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详解智能电网的主流计量芯方案

智能电表计量芯片系统方案
  在智能电网的诸多应用中。智能电表应用已率先落地。根据国家电网公司电网智能化建设规划,在国家电网公司“计量、抄表和收费标准化建设研究”项目成果的基础上,全国的大多数电表企业均设计研发了符合新一代智能电网要求的电度表。在单相电度表的设计过程中,由于设计周期短,任务重,各个厂家对于设计芯片选型、硬件布局等还有待改进的地方。本文针对新一代智能、电网的计量芯片BL6523A,从硬件设计和软件设计上进行分析。

  智能电表原理框图
  由上面方框图可以看出,智能电表所需IC包括多功能计量、MCU、通讯、带温补的高精度实时时钟、液晶驱动、数据存储及电源等。在设计中,由于计量部分要与MCU等其他部分隔离,因此目前的方案计量部分均采用单独的芯片。
  BL6523A计量芯片是结合国内外计量要求,集合防窃电技术、多项专利技术而设计的能实现包括电压电流等多种电气测量的计量芯片产品。

  BL6523A的性能介绍和结构分析及电气测量原理
  1.BL6523A的性能介绍
  BL6523A是一款高精度、高稳定性的计量芯片,其精度在输入动态工作范围(1500:1)内,非线性测量误差小于0.1%;稳定性高,输出频率波动小于0.1%。BL6523A可精确测量正负两个方向的有功功率,输出快速输出脉冲(CF);具有两个电流采样端,采样火线和零线电流;给出电压和双电流的有效值,以及可测量范围(1500:1)。
  BL6523A还具有电压失压和断相检测功能;芯片上有电源电压监测电路,检测掉电状;具有防潜动功能,可编程防潜阀值设置;同时具有可编程调整脉冲输出的频率;此外,BL6523A还具有可编程增益调整和相位补偿;给出功率因子(PF),计算功率因数;可按需要给出中断请求信号(/IRQ);提供SPI通信接口,用于数据传输。
  BL6523A带参考电压源2.5V,也可使用外部2.5V电压。芯片外接3.58MHz晶振。芯片单工作电源5V,功耗(典型值)低至25mW。
2.BL6523A的内部结构BL6523A的结构
  如图1所示。工作时,电流信号和电压信号先分别经高精度的模数转换(ADC)将模拟信号转换为数字信号,然后通过采样滤波器、高通滤波器(HPF)滤去高频噪声与直流增益,得到需要的电流采样数据和电压采样数据。然后将这两个数据相乘,便得到瞬时有功功率,接着经过低通滤波器,输出平均有功功率。电流采样数据和电压采样数据分别通过平方电路、低通滤波器(LPF2)、开平方电路,得到电流有效值和电压有效值。有功功率通过一定时间的积分,可获得有功能量。经过数字信号的处理,通过SPI接口输出多种电气数字量。

  3.BL6523A实现电气测量的原理
  BL6523A的测量部分与主MCU共用5V电源系统,大大简化了电源成本和设计。SPI通讯口使用的速率可以在30kHz以上,推荐使用30kHz,节省了主MCU的工作时间。主MCU上电复位后,大约需要延后400ms左右,对BL6523A计量芯片进行初始化。BL6523A的这种设计,可以节省昂贵的SPI通讯光偶,提高整表的性能。
  对于本地费控电表在IC卡座可以使用隔离措施。当然BL6523A也可以使用传统的隔离措施,单独供电,与控制MCU进行隔离。

  BL6523A整表方案
  整表的电路设计和软件设计,对于电表厂来说,相对都比较成熟,本文重点讨论计量芯片BL6523A的硬件设计和软件设计。

      1.BL6523A的采样参数设计
  控制寄存器(MODE)选择:例如设计电表Un=220V(Un:额定电压)10(60)A(电流规格),电表常数为1600imp/kWh。BL6523A的电压、电流输入通道允许输入的最大信号为±660mV峰值(即有效值467mVrms)。电压通道需要考虑满足130%Un的过压,以及信号冗余,可通过电阻匹配220VAC电压降至280mV左右,作为电压通道输入。电流A通道考虑锰铜的发热,10(60)A表可采用200~250μΩ锰铜,假设采用250μΩ锰铜,在Imax=60A电流时,电流输入通道的采样信号为60A×250μΩ=15mVrms;根据电流通道的最大允许输入信号467mVrms,电流A通道可采用16倍增益。电流B通道采用互感器1000:1;负载电阻4Ω,电流通道B采用1倍增益。
  综上分析,电流A通道16倍增益,电流B通道1倍增益,电压通道1倍增益;增益寄存器15H(GAIN)写入00FH,14H(MODE)写入800H。
  2.BL6523A分频系数选择(WA_CFDIV)
  电表常数为1600imp/kWh,可知在Imax时对应的CF输出频率为(220×60×1600)/(3600×1000)=5.87Hz,此时电压通道输入信号为280mVrms,1倍增益;电流通道输入信号为15mVrms,16倍增益,对应到电流电压通道满幅信号输入时的CF输出频率为5.87×467×467/(280×15×16)=19.05Hz,有功CF缩放比例寄存器19H(WA_CFDIV)可选择008H。


