新型電能計量芯片RN8302在智能電表中的應用

黃 亮，王景存，康之訥，余 唯

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

一般而言，電表量程與電能計量芯片的A/D采樣動態范圍相關。受已投放市場的電能計量芯片動態范圍限制，電力公司不得不對電表規定較多的電流規格，以適應不同用電負荷用戶的需求。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較大的增長，使得最大負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，導致大量的資源浪費。寬量程的智能電表可以減少電表規格數量，解決增容換表的問題，而且有助于電表制造企業減少物料品種，簡化生產工藝，提高生產效率[1-2]。

文中采用寬動態范圍的新型電能計量芯片RN8302，設計了一款計量范圍為 20 mA～100 A（3×220 V/380 V）的寬量程的三相四線制智能電表，有功電能的計量誤差低于±0.3%，達到國家電網0.5S級有功電能表精度要求[3]。文中將對該三相四線制智能電表的硬件主要部分和軟件實現進行介紹。

1 硬件設計

RN8302是一款新型的三相多功能防竊電電能計量芯片，擁有超寬的動態范圍，電壓和電流有效值在5000：1的動態范圍內，非線性誤差<0.1%，完全滿足國家電網0.5 S級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據，支持無功四象限判斷。具有潛動啟動和二次側互感器開短路檢測功能。既支持功率校表法，也支持傳統的脈沖校表法，適用于三相三線、三相四線制電能計量[4]。本設計的硬件電路主要包括：模擬信號輸入電路和RN8302與MCU接口電路。

1.1 系統設計

本系統采用新型RN8302芯片設計的三相智能電表，其結構圖如圖1所示，主要包括采樣電路、RS485和紅外通訊、數據存儲、預付費ESAM模塊、時鐘、按鍵、電源管理和LCD顯示等部分。電表工作時，電壓和電流經取樣電路分別取樣后，送至電能計量芯片RN8302。經計量芯片處理后，精確計算出有功功率、無功功率、視在功率等數據并保存在內部寄存器中。MCU定時讀取計量芯片內部寄存器的數據，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、數據存儲、實時時鐘讀寫、按鍵輸入判斷和LCD顯示等。主要管理功能包括：電量累計、需量計量、瞬時量處理、復費率處理、預付費管理、失壓失流判斷和記錄、電能質量監測、結算等功能。

圖1 三相智能電表結構圖Fig.1 Schematic diagram of three-phase smart watt-hour meter

1.2 模擬信號輸入電路

RN8302 的 IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN 對應 A、B、C 三相電流三對差分電壓輸入，這4個電流通道最大的信號電壓變化范圍為±0.4 V。通過配置寄存器ADCCFG的6位和7位，可對IAP/IAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的8位和9位，可對IBP/IBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的10位和11位，可對ICP/ICN通道模擬增益選擇，放大器的增益為1，2，4或8。在A相電流回路設計中（如圖2所示），互感器選用 5（100） A/4 mA/5 Ω/0.001 級，采樣電阻采用5 Ω，設置放大器增益為1，電表加基本電流5 A時采樣信號為4 mA×5 Ω=0.02 V，加最大電流100 A時采樣信號為80 mA×5 Ω=0.4 V，加最小電流 20 mA 時采樣信號為 16 μA×5 Ω=80 μV，在 RN8302 精度保證范圍內。

圖2 A相電流采樣電路Fig.2 Current sample input of phase A

VAP/VAN，VBP/VBN，VCP/VCN對應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VAP/VAN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的2位和3位，可對VBP/VBN通道模擬增益選擇，配置寄存器ADCCFG的4位和5位，可對VCP/VCN通道模擬增益選擇，放大器的增益為1，2，4或8。在A相電壓采樣回路設計中（如圖 3所示），采用電阻分壓方式，設置放大器增益為1，VAP/VAN采樣信號為220 mV，在RN8302精度保證范圍內。

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，可以同時滿足電能計量芯片和MCU的電源需要。RN8302與MSP430F5438接口采用SPI通訊方式，SDO為SPI串行數據輸出，SDI為 SPI串行數據輸入，SCLK為串行時鐘輸入，SCSN為SPI從設備片選信號。SPI傳輸線有可能受到干擾出現抖動，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 軟件實現

