基于IR46标准的新型智能双芯电表设计

王立州，付飞亚，刘亚辉

(湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南 长沙 410006)

0 引言

国际法制计量组织(organization international metrologie legale,OIML)是国际性的法制计量机构，中国是其成员国。该机构的IR类文件为国际性计量法规文件，我国必须采纳执行。但是IR46标准与我国现行的电能表标准体系存在较大差异[1-2]。IR46标准要求电能表计量功能与其他功能相互独立，非计量部分的软件在线升级不会影响计量部分的准确性和稳定性。为此，本文设计了一款低功耗的智能双芯电表。该电表在满足IR46标准的同时，具有软件可移植性强、稳定性好、功耗低、计量精度高等特点，应用前景广阔。

1 IR46双芯智能电表整体架构及工作原理

IR46双芯智能电表主要由管理芯和计量芯2部分组成。管理芯主要由管理单片机、停抄电池、内存卡、嵌入式安全控制模块(embedded secure access module,ESAM)模块、显示、存储器、负荷控制、通信(包括红外、RS-485、上下行模块)等部分组成。计量芯主要由计量单片机、计量芯片、存储器、实时时钟、时钟电池、超级电容等部分组成。管理芯和计量芯公用一个系统电源，两者之间通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)通信。双芯智能电表整体设计框图如图1所示。

图1 双芯智能电表整体设计框图Fig.1 Block diagram of overall design smart dual core meter

系统电源模块负责将外部输入的220 V交流电转换成所需的直流电，给计量芯和管理芯系统及外围模块供电。计量芯部分主要负责电量计量，其采样模块负责采样电网中的电压电流信号，并将采样到的信号传给计量芯片，由计量芯片算出各种电参量信息传给计量微控制单元进行处理。计量芯部分的时钟电池是为了防止电网断电而造成系统的时钟混乱。超级电容是为了实现电表电池可更换功能。在电表时钟电池进行更换时，由超级电容对计量芯部分供电。而管理芯部分主要负责电表的通信协议处理，系统软件升级以及负荷控制等功能的实现。同时管理系统也需要负责存储除计量数据外电能表所需要的其他数据。

2 IR46智能电表硬件设计

2.1 计量芯采样电路设计

①电压采样电路。

本文设计的电压采样电路为电阻分压式采样电路，其原理图如图2所示。

图2 电压采样电路原理图Fig.2 Schematic diagram of voltage sampling circuit

图2中:R21～R26相当于一个可调电阻R，其阻值选取的依据是使采样电压值在控制芯片可以计算的采样范围内，同时不会在电流过大时电阻烧毁。然后R和R28串联分压，再经过由R27、C212和R29、C213组成的滤波电路，将信号送入计量芯片RN8209C的电压采样端口。

②火线电流采样电路。

电表采用双回路采样计量模式[3]，在火线和零线上均设计了一路采样电路。火线电流采样电路采用锰铜片接入方式采样[4]。火线电流采样电路如图3所示。

图3 火线电流采样电路Fig.3 Sampling circuit of “line” current

在火线电流采样电路中，R61为锰铜电阻，其阻值极小，只有3 mΩ，经过线路的电流几乎全部流过锰铜片，即分流。而此时锰铜片两端的电压便是采样得到的信号，通过此信号便可得出流入电路的电流值。

③零线电流采样电路。

零线电流采样作为防窃电设计，电表可以通过比较火线和零线上的采样，判断用户是否正常用电。零线电流采样电路如图4所示。

图4 零线电流采样电路Fig.4 Sampling circuit of “neutral” current

零线电流采样电路利用电流互感器原理。电流互感器原理即变压器原理：

电流互感器输出的电流必须要转化为电压，加到计量芯片的零线电流采样端，所以在电流通道的两个管脚之间加电阻R214和R234，可以使两管脚之间的电压随输入电流的变化而变化，从而达到采样的目的。

2.2 电源电路设计

本文模块所用电源方案为变压器降压，将220 V、50 Hz的市电转化成直流电压。电源电路原理图如图5所示。

图5 电源电路原理图Fig.5 Schematic diagram of power circuit

220 V的交流电通过L端(火线)和N端(零线)输入，通过线性降压变压器和单相桥式整流器后得到直流电压HVCC。HVCC大约为23 V。转化得到的HVCC再通过U100降压芯片进行DC-DC转化后,得到微控制单元需要的直流供电电压DVCC(5 V)。

降压芯片电压转换公式为：

(1)

式中：DVCC为直流供电电压；VFB为芯片的反馈输入电压。

本文电表电源部分存在保护电路，在交流电输入端添加的压敏电阻RV1和热敏电阻RT1起保护作用。

RV1的作用：当有瞬时高压(雷击的因素所产生的)施加到电源输入两端时，压敏电阻RV1阻值将会发生变化，其阻值将会变得很小。此时，高电压将会从RV1流出，而不会进入电能表，从而对电表造成损坏。

RT1的作用：RT1的阻值会随着电流的变化而变化。在电路设计中，热敏电阻RT1和变压器T1串联。当输入电压增加时，电路中的电流也会随之增加。当电流达到一定值时，RT1阻值也会增加。此时，RT1的作用是降低电路中增加的电流，从而对变压器T1形成保护。

3 IR46智能电表软件部分设计

软件是智能电表的核心部分，电表能否正常运行取决于软件设计的质量。IR46型智能电表功能多，其软件设计更为复杂。原来进行软件设计时，不用对微控制单元内核进行分配操作，也不需要操作Bootloader部分。但是IR46型智能电表需要增加的远程升级功能，则必须对这两个部分进行设计。由于软件设计的复杂性大幅提升，所以在进行电表软件设计时需反复思考和验证，以确保程序算法稳定可靠[3-5]。

