新型电能计量芯片RN8302在智能电表中的应用

黄 亮，王景存，康之讷，余 唯

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

一般而言，电表量程与电能计量芯片的A/D采样动态范围相关。受已投放市场的电能计量芯片动态范围限制，电力公司不得不对电表规定较多的电流规格，以适应不同用电负荷用户的需求。由于电表的使用寿命一般为10年，但用户的用电需求可能在电表安装几年后出现较大的增长，使得最大负荷可能接近甚至超过电表的最大电流。为了用电安全需要，电力公司不得不更换大量处于使用寿命初、中期的电表，导致大量的资源浪费。宽量程的智能电表可以减少电表规格数量，解决增容换表的问题，而且有助于电表制造企业减少物料品种，简化生产工艺，提高生产效率[1-2]。

文中采用宽动态范围的新型电能计量芯片RN8302，设计了一款计量范围为 20 mA～100 A（3×220 V/380 V）的宽量程的三相四线制智能电表，有功电能的计量误差低于±0.3%，达到国家电网0.5S级有功电能表精度要求[3]。文中将对该三相四线制智能电表的硬件主要部分和软件实现进行介绍。

1 硬件设计

RN8302是一款新型的三相多功能防窃电电能计量芯片，拥有超宽的动态范围，电压和电流有效值在5000：1的动态范围内，非线性误差<0.1%，完全满足国家电网0.5 S级有功电能表精度要求。RN8302的电压和电流采样通道为24 bitsADC，共7路，采用全差分方式输入，3路用于相线电流采样，一路用于零线电流采样，3路用于电压采样。提供全波、基波有功、无功、视在功率和方向等数据，支持无功四象限判断。具有潜动启动和二次侧互感器开短路检测功能。既支持功率校表法，也支持传统的脉冲校表法，适用于三相三线、三相四线制电能计量[4]。本设计的硬件电路主要包括：模拟信号输入电路和RN8302与MCU接口电路。

1.1 系统设计

本系统采用新型RN8302芯片设计的三相智能电表，其结构图如图1所示，主要包括采样电路、RS485和红外通讯、数据存储、预付费ESAM模块、时钟、按键、电源管理和LCD显示等部分。电表工作时，电压和电流经取样电路分别取样后，送至电能计量芯片RN8302。经计量芯片处理后，精确计算出有功功率、无功功率、视在功率等数据并保存在内部寄存器中。MCU定时读取计量芯片内部寄存器的数据，并完成输入输出操作和管理功能。主要的输入输出操作包括：RS485和红外通讯、数据存储、实时时钟读写、按键输入判断和LCD显示等。主要管理功能包括：电量累计、需量计量、瞬时量处理、复费率处理、预付费管理、失压失流判断和记录、电能质量监测、结算等功能。

图1 三相智能电表结构图Fig.1 Schematic diagram of three-phase smart watt-hour meter

1.2 模拟信号输入电路

RN8302 的 IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN 对应 A、B、C 三相电流三对差分电压输入，这4个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.4 V。通过配置寄存器ADCCFG的6位和7位，可对IAP/IAN通道模拟增益选择，配置寄存器ADCCFG的8位和9位，可对IBP/IBN通道模拟增益选择，配置寄存器ADCCFG的10位和11位，可对ICP/ICN通道模拟增益选择，放大器的增益为1，2，4或8。在A相电流回路设计中（如图2所示），互感器选用 5（100） A/4 mA/5 Ω/0.001 级，采样电阻采用5 Ω，设置放大器增益为1，电表加基本电流5 A时采样信号为4 mA×5 Ω=0.02 V，加最大电流100 A时采样信号为80 mA×5 Ω=0.4 V，加最小电流 20 mA 时采样信号为 16 μA×5 Ω=80 μV，在 RN8302 精度保证范围内。

图2 A相电流采样电路Fig.2 Current sample input of phase A

VAP/VAN，VBP/VBN，VCP/VCN对应三路单端电压输入通道，这三路单端电压的最大输入电压变化范围为±0.4 V。通过配置寄存器ADCCFG的0位和1位，可对VAP/VAN通道模拟增益选择，配置寄存器ADCCFG的2位和3位，可对VBP/VBN通道模拟增益选择，配置寄存器ADCCFG的4位和5位，可对VCP/VCN通道模拟增益选择，放大器的增益为1，2，4或8。在A相电压采样回路设计中（如图 3所示），采用电阻分压方式，设置放大器增益为1，VAP/VAN采样信号为220 mV，在RN8302精度保证范围内。

