設(shè)計(jì)智能電表的精確功率測(cè)量時(shí)需考慮哪些因素

智能電表是比傳統(tǒng)電表更準(zhǔn)確地識(shí)別能耗的先進(jìn)設(shè)備。它們旨在獲取有關(guān)何時(shí)使用能源的信息，而不僅僅是使用了多少能源，并將此信息傳達(dá)給當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)公司，以進(jìn)行電力監(jiān)控，計(jì)費(fèi)和其他目的(圖1)。

為了滿足先進(jìn)計(jì)費(fèi)和能源管理服務(wù)的需求，推動(dòng)當(dāng)今智能電表和子計(jì)量系統(tǒng)的MCU采用高精度模擬前端(AFE)電路和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件。但是特定應(yīng)用需要多少精度?具有集成AFE的新一代MCU是否能為您的應(yīng)用提供足夠的精度?是否最好補(bǔ)償線路擾動(dòng)，否則會(huì)使用硬件，軟件或兩者的組合來(lái)扭曲MCU的測(cè)量?在這個(gè)由兩部分組成的系列中，我們將分享這些問(wèn)題的答案，并提供最新的功率測(cè)量解決方案。

圖1：現(xiàn)代智能電表依靠復(fù)雜的能量測(cè)量IC來(lái)精確測(cè)量功耗，提供篡改檢測(cè)，并在某些情況下實(shí)時(shí)感知功率因數(shù)(由STMicroelectronics提供)。

智能電網(wǎng)需要更智能的電表

除了自動(dòng)抄表(AMR)的直接好處之外，公用事業(yè)公司正在轉(zhuǎn)向智能電表，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的功能，使他們能夠更有效地運(yùn)行其發(fā)電和配電網(wǎng)絡(luò)。智能電表產(chǎn)生的詳細(xì)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的客戶端負(fù)載管理，更好地利用分布式能源，以及基于時(shí)間，峰值消耗水平，符合峰值負(fù)載管理消息等因素的所謂智能計(jì)費(fèi)，和電抗負(fù)荷引起的干擾。與此同時(shí)，商業(yè)和工業(yè)客戶正在越來(lái)越多地使用智能分計(jì)量系統(tǒng)來(lái)幫助管理他們的負(fù)荷，進(jìn)而控制他們的水電費(fèi)。

在這兩種情況下，都需要一種新的能量測(cè)量技術(shù)來(lái)提供準(zhǔn)確的基于時(shí)間的圖像，其中包括交付給客戶場(chǎng)所的電量和質(zhì)量，以及客戶負(fù)載所帶來(lái)的任何干擾。在網(wǎng)格上。

直到最近，大多數(shù)智能功率計(jì)設(shè)計(jì)都基于獨(dú)立的AFE，由單獨(dú)的MCU配置和讀取(圖2)。為了確保最大的準(zhǔn)確性并最大限度地減少篡改的可能性，讀取AFE的MCU專(zhuān)門(mén)用于此任務(wù)，并將其結(jié)果傳遞給功能更強(qiáng)大的主機(jī)MCU，以處理智能電表的其余數(shù)據(jù)處理和通信任務(wù)。

圖2：Microchip Technology的MCP3901雙通道獨(dú)立AFE包含兩個(gè)同步采樣Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，兩個(gè)PGA，相位延遲補(bǔ)償模塊內(nèi)部參考電壓，調(diào)制器輸出模塊和高速20 MHz SPI兼容的串行接口。

由于智能電表IC市場(chǎng)(包括ADI公司，Maxim公司，Microchip公司和德州儀器公司)的大多數(shù)主要參與者都推出了專(zhuān)用的計(jì)量處理器，例如德州儀器公司的設(shè)備，情況在過(guò)去一年左右發(fā)生了變化。 ‘MSP430AFE系列(圖3)，集成了模擬前端和專(zhuān)用MCU?；旌闲盘?hào)設(shè)備通常會(huì)受到某種程度的數(shù)字噪聲影響，這會(huì)影響其模擬靈敏度，精度和整體精度。在不需要雙芯片解決方案可提供的尖端性能的應(yīng)用中，通常需要權(quán)衡降低成本并簡(jiǎn)化實(shí)施。

與此同時(shí)，IC制造商集成高精度模擬計(jì)量的能力不斷提高，并且電表性能要求變得越來(lái)越明確，這些趨勢(shì)將使更廣泛地接受單芯片計(jì)量解決方案。因此，雖然需要極高精度的應(yīng)用仍將使用獨(dú)立的AFE，但集成AFE/MCU解決方案提供的較低解決方案成本和較高可靠性將使其成為主流智能電表市場(chǎng)中的“主導(dǎo)品種”。

圖3：TI的MSP430AFE系列集成了一個(gè)16位RISC CPU和三個(gè)獨(dú)立的24位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器以及所有必要的外設(shè)，用于具有防篡改功能且誤差小于0.1%的計(jì)量級(jí)模擬前端(AFE)在寬(2400：1)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的能量精度(德州儀器提供)。

雖然這些新的單芯片和雙芯片計(jì)量解決方案(以及支持它們的參考設(shè)計(jì))大大簡(jiǎn)化了智能電表設(shè)計(jì)，但仍有許多問(wèn)題需要解決。除此之外，您選擇的解決方案還取決于您的應(yīng)用需要多少精度/精度，除基本功耗外還需要測(cè)量?jī)x表的類(lèi)型，以及您的設(shè)計(jì)將采用的整體架構(gòu)。

