设计智能电表的精确功率测量时需考虑哪些因素

智能电表是比传统电表更准确地识别能耗的先进设备。它们旨在获取有关何时使用能源的信息，而不仅仅是使用了多少能源，并将此信息传达给当地公用事业公司，以进行电力监控，计费和其他目的（图1）。

为了满足先进计费和能源管理服务的需求，推动当今智能电表和子计量系统的MCU采用高精度模拟前端（AFE）电路和先进的数据处理软件。但是特定应用需要多少精度？具有集成AFE的新一代MCU是否能为您的应用提供足够的精度？是否最好补偿线路扰动，否则会使用硬件，软件或两者的组合来扭曲MCU的测量？在这个由两部分组成的系列中，我们将分享这些问题的答案，并提供最新的功率测量解决方案。

图1：现代智能电表依靠复杂的能量测量IC来精确测量功耗，提供篡改检测，并在某些情况下实时感知功率因数（由STMicroelectronics提供）。

智能电网需要更智能的电表

除了自动抄表（AMR）的直接好处之外，公用事业公司正在转向智能电表，以实现先进的功能，使他们能够更有效地运行其发电和配电网络。智能电表产生的详细数据可实现细粒度的客户端负载管理，更好地利用分布式能源，以及基于时间，峰值消耗水平，符合峰值负载管理消息等因素的所谓智能计费，和电抗负荷引起的干扰。与此同时，商业和工业客户正在越来越多地使用智能分计量系统来帮助管理他们的负荷，进而控制他们的水电费。

在这两种情况下，都需要一种新的能量测量技术来提供准确的基于时间的图像，其中包括交付给客户场所的电量和质量，以及客户负载所带来的任何干扰。在网格上。

直到最近，大多数智能功率计设计都基于独立的AFE，由单独的MCU配置和读取（图2）。为了确保最大的准确性并最大限度地减少篡改的可能性，读取AFE的MCU专门用于此任务，并将其结果传递给功能更强大的主机MCU，以处理智能电表的其余数据处理和通信任务。

图2：Microchip Technology的MCP3901双通道独立AFE包含两个同步采样Delta-Sigma模数转换器（ADC），两个PGA，相位延迟补偿模块内部参考电压，调制器输出模块和高速20 MHz SPI兼容的串行接口。

由于智能电表IC市场（包括ADI公司，Maxim公司，Microchip公司和德州仪器公司）的大多数主要参与者都推出了专用的计量处理器，例如德州仪器公司的设备，情况在过去一年左右发生了变化。 ‘MSP430AFE系列（图3），集成了模拟前端和专用MCU。混合信号设备通常会受到某种程度的数字噪声影响，这会影响其模拟灵敏度，精度和整体精度。在不需要双芯片解决方案可提供的尖端性能的应用中，通常需要权衡降低成本并简化实施。

与此同时，IC制造商集成高精度模拟计量的能力不断提高，并且电表性能要求变得越来越明确，这些趋势将使更广泛地接受单芯片计量解决方案。因此，虽然需要极高精度的应用仍将使用独立的AFE，但集成AFE/MCU解决方案提供的较低解决方案成本和较高可靠性将使其成为主流智能电表市场中的“主导品种”。

图3：TI的MSP430AFE系列集成了一个16位RISC CPU和三个独立的24位Σ-Δ转换器以及所有必要的外设，用于具有防篡改功能且误差小于0.1％的计量级模拟前端（AFE）在宽（2400：1）动态范围内的能量精度（德州仪器提供）。

虽然这些新的单芯片和双芯片计量解决方案（以及支持它们的参考设计）大大简化了智能电表设计，但仍有许多问题需要解决。除此之外，您选择的解决方案还取决于您的应用需要多少精度/精度，除基本功耗外还需要测量仪表的类型，以及您的设计将采用的整体架构。

精确决策

公用事业和分计量应用所需的精度大不相同，但一般而言，公用事业级解决方案要求更高的精度（严重误差为0.1％）并且要求符合现有要求IEC或ANSI标准。相比之下，用于内部能源管理而不涉及计费的子计量系统可以提供良好的结果，精度较低，通常约为2％。

然而，智能电网应用中的精度或准确度要比AFE的A/D转换器配备的位数要复杂得多。在某种程度上，这是因为离开电网的交流电压不是纯50赫兹或60赫兹的正弦波，并且包含在传输过程中引入的谐波，相位和脉冲噪声的宝库，通常来自消费者设备。为了准确测量客户的功耗以及它们对电网的任何其他影响，AFE的ADC必须保持其线频率的一半与其上方的kHz左右之间的线性度。至少，无论规定的分辨率如何，都必须了解ADC实际可以提供的有效位数（ENOB），信噪比和失真比（SINAD）或总谐波（THD）值。

例如，Microchip的PIC18F87J72智能电表MCU具有16/24位ADC，可提供高达90 dB的SINAD和-101 dBc THD（至35次谐波），使其能够满足IEC 0.5级规范。对于要求独立AFE可提供更高精度的应用，Microchip的MCP3901（单相）和MCP3903（3相）可提供高达91 dB的SINAD/-104 dBc THD，精度为0.2％。

还有其他一些影响精度的问题，包括可能会扭曲MCU测量值的线路扰动。通过硬件和软件的某种组合来完成滤除或补偿这种噪声，这些组合根据您的设计架构而变化。在所有情况下，必须仔细布置AFE周围的PCB，并选择其无源元件以抵抗噪声和线路扰动。软件也在这项工作中发挥作用，特别是为了分解否则会破坏测量数据的小尖峰。 AFE使用的模拟转换器类型也会影响它需要多少额外补偿。例如，Microchip智能电表产品的AFE中使用的基于delta-sigma的ADC和Maxim的71M654x和71M6x01智能电表芯片组可为高频噪声和其他EMC相关问题提供高度滤波（图4）。 Maxim的设计还包括片上AFE硬件功能，如抖动，可提高系统的整体抗噪能力，并消除对基于软件的消除的需求。

图4：Maxim的71M654x和71M6x01芯片组采用Delta-Sigma AFE，可降低高频元件和线路噪声对功率测量精度的影响。它还支持Teridian 71M6x01系列隔离传感器的可选接口，可提供BOM成本降低，抗磁篡改功能和增强的可靠性。

其他注意事项

精度，准确度和抗噪能力只是智能电表中能量测量所涉及的一小部分问题。例如，计量元件可以提供这种精确度的动态范围也是一个关键问题。当制造商希望在多个平台上使用单一设计时，宽动态范围是另一个问题，每个平台都有自己的一套不同的传感器和系统参数。在这些情况下，具有宽动态范围的计量元件提高了子系统设计的灵活性。

更重要的是，与大多数消费品不同，这些仪表在整个使用寿命期间都可以保持可接受的精确度，可以是20到40年或更长。另一个考虑因素是，对于某些应用，客户可能希望使用尽可能低的电流分流值或采用基于变压器的电流监测技术来进一步降低损耗。

正如我们所看到的，随着公用事业需求的增长，它们正在推动越来越多的智能功能，如负载需求响应，资费管理，通信和其他“必备”。作为回应，大多数智能仪表架构通常使用单独的计量模块，该模块将来自处理仪表管理和管理功能的MCU的数据采集和处理功能进行分区。直到最近，大多数智能功率计设计还基于独立的AFE，由单独的MCU配置和读取。现在集成的AFE/MCU解决方案可供选择，通常可用于精确度/成本/性能决策。