基于IC71M6533带脉冲计量的能源管理仪表设计

1基于IC71M6533带脉冲计量的能源管理仪表设计徐丹丹1林锋2（1.上海安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801）（2.广东建联建筑设计有限公司汕头市515041）摘要文章介绍了一种带脉冲计量的能源管理仪表。该仪表基于IC71M6533设计，用于三相四线双向电能计量，同时还可计量3路其它能耗表计输入的能量脉冲，且为导轨式安装。可实现对不同区域或不同负荷电能消耗的计量、统计和分析，用于商务写字楼及各类办公楼、商场及交易市场、学校、工厂、居民小区等场所。关键字脉冲计量能源管理仪表71M6533导轨式安装0前言随着中国城市化进程的推进，经济的发展，能耗总量呈持续增长的态势，因此能源管理势在必行。对工矿企业、建筑楼宇的能源管理，依赖于对能源信息的数据采集及分析。除电能外，其它种类能耗也需要采集，如水、气等。目前大部分的水表、气表，其信息远传方式为脉冲输出，并不适合能源管理系统的直接采集需求，因此很难将非电量的能耗信息融入能源管理系统。现有的脉冲采集器是针对老式机械式电度表开发的产品，完成电能脉冲到电度数的数字转化，但不能将水量、气量等转化成对应的数字当量。针对上述情况，本文介绍一种带脉冲计量的能源管理仪表。1仪表功能仪表具备三相多功能电能表、脉冲采集器二合一的功能。除可测量常用电力参数及实现电能计量外，还具备3路外部输入脉冲计量功能，可对基于脉冲电路技术的计量表进行信号采集、运算处理、存储，并与仪表自身测量的电参数一起通过RS485总线上传至能源管理平台，其示意图如图1所示。图1仪表功能示意图2设计依据仪表设计主要基于以下标准：（1）GB/T20866-2007基于用户脉冲计量表的数据采集器；（2）IEC61557-8:2007交流1000V和直流1500V以下低压配电系统的电气安全防护措施的试验、测量或监控设备；3硬件设计3.1总体框图基于产品功能考虑，结合外型结构、生产及调试维修操作方便等因素，将硬件划分分为处理器、电压电流信号采集、存储器、显示液晶、按键输入、能量脉冲输入、电能脉冲输出、通讯等部分。其中，信号采集部分将电网电压、电流信号整定到71M6533所允许输入的范围之内，存储器采用非易失性铁电存储器FM25CL04，其原理框图如图2所示。271M6533电压电流信号采集V1V2V3I1VnI1'I2'I2I3I3'处理器显示液晶按键输入RS485存储器FM25CL04能量脉冲输入电能脉冲输出InIn'图2仪表硬件原理框图3.2主芯片选型仪表选用专用于三相多功能电表解决方案的SOC，TERIDIANEnergyMeterIC71M6533（见图3）。此芯片集电能计量和管理于一体，配备了1个高精度的22位Δ-ΣADC、7个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和独立的32位计算引擎，在超过2000:1范围内计量精度优于0.1%。而且该SOC芯片只需要极少的低成本外部元器件，极大地简化了软硬件设计，从而能够高效快速的完成开发设计。图3IC71M6533功能框图3.3信号采集（1）三相交流电压、电流信号采集：基于成本、内部空间和0.5级精度设计的综合考虑，电压信号采样选用电阻网络分压的方式，电流信号采样选用电流互感器加电阻取样的方式，并都采用二极管BAV199作箝位保护，其原理如图4所示。12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:28-Jun-2012SheetofFile:F:\PZ新方案\ADL600三相能源表计\ADL600.ddbDrawnBy:D9BAV199D10BAV199D11BAV199D12BAV199LALBLCLND6BAV199D7BAV199D8BAV199L2150uHR7390KR8390KR9390KR11390KR12390KR13390KR15390KR16390KR17390K123456789101112JK5T1HCT226APFT2HCT226APFT3HCT226APFT4HCT226APFAVCCR1847RR1947RR2047RR2147R电压信号采样电路12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:28-Jun-2012SheetofFile:F:\PZ新方案\ADL600三相能源表计\ADL600.ddbDrawnBy:D9BAV199D10BAV199D11BAV199D12BAV199LALBLCLND6BAV199D7BAV199D8BAV199L2150uH123456789101112JK1LNX1X2X3TXATXB5G'12GEP+EQ+E-R7390KR8390KR9390KR11390KR12390KR13390KR15390KR16390KR17390K123456789101112JK5T1HCT226APFT2HCT226APFT3HCT226APFT4HCT226APFAVCCR1847RR1947RR2047RR2147R电流信号采样电路图4（2）外部输入脉冲信号采集：参照GB/T20866-2007《基于用户脉冲计量表的数据采集器》标准，对脉宽为80ms±20ms的三路外部输入脉冲信号进行计数（对于脉宽不在此范围之内的信号作为杂波滤除）。然后根据用户设置的脉冲变比转化为对应的水、气当量，其原理如图5所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jun-2012SheetofFile:F:\PZ新方案\ADL600三相能源表计\ADL600.ddbDrawnBy:123456789101112JK1IN1IN2IN3IN4RXDTXDEPEQ+5VVCCIC12501IC22501IC32501R42KR32KR22KR52KR92KR72KR61KR81KR101K+12V图5脉冲输入电路3.4人机界面该仪表功能丰富，提供给用户的参数信息较多，采用带背光的122*32点阵液晶作为显示单元，并采用薄膜按键，可方便的进行参数的查看与设置（如3电压、电流、功率、功率因数、电能等）。