精確決策

公用事業(yè)和分計(jì)量應(yīng)用所需的精度大不相同，但一般而言，公用事業(yè)級(jí)解決方案要求更高的精度(嚴(yán)重誤差為0.1%)并且要求符合現(xiàn)有要求IEC或ANSI標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，用于內(nèi)部能源管理而不涉及計(jì)費(fèi)的子計(jì)量系統(tǒng)可以提供良好的結(jié)果，精度較低，通常約為2%。

然而，智能電網(wǎng)應(yīng)用中的精度或準(zhǔn)確度要比AFE的A/D轉(zhuǎn)換器配備的位數(shù)要復(fù)雜得多。在某種程度上，這是因?yàn)殡x開(kāi)電網(wǎng)的交流電壓不是純50赫茲或60赫茲的正弦波，并且包含在傳輸過(guò)程中引入的諧波，相位和脈沖噪聲的寶庫(kù)，通常來(lái)自消費(fèi)者設(shè)備。為了準(zhǔn)確測(cè)量客戶的功耗以及它們對(duì)電網(wǎng)的任何其他影響，AFE的ADC必須保持其線頻率的一半與其上方的kHz左右之間的線性度。至少，無(wú)論規(guī)定的分辨率如何，都必須了解ADC實(shí)際可以提供的有效位數(shù)(ENOB)，信噪比和失真比(SINAD)或總諧波(THD)值。

例如，Microchip的PIC18F87J72智能電表MCU具有16/24位ADC，可提供高達(dá)90 dB的SINAD和-101 dBc THD(至35次諧波)，使其能夠滿足IEC 0.5級(jí)規(guī)范。對(duì)于要求獨(dú)立AFE可提供更高精度的應(yīng)用，Microchip的MCP3901(單相)和MCP3903(3相)可提供高達(dá)91 dB的SINAD/-104 dBc THD，精度為0.2%。

還有其他一些影響精度的問(wèn)題，包括可能會(huì)扭曲MCU測(cè)量值的線路擾動(dòng)。通過(guò)硬件和軟件的某種組合來(lái)完成濾除或補(bǔ)償這種噪聲，這些組合根據(jù)您的設(shè)計(jì)架構(gòu)而變化。在所有情況下，必須仔細(xì)布置AFE周?chē)腜CB，并選擇其無(wú)源元件以抵抗噪聲和線路擾動(dòng)。軟件也在這項(xiàng)工作中發(fā)揮作用，特別是為了分解否則會(huì)破壞測(cè)量數(shù)據(jù)的小尖峰。 AFE使用的模擬轉(zhuǎn)換器類(lèi)型也會(huì)影響它需要多少額外補(bǔ)償。例如，Microchip智能電表產(chǎn)品的AFE中使用的基于delta-sigma的ADC和Maxim的71M654x和71M6x01智能電表芯片組可為高頻噪聲和其他EMC相關(guān)問(wèn)題提供高度濾波(圖4)。 Maxim的設(shè)計(jì)還包括片上AFE硬件功能，如抖動(dòng)，可提高系統(tǒng)的整體抗噪能力，并消除對(duì)基于軟件的消除的需求。

圖4：Maxim的71M654x和71M6x01芯片組采用Delta-Sigma AFE，可降低高頻元件和線路噪聲對(duì)功率測(cè)量精度的影響。它還支持Teridian 71M6x01系列隔離傳感器的可選接口，可提供BOM成本降低，抗磁篡改功能和增強(qiáng)的可靠性。

其他注意事項(xiàng)

精度，準(zhǔn)確度和抗噪能力只是智能電表中能量測(cè)量所涉及的一小部分問(wèn)題。例如，計(jì)量元件可以提供這種精確度的動(dòng)態(tài)范圍也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)制造商希望在多個(gè)平臺(tái)上使用單一設(shè)計(jì)時(shí)，寬動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)問(wèn)題，每個(gè)平臺(tái)都有自己的一套不同的傳感器和系統(tǒng)參數(shù)。在這些情況下，具有寬動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)量元件提高了子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

更重要的是，與大多數(shù)消費(fèi)品不同，這些儀表在整個(gè)使用壽命期間都可以保持可接受的精確度，可以是20到40年或更長(zhǎng)。另一個(gè)考慮因素是，對(duì)于某些應(yīng)用，客戶可能希望使用盡可能低的電流分流值或采用基于變壓器的電流監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低損耗。

正如我們所看到的，隨著公用事業(yè)需求的增長(zhǎng)，它們正在推動(dòng)越來(lái)越多的智能功能，如負(fù)載需求響應(yīng)，資費(fèi)管理，通信和其他“必備”。作為回應(yīng)，大多數(shù)智能儀表架構(gòu)通常使用單獨(dú)的計(jì)量模塊，該模塊將來(lái)自處理儀表管理和管理功能的MCU的數(shù)據(jù)采集和處理功能進(jìn)行分區(qū)。直到最近，大多數(shù)智能功率計(jì)設(shè)計(jì)還基于獨(dú)立的AFE，由單獨(dú)的MCU配置和讀取?，F(xiàn)在集成的AFE/MCU解決方案可供選擇，通?？捎糜诰_度/成本/性能決策。