黃 亮，王景存，康之訥，余 唯

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

一般而言，電表量程與電能計量芯片的A/D采樣動態(tài)范圍相關(guān)。受已投放市場的電能計量芯片動態(tài)范圍限制，電力公司不得不對電表規(guī)定較多的電流規(guī)格，以適應不同用電負荷用戶的需求。由于電表的使用壽命一般為10年，但用戶的用電需求可能在電表安裝幾年后出現(xiàn)較大的增長，使得最大負荷可能接近甚至超過電表的最大電流。為了用電安全需要，電力公司不得不更換大量處于使用壽命初、中期的電表，導致大量的資源浪費。寬量程的智能電表可以減少電表規(guī)格數(shù)量，解決增容換表的問題，而且有助于電表制造企業(yè)減少物料品種，簡化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率[1-2]。

文中采用寬動態(tài)范圍的新型電能計量芯片RN8302，設(shè)計了一款計量范圍為 20 mA～100 A（3×220 V/380 V）的寬量程的三相四線制智能電表，有功電能的計量誤差低于±0.3%，達到國家電網(wǎng)0.5S級有功電能表精度要求[3]。文中將對該三相四線制智能電表的硬件主要部分和軟件實現(xiàn)進行介紹。

1 硬件設(shè)計

RN8302是一款新型的三相多功能防竊電電能計量芯片，擁有超寬的動態(tài)范圍，電壓和電流有效值在5000：1的動態(tài)范圍內(nèi)，非線性誤差<0.1%，完全滿足國家電網(wǎng)0.5 S級有功電能表精度要求。RN8302的電壓和電流采樣通道為24 bitsADC，共7路，采用全差分方式輸入，3路用于相線電流采樣，一路用于零線電流采樣，3路用于電壓采樣。提供全波、基波有功、無功、視在功率和方向等數(shù)據(jù)，支持無功四象限判斷。具有潛動啟動和二次側(cè)互感器開短路檢測功能。既支持功率校表法，也支持傳統(tǒng)的脈沖校表法，適用于三相三線、三相四線制電能計量[4]。本設(shè)計的硬件電路主要包括：模擬信號輸入電路和RN8302與MCU接口電路。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用新型RN8302芯片設(shè)計的三相智能電表，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括采樣電路、RS485和紅外通訊、數(shù)據(jù)存儲、預付費ESAM模塊、時鐘、按鍵、電源管理和LCD顯示等部分。電表工作時，電壓和電流經(jīng)取樣電路分別取樣后，送至電能計量芯片RN8302。經(jīng)計量芯片處理后，精確計算出有功功率、無功功率、視在功率等數(shù)據(jù)并保存在內(nèi)部寄存器中。MCU定時讀取計量芯片內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，并完成輸入輸出操作和管理功能。主要的輸入輸出操作包括：RS485和紅外通訊、數(shù)據(jù)存儲、實時時鐘讀寫、按鍵輸入判斷和LCD顯示等。主要管理功能包括：電量累計、需量計量、瞬時量處理、復費率處理、預付費管理、失壓失流判斷和記錄、電能質(zhì)量監(jiān)測、結(jié)算等功能。

圖1 三相智能電表結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of three-phase smart watt-hour meter

1.2 模擬信號輸入電路

RN8302 的 IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN 對應 A、B、C 三相電流三對差分電壓輸入，這4個電流通道最大的信號電壓變化范圍為±0.4 V。通過配置寄存器ADCCFG的6位和7位，可對IAP/IAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的8位和9位，可對IBP/IBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的10位和11位，可對ICP/ICN通道模擬增益選擇，放大器的增益為1，2，4或8。在A相電流回路設(shè)計中（如圖2所示），互感器選用 5（100） A/4 mA/5 Ω/0.001 級，采樣電阻采用5 Ω，設(shè)置放大器增益為1，電表加基本電流5 A時采樣信號為4 mA×5 Ω=0.02 V，加最大電流100 A時采樣信號為80 mA×5 Ω=0.4 V，加最小電流 20 mA 時采樣信號為 16 μA×5 Ω=80 μV，在 RN8302 精度保證范圍內(nèi)。

圖2 A相電流采樣電路Fig.2 Current sample input of phase A

VAP/VAN，VBP/VBN，VCP/VCN對應三路單端電壓輸入通道，這三路單端電壓的最大輸入電壓變化范圍為±0.4 V。通過配置寄存器ADCCFG的0位和1位，可對VAP/VAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的2位和3位，可對VBP/VBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的4位和5位，可對VCP/VCN通道模擬增益選擇，放大器的增益為1，2，4或8。在A相電壓采樣回路設(shè)計中（如圖 3所示），采用電阻分壓方式，設(shè)置放大器增益為1，VAP/VAN采樣信號為220 mV，在RN8302精度保證范圍內(nèi)。

1.3RN8302與MCU接口電路

圖3 A相電壓采樣電路Fig.3 Voltage sample input of phase A

MCU 采用 MSP430F5438，256k Flash Memory，16k RAM，其工作電壓為2.2～3.6 V[5]。RN8302的工作電壓為3.0～3.6 V。采用3.3 V直流供電，可以同時滿足電能計量芯片和MCU的電源需要。RN8302與MSP430F5438接口采用SPI通訊方式，SDO為SPI串行數(shù)據(jù)輸出，SDI為 SPI串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為串行時鐘輸入，SCSN為SPI從設(shè)備片選信號。SPI傳輸線有可能受到干擾出現(xiàn)抖動，外接100 kΩ上拉電阻和10 pF濾波電容。RN8302與MSP430F5438的接口電路如圖4所示。

