基于IC 71M6533帶脈沖計(jì)量的能源管理儀表設(shè)計(jì)

0 前言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能耗總量呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，因此能源管理勢(shì)在必行。對(duì)工礦企業(yè)、建筑樓宇的能源管理，依賴于對(duì)能源信息的數(shù)據(jù)采集及分析。

除電能外，其它種類能耗也需要采集，如水、氣等。目前大部分的水表、氣表，其信息遠(yuǎn)傳方式為脈沖輸出，并不適合能源管理系統(tǒng)的直接采集需求，因此很難將非電量的能耗信息融入能源管理系統(tǒng)。現(xiàn)有的脈沖采集器是針對(duì)老式機(jī)械式電度表開發(fā)的產(chǎn)品，完成電能脈沖到電度數(shù)的數(shù)字轉(zhuǎn)化，但不能將水量、氣量等轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的數(shù)字當(dāng)量。

針對(duì)上述情況，本文介紹一種帶脈沖計(jì)量的能源管理儀表。

1 儀表功能

儀表具備三相多功能電能表、脈沖采集器二合一的功能。除可測(cè)量常用電力參數(shù)及實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量外，還具備3路外部輸入脈沖計(jì)量功能，可對(duì)基于脈沖電路技術(shù)的計(jì)量表進(jìn)行信號(hào)采集、運(yùn)算處理、存儲(chǔ)，并與儀表自身測(cè)量的電參數(shù)一起通過(guò)RS485總線上傳至能源管理平臺(tái)，其示意圖如圖1所示。

圖1 儀表功能示意圖

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

儀表設(shè)計(jì)主要基于以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）GB/T 20866-2007基于用戶脈沖計(jì)量表的數(shù)據(jù)采集器；

（2）IEC 61557-8:2007 交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)的電氣安全 防護(hù)措施的試驗(yàn)、測(cè)量或監(jiān)控設(shè)備；

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體框圖

基于產(chǎn)品功能考慮，結(jié)合外型結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)及調(diào)試維修操作方便等因素，將硬件劃分分為處理器、電壓電流信號(hào)采集、存儲(chǔ)器、顯示液晶、按鍵輸入、能量脈沖輸入、電能脈沖輸出、通訊等部分。其中，信號(hào)采集部分將電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)整定到71M6533所允許輸入的范圍之內(nèi)，存儲(chǔ)器采用非易失性鐵電存儲(chǔ)器FM25CL04，其原理框圖如圖2所示。

圖2 儀表硬件原理框圖

3.2 主芯片選型

儀表選用專用于三相多功能電表解決方案的SOC，TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533（見圖3）。此芯片集電能計(jì)量和管理于一體，配備了1個(gè)高精度的22位Δ-ΣADC、7個(gè)模擬輸入、數(shù)字溫度補(bǔ)償、精密參考電壓和獨(dú)立的32位計(jì)算引擎，在超過(guò)2000:1范圍內(nèi)計(jì)量精度優(yōu)于0.1%。

而且該SOC芯片只需要極少的低成本外部元器件，極大地簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)，從而能夠高效快速的完成開發(fā)設(shè)計(jì)。

圖3 IC 71M6533功能框圖

3.3信號(hào)采集

（1）三相交流電壓、電流信號(hào)采集：

基于成本、內(nèi)部空間和0.5級(jí)精度設(shè)計(jì)的綜合考慮，電壓信號(hào)采樣選用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓的方式，電流信號(hào)采樣選用電流互感器加電阻取樣的方式，并都采用二極管BAV199作箝位保護(hù)，其原理如圖4所示。

電壓信號(hào)采樣電路

電流信號(hào)采樣電路

圖4

（2）外部輸入脈沖信號(hào)采集：

參照GB/T 20866-2007《基于用戶脈沖計(jì)量表的數(shù)據(jù)采集器》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)脈寬為80ms±20ms的三路外部輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)（對(duì)于脈寬不在此范圍之內(nèi)的信號(hào)作為雜波濾除）。然后根據(jù)用戶設(shè)置的脈沖變比轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的水、氣當(dāng)量，其原理如圖5所示。