1.3RN8302与MCU接口电路

图3 A相电压采样电路Fig.3 Voltage sample input of phase A

MCU 采用 MSP430F5438，256k Flash Memory，16k RAM，其工作电压为2.2～3.6 V[5]。RN8302的工作电压为3.0～3.6 V。采用3.3 V直流供电，可以同时满足电能计量芯片和MCU的电源需要。RN8302与MSP430F5438接口采用SPI通讯方式，SDO为SPI串行数据输出，SDI为 SPI串行数据输入，SCLK为串行时钟输入，SCSN为SPI从设备片选信号。SPI传输线有可能受到干扰出现抖动，外接100 kΩ上拉电阻和10 pF滤波电容。RN8302与MSP430F5438的接口电路如图4所示。

图4 RN8302与MSP430F5438的SPI接口Fig.4 SPI interface between RN8302 and MSP430F5438

2 软件实现

下面介绍三相电表系统功能的软件设计：电表软件程序采用模块化编程，系统上电复位对各个模块初始化，主循环调用各模块子程序。各模块子程序主要包括：时钟模块程序、数据处理模块程序、通讯模块程序、预付费模块程序、电能质量监测模块程序、事件记录模块程序和显示模块程序等。系统软件功能图如图5所示。

图5 系统软件功能图Fig.5 Functional diagram of system software

1）时钟模块程序：根据时钟芯片RX8025SA提供的时间为数据处理模块提供时间度量并且为LCD提供当前时间显示。

2）数据处理模块程序：将计量芯片RN8302提供的有功无功电能、三相电压电流值、频率和功率因素等数据进行处理，结合当前时段和费率，得到用户的各费率时段实际用电量以及最大需量等，并在设置时刻将数据保存到存储器中。

3）通讯模块程序：通讯模块分为红外和RS485。电表能够通过红外接口和RS485接口向抄表系统提供当前或已保存数据。

4）预付费模块程序：ESAM模块对电能表内部传输的充值、消费、操作记录等数据进行加密、解密[6]。

5）电能质量监测模块程序：对谐波幅频、相移和电压线频率进行检测和分析。

6）事件记录模块程序：记录电表失压、失流、断相、掉电、编程、校时、清零和控制拉闸等事件。

7）显示模块程序：通过LCD显示时间、四象限有功无功电能、三相电压电流值、频率、功率因素、各时段各费率用电量以及最大需量等，并可通过按钮对显示界面进行操作。

3 测试结果

首先对样表进行校准，采用简单快捷的功率校表方法对各相电压、电流增益和电压、电流相位差进行数字补偿。只需一台高精度的三相源（精度等级为0.05级），在PF=1.0，额定电压、电流输入时，读取待校正电表的电压和电流测量值，通过差值运算计算出各相电压和电流增益，将计算出的数值写入待校正电表的寄存器 GSUA、GSUB、GSUC、GSIA、GSIB 和 GSIC。 调整 PF=0.5，读取待校正电表的有功功率测量值，计算出各相电压和电流通道之间的角差，将数值写入待校正电表的寄存器PHSUA、PHSUB和PHSUC进行相位通道校正。然后将3只样表分别在PF=1.0和PF=0.5时进行测量，测试结果如表1所示。测试结果表明：电表在20 mA～100 A的电流范围内，有功电能的计量误差低于±0.3%，实现了高精度、宽量程的电能计量。

表1 测试结果Tab.1 Experiment results

4 结束语

文中采用一款动态范围为5 000：1的新型电能计量芯片RN8302，设计了一款量程为 20 mA～100 A（3×220 V/380 V），支持预付费和分时电价，具有RS485和调制式红外通讯、按键及红外停电唤醒抄表功能的三相四线制智能电表，有功电能的计量误差低于±0.3%，达到国家电网0.5S级有功电能表精度要求，实现了高精度、宽量程的电能计量，减少了电表规格品种。

[1]冯勇军，浦志勇，蒋紫松.采用5000：1动态范围的单相高准确度计量芯片设计的1（100）A电流规格电能表[J].电测与仪表，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]朱宁辉，白晓民.双向智能电能表功能需求和结构性能分析[J].电网技术，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.

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[5]王建校，危建国，孙宏滨.MSP430 5XX/6XX系列单片机应用基础与实践[M].北京：高等教育出版社，2012.

[6]陶维青，黄俊祥，曹军，等.ESAM安全模块在预付费电表中的应用研究[J].电测与仪表，2010，47（11）：58-61.

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