傳統(tǒng)電表被智能電表逐漸代替的初衷和原因是為了節(jié)能。電力企業(yè)通過(guò)使用智能電表將最終形成一個(gè)規(guī)劃完善的電網(wǎng)，比如規(guī)劃發(fā)電能力、更加有效地管理電網(wǎng)資源等等。從全球趨勢(shì)數(shù)據(jù)來(lái)看，為了使電力狀況穩(wěn)健并被掌控，各國(guó)都在積極部署使用智能電表。目前在我國(guó)，智能電表已成為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)配備之一，承擔(dān)起智能電網(wǎng)先行者的責(zé)任。智能電表不僅具備基本的電能表計(jì)量用電量的功能，而且為配合智能電網(wǎng)及新能源的使用，還具有雙向多費(fèi)率計(jì)量功能、用戶端控制功能、防竊電功能以及支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等智能化功能。
智能電表市場(chǎng)被普遍看好，與之相關(guān)的半導(dǎo)體元器件就搭上了這趟順風(fēng)車(chē)。在智能電表整體成本上占據(jù)最大份額的半導(dǎo)體器件當(dāng)屬邏輯集成電路，比如微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等。如此龐大的市場(chǎng)正引導(dǎo)著全球各個(gè)智能電表解決方案供應(yīng)商加大研發(fā)力度，作為該市場(chǎng)的領(lǐng)先供應(yīng)商，瑞薩推出的RL78系列微控制器目前已成為市場(chǎng)上智能電表(包括單相和三相)解決方案的重要選擇對(duì)象。
那么智能電表是怎么工作的?通俗地說(shuō)，智能電表發(fā)送電表讀數(shù)就和我們用手機(jī)發(fā)送信息一樣!智能電表全天候記錄用電量并存儲(chǔ)，電力公司通過(guò)通信基礎(chǔ)設(shè)施將這些數(shù)據(jù)從電表傳送到變電站或者收集設(shè)備。世強(qiáng)市場(chǎng)經(jīng)理呂駿奇指出：“智能電表的良性發(fā)展離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)鏈的支持，世強(qiáng)在工業(yè)電子市場(chǎng)布局多年，可為智能電表解決方案提供更安全、更節(jié)能的核心器件，如MCU等，讓智能電表的未來(lái)越來(lái)越清晰。”如下圖所示。
圖：世強(qiáng)三相智能電表原理框圖及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
用“芯”做：在單一器件中實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)的最快速方法
瑞薩多年來(lái)對(duì)智能電表行業(yè)持續(xù)關(guān)注和研究，在加大全球研發(fā)力量的同時(shí)，不斷創(chuàng)新出能夠促進(jìn)電能表行業(yè)發(fā)展的各種技術(shù)，以支持電網(wǎng)改造給行業(yè)帶來(lái)的不同挑戰(zhàn)。基于RL78系列MCU R5F100PJ研發(fā)設(shè)計(jì)的三相智能電表解決方案不但使制造商成本降低、產(chǎn)品上市時(shí)間加快，而且還將進(jìn)一步推進(jìn)智能電網(wǎng)的一體化建設(shè)。此方案給出了豐富的功能性，狀態(tài)指示、分時(shí)計(jì)量、多費(fèi)率、歷史數(shù)據(jù)、事件記錄存儲(chǔ)、自檢、糾錯(cuò)、停電抄讀、多級(jí)密碼保護(hù)、主動(dòng)上報(bào)等等。
開(kāi)發(fā)智能電表產(chǎn)品的企業(yè)，越來(lái)越傾向于在一個(gè)或者多個(gè)高集成度器件中實(shí)現(xiàn)所需的功能性。呂駿奇表示：“基于R5F100PJ的智能電表方案，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流、電壓、功率采樣，支持電能測(cè)量和數(shù)據(jù)處理如記錄、凍結(jié)、上傳、分析，適合用來(lái)測(cè)量頻段為45Hz~65Hz的三相有、無(wú)功分時(shí)電能量及電流電壓等參數(shù)，配有PLC、微功率無(wú)線、RS485及紅外通訊等多種通信接口，性能指標(biāo)符合GB/T17215.211-2006和GB/T17215.301-2007標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)網(wǎng)和南網(wǎng)發(fā)布的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。”