圖4 RN8302與MSP430F5438的SPI接口Fig.4 SPI interface between RN8302 and MSP430F5438

2 軟件實現(xiàn)

下面介紹三相電表系統(tǒng)功能的軟件設(shè)計：電表軟件程序采用模塊化編程，系統(tǒng)上電復位對各個模塊初始化，主循環(huán)調(diào)用各模塊子程序。各模塊子程序主要包括：時鐘模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、通訊模塊程序、預付費模塊程序、電能質(zhì)量監(jiān)測模塊程序、事件記錄模塊程序和顯示模塊程序等。系統(tǒng)軟件功能圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件功能圖Fig.5 Functional diagram of system software

1）時鐘模塊程序：根據(jù)時鐘芯片RX8025SA提供的時間為數(shù)據(jù)處理模塊提供時間度量并且為LCD提供當前時間顯示。

2）數(shù)據(jù)處理模塊程序：將計量芯片RN8302提供的有功無功電能、三相電壓電流值、頻率和功率因素等數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合當前時段和費率，得到用戶的各費率時段實際用電量以及最大需量等，并在設(shè)置時刻將數(shù)據(jù)保存到存儲器中。

3）通訊模塊程序：通訊模塊分為紅外和RS485。電表能夠通過紅外接口和RS485接口向抄表系統(tǒng)提供當前或已保存數(shù)據(jù)。

4）預付費模塊程序：ESAM模塊對電能表內(nèi)部傳輸?shù)某渲?、消費、操作記錄等數(shù)據(jù)進行加密、解密[6]。

5）電能質(zhì)量監(jiān)測模塊程序：對諧波幅頻、相移和電壓線頻率進行檢測和分析。

6）事件記錄模塊程序：記錄電表失壓、失流、斷相、掉電、編程、校時、清零和控制拉閘等事件。

7）顯示模塊程序：通過LCD顯示時間、四象限有功無功電能、三相電壓電流值、頻率、功率因素、各時段各費率用電量以及最大需量等，并可通過按鈕對顯示界面進行操作。

3 測試結(jié)果

首先對樣表進行校準，采用簡單快捷的功率校表方法對各相電壓、電流增益和電壓、電流相位差進行數(shù)字補償。只需一臺高精度的三相源（精度等級為0.05級），在PF=1.0，額定電壓、電流輸入時，讀取待校正電表的電壓和電流測量值，通過差值運算計算出各相電壓和電流增益，將計算出的數(shù)值寫入待校正電表的寄存器 GSUA、GSUB、GSUC、GSIA、GSIB 和 GSIC。 調(diào)整 PF=0.5，讀取待校正電表的有功功率測量值，計算出各相電壓和電流通道之間的角差，將數(shù)值寫入待校正電表的寄存器PHSUA、PHSUB和PHSUC進行相位通道校正。然后將3只樣表分別在PF=1.0和PF=0.5時進行測量，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明：電表在20 mA～100 A的電流范圍內(nèi)，有功電能的計量誤差低于±0.3%，實現(xiàn)了高精度、寬量程的電能計量。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Experiment results

4 結(jié)束語

文中采用一款動態(tài)范圍為5 000：1的新型電能計量芯片RN8302，設(shè)計了一款量程為 20 mA～100 A（3×220 V/380 V），支持預付費和分時電價，具有RS485和調(diào)制式紅外通訊、按鍵及紅外停電喚醒抄表功能的三相四線制智能電表，有功電能的計量誤差低于±0.3%，達到國家電網(wǎng)0.5S級有功電能表精度要求，實現(xiàn)了高精度、寬量程的電能計量，減少了電表規(guī)格品種。

[1]馮勇軍，浦志勇，蔣紫松.采用5000：1動態(tài)范圍的單相高準確度計量芯片設(shè)計的1（100）A電流規(guī)格電能表[J].電測與儀表，2011，48（1）：50-53.

FENG Yong-jun，PU Zhi-yong， JIANG Zi-song.Design of 1（100）A single phase high accuracy energy meter using 5000：1 dynam ic range metering IC[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2011，48（1）：50-53.

[2]朱寧輝，白曉民.雙向智能電能表功能需求和結(jié)構(gòu)性能分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（11）：2-4.

ZHUNing-hui，BAIXiao-min，GAO Feng.Function requirements and structure properties analysis of Bi-directional smart meter[J].Power System Technology，2011，35（11）：2-4.

[3]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 358-2009.0.5S級三相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[4]深圳市瑞能微科技有限公司.RN8302用戶手冊[M].1.3版.深圳：瑞能科技，2011.

[5]王建校，危建國，孫宏濱.MSP430 5XX/6XX系列單片機應用基礎(chǔ)與實踐[M].北京：高等教育出版社，2012.

[6]陶維青，黃俊祥，曹軍，等.ESAM安全模塊在預付費電表中的應用研究[J].電測與儀表，2010，47（11）：58-61.

TAO Wei-qing，HUANG Jun-xiang，CAO Jun，et al.Application study of embedded secure access module in CPU card prepayment meters[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2010，47（11）：58-61.