计算任何相电压或电流的谐波分量。

计算 IVS3 或 IVS4。

在IVS4模式下，中性线电流通道采样

仅用于

计算IVS4;零线电流的RMS不可用。配置 ISV4 测量的过程概述如下：

通过清除SCAN_IN在零线电流通道上启用ADC转换。DADCNV 位并设置SCAN_IN。ADCMX 位 （7：4） 至 0110。SCAN_IN应包含0x060。

通过设置AUX_CFG，为四电流矢量和计算启用辅助处理。ENAUX位并设置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1111。清除所有其他位。AUX_CFG登记册应包含0x004F。

等待 3 到 4 秒，让滤波器建立并完成计算，然后从 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 读取向量和。如果从I.HARM读取，请确保正确设置AMP_CC寄存器。

请注意，四电流矢量和还支持与反向零线电流求和：IA + IB + IC - IN如果发现零线电流传感器连接反转，此功能非常有用。为此，请在AUX_CFG寄存器中设置 INREV 位，以便 AUX_CFG=0x006F。

配置 IVS3

IVS3模式不使用零线电流测量，因此ADC转换被禁用（默认条件）。

通过设置AUX_CFG，为三电流矢量和计算启用辅助处理。ENAUX位并设置AUX_CFG。AUX_MUX位 （3：0） 到 1001。确保清除所有其他位。AUX_CFG寄存器应包含 x0049。

等待 3 到 4 秒，让过滤器建立并完成计算，然后从 N.IRMS （0x11C） 或 I.HARM （0x840） 读取矢量和。如果从I.HARM读取，请确保正确设置AMP_CC寄存器。

测试设置

仪表交流规格：
UN= 220V
I.MAX= 9A
频率 = 50Hz/60Hz

电流互感器规格：
1.5（9）mA/5mA 电流 = 9A
（最大值）
负载电阻：20Ω
线性误差：0.05%

仪表测试仪： MTE PCS400.3

注意：此测试仪不支持零线电流测试。它只能提供三个电流。本应用笔记讨论测试三电流矢量和（ISV3）。四电流矢量和测试的结果将在后续应用笔记中讨论。

确定转换参数

MAXQ3183仅处理和显示整数数字。为了向能源提供者和消费者提供测量结果，需要将这些整数转换为适当的物理单位。将MAXQ3183寄存器值转换为物理单位需要两个设计参数：VFS和IFS。VFS是交流输入电压，将产生V的电压幅度裁判/2在MAXQ3183的电压引脚上，其中VREF是MAXQ3183的内部基准电压电平，典型值为2.048V。IFS 是交流输入电流，其电压幅度为 V裁判/2在MAXQ3183的电流引脚上。

对于MAXQ3183参考设计，电压检测电路由68个1kΩ电阻和一个3kΩ电阻分压器组成（图4663）。

图3.MAXQ3183上的电压检测电路

我们计算VFS为：

其中：

R1 = 8 个 68kΩ
R2 = 1kΩ
VREF = 2.048V
VFS = （8 × 68 + 1） × 2.048/2 ~ 558V

因此，VFS = 558V。

参考设计的电流检测电路由一个初级/次级匝数比 = 300 的电流互感器和一个 20Ω 的负载电阻组成。CT 次级输出在 VCOMM 处中心偏置（图 4）。

图4.MAXQ3183上的电流检测电路

我们计算IFS为：

其中：

NCT= 300

RCT = 20Ω

VREF= 2.048V

IFS = 300 × 2.048/（2 × 20） ~ 15A

因此，IFS = 15A。

矢量和计算对三个（或四个）电流矢量的实时ADC样本求和。计算精度受电流矢量幅度和相位角误差的影响。因此，在执行矢量和测量之前，正确校准增益和相位角非常重要。

单相电流 （I一个)

这个测试场景非常简单，但很有趣，因为它说明了测量中的各种误差贡献。有关配置MAXQ3183进行三电流矢量和测量的说明，请参见前面的IVS3配置部分。在仪表测试仪上设置 IB = IC = 0。从10A到0.02A变化IA，并收集A.IRMS和IVS3（来自N.IRMS）。

 

Source, IA (A)	10	6	1	0.1	0.05	0.02
A.IRMS （1CC）	00AAB58E	00667D99	00111348	0001B3B2	0000DA44	0000589F
B.IRMS （2B8）	0000089A	000008A4	00000293	0000028F	000002BD	000002CB
C.IRMS （3A4）	00000222	0000025B	0000022E	00000276	00000280	000002A8
N.IRMS （11C）	00AAB397	00667405	00111319	0001B66A	0000DF35	00006586
（A） 中的 IRMS
A.IRMS	10.002	6.005	1.001	0.100	0.050	0.020
B.IRMS	0.002	0.002	0.001	0.001	0.001	0.001
C.IRMS	0.000	0.001	0.000	0.001	0.001	0.001
N.IRMS	10.002	6.003	1.000	0.100	0.051	0.023
我一个错误 （%）	0.02%	0.09%	0.05%	-0.28%	-0.09%	1.42%
IVS3 实验 （A）	10.00	6.00	1.00	0.10	0.05	0.02
IVS3 错误 （%）	0.02%	0.05%	0.05%	0.35%	2.18%	16.18%