圖5 脈沖輸入電路

3.4人機(jī)界面

該儀表功能豐富，提供給用戶的參數(shù)信息較多，采用帶背光的122*32點(diǎn)陣液晶作為顯示單元，并采用薄膜按鍵，可方便的進(jìn)行參數(shù)的查看與設(shè)置（如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等）。

綠色LED燈EX1、EX2、EX3分別對(duì)應(yīng)指示3路外部輸入能量脈沖，紅色LED燈EP用來(lái)指示儀表有功電能脈沖輸出。

3.5輸出接口

脈沖輸出接口為光耦隔離型，脈沖波形為標(biāo)準(zhǔn)方波，脈沖寬度為80ms±20ms，硬件原理如圖6所示。

圖6 脈沖輸出電路

3.6通訊電路

儀表具有一路RS485通訊接口，采用Modbus-RTU協(xié)議，所有測(cè)量得到的數(shù)據(jù)和脈沖能量都可通過(guò)此端口進(jìn)行遠(yuǎn)傳。硬件設(shè)計(jì)采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其電路如圖7所示。

圖7 通訊電路

4 軟件設(shè)計(jì)

借助keil μvison3的軟件開發(fā)環(huán)境，采用前后臺(tái)設(shè)計(jì)、模塊化編程，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的要求，其流程如圖8所示。

圖8 儀表軟件流程圖

5 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）儀表測(cè)量電量、計(jì)量電能精度實(shí)驗(yàn)

給儀表輸入額定值為AC220V、5A的信號(hào)。電壓、電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（實(shí)驗(yàn)儀器為南京丹迪克DK-34B1交流采樣變送器校驗(yàn)裝置）：

電能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（實(shí)驗(yàn)儀器為PTC 三相便攜式電能表檢驗(yàn)裝置、HC-3100三相標(biāo)準(zhǔn)電能表）：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本儀表測(cè)量電量、計(jì)量電能精度符合0.5級(jí)要求。

（2）儀表對(duì)外部輸入脈沖的采集是否符合精度要求實(shí)驗(yàn)。

對(duì)儀表進(jìn)行了脈沖接收對(duì)比試驗(yàn)：將信號(hào)發(fā)生器分別連接到計(jì)數(shù)器和本儀表，使信號(hào)發(fā)生器輸出電壓幅度為4V、占空比為60%的方波脈沖，分別在頻率3Hz、8Hz、1Hz的條件下，測(cè)試儀表脈沖采集情況，結(jié)果如下所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本儀表采集外部脈沖輸入精度符合0.5級(jí)要求。

6 儀表主要技術(shù)參數(shù)

（1）電壓標(biāo)稱值：AC100V、220V、380V

（2）電流標(biāo)稱值：AC1A、5A

（3）脈沖：無(wú)源信號(hào)，脈沖寬度80ms±20ms,儀表提供偏置電壓為+5V

（4）頻率范圍：45~65Hz

（5）過(guò)載：1.2倍可持續(xù)正常工作，2倍持續(xù)1秒

（6）功耗：各電壓、電流輸入回路功耗均小于0.5VA

（7）精度等級(jí)：電測(cè)信號(hào)0.5級(jí)，脈沖計(jì)數(shù)累計(jì)誤差≤1‰

（8）工作電源：電壓范圍AC85~265V或DC100~350V,功耗≤3W

（9）絕緣電阻：≥100MΩ

（10）工頻耐壓：通訊端子組與信號(hào)輸入、輸出端子組之間2kV/1min

（11）平均無(wú)故障工作時(shí)間：≥50000h

（12）溫度：工作溫度-10℃~+50℃，貯存溫度-20℃~+70℃

（13）濕度：≤93%RH,不結(jié)露，不含腐蝕性氣體

（14）海拔：≤2500m

7 結(jié)束語(yǔ)

本文首次提出了一種新穎的帶脈沖計(jì)量的能源管理儀表。采用TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533，利用其片內(nèi)高精度22位Δ-ΣADC和獨(dú)立的32位計(jì)算引擎，利用一系列開發(fā)工具，結(jié)合豐富的電表設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完成了儀表開發(fā)。對(duì)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器，具有成本低、精度高、直觀易讀、安裝簡(jiǎn)潔、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，該儀表已成功應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目中。

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