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


总第镐卷第541期 2011年第0I期

电测与仪表
ElectricaI Measurement&Instrumentation

V01.48

No.54l

Jan.20ll

采用5000:1动态范围的单相高准确度计量芯片设计的 1(1 00)A电流规格电能表
冯勇军1,浦志勇2,蒋紫松3
3.浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州研发中心,杭州310013) 摘要:采用IDT计量芯片90E24,实现了电流规格为1(100)A的单相高准确度、宽最程智能电能表的设计。产品测试 结果表明,电能表在20mA一100A的电流范围内,计量准确度优于±O.2%,温度系数优于±150 关键词:宽量程;动态范围;智能电能表 中图分类号:TM933 文献标识码:B 文章编号:1001—1390(2011)01-0050一05



(1.新疆电力公司营销部,鸟鲁木齐830002;2.IDT科技(上海)有限公司,上海200233;

10“/℃。

Design of

1(1 00)A

Single Phase High Accuracy Energy

Meter

Using 5000:1

Dynamic Range Metering IC
FENG

Yong—junl,PU Zhi—yon92,JIANG

Zi—son93

(1.Xinjiang
3.Hangzhou Technical

Electrical Power Company Marketing Dept.,Urumqi 830002,China.

2.Integrated Device Technology Shanghai Ltd.Co.,Shanghai 200233,China.

Center,Zhejiang

Chint Instrument&Meter Ltd.Co.,Hangzhou

310013,China)

Abstract:A design of 1(100)A single phase energy meter is presented by using IDT’S metering IC 90E24.The test results show that the meter achieves±0.2%accuracy cient less than±150

over

current

range of 20mA一100A.and temperature coeffi—

10—6/℃.

Key words:wide span,dynamic range,smart meters

0引



的计量芯片动态范围限制,不得不对电能表规定较多 的电流规格,以适应不同用电负荷用户的需求。目前 电流规格较多的电能表,加大了电力公司和电能表生 产企业的资源投入:增加了检测设备的品种和数量以 及产成品备品备件的库存,已制约电力公司和生产企 业的标准化管理进程。 用一种电流规格满足所有用户对用电负荷的需 求,是电力公司和电能表企业的共同诉求,也是电力 公司、电能表企业和计量芯片设计公司的研发人员多 年来一直在通力合作、力求解决的课题。 本文采用美国IDT公司研制的90E24新型计量 芯片胆J,设计了一款电流规格为1(100)A的单相电 能表,实现了在20mA一100A(动态范围为5000:1)的 电流范围内计量误差优于±0.2%,温度系数优于
±150


电能表的电流规格是识别用户用电负荷的重要 参数,一般以基本电流,b/额定电流,n和最大电流 ,。,来表示。如常见的5(20)A、5(30)A等。国家电 网公司企业标准Q/GDW 364—2009…中规定,电能 表采用直接接入方式,其基本电流为5A、IOA、20A; 最大电流宜在基本电流4倍以上。由于电能表的使 用寿命一般为lO年,但居民的用电需求可能在电能 表安装几年后出现较大的增长,尤其在每年都出现的 高峰用电时段,使得最大用电负荷可能接近甚至超过 电能表的最大电流。为了用电安全需要,电力公司不 得不进行更换大量处于使用寿命初、中期的电能表, 导致大量的资源浪费。 一般地,电流规格的范围与计量部分A/D采样 的动态范围相关。对于电力公司而已,受已投放市场

10“/℃的计量性能,1(100)A宽量程、高准

一50一

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Electrical Measurement&Instrumentation

VoI.48 No.54l Jan.201 1

确度电能表的研制成功,能覆盖5(20)A、5(30)A、10 (40)A、15(60)A、20(80)A、30(100)A甚至1.5(6)A 所有规格的电能表。电力公司仅采购1(100)A规格 的电能表,即能满足用户对不同用电负荷的需求,可 降低备用表的库存量,简化检测设备的规格和数量; 电能表企业采用一种物料清单就能生产上述所有电 流规格的电能表,减少了物料品种和库存数量,可简 化电能表的生产工艺,提升生产效率。
1 1.1

