物联网系统中市电电量计量方案(一)

为什么要进行电量计量?

  1. 节约资源:电量计量可以帮助人们控制用电量,从而达到节约资源的目的。在当前严峻的资源供应形势下,节约能源是我们应该重视的问题。
  2. 合理计费:电表可以帮助公共事业单位进行合理计费,以维护公共事业的正常运营。同时,使用者也能根据自己的实际用电量来支付相应的费用。
  3. 监控消耗:通过定期查看电量的使用情况,能够快速发现用电量异常的情况。及时修复故障,避免浪费资源和高额费用。
    本文将主要介绍电量计量中最重要的组成部分——电量计量芯片。
    电量计量芯片的定义
    电量计量芯片是用于测量交流电信号的一类芯片,因最早是使用于电表产品,所以在行业内也俗称电表芯片。它可以统计用电负载的用电量、测量用电负载的功率大小和电流大小,以及市电的电压。市电一般分为单相电和三相电,所以电表芯片有两大类:单相计量芯片和三相计量芯片。
    电量计量芯片的工作原理
    电量计量芯片需要对电信号进行测量,需要分别对电压和电流信号进行采样。以 HLW8110 为例,根据图 1,我们可以对信号采样进行分析。
    在这里插入图片描述
    1、电压信号采样:
    L 线经过 5 个 200K 电阻和 1K 电阻分压后连接到 N,1K 电阻两端的电压输入至 VP PIN,计量芯片通过测量 VP 的电压,就可以采集到 L 线的电信号。
    2、电流信号采样
    对电流信号的采集是通过对 1mR 采样电阻两端的电平进行采样,根据 U = I*R,R 等于 1mR,U 可以通过计量芯片进行测量得到,从而间接采样到 I 的信号。
    得到电压信号和电流信号后,计量芯片 HLW8110 根据算法,就可以计算出有效电压、有效电流和有功功率等电能参数。
    计量芯片属于 ADC 芯片的一种,其主要区别在于,常用的 ADC 芯片是用来测量直流信号的,而计量芯片是用来测量交流信号的。
    被采样的信号通过 IAP、IAN、VP、GND 引脚进入到芯片内部,然后通过 PGA(运放)进入到 ADC 进行采样。ADC 模块的 1.25V 的 VREF 是通过供电电源 VDD 转化而来的,VRFF 的参考地是 GND。
    图 2 HLW8110 内部框图
    在这里插入图片描述
    因为信号采样电路的电平是以N为参考的电平信号,如图 1 所示,电压采样信号的电平VP的电平以及电流采样的信号电平(1mΩ采样电阻两端的电平)都是以N为参考点的电平信号。
    如图 2 所示,运放的VREF是以GND为参考点的参考电压,所以送到计量芯片的信号也必须以GND为参考,才能进行有效的测量。
    我们都知道,测量必须有一个统一的参考,才可能进行有效的测量,所以在设计电路时,我们需要把N和GND连接起来,形成同一个参考。
    我们经常会从安全角度考虑,因为担心强电有危险,在图 1 的电路上,刻意不将N和GND进行短接,如下图所示,其实这是一种错误的接法,没有统一的参考点,如何能够进行正确的测量呢。
    图 3 错误的电路设计图
    在这里插入图片描述
    互感器采样电路
    如下图所示,互感器的设计参考中,电流和电压的采样信号是通过互感器变比后的信号,然后送到 HLW8110 进行采样。
    图 4 互感器采样方式设计参考
    在这里插入图片描述
    那么为何两份设计参考中,图一的 N 和 GND 相连,而图四的 N 和 GND 却不相连呢?这是因为互感器的被测信号已经不再是 L 和 N,而是经过变比后的信号。因此,我们只需确保变比后的信号与 GND 在同一个参考点即可。
    安全性
    从安全性方面来看,互感器采样方式优于电阻采样方式。因为互感器采样可以从源头隔离强电信号。那么,在设计强电产品时,我们应该从哪几个方面加强安全性呢?以下是一些方法:
  4. 外壳绝缘:这是最好的方法,外壳完全绝缘,基本己经保证产品的安全性。
  5. 改量以 N 线做为参考地:在 N 线不能做为参考地的前得下,再使用 L 为参考地,因为 N 对大地的压降是 0V,而 L 对大地的压降是 220V。