 

请注意，B.IRMS 和 C.IRMS 都显示非零值。这些残差值来自系统中的噪声，因为源电源设置为IB= IC= 0。相同的噪声会导致IVS3误差，在低输入（I<0.1A）时，IVS3误差会变得很大。请注意，ISV<> 的误差远高于 I 的误差一个在我一个= 0.05A 和 0.02A。这主要是因为来自相位B和相位C的噪声仍然有助于IVS3测量，而它们对I没有贡献。一个测量。

三相电流（I一个+ 我B+ 我C)

对于平衡的三相负载，三矢量和应为零。此测试结果可作为设置要与 ISV4 一起使用的阈值级别的参考。变化一一个（= IB= IC） 从 10A 到 0.05A 并收集 A.IRMS、B.IRMS、C.IRMS 和 IVS3（来自 N.IRMS）。

 

源	10	6	1	0.1	0.05
A.IRMS （1CC）	00AAAE2A	0066619F	001112C4	0001B610	0000DABC
B.IRMS （2B8）	00AAAB48	00666352	0011111B	0001B665	0000DC3A
C.IRMS （3A4）	00AAB08A	0066665C	00111149	0001B3E3	0000DA16
N.IRMS （11C）	00008B7E	00007652	00006D17	000033F2	00003729
X.A 中的 IRMS
A.IRMS	10.001	5.999	1.000	0.100	0.050
B.IRMS	10.000	5.999	1.000	0.100	0.050
C.IRMS	10.001	6.000	1.000	0.100	0.050
A 中的 IVS3
N.IRMS	0.032	0.027	0.025	0.012	0.013
IVS3 实验 （A）	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
IVS3 错误 （A）	0.032	0.027	0.025	0.012	0.013

 

上述结果表明，对于被测仪表，矢量和测量误差高达0.03A。将阈值设置在此水平或以下肯定会产生误报。

三相电流（I一个+ 我B+ 我C）、不平衡负载

在仪表测试仪上设置IB = IA/2，IC = IA/4;IA从10A到0.05A不等，并收集A.IRMS，B.IRMS，C.IRMS和IVS3（来自N.IRMS）。

 

Source, IA =	10	6	1	0.1	0.05
A.IRMS （1CC）	00AAACF5	0066652C	0011114E	0001B43E	0000DAEA
B.IRMS （2B8）	00555225	0033331F	00088E13	0000DD04	00006E38
C.IRMS （3A4）	002AAEE9	0019A09B	00044478	00006C38	00003459
N.IRMS （11C）	0070F034	0043BC89	000B4ACA	00012574	00009AD6
X.（A）中的IRMS
A.IRMS	10.000	6.000	1.000	0.100	0.050
B.IRMS	4.999	3.000	0.501	0.051	0.025
C.IRMS	2.501	1.502	0.250	0.025	0.012
A 中的 IVS3
N.IRMS	6.617	3.969	0.662	0.067	0.035
IVS3 实验 （A）	6.614	3.969	0.661	0.066	0.033
IVS3 错误 （%）	0.1%	0.0%	0.1%	1.8%	7.4%

 

预期的 IVS3 值由以下公式计算得出：

向量和误差源：理论观点

下面的简单电子表格计算表明，矢量和计算的性能对相位角和电流矢量大小的误差都很敏感。

在下表中，ISV3 Err 列是 ISV3 相对于基本情况的相对误差（第 1 行）。相位-角误差在相位B中引入相位角αB.该表显示，在评估的输入条件下，0.5°的相位角误差在矢量和测量中贡献了约1%的误差。

 

IRMS	IA 3	IB 4	IC 1	ISV3 (A)	ISV3 Err (%)
角度	0.0	240.0	120.0	2.646
角度	0.0	240.5	120.0	2.669	0.86%
角度	0.0	241.0	120.0	2.692	1.73%
角度	0.0	242.0	120.0	2.737	3.46%

 

下表显示，相电流幅度（RMS）误差对矢量和测量的贡献相对误差大致相同。

 

Angle	IA 0	IB 240	IC 120	ISV3 (A)	ISV3 Err (%)
IRMS	3.0	4.00	1.0	2.646
IRMS	3.0	4.02	1.0	2.661	0.57%
IRMS	3.0	4.04	1.0	2.676	1.15%
IRMS	3.0	4.08	1.0	2.707	2.30%

 

结论

MAXQ3183计算三电流矢量和和四电流矢量和，均为按需功能。用户必须配置多个寄存器才能命令矢量和测量。本应用笔记通过三个电流矢量和测量示例说明了配置过程。测试结果作为客户设计验证的参考案例提供。结果说明并强调了矢量和测量的准确性，然而，矢量和测量对当前矢量的幅度和相位角误差都很敏感。设计人员应密切注意增益因数和相位角的校准。

审核编辑：郭婷