  3.BL6523A其他重要寄存器使用
  a.有功防潜动阈值设置
  如在Ib、Un情况下,有功功率寄存器0AH的值为249F0H(150000),要求0.4%Ib能正常启动,则可将防潜动阈值设为0.2%Ib对应的有功功率,即12CH(300);有功防潜动阈值寄存器设定值为300/(2×1.36)=110(06EH)。
  b.反向指示阈值设置
  如在Ib、Un情况下,有功功率寄存器0AH的值为249F0H(150000),要求大于0.4%Ib能指示反相,则可将反相指示阈值设为0.4%Ib对应的有功功率,即258H(600);反相指示阈值寄存器设定值为600/(32×1.36)=13(00DH)。
  c.有功误差调整
  在100%Un、标准电流Ib1.0下测试,由校表台获得误差Err,如Err为负值,则WATTGN=;如Err为正值,则WATTGN=(WATTGN:功率增益)。2EH电流A通道增益调整寄存器A_CHGN;2FH电流B通道增益调整寄存器B_CHGN;12位寄存器,补码形式,增益调整范围±50%。
  d.相位调整
  相位补偿的原理是将一个小的时间延时或超前引入信号处理电路以对小的相位误差进行补偿。相位校正寄存器为8位寄存器;D7为使能位,=1时开启相位补偿,=0时关闭相位补偿;D6…D0为延时或超前时间,2.2us/1LSB。相应的分辨率为360°×(1/450kHz)×50Hz=0.04°,最大可调5.08°。在100%Un,标准电流Ib0.5L下测试,测得误差Err,寄存器值=[int(θ/0.04-1)]&0x80,int为取整操作;如果Err为正值,改动电流通道相位寄存器IAPHCAL、IBPHCAL;如果Err为负值,改动电压通道相位寄存器VPHCAL;1EH,电流A相位校正寄存器IA_PHCAL;1FH,电流B相位校正寄存器IB_PHCAL;20H,电压相位校准寄存器V_PHCAL。
      e.小信号补偿调整
  小电流1.0情况下,如果小信号精度偏差较大,可通过调整有功功率偏置校准寄存器来修正小信号偏差。1AHA通道有功功率偏置校准寄存器A_WATTOS,仅影响A通道有功功率测量;1BHB通道有功功率偏置校准寄存器B_WATTOS,仅影响B通道有功功率测量;均为12位寄存器,补码形式,可调整范围+2047~-2047;如小信号情况下,有功功率寄存器WATT(0AH)的数据为WATT_Data,有功功率误差为Err,则有功功偏置校准寄存器的值为:int(WATT_Data×(-Err)/1.36)(int为取整)。举例如下:如在5%Ib信号点的有功功率误差为-0.45%,有功功率寄存器WATT(0AH)的数据为10,000,则有功功率偏置校准寄存器的值为:10000×0.0045/1.36=33。
  f.电压电流的测量
  在100%Un、标准电流Ib1.0情况下得到IARMS、IBRMS寄存器的值,电流有效值系数IkA=IARMS/Ib,IkB=IBRMS/Ib。而后用户可以根据读取的IARMS、IBRMS寄存器的值除以IkA、IkB,获得实际的电流显示值。05h,电流A有效值寄存器IARMS;06h,电流B有效值寄存器IBRMS。在100%Un电压情况下得到VRMS寄存器的值,电压有效值系数Uk=VRMS/Un。07h,电压有效寄存器V_RMS。
  g.功率因数COS∮的测量,可以直接读取PF(08)寄存器。
  h.有功功率和视在功率测量,直接读取相关寄存器(WATT(0A),VA(0B))。
  4.BL6523A的校准及初始化过程
  第一步,MCU上电,延时等待400Ms;第二步,对BL6523A的写寄存器的初始值依次写入,完成参数设置及芯片初始化。校准过程包括了A通道有功校准、B通道有功校准、电流电压有效值校准、有功功率校准、视在功率校准等。
  BL6523A正常工作过程:第一、保证BL6532A初始化过程的正确性。第二、读取BL6523A的有用信息。第三、监控BL6523A的工作状态,一般监控效验寄存器CHKSUM的正确性。
  BL6523A的校表过程如图4所示。

  5.BL6523使用中需注意的问题
  (1)PCB板的地线布置对电磁干扰的防范很重要;
  (2)输入模拟信号尽量平行对称;
  (3)晶振的放置位置不要靠近PCB板边。

  电表整体性能测试结果
  电表的误差从测试及实际使用数据看,计量精度完全满足要求。1.电表能在0.5~1.3Un范围内准确测量输入电压值。2.测量电流:输入电压220V,使用锰铜测量能在50mA~100A的范围内准确测量,使用互感器方式,可以在10mA~100A的范围内准确测量。3.测量功率:从最大22,000W到最小测量功率在启动电流状态下的4.4W能准确测量。4.测量功率因数:输入电压220V,功率因数能从Imax(最大电流)到工作电流在200mA被准确测量。5.通过测试,BL6523A对于EMC的抗干扰能力无论是带负载或空载情况下都很强。

  结论
  计量芯片方案作为智能电表的核心方案之一。我们通过系统设计,验证了BL6523A完全符合国家电网公司的新一代智能电表的要求标准,其优异的性能、优秀的抗干扰性使硬件设计变得简单可靠,软件设计沿用通用的接口方式,便于电表应用工程师的程序设计。此外,BL6523A还可以用于其他工业电气测量和民用电气测量领域。


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