电量计量芯片的主要功能
计量芯片的基本功能是测量用电量、功率大小、有效电流和有效电压。一些计量芯片除具备基本测量功能外,还能测量功率因素、市电的线性频率、相角、过零点、视在功率等参数,这类芯片功能比较丰富。下表对不同类型计量芯片的功能进行了分类:
计量芯片的性能和功能因型号而异,具体如下表所示:
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电量计量芯片的选型参数
我们可以按照上述顺序来分解与产品相关的指标。
在这里插入图片描述

  1. 刷新速率:是指产品需要的电量参数数据的更新速度。
  2. 最小测量电流值:产品可以测量的最小电流是多少 mA?
  3. 最小测量功率值:产品可以测量的最小功率值是多少 W?
  4. 准确度:产品允许的精度偏差范围是多少,例如 1%以内、2%以内或 5%以内?
  5. 电量测量范围:产品可以测量的电压范围,例如 90V 到 265V?
  6. 是否需要校准:校准是一个复杂的工序。某些产品由于精度要求不高,例如不需要 1%以内的精度,则可以选择免校准的计量芯片。
  7. 通讯接口:根据 MCU 的资源,选择带有 UART 或 SPI 接口的计量芯片。
  8. 线性频率:如果需要测量市电的线性频率,可以选择带有线性频率测量功能的计量芯片。
  9. 功率因素:如果需要测量市电的功率因素,可以选择带有功率因素测量功能的计量芯片。
    根据以上几条,我们可以大致缩小选型范围,找到合适的计量芯片。

电量计量芯片的应用场景
计量芯片的主要应用场景包括:

  • 智能电网:在智能电网中,计量芯片可以实时监测电力系统的功率参数,如电流、电压、功率因数等,为智能电网的运行和管理提供支持。
  • 工业自动化:在工业生产中,计量芯片可用于监测和控制电力消耗,实现电能的准确计量和分析,为企业节能降耗提供参考依据。
  • 智能家居:随着智能家电的发展,计量芯片可作为基本的“传感器”之一,集成在各类家电中,实现电能的计量、统计和监测等功能。例如,在智能插座中,计量芯片可感知家电的真实状态,检测当前电压、电流是否正常,统计耗电量等。
  • 电力仪表:计量芯片可用于制造电力仪表,如电能表、电压表、电流表等,实现对电力消费的计量和监控。
  • 能源管理系统:在能源管理系统中,计量芯片可用于监测和控制能源的消耗,实现能源的优化利用和管理。
    总之,作为一种测量交流电信号的芯片,计量芯片应用范围极广。随着物联网和智能化的发展,其应用场景将会更加丰富和多样化。

电量计量芯片的厂商
电量计量芯片厂商主要包括国内外的一些知名公司。
国内厂商:

  • 复旦微电子:在电能计量芯片领域拥有多年的研发经验和市场份额,提供多种型号的电能计量芯片产品。
  • 上海贝岭:主要从事电能计量芯片的研发和生产,其产品广泛应用于智能电表等领域。
  • 珠海炬力:专注于电能计量芯片的研发和生产,其产品性能和精度得到了市场的广泛认可。
  • 深圳锐能微合力为:主要生产电能计量芯片,其产品广泛应用于智能电表等领域。
  • 艾创微:是一家专注于集成电路设计的企业,其电能计量芯片产品具有较高的性价比。
  • 钜泉光电:主要从事电能计量芯片的研发和生产,其产品广泛应用于智能电表等领域。
    国际厂商:
  • ADI:是一家全球领先的模拟半导体公司,在电能计量芯片领域拥有较高的技术水平和市场份额。
  • TDK:是一家日本电子元件制造商,在电能计量芯片领域拥有丰富的经验和技术实力。
  • Atmel:是一家以色列半导体公司,提供高性能的电能计量芯片产品。
  • Cirrus Logic:是一家美国半导体公司,在电能计量芯片领域拥有广泛的产品线和市场份额。
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