3.1 管理芯主程序流程设计

电表系统软件采用分层化和模块化的设计，将电表软件系统从下至上分为驱动层、中间层、数据中心和应用层。分层化设计将驱动层和应用层隔离，提高了程序的可移植性。而模块化设计是在分层化的基础上，对各层次进行分解设计，形成各个独立的功能模块，从而提高软件的可靠性及并行开发能力。

IR46智能电表的系统管理程序可分解成如下几个功能模块：通信模块、协议处理、数据中心、分时费率、事件记录、冻结模块、显示模块、掉电模块。电表系统上电后启动Bootloader。如果升级标志位已置位，则进行软件升级处理，升级完成且清除升级标志位后进入主程序循环；如果升级标志位未置位，则直接进入主程序循环操作，各功能模块在主程序中被循环调用。

3.2 软件升级的实现方法

系统远程软件升级使用的是应用程序控制下的在应用编程(in application programming,IAP)[6-7]模式。IAP模式将管理芯内核的FLASH区域分为两个不同的程序区域。程序区域1的应用程序为引导加载程序，即Bootloader程序；程序区域2的应用程序是用户应用程序。Bootloader程序是一段引导程序，当处理器上电或复位后，其在用户应用程序之前运行。Bootloader程序根据升级标准判定是否需要对用户应用程序进行升级。如果需要升级，Bootloader程序将对FLASH进行擦写，将新程序写入程序区域2中。当程序区域2的应用程序更新完毕后，跳出Bootlaoder部分，进入程序区域2部分，从而实现软件升级。

在远程软件升级中，需要特别注意数据传输准确性的问题，所以在接收到升级代码后，需要对其进行循环冗余校验验证。只有验证通过，才能对原应用程序进行替换。

系统软件升级流程如图6所示。

图6 系统软件升级流程图Fig.6 Flowchart of system software upgrade

4 数据准确性要求及误差校准

IR46型智能双芯电表除了需要满足电表现行规约要求外，在计量精度方面额外新增了以下需求。

4.1 计量芯基础电能数据准确性试验

4.1.1 正向有功基础冻结电能试验

给IR46型智能电表计量芯部分加参比电压，稳定至少1 min后，电流线路在功率因素为1的情况下加正向Imax(Imax此处为60 A)，由标准时钟控制台走字n×1 min(推荐n=30)后停掉电流，读取电能表计量芯基础冻结i时刻的电能，记为Wi；对于时刻标准表电能记录为WPi。间隔m×1 min计量芯基础冻结电能记录为Wi+m，同时标准表对应时刻电能为WPi+m，计算被检表的mmin用电量误差Yi。

(2)

4.1.2 管理芯电能示值误差

双芯智能电表显示当前电量示值与计量芯当前电量之间的误差δ，要求：

|δ|

(3)

式中：δ为示值误差；b为计度器倍率，未标注为1；a为管理芯计度器小数位数，无小数位数时，a=0。

4.1.3 管理芯计费准确性试验

在电能示值组合误差试验结束后，读取计量芯中基础冻结电能。根据管理芯中预设的时段、时区表，进行费率电能示值误差校核。

4.2 计量精度校准方法

电能表的误差来源主要有采样元器件的偏差值、电能表噪声功耗影响以及外界环境的影响[8-9]三个方面。本文设计的IR46型双芯智能电能表支持计量芯部分支持纯软件校表，提供了电压增益、电流增益、相位补偿、功率增益以及小电流偏置等参数接口，从而进行电能表的精度校准。当前比较常用的是三点校表。设置参比电压为Un，功率因素PF=1的Ib电流点、0.05Ib电流点和PF=0.5L情况下的Ib电流点，L为感性相位。

4.2.1 增益校准

在电表进行计量时，每个数据都具有其初始增益值，根据实际值和测量值之间的误差，修改增益，从而达到精度校准要求。在计量计算中，设置的默认电压增益是16 064。假设电压增益为CAL_V，其计算公式如下所示：

(4)

式中:V测为测量电压值。

将计算得出的电压增益CAL_V存入内存卡中，上电运行将会调用新的电压增益，从而使电压精度得到校准。而电流值增益以及功率增益也是用相同算法进行计算。

4.2.2 小电流功率偏置校准

一般对于小电流偏置的校准点为0.05Ib，这时噪声功耗对于施加0.3 A电流时造成的计量误差约为千分之二。对于这部分误差，设置小电流功率偏置补偿变量为P_offset，其初始值为0。

P_offset=P当前实际功率-P标准功率

(5)

将该值代入到程序中，删除电表产生的噪声功耗的部分功率，不参与实际功率的计量。

4.2.3 相位补偿

设定相位补偿系数为PH_Phase，相位补偿的公式如式(6)所示：

(6)

式中:φCT为PF=0.5L时计量芯测量出的实际相位值与标准值之差；fn为工作频率，50 Hz。

5 计量误差测试

本文将5台IR46型电表样机在标准电源上进行有功基本误差测试，标准源给模块施加220 V电压以及不同大小的电流进行测试。其试验数据如表1所示。

表1 试验数据Tab.1 Experiment data

6 结束语

基于IR46标准的新型双芯智能电表满足了新一代电表的要求，并在计量精度及程序可靠运行上进行了验证。初步挂网试点运行效果良好，新型双芯智能电表将会逐步取代老款智能电能，广泛应用于居民生活中。

参考文献:

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[5] FENG Z,XIAOBING L,BIN X.Reliability evaluation technology research for smart meters software[C]//IEEE,2016：888-892.

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