为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)

应用范例

下面以0.2级三相电能表为例来说明为何电子电能表需要使用F-RAM存储器。首先要说明电能表0.2级的定义，所谓0.2级是指测量精度每千瓦小时 (KWH) 需小于0.2% 的误差，相对来说如果是0.5级则是指指测量精度每千瓦小时 (KWH)需小于0.5% 的误差。其次要说明国家电网对0.2级三相电能表的用电数据存储规范。如下列范例所示，其存储内容分为"用电数据及事件记录"两部份：

1. 用电数据存储:

* 数据保存: 存储器需保存包括12个月的总电能和各费率的电能数据, 包括有功、无功功率;有功、无功总电能;四象限无功总电能以及正反向有功、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共16个项目，每一项目需4字节，12个月共( 4字节x 16项 x 12月= 768字节)。

* 负荷记录存储: 存储器空间应保证在记录正反向有、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共6个项目，每一项目需4字节，时间间隔为1分钟的情况下、可记录不少于30 天的数据容量，最长时间间隔为1分钟， 以60分钟间隔来计算其数据量为 ( 4字节x 6项 x 24小时x 30天 = 17,280 字节)。

2. 事件记录存储: 内容则包括最近10 次编程时间;需量清零时间;校时事件;A、B、C相失压起始及恢复时间;A、B、C 相断相起始及恢复时间;电流不平衡起始及恢复时间和事件期间的各项电能增量共6大项801字节。

不包含负荷记录，上述数据量相加起来最低存储器需求就有1,569 字节 (12.51千位)，若再加上第三点的负荷记录存储缓冲，其数据量则高达18,849 字节 (150.79千位)。

以存储速度来作比较：I2C的EEPROM 写1,569 字节需要 0.91秒，写18,849 字节需花费11.07秒;但是I2C的铁电(FRAM)存储器，写1,569 字节仅需要 45毫秒，写18,849 字节仅需花费0.55秒。事实上当Vdd在0.01秒的时间下降0.23V (使用1000?f 130?内阻的电容) 的放电率条件下，铁电存储器能写50,000次，而EEPROM仅能写一次。因为浮动栅存储器的擦写延迟在大量数据存储时有可能导致数据丢失，所以浮动栅存储器并不适用于高容量的电能表。

根据统计，中国的民用电一般约每户每月200度左右，而工业用电每户每月约高达2万度左右，以每0.01度存储一次用电数据来计算，则存储器每月的擦写次数会高达200万次，加上电能表的使用寿命为5-7年(各省分不同)，因此浮动栅存储器的擦写寿命根本不敷使用，因为浮动栅存储器的擦写延迟因素更不可能采用大容量浮动栅存储器来做移位储存。

从数据保存的本质安全角度及写入时间来看，浮动栅存储器并不适用于三相电能表，因为在如此大量的数据存储情况下，浮动栅存储器的擦写延迟有可能导致数据丢失。例如，用电量大或者遇到瞬间停电时会有来不及写入，导致数据丢失的可能性。

当然工程师们可以利用SRAM作为数据缓冲暂时存储用电数据，但是这样就需要备份电池给SRAM供电，以防止断电时数据丢失，此外，还会增加电能表本身的功耗与成本。所以具有非易失性、无延迟快速写入、无限的读写寿命和超低的写入功耗特性的铁电存储器，就成为了电能表的最佳存储器选择。

中国国家电网对0.2级三相电能表的用电数据存储内容要求如下：

数据存储内容:

1、 至少能存储前12个月或前12个(结算)抄表周期的总电能和各费率的电能数据, (负荷记录: 有功、无功的电压、电流、频率;有功、无功功率;功率因子;有功、无功总电能;四象限无功总电能。

( 4字节x 16 x 12月= 768 字节) 。

2、 负荷记录间隔时间可以在1～60 分钟之间任意设置。

3、 负荷记录存储空间应保证在记录正反向有功、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2，时间间隔为1分钟的情况下可记录不少于30 天的数据容量 (这个数据通常会移至闪存)。

在1分钟间隔时: ( 4字节x 6 x 60分钟x 24小时x30天 = 1,036,800 字节)

在60分钟间隔时: ( 4字节x 6 x 24小时x30天 = 17,280字节)

事件记录存储内容：

1、 最近10 次编程时间及编程对应的数据标识。

(年, 月, 日, 时, 分, 秒 = 6字节 x 10次+ 40字节数据= 100字节)

2、 最近10 次的需量清零时间及清零前的最大需量值。

(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 10次+ 40字节数据= 100字节)

3、 最近10次校时事件，校时前后时间。

(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 20次(前+后) + 1字节事件= 121字节)

4、 最近10 次A、B、C 相失压起始、恢复时间及其期间的电能增量。

(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6 字节 x 20 + 40 字节增量= 160字节)

5、 最近10 次A、B、C 相断相起始、恢复时间及期间的电能增量

(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 20 + 40字节增量= 160字节)

6、 最近10 次电流不平衡起始、恢复时间及其期间的电能增量

(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节x 20 + 40字节增量= 160字节)

总存储数据在条件 (1+4+5+6+7+8+9)= 1,569 bytes (12.51Kb)

总存储数据在条件 (1+3+4+5+6+7+8+9)= 18,849 bytes (150.79Kb)

本文小结

铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM的技术一样，是一种非易失性的存储器，适合用于需要较以往更高的数据收集速率及寿命的电能表或先进计量产品。由于铁电存储器具有高速的写入速度和无限的读写寿命，加上其非易失性及低功耗的特点，所以电子电能表需要使用铁电存储器作为数据存储。