詳解智能電網(wǎng)的主流計(jì)量芯方案

1、詳解智能電網(wǎng)的主流計(jì)量芯方案中心議題：BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析實(shí)現(xiàn)電氣測量的原理電氣測量原理從硬件設(shè)計(jì)分析智能電網(wǎng)的計(jì)量芯片BL6523A從軟件設(shè)計(jì)分析智能電網(wǎng)的計(jì)量芯片BL6523A解決方案：智能電表計(jì)量芯片系統(tǒng)方案在智能電網(wǎng)的諸多應(yīng)用中。智能電表應(yīng)用已率先落地。根據(jù)國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)智能化建設(shè)規(guī)劃，在國家電網(wǎng)公司“計(jì)量、抄表和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)研究”項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，全國的大多數(shù)電表企業(yè)均設(shè)計(jì)研發(fā)了符合新一代智能電網(wǎng)要求的電度表。在單相電度表的設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)周期短，任務(wù)重，各個廠家對于設(shè)計(jì)芯片選型、硬件布局等還有待改進(jìn)的地方。本文針對新一代智能、電網(wǎng)的計(jì)量芯片BL6523A，從硬

2、件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行分析。 智能電表原理框圖由上面方框圖可以看出，智能電表所需IC包括多功能計(jì)量、MCU、通訊、帶溫補(bǔ)的高精度實(shí)時時鐘、液晶驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲及電源等。在設(shè)計(jì)中，由于計(jì)量部分要與MCU等其他部分隔離，因此目前的方案計(jì)量部分均采用單獨(dú)的芯片。目前的主流方案計(jì)量芯片通常采用上海貝嶺的BL6523、深圳銳能微RN8209及CS5464等，MCU則大多采用NEC、瑞薩、飛思卡爾等國外品牌的產(chǎn)品。BL6523A計(jì)量芯片是結(jié)合國內(nèi)外計(jì)量要求，集合防竊電技術(shù)、多項(xiàng)專利技術(shù)而設(shè)計(jì)的能實(shí)現(xiàn)包括電壓電流等多種電氣測量的計(jì)量芯片產(chǎn)品。BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析及電氣測量原理1.BL6523A的

3、性能介紹BL6523A是一款高精度、高穩(wěn)定性的計(jì)量芯片，其精度在輸入動態(tài)工作范圍(1500:1)內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%;穩(wěn)定性高，輸出頻率波動小于0.1%。BL6523A可精確測量正負(fù)兩個方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖(CF);具有兩個電流采樣端，采樣火線和零線電流;給出電壓和雙電流的有效值，以及可測量范圍(1500:1)。BL6523A還具有電壓失壓和斷相檢測功能;芯片上有電源電壓監(jiān)測電路，檢測掉電狀;具有防潛動功能，可編程防潛閥值設(shè)置;同時具有可編程調(diào)整脈沖輸出的頻率;此外，BL6523A還具有可編程增益調(diào)整和相位補(bǔ)償;給出功率因子(PF)，計(jì)算功率因數(shù);可按需要給出中斷請求信號

4、(/IRQ);提供SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。BL6523A帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2.5V電壓。芯片外接3.58MHz晶振。芯片單工作電源5V，功耗(典型值)低至25mW。2.BL6523A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)BL6523A的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，電流信號和電壓信號先分別經(jīng)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過采樣濾波器、高通濾波器(HPF)濾去高頻噪聲與直流增益，得到需要的電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)。然后將這兩個數(shù)據(jù)相乘，便得到瞬時有功功率，接著經(jīng)過低通濾波器，輸出平均有功功率。電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)分別通過平方電路、低通濾波器(LPF2)、開平方電路，得到電

