三相智能电表如何“表”率？

　　传统电表被智能电表逐渐代替的初衷和原因是为了节能。电力企业通过使用智能电表将最终形成一个规划完善的电网，比如规划发电能力、更加有效地管理电网资源等等。从全球趋势数据来看，为了使电力状况稳健并被掌控，各国都在积极部署使用智能电表。目前在我国，智能电表已成为智能电网的基础配备之一，承担起智能电网先行者的责任。智能电表不仅具备基本的电能表计量用电量的功能，而且为配合智能电网及新能源的使用，还具有双向多费率计量功能、用户端控制功能、防窃电功能以及支持多种数据传输模式的双向数据通信等智能化功能。

　　智能电表市场被普遍看好，与之相关的半导体元器件就搭上了这趟顺风车。在智能电表整体成本上占据最大份额的半导体器件当属逻辑集成电路，比如微控制器、数字信号处理器等。如此庞大的市场正引导着全球各个智能电表解决方案供应商加大研发力度，作为该市场的领先供应商，瑞萨推出的RL78系列微控制器目前已成为市场上智能电表(包括单相和三相)解决方案的重要选择对象。

　　那么智能电表是怎么工作的?通俗地说，智能电表发送电表读数就和我们用手机发送信息一样!智能电表全天候记录用电量并存储，电力公司通过通信基础设施将这些数据从电表传送到变电站或者收集设备。世强市场经理吕骏奇指出：“智能电表的良性发展离不开产业链的支持，世强在工业电子市场布局多年，可为智能电表解决方案提供更安全、更节能的核心器件，如MCU等，让智能电表的未来越来越清晰。”如下图所示。


                                                图：世强三相智能电表原理框图及拓扑结构

　　用“芯”做：在单一器件中实现多种设计的最快速方法

　　瑞萨多年来对智能电表行业持续关注和研究，在加大全球研发力量的同时，不断创新出能够促进电能表行业发展的各种技术，以支持电网改造给行业带来的不同挑战。基于RL78系列MCU R5F100PJ研发设计的三相智能电表解决方案不但使制造商成本降低、产品上市时间加快，而且还将进一步推进智能电网的一体化建设。此方案给出了丰富的功能性，状态指示、分时计量、多费率、历史数据、事件记录存储、自检、纠错、停电抄读、多级密码保护、主动上报等等。

　　开发智能电表产品的企业，越来越倾向于在一个或者多个高集成度器件中实现所需的功能性。吕骏奇表示：“基于R5F100PJ的智能电表方案，可同时实现电流、电压、功率采样，支持电能测量和数据处理如记录、冻结、上传、分析，适合用来测量频段为45Hz~65Hz的三相有、无功分时电能量及电流电压等参数，配有PLC、微功率无线、RS485及红外通讯等多种通信接口，性能指标符合GB/T17215.211-2006和GB/T17215.301-2007标准，技术指标符合国网和南网发布的相关技术规范。”

　　另外，三相智能电表设计需要更高的安全性、总体低功耗、高可靠性性能的专有系统集成，并且这些因素是非常关键的。RL78系列可集中提供所有这些功能，基于16位CISC架构，是丰富模拟外设、小型、高效系统的低功耗微控制器。R5F100PJ也在瑞萨原有产品的基础上，完善了功能性、尺寸和内置功能，性能更高，功耗更低。

　　低功耗：在过去相当长的一段时期内，许多先进的MCU都构建了不同的节能模块，以此应对较高频率和高集成度引起的功耗问题。R5F100PJ也比例外，其处理器性能可达1.27DMIPS/MHz，处于运行模式时功耗可低至66uA/MHz，STOP模式下功耗为0.57uA(RTC、WDT、LCD工作)，HALT模式下功耗在0.92uA@32.678KHz(RTC、WDT、LCD工作)。

　　系统高度集成：R5F100PJ配有独立低速晶振(15KHz)和高速晶振(最高24KHz，精度保持在±1%)，内置硬件RTC和乘除法器、蜂鸣器驱动、串行通信接口，同时配备片上调试功能、低电压检测、数据闪存及1.45V参考电压。

　　此外，R5F100PJ的ADC和串行接口在STOP模式下可进行操作，支持IEC60730安全机制，具有1.6~5.5V的宽范围工作电压，可在高温环境下工作，256k flash，20k RAM，GPIO有92个。

　　对于智能电表来说，如何实现“小目标”一个亿?

　　智能电表作为计量和管理电力能源的终端，可跟踪每户电能使用情况并能随时调节使用量，并且采用分时计费功能，在不同时间段使用不同的电价计算，即一天24小时按照用电配比的不同、不同时间区间执行尖峰平谷的判别和计算。这就需要实时时钟RTC在电表中计时。若是以每户为单位使用数字工具控制电能使用量，在用电高峰时段，电网的最大负荷就可减少15%的用电量，那么在将来就可不用再建造新发电厂极其配套基础设施，大约就可节省700亿美元。

　　RTC能为智能电表计费、计时、远程抄表等等的智能化功提供准确的时间保障以及时钟，同时还有基本的日历功能。因此智能电表对RTC的精度要求很高，1Hz需要的精度大约为±10ppm，若误差大于这个参考值，则会使电能的分段计费或者超标所产生的电量使用量结果不准确，其误差对用户就会造成损失。此外，由于我国气候分布不同，智能电表所处的环境也各不相同，这就需要RTC具备全温工作的能力。

　　智能三相电表的RTC推荐使用EPSON推出的实时时钟RX-8025T，其可针对性地解决上述问题，内置32.768KHz的数字温度补偿晶体振荡器，满足高精度要求，在全温范围内满足国网提出的电表要求。另外，RX-8025T具有定时报警功能、固定周期定时中断功能、时间更新中断功能、闰年自动调整功能、支持I2C总线高速模式，低电流功耗仅为0.48uA/3V。

　　智能电表使用电池直接给MCU和其他电路进行供电，如此一来电池使用时间长造成的输出电压不稳定便会使测量精度和稳定性降低。因此，在该三相智能电表方案中，电源单元加入Ricoh超低静态功耗LDO Rx5RL进行稳压控制，在稳定供电电压的同时提高智能电表的测量精度。采用CMOS工艺的Rx5RL集成了参考电压单元、误差放大器、驱动晶体管，输出电压的电阻可以设置并且具有固定的高精度。