闫书芳1，张晓东1，朱国富1，王甲2
（1. 江阴长仪集团有限公司，江阴 214432；2. 上海贝岭股份有限公司，上海 200233）
摘要：国际法制计量组织推行IR46标准，以此为标准的智能电能表与现有智能电能表的最大差别就在于提升了计量部分的可靠性，在要求非计量部分具备程序升级功能的同时，不能影响计量部分的稳定工作。按照对IR46标准的解读，中国国家电网公司提出了“双芯”设计的思路，文章中将针对“双芯”电能表设计的实现进行探讨。
关键词：IR46标准；智能电能表；“双芯”设计；计量芯；管理芯
引 言
在改革开放的40年里，中国的集成电路产业、电力电子产业和通信产业均得到了迅猛的发展。在这些基础行业发展的带动下，中国电能表的设计水平和制造水平也不断缩小着与世界领先的差距，短短的十年间，中国电能表从原有的机械式仪表，研制出了电子化、远程化的仪表。随着科技的进步，中国的标准化水平也逐年提高，对于智能电能表而言，政府承诺执行国际法定计量组织的IR46标准也即将落地，具备可扩展功能、可升级功能和具备更高可靠性的智能电能表也已经进入了行业视野[1]。
通过对IR46标准的深度解读和对国外高端电能表的参考学习，IR46标准与现有电能表设计理念最大的不同在于，我国现行的电子式电能表均为一体化设计，一旦出现硬件或软件故障或者需要对电能表的程序要求升级，就只能采用整表更换的方式来保证电力计量工作顺利进行[2]。而IR46标准中明确强调了计量部分的独立性和其余功能部分的扩展性，要求电能表其它程序的升级不得影响计量部分的正常使用，并且电能表的功能更加强大，不单要完成传统的电能计量功能，还要具备电压、电流测量，电能质量分析甚至是非入侵检测等功能[3-5]。
1 现有方案分析
结合图1为现有智能“双芯”电能表设计，通过图1中可以看到为了满足IR46标准的需要，智能电能表中有两颗MCU，一颗为计量MCU被称为“计量芯”，另一颗为管理MCU，被称为“管理芯”。计量MCU主要满足电能计量程序运行、数据处理等功能[6-9]。目前的设计为计量芯片完成电能计量计算、功率计算功能，然后计量MCU通过读取电能表中寄存器的方式，保存电量或其他数据，这种设计简单实用，但不足之处在于：
（1）浪费晶体。结合图1，可以看到，为了保证计量MCU、管理MCU的运行，为了保证计量芯片的精度，以及计量和管理互不影响的需要，必须在每个芯片外部接入一个晶体作为内部时钟源。这种设计有些资源浪费，之所以在这种设计中无法把计量MCU和计量芯片共用晶体，原因在于计量芯片的时钟的振荡频率般在3MHz左右，通过隔离光耦无法传输如此快速的时钟信号，因此无法省略一个晶体。
图1 现有智能电能表设计
Fig.1 Design of existing smart meter
（2）增加变压器设计难度。在图1中可以看出，为了保证计量芯片和计量MCU的安全，需要进行强弱电隔离。因此对于供电的隔离，采用变压器分开供电的方式，而对于通信的隔离，采用的是光耦隔离。而针对于法制计量的需要，计量部分和管理部分也需要相对独立，这就要求变压器设计必须多路隔离，这导致变压器的设计难度大增。
（3）不利于电能质量分析。由图2可以看出，目前的计量芯片，均是将电流电压采样后，通过高精度的ADC完成“模拟-数字”的转换，然后送入计量芯片数字信号处理电路进行运算，再将计算完成的累积电量、功率、电流测量值、电压测量值等存入寄存器，最后MCU仅仅是从寄存器中读取这些数据。但是随着电能表要求的提高，现在需要对用电的特征进行分析，就需要将采集来的原始波形量等通过波形分析、傅里叶展开等方式进行运算和分析。但目前的计量芯片是无法完成的，原因在于：
（1）这些分析需要较大的运算量，计量芯片的配置是无法完成的，需要MCU配合完成，但是以目前计量芯片的接口速度，寄存空间等限制，这些数据均无法完全传输至计量MCU；
（2）由于安全隔离的考虑，计量芯片和MCU中有隔离光耦，光耦的传输速率大多为每秒数千比特率，而这些电能波形数据需要每秒至少几百到三兆比特率以上的传输速度，因此这样的设计方式几乎无法完成电能质量的分析。
图2 现有智能电能表计量芯片的设计原理
Fig.2 Design principle of current smart meter measurement chip
2 另一种符合IR46标准的“双芯”电能表设计
针对以上问题，设计出一种新的带隔离功能的电能计量芯片，一方面可以简化电能表设计，降低电能表的成本；另一方面可以有效地行电能质量分析，提升电能表的性能，以满足市场对电能表的需求。
图3为利用所设计的智能电能表，而图4为隔离型计量芯片的原理图。通过对比图4和图2，该方案的计量芯片主要变化是增加了隔离电路和改进了原有计量芯片中的电源电路设计，并且去除原有的数字信号处理、寄存器等电路。
具体地说，当通过采样电阻、互感器等采样原件，将电流电压采样信号送入计量芯片后，计量芯片通过高精度的ADC将这些信号进行“模拟-数字”的转化，然后经过和基准源对比修正后，将这些完整的数字信号（这个数据的速率大约为2Mbps）通过隔离电路，经高速通信接口传输给计量MCU，计量MCU取得这些数据后，经过运算，得到电能量等电能表需要的数据。
图3 文中所述智能电能表的设计
