051017 兰吉尔论文3-1 宽量程电能计量技术及其应用

051017 兰吉尔论文3-1 宽量程电能计量技术及其应用 宽量程电能计量技术及其应用 兰吉尔计(珠海)有限公司 519015 李向锋 童璞玉 摘要: 瑞士兰吉尔表计(Landis+Gyr)是有一百多年历史的全球著名的能源计量计费仪表及设备供应商，它的高精度关口表、多功能电能表以及计量计费系统已经被中国广大用户所熟悉。其独具一格的计量理念及技术一直走在全球同行业的最前沿。 本文着重介绍基于宽量程电能计量的原理及其在小型工商业电能表中的应用。 关键词:霍耳效应测量技术 宽量程 防窃电 小型工商业三相电能表 一、电能表计量技术概况 目前，国际上常见的三相电能表的计量部分的设计方法主要可以归纳为三种: (1)单个或三个通用计量芯片。如ADI、SAMES，TDK、Cirrus、ATMEL等公司的计量器件。这是目前中低端电能表比较常用的计量核心。 (2)4/6路同步采样12位或16位ADC与RISC技术的MCU或DSP配套的软件实时处理计量技术。如采用AD73360AR，AD7874等模数转换器件与PIC17/18或AVR系列RISC指令单片机等组成的测量系统在多功能表部分的应用比较普及，而更复杂的基于DSP数字信号处理器(如TI的TMS320系列与ADI的ADSP219x等)的电能表主要应用于高精度关口计量。 (3)电能表生产商独立开发的ASIC专用计量芯片。如兰吉尔开发的宽量程计量芯片(以下简称MESA)。 采用通用计量芯片的电能表由于受器件自身的功能限制，通常在无功电能计量、谐波电能分析与计量、电能质量监测等方面的功能比较弱，但由于这类器件在有功电能计量方面具有技术成熟、运行稳定、二次开发容易等特点，在中低端的0.5S/1.0/2.0级产品中获得了广泛应用。 采用模数转换与微处理器技术的电能表，由于软件功能灵活性大，是多功能电表的主流技术，其中采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器的电表，由于对电测量信号的处理速度快(可达到1亿次/秒以上)，内存容量大，可以得到更多的实时电能参数(如瞬时电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波分量)等。但是，由于不同厂商的研发能力差异，往往不容易验证其内部各种算法的合理性、可靠性、适应性等。特别是对整数次谐波分量和非整数次谐波分量的处理方法，无功电能处理的方法，以及包括次谐波在内的谐波影响的处理方法方面，目前还没有统一的标准来。此外，采用这种技术的电表的功耗、起动时间等也比其他技术的表略大一些。 近年来，兰吉尔开发的新一代宽量程计量专用ASIC混合测量器件MESA就是一种非常成熟的电能计量器件，它将先进的计量方法与集成电路设计技术完美地结合起来，用它设计的小型工商业电能表具有12~25倍的宽量程。 磁场 二、宽量程计量技术基础 2.1霍耳效应基本原理 将通有电流 I 的金属板(或半导体板)置于磁感+ 基准电流 强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂霍耳 U H直(如右图)，电子在均匀磁场B中受洛伦兹力的作- 用而发生偏转，在上下两侧表面分别聚积正、负电荷， 形成电势差 ，该现象称为霍耳效应。 图1 霍耳效应 实验测定，霍耳电势差的大小和电流 I 及磁感强度B成正比，而与板的厚度d 成反比。 定量地表示为: 霍耳电势差可UH U= RI B/d (1) H H 其中:R称为材料性质有关的霍耳系数，其值为。这里n,q分别为载流子数密H 度和载流子的电荷量。 在金属导体中，自由电子的浓度大，故金属导体的霍耳系数很小，相应的霍耳电势差也就很弱，即霍耳效应不明显。 在半导体中，载流子浓度很低，故半导体的霍耳系数比金属导体大得多，即半导体能产生很强的霍耳效应。 