5、流有效值和電壓有效值。有功功率通過一定時間的積分，可獲得有功能量。經(jīng)過數(shù)字信號的處理，通過SPI接口輸出多種電氣數(shù)字量。 3.BL6523A實(shí)現(xiàn)電氣測量的原理BL6523A的測量部分與主MCU共用5V電源系統(tǒng)，大大簡化了電源成本和設(shè)計(jì)。SPI通訊口使用的速率可以在30kHz以上，推薦使用30kHz，節(jié)省了主MCU的工作時間。主MCU上電復(fù)位后，大約需要延后400ms左右，對BL6523A計(jì)量芯片進(jìn)行初始化。BL6523A的這種設(shè)計(jì)，可以節(jié)省昂貴的SPI通訊光偶，提高整表的性能。 對于本地費(fèi)控電表在IC卡座可以使用隔離措施。當(dāng)然BL6523A也可以使用傳統(tǒng)的隔離措施，單獨(dú)供電，與控制MCU進(jìn)行隔

6、離。BL6523A整表方案整表的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對于電表廠來說，相對都比較成熟，本文重點(diǎn)討論計(jì)量芯片BL6523A的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 1.BL6523A的采樣參數(shù)設(shè)計(jì)控制寄存器(MODE)選擇：例如設(shè)計(jì)電表Un=220V(Un：額定電壓)10(60)A(電流規(guī)格)，電表常數(shù)為1600imp/kWh。BL6523A的電壓、電流輸入通道允許輸入的最大信號為±660mV峰值(即有效值467mVrms)。電壓通道需要考慮滿足130%Un的過壓，以及信號冗余，可通過電阻匹配220VAC電壓降至280mV左右，作為電壓通道輸入。電流A通道考慮錳銅的發(fā)熱，10(60)A表可采用200250

7、錳銅，假設(shè)采用250錳銅，在Imax=60A電流時，電流輸入通道的采樣信號為60A×250=15mVrms;根據(jù)電流通道的最大允許輸入信號467mVrms，電流A通道可采用16倍增益。電流B通道采用互感器1000:1;負(fù)載電阻4，電流通道B采用1倍增益。綜上分析，電流A通道16倍增益，電流B通道1倍增益，電壓通道1倍增益;增益寄存器15H(GAIN)寫入00FH，14H(MODE)寫入800H。2.BL6523A分頻系數(shù)選擇(WA_CFDIV)電表常數(shù)為1600imp/kWh，可知在Imax時對應(yīng)的CF輸出頻率為(220×60×1600)/(3600×1

8、000)=5.87Hz，此時電壓通道輸入信號為280mVrms，1倍增益;電流通道輸入信號為15mVrms，16倍增益，對應(yīng)到電流電壓通道滿幅信號輸入時的CF輸出頻率為5.87×467×467/(280×15×16)=19.05Hz，有功CF縮放比例寄存器19H(WA_CFDIV)可選擇008H。 3.BL6523A其他重要寄存器使用a.有功防潛動閾值設(shè)置如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求0.4%Ib能正常啟動，則可將防潛動閾值設(shè)為0.2%Ib對應(yīng)的有功功率，即12CH(300);有功防潛動閾值寄存器設(shè)定值

9、為300/(2×1.36)=110(06EH)。b.反向指示閾值設(shè)置如在Ib、Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H(150000)，要求大于0.4%Ib能指示反相，則可將反相指示閾值設(shè)為0.4%Ib對應(yīng)的有功功率，即258H(600);反相指示閾值寄存器設(shè)定值為600/(32×1.36)=13(00DH)。c.有功誤差調(diào)整在100%Un、標(biāo)準(zhǔn)電流Ib1.0下測試，由校表臺獲得誤差Err，如Err為負(fù)值，則WATTGN=;如Err為正值，則WATTGN=(WATTGN：功率增益)。2EH電流A通道增益調(diào)整寄存器A_CHGN;2FH電流B通道增益調(diào)整寄存器B_CH