Fig.3 Design of smart meter proposed in this paper
而给计量芯片提供时钟源的外部晶体，可将一路时钟信号继续给计量芯片使用，而另一路（这一数据的速率大约为3Mbps），也可通过隔离电路后，通过高速通信接口，给计量MCU当作外部时钟源使用，这样就可以省掉计量MCU的外部晶体。
图4 文中所述电能计量芯片设计
Fig.4 Design of energy metering chip proposed in this paper
图5中的隔离电路部分为此设计方案中的一个核心电路，其特征在于，数据入和数据出的中间为内部有SiO2或SiC的隔离电容，这个电容非常小，大约在几个皮法，因此这对信号传输而言不存在问题，几乎任何信号均可通过这一电容传输。中间的SiO2或SiC起的是隔离作用，由于SiO2或SiC为绝缘物质，电流是无法穿过的，所以起到了电气隔离的作用。
图5 图4芯片中的隔离电路
Fig.5 Isolation circuit in chip in Fig.4
隔离电路是这样实现的，例如在数据入的方向上进入了上文提到的速率为2Mbps左右的数据信号或者速率为3Mbps的时钟信号，保证了这写信号传输的可靠性和保密性。当这些信号进入隔离电路时，数据调制电路先将要传输的数据存入数据缓存电路中。然后同时激发随机数产生电路，产生随机数1到n中的任意一个数，这个随机数和加密存算法存储区中所存储的加密算法的序号相对应，意思是加密存算法存储区存了n个加密算法，序号也是1到n。现在假设产生的是一个随机数m，然后通过数据调制电路，将这个随机数m传输到数据解调侧，经过秘钥解调电路的解调，就确定了解调侧的加密存算法存储区也用m号的加密算法进行解调，这是加密选择过程。
当加密选择过程确定后，数据信号要经过重新调整通信频率，这个原因在于隔离电容也并非对所有频率的信号传输可靠性都一致，而是对某几个频率的信号传输可靠性最高。因此信号还需进行进一步的频率调制。具体做法是，在振荡电路中产生一个振荡频率f，然后通过PLL锁相环将这个频率锁定，并通过时钟选择电路将这个振荡频率f再次倍频或分频为f1，然后数据缓存电路中的信号经过调制电路分别按照f1频率将原有数据进行调制，调制的同时按照序号为随机数m的加密算法进行加密，经过隔离电容传到解调侧。解调侧的过程与调制侧相反，选择已约定好的m加密算法和频率f1进行解调，这样就完成了数据信号隔离传输过程。
图4的变化还在于，增加了隔离电路和改进了原有计量芯片中的电源电路设计。设计的要点是，如图6所示，在芯片内部合封了一个双路的小型直流变压器，当图3中供电B的一路供电进入芯片后，芯片通过高频逆变电路和电感的作用，通过高频变压器，分为两路V1和V2，V1给计量芯片内部供电，V2可以作为电源输出给计量MCU供电。
图6 图4中的内部电源和供电电路
Fig.6 Internal power supply and power supply circuit in Fig.4
3 结束语
通过对现有设计的分析和上述设计探讨，通过对比图1和图3中可以看出，这种设计方式具备如下优势：
（1）当电能表需要提升功能，比如需要进行非侵入式电能质量监测时，可通过电流电压的采样，直接将波形数据送给计量MCU处理，无需在电能表上增加外置非侵入式质量检测模块，从而在不提升电能表成本的同时提升了电能表的附加功能。
（2）文中所改进设计的计量芯片和计量MCU由于可以共用一个晶体，起到了节省晶体，并降低电能表成本的目的。由于晶体作为电能表中的易损元件，减少晶体同时，意味着电能表的设计可靠性进一步得以提高。
（3）由于所改进的计量芯片的隔离电路中增加了加密和解密机制，因而从原理上提升了电能表的防窃电能力，即使通过对计量芯片或计量MCU的破解，也很难获得电能表中的计量数据。
综上所述，按照文中设计的电表仍需要计量芯片、MCU芯片等主要芯片的配合才能最终实现验证。而文中所述的计量芯片，由于增加了耐高压的隔离电容，这种隔离是集成电路生产的一种特殊工艺，这种工艺和普通的计量芯片的生产工艺差别较大，目前已通过集成电路合封技术，将文中所述的计量芯片和隔离电容进行了双晶圆合封，因此文中所论述的计量芯片的隔离性能和通信性能已得到了验证，但对于集成电路制造而言，双晶圆合封技术的批量可靠性不如单晶圆设计可靠性高，因此大批量的可靠性验证和批次间的差异化验证，仍在紧密地实验中。相信随着IR46标准的落地，验证工作也将基本完成，而本文所提出的设计方式将为这一标准的实施，提供一种更为全面的解决方案
参 考 文 献
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作者简介：
闫书芳（1972—），女，高级工程师，从事电能计量、用电信息采集、配网自动化等研究。
张晓东（1984—），男，工程师，从事电能计量、高级测量体系的研究。
朱国富（1971—），男，工程师，从事电能计量、用电信息采集的研究。
王甲（1984—），男，高级工程师，从事户用能源计量仪表中的集成电路设计与应用的研究。邮箱：wangjia@belling.com.cn
收稿日期：2019-01-09；修回日期：2019-02-25
（王艳丽 编发）