根据霍耳效应的特点，让恒流源I通过均匀厚度的半导体PN结，将待测量的电信号i(如相电流信号Ia/Ib/Ic)转化为磁场强度信号B，通过测量U的电位值，可以建立起下列H 线性关系: U= k * i (2) H H 其中:k为材料性质有关的系数，i为被测量的电参数信号(如相电流信号Ia/Ib/Ic)。 H 与采用电流互感器(CT)的常规测量相比，霍耳效应电流传感器具有以下显著优点: (1) 测量电流范围大，动态范围宽，且大电流不会使传感器饱和; (2) 输出线性度高，精度高，带宽高(DC—5MHz)，可測直流分量; (3) 高测量增益，使器件误差对产品性能影响很小; (4) 输入阻抗大，电流回路损耗低; (5) 输入输出信号之间的角差小。 在实际应用中，影响半导体霍耳效应器件的精确度的主要因素有: (1) 杂散磁场的影响; (2) 材料的几何尺寸(如厚度)的均匀性; (3) 材料的物理性质(如半导体内杂质分布)的均匀性; (4) 温度漂移; (5) 时间漂移。 2.2霍耳效应电能计量技术的集成电路 尽管人们早在1879年就知道了霍耳效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍耳效应才开始被人们所应用。 由于霍耳器件一般由半导体制作，而半导体的加工制作工艺复杂，不容易做到几何尺寸的均匀性和材料性质的一致性，加上半导体本身的温度漂移和时间漂移等特性一直难以有效地补偿，所以直到上个世纪末，霍耳效应还不太适宜用于定量测量磁场强度的大小，当然也更难用于电流或功率信号的精密测量。但霍耳器件在定性测量方面，特别是用于非接触式位移测量的霍耳接近开关，在航空航天、汽车、数控机床、手机等行业获得了极为广泛的应用。 CMOS技术的快速发展，使制造具有成本低、质量好、性能可靠、体积小等多种优点的实用型高精度霍耳传感器(如磁场强度传感器、电流传感器、位移传感器、速度传感器等)成为可能。 瑞士兰吉尔公司开发的专用集成电路MESA就是一款基于霍耳效应测量原理的实用化的电能计量芯片。它将先进的电能测量算法和霍耳传感器完美地结合成ASIC器件。 如图2所示，MESA的内部分成三个功能块:测量单元、数字信号处理(DSP)单元和接口电路。 SH+ SH- 精度Hilbert CS 测量单元 修正 Σ积分 滤波 寄霍耳电流偏置可编程3存精度SINC 效应 消除 调理 I延迟 SCK Σ/Δ I 修正 rms器 与 DC消除 MISO IEXTS精度基准电压1.25V 霍耳恒流源 Σ积分 P DC消除 修正 IMOSI 3电压偏置精度可编程V 总SINC V rmsΣ/Δ IN调理 消除 修正 V延迟 线 频率 接INT 口 相角 电源监测与上电复位 接口单元 DSP单元 时钟发生器 +5V电源 V VDDSS CLK V Reset CAP 图2 MESA的功能示意图 1(测量单元内集成了霍耳传感器、信号调理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三阶SINC滤波器、偏置补偿电路、基准电压源、可编程电流/电压延迟电路、直流分流消除电路等功能: , 传感器及前段处理电路 包含霍耳传感器、信号调理器和恒流源电路，它除了集成的霍耳效应电路以外，既可以接收普通电流互感器信号，也能接收锰铜分流器信号。对于非霍耳效应方式的传感器信号，从SH+和SH-两个脚上输入。 , ?/? 模数转换器 片上集成了二阶Σ-ΔADC模块，进行采样。 , 可变程电压/电流信号延时电路 用于补偿电流CT/电压PT互感器、外接分流器等导致的信号角差。 , 偏置补偿电路 该电路用于系统偏置(一般由运算放大器、传感器等模拟电路引起)，不能消除直流分量，以便测量直流电流分量的需要。 , 三阶SINC滤波器 用于将高过采样速率的Σ-ΔADC结果降低到需要的采样速率。 , DC分量消除电路 它属于传输速度比较低的一阶高通滤波器，用于将电压和电流回路中剩余的直流分量剔除掉，这样一来，可以进一步将系统偏置和角差降低到极低程度。 2(数字信号处理(DSP)单元集成了数字乘法器、均方根运算、电能积算单元、延时滤波(Hilbert)等功能，用于实现电流、电压、有功电能、无功电能、功率因数、频率、相角等电能参数的实时处理。 , 电能计算用硬件乘法累加器 为16位乘16位硬件乘法器，和一个能够连续累积最大功率P时的乘积至少250mS的累加器，有可供检测的溢出信号。正是由于内部宽大的max 数据乘法累加器，使宽量程计量才有可能。 , V/I计算用硬件乘法器 为低速乘法计算器，用于计算电压/电流的有效值。RMSRMS 其计算速度与器件的输入时钟CLK有关。例如，在CLK=500kHz时，输出速度为270Hz。 , 精度校正 用于标定测量结果，保证测量值与实际值对应。 3(接口电路包括工作电源、电源监测与上电复位、SPI接口等部分。 2.3 MESA芯片的特点 , 片内集成霍耳效应电流传感器; , 支持外部分流器型或电流互感器(CT)型信号输入; , 片内集成霍耳常数温度补偿电路; , 片内集成电压基准; , 低噪声前置放大器; , 偏置消除电路; , 基于过采样原理和奈奎斯特定律的高速多路复用Σ-Δ ADC模块; , 片内集成硬件乘法器和特宽位数的累加器; , 复位与电流失效监测; , SPI串行通讯接口，方便与微处理器相连; , 单电源(+5V)电源供电; , 工作温度范围宽(-25?~55?)。 MESA采用的是二阶?-? 模数转换器。与其相关的几个采样率定义对于分析芯片的频率响应特性有帮助: 输入采样率:A/D转换器输入端的采样率(比实际需要的采样率高得多)，由?-? 模数转换器的特性决定，它等于MESA的输入时钟频率f(也可以编程设置为1/4 f)。 CLKCLK数据采样率:即A/D转换器输出端的数据速率。根据耐奎斯特定律，这一采样率决定了待测量信号的最高频率。 过采样比率:即输入采样率和数据采样率的比值。在MESA中，这个比值固定为128，由此可以确定A/D转换后“真实”的数据有效位。过采样率不可编程设置。 参数输出采样率: 等于“数据采样率”，即MESA的时钟频率f /128。当f,512kHzCLKCLK 时，其值为4kHz。 频率响应:系统的频率响应是由A/D转换器和其后3阶滤波器的传递函数所决定。 表一:频率响应与误差的关系 f/f 误差比率 f/f 误差比率 f/f 误差比率 outoutout 0 0% 0.10 9.4% 0.20 32.9% 0.01 0.1% 0.11 11.3% 0.21 35.6% 0.02 0.4% 0.12 13.3% 0.22 38.3% 0.03 0.9% 0.13 15.4% 0.23 41.1% 0.04 1.6% 0.14 17.6% 0.24 43.9% 0.05 2.4% 0.15 20.0% 0.25 46.6% 0.06 3.5% 0.16 22.4% 0.26 49.3% 0.05 4.7% 0.17 24.9% 0.27 52.0% 0.08 6.1% 0.18 27.5% 0.28 54.7% 0.09 7.7% 0.19 30.2% 0.29 57.3% 关于MESA的频率响应特性，比较复杂，这里举几个常用的例子，来说明如何利用表一来选择MESA的时钟输入脚CLK的输入频率: 例1:系统要求能测量23次谐波功率P，且要求有谐波分量(假设最大谐波含量:电流I和电压V各20%，或电流回路占40%，电压回路占10%)的测量误差<1%，则最大谐波含量时的功率P是无谐波分量时功率P的1.04倍，允许的电流I和电压V的谐波测量误 =0.17。23次谐波的频率f = 1150Hz，差比率就是25%(1%占4%的25%)，从表一查出，f/fout 采样率f= 1150?0.17= 6.8 kHz，过采样率为64倍，因此输入频率必须f? 3.8×128 = outCLK 870kHz。 