特点,适用于宽量程、高准确度的电能表设计。 90E24的功能框图如图1所示,它具有3路独立的采 样频率为8kHz的24位二阶∑/△数模转换器A/D, 优于±15×10拍/。C的片内低温漂参考电压,并使用 DSP完成了有功电能、无功电能、电流/电压有效值、 平均功率、功率冈数、相角、频率等参数的精确计算。 3路独立的A/D,可分别采样两路电流和一路电压。 因此,90E24芯片还可应用于防窃电电能表的设计。 1.2硬件设计¨1 电能表的硬件包括90E24计量芯片、FM2307单 片机及其外围器件、液晶显示器、红外与RS485通信 口、电源等,其中计量部分电路如图2所示。

90E24芯片与硬件设计 90E24芯片简介 90E24是IDT公司新近推出的单相计量芯片,具

有在5000:1的动态范围内计量误差优于±0.1%的

图1 90E24功能框图
Fig.1 Block diagram of 90E24

图2计量部分的硬件设计
Fig.2 Hardware design of metering module

一51—

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电能表的硬件包括90E24计量芯片、FM2307单 片机及其外围器件、液晶显示器、红外与RS485通信 口、电源等,其中计量部分电路如图2所示。 电压采样采用电阻网络分压的方式;L线电流的 采样采用锰铜分流器,考虑到大电流时锰铜的自热影 响,90E24芯片内部集成了增益倍数可选、最大增益 为24、具有低噪声特性的可编程增益放大器PGA,以 表1
Tab.1

减小选用的锰铜电阻阻值;考虑到隔离,N线电流的 采样采用定制的5(100)A的电流互感器。采样参数 的确定如表1所列。 电能表采用的单片机为FM2307,这是一款集成 了液晶驱动、EEPROM和实时时钟的8位RISC单片 机.单片机与90E24间采用SPl接口。

电if,/电流采样参数与PGA增益

Voltage/current sampling parameters and PGA gain

2宽量程电能表的校准
2.1

y=一6×tg驴

校准概述 假设实际输入电流值为,,,电流采样比为蜀,经

此时,在非单位功率因数下(一般在PF=0.5L 时)校准角差即可完成校准。 2.2校准方法 由于90E24具有良好的线性,本设计在整个动态 范围内只需单点校准,一般在基本电流,。下进行:首 先在PF=1.0L时校准增益,接着在PF=0.5L时校 准角差即可。 然而,考虑到L线采样锰铜分流器输出的信号非 常小,任何外部的干扰,如电能表电源用变压器对锰 铜的干扰即可引起较大的计量误差,针对这种近似恒

//V变换后的信号为K,则: ,l=K1K 假设石是电流采样中的比差,则采样电流,。’ 则为: ,.7=Kl(1+石)K 同理,对于电压也有类似的公式: Ul=Ku“ U。7=Ku(1+兀)% 假设因采样电路而产生的附加角差为艿,电压与 电流的相角为妒,则实际功率P。为:
Pl=Ul,lcos(p

定的外部干扰,90E24芯片提供了功率偏差补偿功
能。本设计中采用90E24提供的小电流模式首先放 大电能表在无功率情况下的功率偏差值,进而实现采 用功率偏差补偿功能,更加精准的实现功率偏差 补偿。 有功电能校准后,无功电能无需校准。N线的校 准方法跟L线相同,应在L线校准完成后进行。 3产品参数与测试数据
3.1

经采样电路后的测量功率为P。’: Pl’=KuKl(1+^)(1+工)Hj cos(妒+6) 可推算测量功率与实际功率的误差y为:
’.P1 y 2



P1

(1+兀+Z+^?Z)COS(9+6)一cos驴
cosT

宽量程电能表产品参数
电能表可计量有功和无功电能,并具有电压、电

=(1+力cos8—1一(1+Z)sin8×tg妒 其中: {=凡七{、’{。?{。 考虑到6一般情况下非常小,并忽略厂与6间的 乘积,则可得到:
ya彳一8×tg妒

