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(gè)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(shí)時(shí)鐘、液晶驅(qū)動(dòng) 、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(dòng)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(dòng)小于0.1%。BL6523A可精確測量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖(CF)；具有兩個(gè)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(dòng)功能，可編程防潛閥值設(shè)置；同時(shí)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(/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(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)相乘，便得到瞬時(shí)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，得到電流有效值和電壓有效值。有功功率通過一定時(shí)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(shí)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4 6 7mVrms ) 。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220V AC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200~250μΩ錳銅，假設(shè)采用250μΩ錳銅，在 Imax=60A電流時(shí)，電流輸入通道的采樣信號為60A×250μΩ＝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4Ω，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1 6 0 0 imp / kWh ，可知在Imax時(shí)對應(yīng)的CF輸出頻率為(220×60×1600)/(3600×1000)=5.87Hz，此時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)，則可將防潛動(dòng)閾值設(shè)為0.2%Ib對應(yīng)的有功功率，即12CH(300)；有功防潛動(dòng)閾值寄存器設(shè)定值為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1 0 0 % U n 、標(biāo)準(zhǔn)電流I b 1 . 0 下測試， 由校表臺獲得誤差E r r ， 如E r r 為負(fù)值，則WATTGN=；如Er r為正值， 則WAT T G N =(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_CHGN；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€(gè)小的時(shí)間延時(shí)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(shí)開啟相位 補(bǔ)償，=0時(shí)關(guān)閉相位補(bǔ)償；D6…D0為延時(shí)或超前時(shí)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Ib 0.5L下測試，測得誤差Err，寄存器值=[int(θ/0.04-1)]0x80，int為取整操作；如果Err為正值，改動(dòng)電流通道相位 寄存器IAPHCAL、IBPHCAL；如果Err為負(fù)值，改動(dòng)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。1AH A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；1BH B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WATT_Data，有功功率誤差為Err，則有功功