王立州，付飛亞，劉亞輝

(湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410006)

0 引言

國際法制計量組織(organization international metrologie legale,OIML)是國際性的法制計量機構(gòu)，中國是其成員國。該機構(gòu)的IR類文件為國際性計量法規(guī)文件，我國必須采納執(zhí)行。但是IR46標(biāo)準(zhǔn)與我國現(xiàn)行的電能表標(biāo)準(zhǔn)體系存在較大差異[1-2]。IR46標(biāo)準(zhǔn)要求電能表計量功能與其他功能相互獨立，非計量部分的軟件在線升級不會影響計量部分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為此，本文設(shè)計了一款低功耗的智能雙芯電表。該電表在滿足IR46標(biāo)準(zhǔn)的同時，具有軟件可移植性強、穩(wěn)定性好、功耗低、計量精度高等特點，應(yīng)用前景廣闊。

1 IR46雙芯智能電表整體架構(gòu)及工作原理

IR46雙芯智能電表主要由管理芯和計量芯2部分組成。管理芯主要由管理單片機、停抄電池、內(nèi)存卡、嵌入式安全控制模塊(embedded secure access module,ESAM)模塊、顯示、存儲器、負(fù)荷控制、通信(包括紅外、RS-485、上下行模塊)等部分組成。計量芯主要由計量單片機、計量芯片、存儲器、實時時鐘、時鐘電池、超級電容等部分組成。管理芯和計量芯公用一個系統(tǒng)電源，兩者之間通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)通信。雙芯智能電表整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 雙芯智能電表整體設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of overall design smart dual core meter

系統(tǒng)電源模塊負(fù)責(zé)將外部輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換成所需的直流電，給計量芯和管理芯系統(tǒng)及外圍模塊供電。計量芯部分主要負(fù)責(zé)電量計量，其采樣模塊負(fù)責(zé)采樣電網(wǎng)中的電壓電流信號，并將采樣到的信號傳給計量芯片，由計量芯片算出各種電參量信息傳給計量微控制單元進行處理。計量芯部分的時鐘電池是為了防止電網(wǎng)斷電而造成系統(tǒng)的時鐘混亂。超級電容是為了實現(xiàn)電表電池可更換功能。在電表時鐘電池進行更換時，由超級電容對計量芯部分供電。而管理芯部分主要負(fù)責(zé)電表的通信協(xié)議處理，系統(tǒng)軟件升級以及負(fù)荷控制等功能的實現(xiàn)。同時管理系統(tǒng)也需要負(fù)責(zé)存儲除計量數(shù)據(jù)外電能表所需要的其他數(shù)據(jù)。

2 IR46智能電表硬件設(shè)計

2.1 計量芯采樣電路設(shè)計

①電壓采樣電路。

本文設(shè)計的電壓采樣電路為電阻分壓式采樣電路，其原理圖如圖2所示。

圖2 電壓采樣電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of voltage sampling circuit

圖2中:R21～R26相當(dāng)于一個可調(diào)電阻R，其阻值選取的依據(jù)是使采樣電壓值在控制芯片可以計算的采樣范圍內(nèi)，同時不會在電流過大時電阻燒毀。然后R和R28串聯(lián)分壓，再經(jīng)過由R27、C212和R29、C213組成的濾波電路，將信號送入計量芯片RN8209C的電壓采樣端口。

②火線電流采樣電路。

電表采用雙回路采樣計量模式[3]，在火線和零線上均設(shè)計了一路采樣電路。火線電流采樣電路采用錳銅片接入方式采樣[4]?；鹁€電流采樣電路如圖3所示。

圖3 火線電流采樣電路Fig.3 Sampling circuit of “l(fā)ine” current

在火線電流采樣電路中，R61為錳銅電阻，其阻值極小，只有3 mΩ，經(jīng)過線路的電流幾乎全部流過錳銅片，即分流。而此時錳銅片兩端的電壓便是采樣得到的信號，通過此信號便可得出流入電路的電流值。

③零線電流采樣電路。

零線電流采樣作為防竊電設(shè)計，電表可以通過比較火線和零線上的采樣，判斷用戶是否正常用電。零線電流采樣電路如圖4所示。

圖4 零線電流采樣電路Fig.4 Sampling circuit of “neutral” current

零線電流采樣電路利用電流互感器原理。電流互感器原理即變壓器原理：

電流互感器輸出的電流必須要轉(zhuǎn)化為電壓，加到計量芯片的零線電流采樣端，所以在電流通道的兩個管腳之間加電阻R214和R234，可以使兩管腳之間的電壓隨輸入電流的變化而變化，從而達到采樣的目的。

