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基于CSE7780芯片的国网新标准单相智能电能表设计

近日,国网计量中心发布通知,为了拓展智能电能表功能,提高产品的灵活性、可靠性和安全性,满足泛在电力物联网的建设需求和未来各类功能扩展和高级应用的需求,现组织对新一代智能电能表开展样机功能验证工作。  送样样机要求:送样样品单相、三相样机各2只,其中单相样机规格为0.25A-0.5(80)A,220V,有功A级;三相样机规格为0.015A-0.075(6)A,
3×57.7/100V-100V电压自适应,有功C级,经互感器接入,带辅助电源。  国网计量中心有限公司关于组织新一代智能电能表样机功能验证的通知  各电能表生产企业:  为了拓展智能电能表功能,提高产品的灵活性、可靠性和安全性,满足泛在电力物联网的建设需求和未来各类功能扩展和高级应用的需求,现组织对新一代智能电能表开展样机功能验证工作。  一、送样样品规格  送样样品单相、三相样机各2只,其中单相样机规格为0.25A-0.5(80)A,220V,有功A级;三相样机规格为0.015A-0.075(6)A,3×57.7/100V-100V电压自适应,有功C级,经互感器接入,带辅助电源。  二、送样样品外形尺寸  送样样品外观结构及尺寸要求详见附件1-附件4。  三、送样样品技术、功能要求  送样样品技术、功能指标要求详见附件5-附件7。  四、其他要求  1、单、三相样机管理芯要求必须采用M4内核及以上的单片机,不采用操作系统。  2、本次送样样机对象为手板模样机,主要开展功能性测试,不对机械性能进行要求。  3、本次送样样机不要求具备安全方案。  五、需要提交的其它材料  1、提供能够连接送测样机的蓝牙转串口工装5个(其中2个作为主模块,3个作为从模块)。串口采用USB接口形式(串口波特率115200bps,8个数据位,1个停止位,偶校验)。附工装操作说明书,说明每个工装是主设备还是从设备等信息,若工装需要安装驱动的同时提交驱动程序(光盘)。  2、提供能够单独抄读送测样机的单、三相计量芯工装各2个。  (1)拔掉管理芯可插此工装抄读计量芯数据,此工装需支持双芯通信,抄读计量芯工装一端连接计量芯双芯通信接口,另一端转为485总线输出。  (2)工装可只支持1路485,波特率115200bps,8个数据位,1个停止位,偶校验。  (3)工装应支持电信号秒脉冲输出,脉冲直接通过计量芯与管理芯接口引出。  (4)工装应支持有功电能、正向、反向谐波电能脉冲信号(电信号)输出。  (5)三相表计量芯工装应支持无功电能脉冲信号(电信号)输出。  (6)以上所有信号输出均独立,在工装上印有信号说明,并同时附有工装使用说明书(纸质版一份,单、三相分开)。  3、提供可供验证软件升级的程序升级包,当前电表程序软件版本号为V1.0,液晶显示当前日期格式为2019.10.24(示例),待升级程序软件版本号为V2.0,液晶显示当前日期格式为19.10.24(示例),显示日期液晶右对齐。各厂家可对软件升级包自行加密,国网计量中心不对软件的保密负责。  4、默认不启用安全模式参数,所有数据采用明文传输(程序升级数据厂家可自行加密)。  5、提供支持《多芯模组化表扩展通信协议》的电表测试维护软件(能够进行数据解析即可)。  6、电能表不需要进行盲样处理。

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关键词:CSE7780, 智能单相电表, 软件校表, Sigma-Delta,
模数转换器CSE7780是深圳市芯海科技有限公司继2007年推出高精度单相有功功率计量芯片CSE7755B实现低成本电表方案,以及2009年推出填补国内数模混合三相电能计量芯片空缺的三相电能计量芯片CSE7752后,又成功推出的能够测量电压有效值、电流有效值、平均有功功率等各种电气参数,且具有防窃电功能的单相多功能计量芯片。基于该芯片的电表方案完全符合国网新标准,从而使得芯海科技成为目前符合国网新标准的少数几个芯片供应商之一。基于CSE7780设计的智能电能表旨在使设计方案更加合理,使之成为性价比更具优势的产品。本文将对计量芯片CSE7780的性能特点和结构电路进行了分析,并从软、硬件两个方面给出符合国网智能电能表要求的设计方法。符合国网新标准电能计量方案CSE7780是一款高精度单相电能计量芯片,在动态范围(1500:1)内,非线性误差小于0.1%,提供两路电流有效值、一路电压有效值,在动态400:1的范围内,有效值误差小于0.5%。该芯片能够提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等功能,以及提供全数字增益、相位、失调校准,有功能量脉冲从PF管脚输出。CSE7780通过一个SPI串行接口可以与外部的MCU进行通信;具有潜动阈值可调功能;内部具有电源监控电路,可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V单工作电源,内置2.5V电压参考源,也可以使用外置的2.5V参考源。

图1:CSE7780结构框图

CSE7780的内部功能结构框图如图1所示。在芯片工作时,将采样到的电流、电压信号先经过增益放大器,将采样信号放大,然后再通过高精度的Sigma-Delta,模数转换器将模拟信号转换为数字信号,得到的数字信号通过低通滤波器、高通滤波器滤去高频噪声与直流增益,从而得到需要的电流、电压采样量化的数据。将这些数据相乘,经过低通滤波器输出平均有功功率;电流、电压量化后的数据通过平方电路、低通滤波器、开方电路得到电流、电压有效值。将有功功率按时间积分,计算出有功能量。通过能量频率转换器将得到的能量通过PF引脚输出,也可通过SPI总线获得经过数字信号处理得到的数字化数值。完整解决方案软硬件设计软件设计CSE7780寄存器的配置流程如图2所示,先设置好计量控制寄存器,能后再配置校表寄存器。

图2:参数配置流程图

澳门新蒲京娱乐诚,1:CSE7780 ADC参数设计以设计一块额定电压220V(Un)、10 (60)
A电流规格、表常数为1600imp/KWh电表为例,由于电流输入通道允许输入最大信号为±700mV的峰峰值,10(60)A的表考虑到通道A发热的情况,可选择200~250微欧的锰铜,若以250微欧的锰铜来采样,在Imax=60A时,通道A的采样信号为60A*250μΩ=15mV,由于电流通道A的允许最大输入信号为495mV,因此电流通道的增益选择可配置成16,通道B采用2500:1的互感器;负载电阻10Ω,电流通道B增益设置为1。电压通道允许最大输入信号为±700mV的峰峰值,考虑到电压会有130%Un过压,可将电压采样信号通过网络电阻将220V交流电压信号降至220mV左右,电压通道增益选择为1。通过上述的论述,我们须将电流通道A的增益设置为16,电流通道B的增益设置为1,电压通道的增益设置为1,因此SYSCON寄存器应设置为00C0H。

图3:功率校正流程