10、GN;12位寄存器，補(bǔ)碼形式，增益調(diào)整范圍±50%。d.相位調(diào)整相位補(bǔ)償?shù)脑硎菍⒁粋€小的時間延時或超前引入信號處理電路以對小的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。相位校正寄存器為8位寄存器;D7為使能位，=1時開啟相位補(bǔ)償，=0時關(guān)閉相位補(bǔ)償;D6D0為延時或超前時間，2.2us/1LSB。相應(yīng)的分辨率為360°×(1/450kHz)×50Hz=0.04°，最大可調(diào)5.08°。在100%Un，標(biāo)準(zhǔn)電流Ib0.5L下測試，測得誤差Err，寄存器值=int(/0.04-1)&0x80，int為取整操作;如果Err為正值，改動電流通道相位寄存器IA

11、PHCAL、IBPHCAL;如果Err為負(fù)值，改動電壓通道相位寄存器VPHCAL;1EH，電流A相位校正寄存器IA_PHCAL;1FH，電流B相位校正寄存器IB_PHCAL;20H，電壓相位校準(zhǔn)寄存器V_PHCAL。e.小信號補(bǔ)償調(diào)整小電流1.0情況下，如果小信號精度偏差較大，可通過調(diào)整有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器來修正小信號偏差。1AHA通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器A_WATTOS，僅影響A通道有功功率測量;1BHB通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器B_WATTOS，僅影響B(tài)通道有功功率測量;均為12位寄存器，補(bǔ)碼形式，可調(diào)整范圍+2047-2047;如小信號情況下，有功功率寄存器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為

12、WATT_Data，有功功率誤差為Err，則有功功偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：int(WATT_Data×(-Err)/1.36)(int為取整)。舉例如下：如在5%Ib信號點(diǎn)的有功功率誤差為-0.45%，有功功率寄存器WATT(0AH)的數(shù)據(jù)為10,000，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：10000×0.0045/1.36=33。f.電壓電流的測量在100%Un、標(biāo)準(zhǔn)電流Ib1.0情況下得到IARMS、IBRMS寄存器的值，電流有效值系數(shù)IkA=IARMS/Ib，IkB=IBRMS/Ib。而后用戶可以根據(jù)讀取的IARMS、IBRMS寄存器的值除以IkA、IkB，獲得實(shí)際的電流顯

13、示值。05h，電流A有效值寄存器IARMS;06h，電流B有效值寄存器IBRMS。在100%Un電壓情況下得到VRMS寄存器的值，電壓有效值系數(shù)Uk=VRMS/Un。07h，電壓有效寄存器V_RMS。g.功率因數(shù)COS的測量，可以直接讀取PF(08)寄存器。h.有功功率和視在功率測量，直接讀取相關(guān)寄存器(WATT(0A)，VA(0B)。4.BL6523A的校準(zhǔn)及初始化過程第一步，MCU上電，延時等待400Ms;第二步，對BL6523A的寫寄存器的初始值依次寫入，完成參數(shù)設(shè)置及芯片初始化。校準(zhǔn)過程包括了A通道有功校準(zhǔn)、B通道有功校準(zhǔn)、電流電壓有效值校準(zhǔn)、有功功率校準(zhǔn)、視在功率校準(zhǔn)等。BL6523

14、A正常工作過程：第一、保證BL6532A初始化過程的正確性。第二、讀取BL6523A的有用信息。第三、監(jiān)控BL6523A的工作狀態(tài)，一般監(jiān)控效驗(yàn)寄存器CHKSUM的正確性。BL6523A的校表過程如圖4所示。 5.BL6523使用中需注意的問題(1)PCB板的地線布置對電磁干擾的防范很重要;(2)輸入模擬信號盡量平行對稱;(3)晶振的放置位置不要靠近PCB板邊。電表整體性能測試結(jié)果電表的誤差從測試及實(shí)際使用數(shù)據(jù)看，計(jì)量精度完全滿足要求。1.電表能在0.51.3Un范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量輸入電壓值。2.測量電流：輸入電壓220V，使用錳銅測量能在50mA100A的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量，使用互感器方式，可以在10mA100A的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量。3.測量功率：從最大22,000W到最小測量功率在啟動電流狀態(tài)下的4.4W能準(zhǔn)確測量。4.測量功率因數(shù)：輸入電壓220V，功率因數(shù)能從Imax(最大電流)到工作