新一代智能电能表计量技术及采用计量芯片BL6523A的实现方案

芯片的诞生使科技化的生活方式无所不在新一代智能电能表计量技术及采用计量芯片BL6523A的实现方案上海贝岭股份有限公司黄长江[e-mail]2020年1月17日内容提要电能计量IC的发展国网智能电表对计量IC的要求新一代计量IC的功能特点及架构设计中需注意的问题设计举例贝岭IC在电表中的应用贝岭计量IC的质量控制2020/1/17时间发明人电能表的特点级数*1880[德]爱迪生利用电解原理的直流电能表1888[意]费拉里斯利用旋转磁场的原理的交流电能表1889[德]布勒泰无电流铁心的单磁通式的感应系电能表5.01890带电流铁心的多磁通式的感应式电能表20世纪感应式电能表的制造理论形成并得到广泛应用1.0~2.020世纪80年代为提高测量精度,出现电子式电能表;出现多种电压电流模拟输入,模拟乘法的技术方案0.2~0.520世纪90年代加入了大规模数字集成电路.出现数字乘法,数字滤波为代表的高精度,高稳定度的电子电能表0.05~0.5电能计量IC技术概述基于模拟信号处理的电能计量2020/1/17采用模拟乘法器(时分割乘法器、霍尔乘法器)对电压和电流信号进行实时乘积运算得到瞬时功率信号，然后通过滤波器滤除2ω，3ω，。。。等谐波分量得到平均功率，再经电压频率转换产生脉冲输出，该方案的典型代表是BL093X系列IC电能计量IC技术概述基于数字信号处理的电能计量2020/1/17转换器分别对电流和电压通道进行实时采样，然后采用数字乘法器求出瞬时功率信号，再经过LPF滤除高频量化噪声得到瞬时实功率信号，由数字积分器对该功率信号积分变成能量信号，最后由DTF转换为脉冲输出。数字乘法器时分割乘法器型霍尔乘法器型精度高一般一般启动电流小小一般频率响应10KHz10KHz0-100KHz电磁兼容性好好好时间漂移好较好较好功能扩展性好一般一般抗外磁场干扰好好差制造成本中低高2020/1/17优点：SAR结构SAR通过连续时间比较获得接近输入信号的二进制输出，有着广泛的应用。1高速，每秒可以进行100万次转换。2与其它结构比较，功耗小。3在所需要分辨率低的情况下，比较便宜，特别是12Bits以下。1在14bits高分辨率情况下较贵。IntegratingADC用于慢速，精确测量领域，如数字电压计。可以提供高到22bits的分辨率，并对高频信号抑制。1高精度2相当低的功耗3相当低成本转换速率低。以牺牲转换速率来增加分辨率。典型情况，对于12bits精度，每秒转换100~300次。Sigma-DeltaADC在过去几年，Sigma-Delta结构得到广泛使用，主要应用于高分辨率AD转换电路。Sigma-Delta最大的一个优点是能与DSP技术相结合，应用于Mix-signal电路。Sigma-Delta转换器通过高速采样把模拟信号变成1bits的数字流，通过后续的数字滤波获得高的有效精度。1高分辨率，高达20bits2相对于IntegratedADC和VFC，有高的转换速率。3能在Mixed-signalCMOS电路中提供低成本高精度的解决方法。4由于采用过采样技术，对前级抗混叠滤波的要求比较低。1如果需要更快的转换速率，必须采用高阶调制器。2与SAR结构，和IntegratingADC相比，功耗更大。单相电能计量IC简单有功计量•单相有功计量IC(ADE7755、BL6503、ATT7021）•单相有功双通道计量IC（ADE7751、BL6501A、BL6502）•单相有功双通道、断零检测计量IC（ADE7761、BL6504）•内置晶振的计量iC（ADE71056、BL0930、BL6502）多功能•VRMS、IRMS、P、Q、S、PF、Freq•正向P、Q、有功能量、无功能量•反向P、Q、有功能量、无功能量数据接口•SPI•UART•单总线•I2C•等等2020/1/17的要求国网标准的新要求–单相智能电能表技术规范–4.4.1计量功能具有正向有功电能、反向有功电能计量功能，能存储其数据，并可以据此设置组合有功。-----正向、反向有功判断–4.4.3测量及监测能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（包括零线电流）、功率、功率因数等运行参数。测量误差（引用误差）不超过±1%。-----双电流、功率因数及有效值的功能要求2020/1/17国网标准的新要求–单相智能电能表技术规范–4.7.3负载电流升降变差在功率因数1.0，负荷电流0.01Ib～Imax变化范围内，同一只被试样品在相同负载点处的误差变化的绝对值不应超过0.25%-----宽量程的要求2020/1/17的要求有功功率需要区分正功、负功；有功能量也需要按正向有功能量、负向有功能量来进行累积；要能测量电压、火线电流、零线电流的有效值，功率因数，（视在功率，工频频率等）；计量IC的可测试范围需要加大；（以10倍表为例，10Ib～0.01Ib测试范围，同时还需要考虑120%Un，120%Imax，整个测试范围需要1440：1）测量电参数的增加，如何对校表流程进行优化，以减少大生产时的调试时间2020/1/17的特点•高精度，在输入动态工作范围（1500:1）内，非线性测量误差小于0.1%•高稳定性，输出频率波动小于0.1%•芯片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