例2:系统仅要求能测量5次谐波功率P，则同样情况下，采样率f=1.5 kHz，输入频out率只要f=192 kHz。 CLK 由于采样率与微处理器的能力相关，从上述例子可以看出，对于不同性价比要求的测量(精度等级可以达到IEC标准要求的1.0、0.5S级)，MESA都能很好地满足。 此外，由于MESA内部非常宽的数据位数和特别设计的累加器，使得用MESA设计的电表或其它测量仪表的量程动态范围超过5000:1。这与绝大多数通用电能计量芯片的500:1或1000:1相比，宽了5~10倍。 三、霍耳效应技术在宽量程三相电能表中的设计方法 由于MESA是分相设计的，作为220V 5(80)A或5(100)A宽量程单相多功能/多费率电能表的计量芯片，能够大大简化电能表的硬件电路，提高系统的可靠性。由于电路比较简单，本文不多介绍。 这里介绍一下采用MESA设计的3×220V/380V 3×5(120)A 1.0级三相宽量程小型工商业电表的设计思路。 3.1 三相同步采样的MESA与MCU接口设计 CS1 CS2 CS3 MOSI SCK CS1 SCK MOSI CS2 SCK MOSI CS3 SCK MOSI MCU MESA MESA MESA No.1 No.2 No.3 MISO INT MISO INT MISO INT MISO INT 图3 三相同步采样条件下MESA与MCU的接口 除了采用图3所示的接口设计方法外，在三相电能表中，可以用命令方式实现MESA芯片之间的“同步”。 3.2 三相电表的外围设计 I LED1Hz通讯L1 A 脉冲 MESA A相 脉冲 接口 D U A 效验L1 RTCD 脉冲 时钟 I L2 MESA A L B相 D 数字Sum 费率C Li 累加 切换 U A L2 DD 液I L3 负荷曲线与帐单晶MESA A C相 D 事件记录器 显存储 示 切换 U A L3 D 开关电源系统 按键 图4采用MESA的三相电表功能图 在图4所示的功能框图中，A/B/C三相电流流过紫铜直通端子，铜端子部分特别设计了一个磁性扣件与MESA的霍耳传感器形成磁接触。电压信号以分压方式将信号变换到MESA需要的范围。 3.3 MESA的防窃电原理 由于紫铜直通端子的阻抗极小(通常小于1µΩ)，因此该三相表的电流回路的功耗特别低，即使在达到125A的最大电流时，其功耗仍然能够满足IEC62053-21标准的要求。同时，用户如果企图采用外部旁路或搭接方式窃电，由于电表电流回路极低的电阻，电流仍会被电表可靠计量，从而从原理上比采用锰铜分流器(20~50µΩ)的电表更难窃电。 此外，从霍耳效应的原理可以看出，任何采用强磁场干扰(由于与MESA配套使用的磁性扣件具有屏蔽效应，正常使用时，普通电磁干扰对霍耳传感器精度的影响极小，可以忽略)，试图达到机械式电表那样的窃电效果，MESA中的霍耳效应传感器只会带来惩罚性多计量。 四、霍耳效应计量技术应用实例 目前，宽量程技术应用于兰吉尔公司多个系列的小型工商业电能表。这些电表在配合采用了特殊设计的防窃电表壳和铅封、IEC62056/DLMS通讯规约后，电表计量的稳定性和的防窃电能力都达到了更高的水平。今后，会有更多兰吉尔公司推出的新产品会采用这项技术。 这些表的共同特点是: 1. 宽量程直联，省去外部测量元件,减少了供电局备货种类; 2. 霍耳测量原理，电流回路损耗极小; 3. 电压和电流回路功率消耗极低，即使外部短接，也很难到达窃电目的; 4. 缺相/逆相/失流/相不平衡/反向等告警指示和事件记录功能; 5. 高度安全的DLMS通信规约; 6. 特殊表壳设计，阻断窃电通道: (1) 特殊设计的一次性塑料铅封 (2) 部分表壳采用超声波焊接密封 (3) 防窃电端盖(透明/不透明大端盖) (4) 开盖告警指示和事件记录(部分产品) (5) 设置状态/运行状态/校验状态特别转换开关 7. 20年长寿命设计。