基于IC 71M6533帶脈沖計量的能源管理儀表設計
徐丹丹1 林鋒2
（1.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）
（2.廣東建聯(lián)建筑設計有限公司 汕頭市 515041）
關鍵字 脈沖計量 能源管理儀表 71M6533 導軌式安裝
0 前言
隨著中國城市化進程的推進，經(jīng)濟的發(fā)展，能耗總量呈持續(xù)增長的態(tài)勢，因此能源管理勢在必行。對工礦企業(yè)、建筑樓宇的能源管理，依賴于對能源信息的數(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老式機械式電度表開發(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)化成對應的數(shù)字當量。
針對上述情況，本文介紹一種帶脈沖計量的能源管理儀表。
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。除可測量常用電力參數(shù)及實現(xiàn)電能計量外，還具備3路外部輸入脈沖計量功能，可對基于脈沖電路技術的計量表進行信號采集、運算處理、存儲，并與儀表自身測量的電參數(shù)一起通過RS485總線上傳至能源管理平臺，其示意圖如圖1所示。
圖1 儀表功能示意圖
2 設計依據(jù)
儀表設計主要基于以下標準：
（1）GB/T 20866-2007基于用戶脈沖計量表的數(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** 防護措施的試驗、測量或監(jiān)控設備；
3 硬件設計
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、電壓電流信號采集、存儲器、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，信號采集部分將電網(wǎng)電壓、電流信號整定到71M6533所允許輸入的范圍之內(nèi)，存儲器采用非易失性鐵電存儲器***5CL04，其原理框圖如圖2所示。
圖2 儀表硬件原理框圖
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）。此芯片集電能計量和管理于一體，配備了1個高精度的22位Δ-ΣADC、7個模擬輸入、數(shù)字溫度補償、精密參考電壓和獨立的32位計算引擎，在超過2000:1范圍內(nèi)計量精度優(yōu)于0.1%。
而且該SOC芯片只需要極少的低成本外部元器件，極大地簡化了軟硬件設計，從而能夠高效快速的完成開發(fā)設計。
圖3 IC 71M6533功能框圖
（1）三相交流電壓、電流信號采集：
基于成本、內(nèi)部空間和0.5級精度設計的綜合考慮，電壓信號采樣選用電阻網(wǎng)絡分壓的方式，電流信號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，其原理如圖4所示。
參照GB/T 20866-2007《基于用戶脈沖計量表的數(shù)據(jù)采集器》標準，對脈寬為80ms±20ms的三路外部輸入脈沖信號進行計數(shù)（對于脈寬不在此范圍之內(nèi)的信號作為雜波濾除）。然后根據(jù)用戶設置的脈沖變比轉(zhuǎn)化為對應的水、氣當量，其原理如圖5所示。
圖5 脈沖輸入電路
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點陣液晶作為顯示單元，并采用薄膜按鍵，可方便的進行參數(shù)的查看與設置（如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等）。
綠色LED燈EX1、EX2、EX3分別對應指示3路外部輸入能量脈沖，紅色LED燈EP用來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，脈沖波形為標準方波，脈沖寬度為80ms±20ms，硬件原理如圖6所示。
圖6 脈沖輸出電路
儀表具有一路RS485通訊接口，采用Modbus-RTU協(xié)議，所有測量得到的數(shù)據(jù)和脈沖能量都可通過此端口進行遠傳。硬件設計采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其電路如圖7所示。
圖7 通訊電路
借助keil μvison3的軟件開發(fā)環(huán)境，采用前后臺設計、模塊化編程，實現(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
（1）儀表測量電量、計量電能精度實驗
給儀表輸入額定值為AC220V、5A的信號。電壓、電流實驗數(shù)據(jù)如下（實驗儀器為南京丹迪克DK-34B1交流采樣變送器校驗裝置）：
| 電壓 | 電流 | ||||
| 標準源 輸入信號 | 儀表 顯示值 | 標準源 輸入信號 | 儀表 顯示值 | ||
| UA |
120%
| 264.1V | IA |
120%
| 6.001A |
| UB | 264.0V | IB | 6.002A | ||
| UC | 263.8V | IC | 5.997A | ||
| UA |
100%
| 220.2V | IA |
100%
| 5.002A |
| UB | 220.1V | IB | 5.000A | ||
| UC | 219.8V | IC | 4.998A | ||
| UA |
50%
| 110.2V | IA |
50%
| 2.500A |
| UB | 110.1V | IB | 2.501A | ||
| UC | 109.8V | IC | 2.498A | ||
| UA |
20%
| 44.0V | IA |
20%
| 1.000A |
| UB | 44.1V | IB | 1.001A | ||
| UC | 43.8V | IC | 0.998A | ||
| UA |
0%
| 0V | IA |
0%
| 0A |
| UB | 0V | IB | 0A | ||
| UC | 0V | IC | 0A | ||
電能實驗數(shù)據(jù)如下（實驗儀器為PTC 三相便攜式電能表檢驗裝置、HC-3100三相標準電能表）：
實驗結(jié)果表明，本儀表測量電量、計量電能精度符合0.5級要求。
（2）儀表對外部輸入脈沖的采集是否符合精度要求實驗。
對儀表進行了脈沖接收對比試驗：將信號發(fā)生器分別連接到計數(shù)器和本儀表，使信號發(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，測試儀表脈沖采集情況，結(jié)果如下所示。
| 頻率 | 計數(shù)器走字 | 本儀表采集的脈沖數(shù) | 對比脈沖丟失數(shù) |
| 3Hz(60%) | 198564 | 198563 | 1 |
| 8Hz(60%) | 100198 | 100196 | 2 |
| 1Hz(60%) | 92094 | 92095 | 1 |
實驗結(jié)果表明，本儀表采集外部脈沖輸入精度符合0.5級要求。
6 儀表主要技術參數(shù)
（1）電壓標稱值：AC100V、220V、380V
（2）電流標稱值：AC1A、5A
（3）脈沖：無源信號，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：電測信號0.5級，脈沖計數(shù)累計誤差≤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：通訊端子組與信號輸入、輸出端子組之間2kV/1min
（11）平均無故障工作時間：≥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
本文**提出了一種新穎的帶脈沖計量的能源管理儀表。采用TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533，利用其片內(nèi)高精度22位Δ-ΣADC和獨立的32位計算引擎，利用一系列開發(fā)工具，結(jié)合豐富的電表設計經(jīng)驗，完成了儀表開發(fā)。對比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器，具有成本低、精度高、直觀易讀、安裝簡潔、組網(wǎng)方便等優(yōu)點。目前，該儀表已成功應用于多個工程項目中。
文章來源于：《電氣技術》2012年第11期。
參考文獻
[1]周中 等編著.智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產(chǎn)品選型及解決方案[J].機械工業(yè)出版社，2011-10.
[2]TERIDIAN SEMICONDUCTOR CORP. 71M6533/H and 71M6534/H Energy Meter IC DATA SHEET November 2009.
公安機關備案號：
