新型電能計(jì)量芯片RN8302在智能電表中的應(yīng)用

黃 亮，王景存，康之訥，余 唯

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

一般而言，電表量程與電能計(jì)量芯片的A/D采樣動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)。受已投放市場的電能計(jì)量芯片動(dòng)態(tài)范圍限制，電力公司不得不對(duì)電表規(guī)定較多的電流規(guī)格，以適應(yīng)不同用電負(fù)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(fù)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(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)。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(dòng)態(tài)范圍的新型電能計(jì)量芯片RN8302，設(shè)計(jì)了一款計(jì)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(jì)量誤差低于±0.3%，達(dá)到國家電網(wǎng)0.5S級(jí)有功電能表精度要求[3]。文中將對(duì)該三相四線制智能電表的硬件主要部分和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 硬件設(shè)計(jì)

RN8302是一款新型的三相多功能防竊電電能計(jì)量芯片，擁有超寬的動(dòng)態(tài)范圍，電壓和電流有效值在5000：1的動(dòng)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(jí)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(dòng)啟動(dòng)和二次側(cè)互感器開短路檢測(cè)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(jì)量[4]。本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括：模擬信號(hào)輸入電路和RN8302與MCU接口電路。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用新型RN8302芯片設(shè)計(jì)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(chǔ)、預(yù)付費(fèi)ESAM模塊、時(shí)鐘、按鍵、電源管理和LCD顯示等部分。電表工作時(shí)，電壓和電流經(jīng)取樣電路分別取樣后，送至電能計(jì)量芯片RN8302。經(jīng)計(jì)量芯片處理后，精確計(jì)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(shí)讀取計(jì)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(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)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(jì)、需量計(jì)量、瞬時(shí)量處理、復(fù)費(fèi)率處理、預(yù)付費(fèi)管理、失壓失流判斷和記錄、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、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(hào)輸入電路

RN8302 的 IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN 對(duì)應(yīng) A、B、C 三相電流三對(duì)差分電壓輸入，這4個(gè)電流通道最大的信號(hào)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(duì)IAP/IAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的8位和9位，可對(duì)IBP/IBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的10位和11位，可對(duì)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(jì)中（如圖2所示），互感器選用 5（100） A/4 mA/5 Ω/0.001 級(jí)，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(shí)采樣信號(hào)為4 mA×5 Ω=0.02 V，加最大電流100 A時(shí)采樣信號(hào)為80 mA×5 Ω=0.4 V，加最小電流 20 mA 時(shí)采樣信號(hào)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(duì)應(yīng)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(duì)VAP/VAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的2位和3位，可對(duì)VBP/VBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的4位和5位，可對(duì)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(jì)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(hào)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(shí)滿足電能計(jì)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(shí)鐘輸入，SCSN為SPI從設(shè)備片選信號(hào)。SPI傳輸線有可能受到干擾出現(xiàn)抖動(dòng)，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(shí)現(xiàn)

下面介紹三相電表系統(tǒng)功能的軟件設(shè)計(jì)：電表軟件程序采用模塊化編程，系統(tǒng)上電復(fù)位對(duì)各個(gè)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(shí)鐘模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、通訊模塊程序、預(yù)付費(fèi)模塊程序、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(shí)鐘模塊程序：根據(jù)時(shí)鐘芯片RX8025SA提供的時(shí)間為數(shù)據(jù)處理模塊提供時(shí)間度量并且為LCD提供當(dāng)前時(shí)間顯示。

2）數(shù)據(jù)處理模塊程序：將計(jì)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(jìn)行處理，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，得到用戶的各費(fèi)率時(shí)段實(shí)際用電量以及最大需量等，并在設(shè)置時(shí)刻將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)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(dāng)前或已保存數(shù)據(jù)。

4）預(yù)付費(fèi)模塊程序：ESAM模塊對(duì)電能表內(nèi)部傳輸?shù)某渲?、消費(fèi)、操作記錄等數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密[6]。

5）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊程序：對(duì)諧波幅頻、相移和電壓線頻率進(jìn)行檢測(cè)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(shí)、清零和控制拉閘等事件。

7）顯示模塊程序：通過LCD顯示時(shí)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(shí)段各費(fèi)率用電量以及最大需量等，并可通過按鈕對(duì)顯示界面進(jìn)行操作。

3 測(cè)試結(jié)果

首先對(duì)樣表進(jìn)行校準(zhǔn)，采用簡單快捷的功率校表方法對(duì)各相電壓、電流增益和電壓、電流相位差進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。只需一臺(tái)高精度的三相源（精度等級(jí)為0.05級(jí)），在PF=1.0，額定電壓、電流輸入時(shí)，讀取待校正電表的電壓和電流測(cè)量值，通過差值運(yùn)算計(jì)算出各相電壓和電流增益，將計(jì)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(cè)量值，計(jì)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(jìn)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(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)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(jì)量誤差低于±0.3%，實(shí)現(xiàn)了高精度、寬量程的電能計(jì)量。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Experiment results

4 結(jié)束語

文中采用一款動(dòng)態(tài)范圍為5 000：1的新型電能計(jì)量芯片RN8302，設(shè)計(jì)了一款量程為 20 mA～100 A（3×220 V/380 V），支持預(yù)付費(fèi)和分時(shí)電價(jià)，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(jì)量誤差低于±0.3%，達(dá)到國家電網(wǎng)0.5S級(jí)有功電能表精度要求，實(shí)現(xiàn)了高精度、寬量程的電能計(jì)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(dòng)態(tài)范圍的單相高準(zhǔn)確度計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的1（100）A電流規(guī)格電能表[J].電測(cè)與儀表，2011，48（1）：50-53.

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