另外，三相智能電表設(shè)計(jì)需要更高的安全性、總體低功耗、高可靠性性能的專(zhuān)有系統(tǒng)集成，并且這些因素是非常關(guān)鍵的。RL78系列可集中提供所有這些功能，基于16位CISC架構(gòu)，是豐富模擬外設(shè)、小型、高效系統(tǒng)的低功耗微控制器。R5F100PJ也在瑞薩原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，完善了功能性、尺寸和內(nèi)置功能，性能更高，功耗更低。
低功耗：在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，許多先進(jìn)的MCU都構(gòu)建了不同的節(jié)能模塊，以此應(yīng)對(duì)較高頻率和高集成度引起的功耗問(wèn)題。R5F100PJ也比例外，其處理器性能可達(dá)1.27DMIPS/MHz，處于運(yùn)行模式時(shí)功耗可低至66uA/MHz，STOP模式下功耗為0.57uA(RTC、WDT、LCD工作)，HALT模式下功耗在0.92uA@32.678KHz(RTC、WDT、LCD工作)。
系統(tǒng)高度集成：R5F100PJ配有獨(dú)立低速晶振(15KHz)和高速晶振(最高24KHz，精度保持在±1%)，內(nèi)置硬件RTC和乘除法器、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、串行通信接口，同時(shí)配備片上調(diào)試功能、低電壓檢測(cè)、數(shù)據(jù)閃存及1.45V參考電壓。
此外，R5F100PJ的ADC和串行接口在STOP模式下可進(jìn)行操作，支持IEC60730安全機(jī)制，具有1.6~5.5V的寬范圍工作電壓，可在高溫環(huán)境下工作，256k flash，20k RAM，GPIO有92個(gè)。
對(duì)于智能電表來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)“小目標(biāo)”一個(gè)億?
智能電表作為計(jì)量和管理電力能源的終端，可跟蹤每戶電能使用情況并能隨時(shí)調(diào)節(jié)使用量，并且采用分時(shí)計(jì)費(fèi)功能，在不同時(shí)間段使用不同的電價(jià)計(jì)算，即一天24小時(shí)按照用電配比的不同、不同時(shí)間區(qū)間執(zhí)行尖峰平谷的判別和計(jì)算。這就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC在電表中計(jì)時(shí)。若是以每戶為單位使用數(shù)字工具控制電能使用量，在用電高峰時(shí)段，電網(wǎng)的最大負(fù)荷就可減少15%的用電量，那么在將來(lái)就可不用再建造新發(fā)電廠極其配套基礎(chǔ)設(shè)施，大約就可節(jié)省700億美元。
RTC能為智能電表計(jì)費(fèi)、計(jì)時(shí)、遠(yuǎn)程抄表等等的智能化功提供準(zhǔn)確的時(shí)間保障以及時(shí)鐘，同時(shí)還有基本的日歷功能。因此智能電表對(duì)RTC的精度要求很高，1Hz需要的精度大約為±10ppm，若誤差大于這個(gè)參考值，則會(huì)使電能的分段計(jì)費(fèi)或者超標(biāo)所產(chǎn)生的電量使用量結(jié)果不準(zhǔn)確，其誤差對(duì)用戶就會(huì)造成損失。此外，由于我國(guó)氣候分布不同，智能電表所處的環(huán)境也各不相同，這就需要RTC具備全溫工作的能力。
智能三相電表的RTC推薦使用EPSON推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RX-8025T，其可針對(duì)性地解決上述問(wèn)題，內(nèi)置32.768KHz的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，滿足高精度要求，在全溫范圍內(nèi)滿足國(guó)網(wǎng)提出的電表要求。另外，RX-8025T具有定時(shí)報(bào)警功能、固定周期定時(shí)中斷功能、時(shí)間更新中斷功能、閏年自動(dòng)調(diào)整功能、支持I2C總線高速模式，低電流功耗僅為0.48uA/3V。
智能電表使用電池直接給MCU和其他電路進(jìn)行供電，如此一來(lái)電池使用時(shí)間長(zhǎng)造成的輸出電壓不穩(wěn)定便會(huì)使測(cè)量精度和穩(wěn)定性降低。因此，在該三相智能電表方案中，電源單元加入Ricoh超低靜態(tài)功耗LDO Rx5RL進(jìn)行穩(wěn)壓控制，在穩(wěn)定供電電壓的同時(shí)提高智能電表的測(cè)量精度。采用CMOS工藝的Rx5RL集成了參考電壓?jiǎn)卧?、誤差放大器、驅(qū)動(dòng)晶體管，輸出電壓的電阻可以設(shè)置并且具有固定的高精度。
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