智能電表是比傳統電表更準確地識別能耗的先進設備。它們旨在獲取有關何時使用能源的信息，而不僅僅是使用了多少能源，并將此信息傳達給當地公用事業公司，以進行電力監控，計費和其他目的（圖1）。

為了滿足先進計費和能源管理服務的需求，推動當今智能電表和子計量系統的MCU采用高精度模擬前端（AFE）電路和先進的數據處理軟件。但是特定應用需要多少精度？具有集成AFE的新一代MCU是否能為您的應用提供足夠的精度？是否最好補償線路擾動，否則會使用硬件，軟件或兩者的組合來扭曲MCU的測量？在這個由兩部分組成的系列中，我們將分享這些問題的答案，并提供最新的功率測量解決方案。

圖1：現代智能電表依靠復雜的能量測量IC來精確測量功耗，提供篡改檢測，并在某些情況下實時感知功率因數（由STMicroelectronics提供）。

智能電網需要更智能的電表

除了自動抄表（AMR）的直接好處之外，公用事業公司正在轉向智能電表，以實現先進的功能，使他們能夠更有效地運行其發電和配電網絡。智能電表產生的詳細數據可實現細粒度的客戶端負載管理，更好地利用分布式能源，以及基于時間，峰值消耗水平，符合峰值負載管理消息等因素的所謂智能計費，和電抗負荷引起的干擾。與此同時，商業和工業客戶正在越來越多地使用智能分計量系統來幫助管理他們的負荷，進而控制他們的水電費。

在這兩種情況下，都需要一種新的能量測量技術來提供準確的基于時間的圖像，其中包括交付給客戶場所的電量和質量，以及客戶負載所帶來的任何干擾。在網格上。

直到最近，大多數智能功率計設計都基于獨立的AFE，由單獨的MCU配置和讀取（圖2）。為了確保最大的準確性并最大限度地減少篡改的可能性，讀取AFE的MCU專門用于此任務，并將其結果傳遞給功能更強大的主機MCU，以處理智能電表的其余數據處理和通信任務。

圖2：Microchip Technology的MCP3901雙通道獨立AFE包含兩個同步采樣Delta-Sigma模數轉換器（ADC），兩個PGA，相位延遲補償模塊內部參考電壓，調制器輸出模塊和高速20 MHz SPI兼容的串行接口。

由于智能電表IC市場（包括ADI公司，Maxim公司，Microchip公司和德州儀器公司）的大多數主要參與者都推出了專用的計量處理器，例如德州儀器公司的設備，情況在過去一年左右發生了變化。 ‘MSP430AFE系列（圖3），集成了模擬前端和專用MCU。混合信號設備通常會受到某種程度的數字噪聲影響，這會影響其模擬靈敏度，精度和整體精度。在不需要雙芯片解決方案可提供的尖端性能的應用中，通常需要權衡降低成本并簡化實施。

與此同時，IC制造商集成高精度模擬計量的能力不斷提高，并且電表性能要求變得越來越明確，這些趨勢將使更廣泛地接受單芯片計量解決方案。因此，雖然需要極高精度的應用仍將使用獨立的AFE，但集成AFE/MCU解決方案提供的較低解決方案成本和較高可靠性將使其成為主流智能電表市場中的“主導品種”。

圖3：TI的MSP430AFE系列集成了一個16位RISC CPU和三個獨立的24位Σ-Δ轉換器以及所有必要的外設，用于具有防篡改功能且誤差小于0.1％的計量級模擬前端（AFE）在寬（2400：1）動態范圍內的能量精度（德州儀器提供）。

雖然這些新的單芯片和雙芯片計量解決方案（以及支持它們的參考設計）大大簡化了智能電表設計，但仍有許多問題需要解決。除此之外，您選擇的解決方案還取決于您的應用需要多少精度/精度，除基本功耗外還需要測量儀表的類型，以及您的設計將采用的整體架構。

精確決策

公用事業和分計量應用所需的精度大不相同，但一般而言，公用事業級解決方案要求更高的精度（嚴重誤差為0.1％）并且要求符合現有要求IEC或ANSI標準。相比之下，用于內部能源管理而不涉及計費的子計量系統可以提供良好的結果，精度較低，通常約為2％。

然而，智能電網應用中的精度或準確度要比AFE的A/D轉換器配備的位數要復雜得多。在某種程度上，這是因為離開電網的交流電壓不是純50赫茲或60赫茲的正弦波，并且包含在傳輸過程中引入的諧波，相位和脈沖噪聲的寶庫，通常來自消費者設備。為了準確測量客戶的功耗以及它們對電網的任何其他影響，AFE的ADC必須保持其線頻率的一半與其上方的kHz左右之間的線性度。至少，無論規定的分辨率如何，都必須了解ADC實際可以提供的有效位數（ENOB），信噪比和失真比（SINAD）或總諧波（THD）值。

例如，Microchip的PIC18F87J72智能電表MCU具有16/24位ADC，可提供高達90 dB的SINAD和-101 dBc THD（至35次諧波），使其能夠滿足IEC 0.5級規范。對于要求獨立AFE可提供更高精度的應用，Microchip的MCP3901（單相）和MCP3903（3相）可提供高達91 dB的SINAD/-104 dBc THD，精度為0.2％。

還有其他一些影響精度的問題，包括可能會扭曲MCU測量值的線路擾動。通過硬件和軟件的某種組合來完成濾除或補償這種噪聲，這些組合根據您的設計架構而變化。在所有情況下，必須仔細布置AFE周圍的PCB，并選擇其無源元件以抵抗噪聲和線路擾動。軟件也在這項工作中發揮作用，特別是為了分解否則會破壞測量數據的小尖峰。 AFE使用的模擬轉換器類型也會影響它需要多少額外補償。例如，Microchip智能電表產品的AFE中使用的基于delta-sigma的ADC和Maxim的71M654x和71M6x01智能電表芯片組可為高頻噪聲和其他EMC相關問題提供高度濾波（圖4）。 Maxim的設計還包括片上AFE硬件功能，如抖動，可提高系統的整體抗噪能力，并消除對基于軟件的消除的需求。

圖4：Maxim的71M654x和71M6x01芯片組采用Delta-Sigma AFE，可降低高頻元件和線路噪聲對功率測量精度的影響。它還支持Teridian 71M6x01系列隔離傳感器的可選接口，可提供BOM成本降低，抗磁篡改功能和增強的可靠性。

其他注意事項

精度，準確度和抗噪能力只是智能電表中能量測量所涉及的一小部分問題。例如，計量元件可以提供這種精確度的動態范圍也是一個關鍵問題。當制造商希望在多個平臺上使用單一設計時，寬動態范圍是另一個問題，每個平臺都有自己的一套不同的傳感器和系統參數。在這些情況下，具有寬動態范圍的計量元件提高了子系統設計的靈活性。

更重要的是，與大多數消費品不同，這些儀表在整個使用壽命期間都可以保持可接受的精確度，可以是20到40年或更長。另一個考慮因素是，對于某些應用，客戶可能希望使用盡可能低的電流分流值或采用基于變壓器的電流監測技術來進一步降低損耗。

正如我們所看到的，隨著公用事業需求的增長，它們正在推動越來越多的智能功能，如負載需求響應，資費管理，通信和其他“必備”。作為回應，大多數智能儀表架構通常使用單獨的計量模塊，該模塊將來自處理儀表管理和管理功能的MCU的數據采集和處理功能進行分區。直到最近，大多數智能功率計設計還基于獨立的AFE，由單獨的MCU配置和讀取。現在集成的AFE/MCU解決方案可供選擇，通常可用于精確度/成本/性能決策。