流、功率、功率因数、相角、频率的测量功能,液晶显示 器可显示上述参数,也可有红外和RS485通信口读取 上述参数。 电能表同时具有L线和N线电流采样,亦可应 用于防窃电场合。 (1) 电能表的基本参数为: (1)参比电压:AC
220V;

在式(1)中,如果‘D=0,则所有误差均来自比差 工因此,在校准中首先应在单位功率因数下校准增 益。在增益校准结束后,误差公式简化为:

(2)电流规格:1(100)A; (3)参比频率:50Hz;

一52一

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(4)仪表常数:3200imp/kwh,3200imp/kVarh; (5)准确度等级:有功1级、无功2级;’ (6)起动电流:O.4%,b(4mA); (7)潜动电流:0mA。 3.2计量动态范围测试结果 测试表明,电能表在20mA~100A的电流范围 内,有功电能的计量误差低于士0.2%,无功电能的计 量误差低于±0.4%。限于篇幅,下文仅列出了L线

有功的测试数据,如表2所列。N线有功的测试数据 与L线类似。 3.3温度系数测试结果 测试表明,电能表的温度系数在一40℃一+85℃ 范围内优于±150


10~/。C。限于篇幅,下文仅列出

了L线有功的测试数据,如表3所列;N线有功的测

试数据与L线类似。

表2计量动态范围测试数据
Tab.2 Results of metering dynamic range

电影A
O.02 O.05


PF=1.0时I。线有功电能误差/(%) 电能表1
—0.0373 一O.0319
一O.0263

电能表2
0.0259 0.0142 一O.0170 —0.0337 一0.0337 —0.0355
—0.0355 —0.0355

电能表3
0.1566

电渺A
O.02 O.05 0.1 0.25 0.5
lA 2.5

PF=0.5L时L线有功电能误差/(%) 电能表l
一O.1235
一O.0518 一O.0170

电能表2
0.0668 一O.0003
—0.0223

电能表3
O.1938 O.1238 O.0583 0.0337 0.0160 0.0284
—0.0177 —0.0355

0.0373 0.0362 0.0195 0.0124 0.0000
—0.0177

O.1 O.25
O.5

—0.0142
一O.007l —O.0177

—0.0177 0.0088
O.0142

—0.0177 一O.0142
—0.0142 —0.0355

l 2.5


—0.0177
0.0177

—0.0177
—0.0355

0.0177
—O.0355


lO

—0.0533
一O.0355 0.0000 —0.0444

lO 20 30 40 60 80
100

一0.0355
0.0000 一O.0592

—0.07lO 一0.0888
—0.0592

O.0355 —0.0888 0.0000 —0.0444
—0.0444 —0.0444 —0.0444

0.0000 0.0888
0.0000

0.0000 —0.0592
—0.0444

20 30

—0.0444 —0.0592
—0.0444 —0.0444

—0.0444 —0.0888 —0.0444
—0.0444

40
60 80
100

—0.0444 —0.0444
—0.0444 —0.0444

—0.0444 —0.0444 —0.0444
—0.0444

—0.0592 —0.0444 —0.0444

表3温度系数测试数据
Tab.3 Results of temperature coefficient test 温度/'E —40
一10

...P,=1.0时温度影响量(×10.6/℃) 温度/oC
80A 20A
5A lA 0.5A

…..

胛=O.5L时温度影响(×100/℃) …’。 …
80A 20A 5A
lA O.5A

一40 一lO

—96.42—96.32—84.77—85.9l 一89.26—101.94—86.74—78.51

一88.14 —77.51

—102.86—82.18—84.82—88.26 —88.83—101.54—71.03—71.03

—68.15 —72.54

25?——-——?——?——?——

25 55
85

I———?——?——?——
—88.33—88.33—88.37—70.73 —58.85 —58.85 —58.87 —55.35 —69.57 —51.52

55 85

—73.93—59.13—76.93—66.27 —66.43—44.32—53.22—50.85

—68.63
—51.45

4小结 本文描述了采用90E24计量芯片,实现电流规格 为l(100)A的宽量程电能表的设计,测试结果表明, 电能表在20mA~100A的电流范围内,有功电能的计 量误差优于±0.2%,无功电能的计量误差优于±0. 4%;在一40℃一+85cC的温度范围内,电能表的计量 误差温度系数优于±150×10“/℃,超过了有功电 能准确度等级l级,无功电能准确度等级2级的国家 标准的要求H。6 J。