）•芯片有两个电流采样端，采样火线和零线电流•芯片给出电压和双电流的有效值，可测量测量范围（1000:1）•芯片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，检测掉电状况•芯片具有防潜动功能，可编程防潜阀值设置•芯片具有可编程调整脉冲输出的频率•芯片具有可编程增益调整和相位补偿•芯片给出功率因子（PF）•芯片可按需要给出中断请求信号（/IRQ）•芯片具有一个SPI通信接口，用于数据传输•芯片带参考电压源2.5V，也可使用外部2.5V电压•芯片外接晶振3.58MHz•芯片单工作电源5V，低功耗25mW（典型值）2020/1/17电压采样模数转换数字信号处理SPI通讯接口电流电压有效值IAPIANIBPVPVNSCLK/CSCLKOUTCLKIN时钟参考电压源VREF模数转换选择输出DOUTDIN电流采样ABL6523AAGNDSSOP2411121413AT0AT1AT3AT2IBN功率因子有功/视在功率值有功/视在能量值电流不平衡检测电流电压峰值检测电压失压断相检测多种中断事件AT1AT0AT2AT3AVDDDVDD电源监控/RSTDGNDCF中断/IRQ电流采样B模数转换架构说明12020/1/17典型应用图2020/1/17=FAULT、AT1=REVP、AT2=ZX、AT3=nSAG0001nSAG01指示产生线电压跌落中断0010ZXTO01指示产生过零超时中断0011ZX0指示产生电压波形符号位（过零）0100PKIA01指示电流A有效值峰值超过IAPKLVL中断0101PKIB01指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断0110PKV01指示电压有效值峰值超过VPKLVL中断0111REVP0指示有功功率计算发生符号变化（负功）1000APEHF01指示WATTHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满）1001VAPEHF01指示VAHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满）1010FAULT01指示电流AB两通道不平衡，差值大于设定值1011CHSEL00指示用电流A通道计量，1指示用电流B通道计量其余Reversed0保留2020/1/17~AT3可选择的数字输出脚中断功能位置中断标志默认值描述0SAG0指示产生线电压跌落中断1ZXTO0指示产生过零超时中断2ZX0指示产生电压波形符号位3PKIA0指示电流A有效值峰值超过IAPKLVL中断4PKIB0指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断5PKV0指示电压有效值峰值超过VPKILVL中断6REVP0指示有功功率计算发生符号变化7APEHF0指示WATTHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满）8VAPEHF0指示VAHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满）9FAULT0指示电流AB两通道不平衡10CHSEL0指示计量用通道，0为电流A通道、1为电流B通道其余Reversed0保留2020/1/17中断状态寄存器（STATUS）、中断屏蔽寄存器（MASK）设计中需注意的问题2020/1/17打开写保护寄存器3EHWRPROT写保护寄存器3EH写入55H，允许写入整机参数设置有功功率CF缩小比例19HWA_CFDIV通道增益设置A通道增益设置15HGAIN3:0B通道增益设置15HGAIN7:4电压通道增益设置15HGAIN11:8有功防潜动阈值17HWA_CREEP反向指示阈值18HWA_REVP工作模式设置14HMODE计量通道选择14HMODE[0]=0;A通道;MODE[0]=1;B通道；是否开启高通滤波器14HMODE[4:2]能量累加模式选择14HMODE[9:8]电流不平衡阈值设定14H[11:10]BL6523A校表流程通道校准A通道有功校准PF=1.0Ib时电流A通道增益调整2EHIA_CHGNPF=0.5LIb相位校准1EHIA_PHCAL、20HV_PHCALPF=1.05%Ib有功偏置校准1AHA_WATTOSB通道有功校准PF=1.0Ib时电流B通道增益调整2FHIB_CHGNPF=0.5LIb相位调整1FHIB_PHCAL、20HVP_HCALPF=1.05%Ib有功功率偏置校准1BHB_WATTOS2020/1/17校表流程电流、电压有效值校准A通道加Ib电流，求出转换系数IkA=IARMS/Ib；05HIARMSB通道加Ib电流，求出转换系数IkB=IBRMS/Ib；06HIBRMS电压为100%Un，求出转换系数Uk=VRMS/Un；07HVRMS有功功率校准、视在功率校准A通道加Ib电流，电压为100%Un，PF＝1，求出转换系数WATT_k=WATT/(Ib*Un)；0AHWATTA通道加Ib电流，电压为100%Un，PF＝1，求出转换系数VA_k=VA/(Ib*Un)；0BHVA关闭写入写保护寄存器3EH写入00H（除55H外的任何值），禁止写入2