2.2 電源電路設(shè)計

本文模塊所用電源方案為變壓器降壓，將220 V、50 Hz的市電轉(zhuǎn)化成直流電壓。電源電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of power circuit

220 V的交流電通過L端(火線)和N端(零線)輸入，通過線性降壓變壓器和單相橋式整流器后得到直流電壓HVCC。HVCC大約為23 V。轉(zhuǎn)化得到的HVCC再通過U100降壓芯片進行DC-DC轉(zhuǎn)化后,得到微控制單元需要的直流供電電壓DVCC(5 V)。

降壓芯片電壓轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

式中：DVCC為直流供電電壓；VFB為芯片的反饋輸入電壓。

本文電表電源部分存在保護電路，在交流電輸入端添加的壓敏電阻RV1和熱敏電阻RT1起保護作用。

RV1的作用：當(dāng)有瞬時高壓(雷擊的因素所產(chǎn)生的)施加到電源輸入兩端時，壓敏電阻RV1阻值將會發(fā)生變化，其阻值將會變得很小。此時，高電壓將會從RV1流出，而不會進入電能表，從而對電表造成損壞。

RT1的作用：RT1的阻值會隨著電流的變化而變化。在電路設(shè)計中，熱敏電阻RT1和變壓器T1串聯(lián)。當(dāng)輸入電壓增加時，電路中的電流也會隨之增加。當(dāng)電流達到一定值時，RT1阻值也會增加。此時，RT1的作用是降低電路中增加的電流，從而對變壓器T1形成保護。

3 IR46智能電表軟件部分設(shè)計

軟件是智能電表的核心部分，電表能否正常運行取決于軟件設(shè)計的質(zhì)量。IR46型智能電表功能多，其軟件設(shè)計更為復(fù)雜。原來進行軟件設(shè)計時，不用對微控制單元內(nèi)核進行分配操作，也不需要操作Bootloader部分。但是IR46型智能電表需要增加的遠(yuǎn)程升級功能，則必須對這兩個部分進行設(shè)計。由于軟件設(shè)計的復(fù)雜性大幅提升，所以在進行電表軟件設(shè)計時需反復(fù)思考和驗證，以確保程序算法穩(wěn)定可靠[3-5]。

3.1 管理芯主程序流程設(shè)計

電表系統(tǒng)軟件采用分層化和模塊化的設(shè)計，將電表軟件系統(tǒng)從下至上分為驅(qū)動層、中間層、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用層。分層化設(shè)計將驅(qū)動層和應(yīng)用層隔離，提高了程序的可移植性。而模塊化設(shè)計是在分層化的基礎(chǔ)上，對各層次進行分解設(shè)計，形成各個獨立的功能模塊，從而提高軟件的可靠性及并行開發(fā)能力。

IR46智能電表的系統(tǒng)管理程序可分解成如下幾個功能模塊：通信模塊、協(xié)議處理、數(shù)據(jù)中心、分時費率、事件記錄、凍結(jié)模塊、顯示模塊、掉電模塊。電表系統(tǒng)上電后啟動Bootloader。如果升級標(biāo)志位已置位，則進行軟件升級處理，升級完成且清除升級標(biāo)志位后進入主程序循環(huán)；如果升級標(biāo)志位未置位，則直接進入主程序循環(huán)操作，各功能模塊在主程序中被循環(huán)調(diào)用。

3.2 軟件升級的實現(xiàn)方法

系統(tǒng)遠(yuǎn)程軟件升級使用的是應(yīng)用程序控制下的在應(yīng)用編程(in application programming,IAP)[6-7]模式。IAP模式將管理芯內(nèi)核的FLASH區(qū)域分為兩個不同的程序區(qū)域。程序區(qū)域1的應(yīng)用程序為引導(dǎo)加載程序，即Bootloader程序；程序區(qū)域2的應(yīng)用程序是用戶應(yīng)用程序。Bootloader程序是一段引導(dǎo)程序，當(dāng)處理器上電或復(fù)位后，其在用戶應(yīng)用程序之前運行。Bootloader程序根據(jù)升級標(biāo)準(zhǔn)判定是否需要對用戶應(yīng)用程序進行升級。如果需要升級，Bootloader程序?qū)LASH進行擦寫，將新程序?qū)懭氤绦騾^(qū)域2中。當(dāng)程序區(qū)域2的應(yīng)用程序更新完畢后，跳出Bootlaoder部分，進入程序區(qū)域2部分，從而實現(xiàn)軟件升級。

在遠(yuǎn)程軟件升級中，需要特別注意數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的問題，所以在接收到升級代碼后，需要對其進行循環(huán)冗余校驗驗證。只有驗證通過，才能對原應(yīng)用程序進行替換。