宽量程的电能表将有利于减少当前存在的多种 电流规格,从而简化电能表制造商的生产复杂度,亦 可降低电力公司的备用表库存,简化用户管理,是一 款值得推广的新型电能表产品。 参考文献
[1]Q/GDW 364-2009,单相智能电能表技术规范[S]. [2]IDT公司,高精度宽量程单相电能计量芯片90E21/22/23/24数据 手册[z].

一53—

万方数据

Eltelnc4lMc-s…enI&lDslfumentlliom
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上接第4】页) 表1频率跟踪删量结果
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43 45
48 50 52 55

频率池嗣内变化,保证频率跟踪的准确性。经过宴际 电路的测试,陔电路的频牢枷倚跟踪迅速、精确.抗1二 扰能力强,有着重要的实片j价值, 参考文献

¥№《¥k/llz
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48

50

52

55

(2)相位跟踪测量 将u.固定在00V,负载z。为30n电阻和10mH 电感串联,取五个不同的基准频率,测虽输出信号相 位.从结果可以看小其柑位跟踪误差不大干3。,相位 跟踪效果好。 表2相位跟踪刹量结果
Tab 2 The measunng r幅uhs of Dhase tracking
45 o 2 1

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5结论 本文通过柑位差束调整90。移丰H信号幅度,秉爿J 欠量合成的方法实现调相功能是一大创新之处。在 鉴相及比较放大部分,其比较放大器放大倍数很高, 只要相位有微小的差刚,且放大后的直流信号将全很 大,迫使基准信号相位与反馈信号相位逼近,从而能 保证相差几乎为零的精确j!I!踪,有效克服了锁相环同 定相蔗的缺点。另外,由于数字或软件的控制方法存 在延时,所以此种模拟锁相技术相比数字或软件锁相 环的反应速度更快,实时控制性更强。最后,采用改 进的积分电路保证丁在较宽频率范隔内都能实现电 路中所需的标准90。相移.其输人信号可以在较宽的

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万方数据

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
作者: 作者单位: 冯勇军, 浦志勇, 蒋紫松, FENG Yong-jun, PU Zhi-yong, JIANG Zi-song 冯勇军,FENG Yong-jun(新疆电力公司营销部,乌鲁木齐,830002), 浦志勇,PU Zhiyong(IDT科技(上海)有限公司,上海,200233), 蒋紫松,JIANG Zi-song(浙江正泰仪器仪表 有限责任公司杭州研发中心,杭州,310013) 电测与仪表 ELECTRICAL MEASUREMENT & INSTRUMENTATION 2011,48(1)

刊名: 英文刊名: 年,卷(期):

参考文献(12条) 1.GB/T 17215.323-2008,交流电测量设备特殊要求第22部分:静止式无功电能表(2级和3级) 2.Q/GDW 364-2009,单相智能电能表技术规范 3.GB/T 17215.321-2008,交流电测量设备特殊要求第21部分:静止式有功电能表(1级和2级) 4.IDT公司 高精度宽量程单相电能计量芯片90E21/22/23/24 数据手册 5.GB/T 17215.211-2006,交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第11部分:测量设备 6.IDT公司 AN-641单相电能计量芯片应用笔记 7.IDT公司 AN-641单相电能计量芯片应用笔记 8.GB/T 17215.211-2006,交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第11部分:测量设备 9.IDT公司 高精度宽量程单相电能计量芯片90E21/22/23/24 数据手册 10.GB/T 17215.321-2008,交流电测量设备特殊要求第21部分:静止式有功电能表(1级和2级) 11.Q/GDW 364-2009,单相智能电能表技术规范 12.GB/T 17215.323-2008,交流电测量设备特殊要求第22部分:静止式无功电能表(2级和3级)

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