绿色LED灯EX1、EX2、EX3分别对应指示3路外部输入能量脉冲，红色LED灯EP用来指示仪表有功电能脉冲输出。3.5输出接口脉冲输出接口为光耦隔离型，脉冲波形为标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，硬件原理如图6所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jun-2012SheetofFile:F:\PZ新方案\ADL600三相能源表计\ADL600.ddbDrawnBy:OUT3IN2GND1OUT4IC8LM1117-3.3V+5VVCCC3100uF/25VC210412345678JK3IC92501IC102501R23510RR24510RVCCVCCEPEQ+5VEP+EQ+E-图6脉冲输出电路3.6通讯电路仪表具有一路RS485通讯接口，采用Modbus-RTU协议，所有测量得到的数据和脉冲能量都可通过此端口进行远传。硬件设计采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其电路如图7所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jun-2012SheetofFile:F:\PZ新方案\ADL600三相能源表计\ADL600.ddbDrawnBy:RO1RE2DE3DI4GND5A6B7Vcc8IC76LB184R15680RR131KVCCR171KTXAR1610KTXBTXDR181KRXDR14680R5G'Q18050R1910RR2010R通讯接口+5V'R2210KR2110K5G'IC56N137IC66N137C110uF+5V'R252K5G'图7通讯电路4软件设计借助keilμvison3的软件开发环境，采用前后台设计、模块化编程，实现了高可靠性的要求，其流程如图8所示。RAM数据校验硬件初始化系统上电电量采集模块初始化开中断电量采集模块计算许可？读FRAM工作参数与电能并校验异常正常异常复位工作参数是进行电量采集模块运算与电能累计时钟、按键、菜单、显示处理、能量脉冲累计否RS485处理中断处理循环图8仪表软件流程图5测试数据（1）仪表测量电量、计量电能精度实验给仪表输入额定值为AC220V、5A的信号。电压、电流实验数据如下（实验仪器为南京丹迪克DK-34B1交流采样变送器校验装置）：电压电流标准源输入信号仪表显示值标准源输入信号仪表显示值UA120%264.1VIA120%6.001AUB264.0VIB6.002AUC263.8VIC5.997AUA100%220.2VIA100%5.002AUB220.1VIB5.000AUC219.8VIC4.998AUA50%110.2VIA50%2.500AUB110.1VIB2.501AUC109.8VIC2.498AUA20%44.0VIA20%1.000AUB44.1VIB1.001AUC43.8VIC0.998AUA0%0VIA0%0AUB0VIB0AUC0VIC0A电能实验数据如下（实验仪器为PTC三相便携式电能表检验装置、HC-3100三相标准电能表）：4实验结果表明，本仪表测量电量、计量电能精度符合0.5级要求。（2）仪表对外部输入脉冲的采集是否符合精度要求实验。对仪表进行了脉冲接收对比试验：将信号发生器分别连接到计数器和本仪表，使信号发生器输出电压幅度为4V、占空比为60%的方波脉冲，分别在频率3Hz、8Hz、1Hz的条件下，测试仪表脉冲采集情况，结果如下所示。频率计数器走字本仪表采集的脉冲数对比脉冲丢失数3Hz(60%)19856419856318Hz(60%)10019810019621Hz(60%)92094920951实验结果表明，本仪表采集外部脉冲输入精度符合0.5级要求。6仪表主要技术参数（1）电压标称值：AC100V、220V、380V（2）电流标称值：AC1A、5A（3）脉冲：无源信号，脉冲宽度80ms±20ms,仪表提供偏置电压为+5V（4）频率范围：45~65Hz（5）过载：1.2倍可持续正常工作，2倍持续1秒（6）功耗：各电压、电流输入回路功耗均小于0.5VA（7）精度等级：电测信号0.5级，脉冲计数累计误差≤1‰（8）工作电源：电压范围AC85~265V或DC100~350V,功耗≤3W（9）绝缘电阻：≥100MΩ（10）工频耐压：通讯端子组与信号输入、输出端子组之间2kV/1min（11）平均无故障工作时间：≥50000h（12）温度：工作温度-10℃~+50℃，贮存温度-20℃~+70℃（13）湿度：≤93%RH,不结露，不含腐蚀性气体（14）海拔：≤2500m7结束语本文首次提出了一种新颖的带脉冲计量的能源管理仪表。采用TERIDIANEnergyMeterIC71M6533，利用其片内高精度22位Δ-ΣADC和独立的32位计算引擎，利用一系列开发工具，结合丰富的电表设计经验，完成了仪表开发。对比传统数据采集器，具有成本低、精度高、直观易读、安装简洁、组网方便等优点。目前，该仪表已成功应用于多个工程项目中。文章来源于：《电气技术》2012年第11期。参考文献[1]周中等编著.智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[J].机械工业出版社，2011-10.[2]TERIDIANSEMICONDUCTORCORP.71M6533/Hand71M6534/HEnergyMeterICDATASHEETNovember2009.作者简介：徐丹丹（1984-），女，助理工程师，工学学士。从事能源管理仪表开发。Email:[e-mail]