系統(tǒng)軟件升級流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件升級流程圖Fig.6 Flowchart of system software upgrade

4 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求及誤差校準(zhǔn)

IR46型智能雙芯電表除了需要滿足電表現(xiàn)行規(guī)約要求外，在計量精度方面額外新增了以下需求。

4.1 計量芯基礎(chǔ)電能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性試驗

4.1.1 正向有功基礎(chǔ)凍結(jié)電能試驗

給IR46型智能電表計量芯部分加參比電壓，穩(wěn)定至少1 min后，電流線路在功率因素為1的情況下加正向Imax(Imax此處為60 A)，由標(biāo)準(zhǔn)時鐘控制臺走字n×1 min(推薦n=30)后停掉電流，讀取電能表計量芯基礎(chǔ)凍結(jié)i時刻的電能，記為Wi；對于時刻標(biāo)準(zhǔn)表電能記錄為WPi。間隔m×1 min計量芯基礎(chǔ)凍結(jié)電能記錄為Wi+m，同時標(biāo)準(zhǔn)表對應(yīng)時刻電能為WPi+m，計算被檢表的mmin用電量誤差Yi。

(2)

4.1.2 管理芯電能示值誤差

雙芯智能電表顯示當(dāng)前電量示值與計量芯當(dāng)前電量之間的誤差δ，要求：

|δ|

(3)

式中：δ為示值誤差；b為計度器倍率，未標(biāo)注為1；a為管理芯計度器小數(shù)位數(shù)，無小數(shù)位數(shù)時，a=0。

4.1.3 管理芯計費準(zhǔn)確性試驗

在電能示值組合誤差試驗結(jié)束后，讀取計量芯中基礎(chǔ)凍結(jié)電能。根據(jù)管理芯中預(yù)設(shè)的時段、時區(qū)表，進行費率電能示值誤差校核。

4.2 計量精度校準(zhǔn)方法

電能表的誤差來源主要有采樣元器件的偏差值、電能表噪聲功耗影響以及外界環(huán)境的影響[8-9]三個方面。本文設(shè)計的IR46型雙芯智能電能表支持計量芯部分支持純軟件校表，提供了電壓增益、電流增益、相位補償、功率增益以及小電流偏置等參數(shù)接口，從而進行電能表的精度校準(zhǔn)。當(dāng)前比較常用的是三點校表。設(shè)置參比電壓為Un，功率因素PF=1的Ib電流點、0.05Ib電流點和PF=0.5L情況下的Ib電流點，L為感性相位。

4.2.1 增益校準(zhǔn)

在電表進行計量時，每個數(shù)據(jù)都具有其初始增益值，根據(jù)實際值和測量值之間的誤差，修改增益，從而達到精度校準(zhǔn)要求。在計量計算中，設(shè)置的默認(rèn)電壓增益是16 064。假設(shè)電壓增益為CAL_V，其計算公式如下所示：

(4)

式中:V測為測量電壓值。

將計算得出的電壓增益CAL_V存入內(nèi)存卡中，上電運行將會調(diào)用新的電壓增益，從而使電壓精度得到校準(zhǔn)。而電流值增益以及功率增益也是用相同算法進行計算。

4.2.2 小電流功率偏置校準(zhǔn)

一般對于小電流偏置的校準(zhǔn)點為0.05Ib，這時噪聲功耗對于施加0.3 A電流時造成的計量誤差約為千分之二。對于這部分誤差，設(shè)置小電流功率偏置補償變量為P_offset，其初始值為0。

P_offset=P當(dāng)前實際功率-P標(biāo)準(zhǔn)功率

(5)

將該值代入到程序中，刪除電表產(chǎn)生的噪聲功耗的部分功率，不參與實際功率的計量。

4.2.3 相位補償

設(shè)定相位補償系數(shù)為PH_Phase，相位補償?shù)墓饺缡?6)所示：

(6)

式中:φCT為PF=0.5L時計量芯測量出的實際相位值與標(biāo)準(zhǔn)值之差；fn為工作頻率，50 Hz。

5 計量誤差測試

本文將5臺IR46型電表樣機在標(biāo)準(zhǔn)電源上進行有功基本誤差測試，標(biāo)準(zhǔn)源給模塊施加220 V電壓以及不同大小的電流進行測試。其試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data

6 結(jié)束語

基于IR46標(biāo)準(zhǔn)的新型雙芯智能電表滿足了新一代電表的要求，并在計量精度及程序可靠運行上進行了驗證。初步掛網(wǎng)試點運行效果良好，新型雙芯智能電表將會逐步取代老款智能電能，廣泛應(yīng)用于居民生活中。

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