下面介紹三相電表系統功能的軟件設計：電表軟件程序采用模塊化編程，系統上電復位對各個模塊初始化，主循環調用各模塊子程序。各模塊子程序主要包括：時鐘模塊程序、數據處理模塊程序、通訊模塊程序、預付費模塊程序、電能質量監測模塊程序、事件記錄模塊程序和顯示模塊程序等。系統軟件功能圖如圖5所示。

圖5 系統軟件功能圖Fig.5 Functional diagram of system software

1）時鐘模塊程序：根據時鐘芯片RX8025SA提供的時間為數據處理模塊提供時間度量并且為LCD提供當前時間顯示。

2）數據處理模塊程序：將計量芯片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據進行處理，結合當前時段和費率，得到用戶的各費率時段實際用電量以及最大需量等，并在設置時刻將數據保存到存儲器中。

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接口向抄表系統提供當前或已保存數據。

4）預付費模塊程序：ESAM模塊對電能表內部傳輸的充值、消費、操作記錄等數據進行加密、解密[6]。

5）電能質量監測模塊程序：對諧波幅頻、相移和電壓線頻率進行檢測和分析。

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、清零和控制拉閘等事件。

7）顯示模塊程序：通過LCD顯示時間、四象限有功無功電能、三相電壓電流值、頻率、功率因素、各時段各費率用電量以及最大需量等，并可通過按鈕對顯示界面進行操作。

3 測試結果

首先對樣表進行校準，采用簡單快捷的功率校表方法對各相電壓、電流增益和電壓、電流相位差進行數字補償。只需一臺高精度的三相源（精度等級為0.05級），在PF=1.0，額定電壓、電流輸入時，讀取待校正電表的電壓和電流測量值，通過差值運算計算出各相電壓和電流增益，將計算出的數值寫入待校正電表的寄存器 GSUA、GSUB、GSUC、GSIA、GSIB 和 GSIC。 調整 PF=0.5，讀取待校正電表的有功功率測量值，計算出各相電壓和電流通道之間的角差，將數值寫入待校正電表的寄存器PHSUA、PHSUB和PHSUC進行相位通道校正。然后將3只樣表分別在PF=1.0和PF=0.5時進行測量，測試結果如表1所示。測試結果表明：電表在20 mA～100 A的電流范圍內，有功電能的計量誤差低于±0.3%，實現了高精度、寬量程的電能計量。

表1 測試結果Tab.1 Experiment results

4 結束語

文中采用一款動態范圍為5 000：1的新型電能計量芯片RN8302，設計了一款量程為 20 mA～100 A（3×220 V/380 V），支持預付費和分時電價，具有RS485和調制式紅外通訊、按鍵及紅外停電喚醒抄表功能的三相四線制智能電表，有功電能的計量誤差低于±0.3%，達到國家電網0.5S級有功電能表精度要求，實現了高精度、寬量程的電能計量，減少了電表規格品種。

[1]馮勇軍，浦志勇，蔣紫松.采用5000：1動態范圍的單相高準確度計量芯片設計的1（100）A電流規格電能表[J].電測與儀表，2011，48（1）：50-53.

FENG Yong-jun，PU Zhi-yong， JIANG Zi-song.Design of 1（100）A single phase high accuracy energy meter using 5000：1 dynam ic range metering IC[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2011，48（1）：50-53.

[2]朱寧輝，白曉民.雙向智能電能表功能需求和結構性能分析[J].電網技術，2011，35（11）：2-4.

ZHUNing-hui，BAIXiao-min，GAO Feng.Function requirements and structure properties analysis of Bi-directional smart meter[J].Power System Technology，2011，35（11）：2-4.

[3]國家電網公司.Q/GDW 358-2009.0.5S級三相智能電能表技術規范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[4]深圳市瑞能微科技有限公司.RN8302用戶手冊[M].1.3版.深圳：瑞能科技，2011.

[5]王建校，危建國，孫宏濱.MSP430 5XX/6XX系列單片機應用基礎與實踐[M].北京：高等教育出版社，2012.

[6]陶維青，黃俊祥，曹軍，等.ESAM安全模塊在預付費電表中的應用研究[J].電測與儀表，2010，47（11）：58-61.

TAO Wei-qing，HUANG Jun-xiang，CAO Jun，et al.Application study of embedded secure access module in CPU card prepayment meters[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2010，47（11）：58-61.