基于IC71M6533带脉冲计量的能源管理仪表设计

只看该作者 · 2020-4-30 11:42

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。

　　2 设计依据仪表设计主要基于以下标准：

　　（1）GB/T 20866-2007基于用户脉冲计量表的数据采集器；

　　（2）IEC 61557-8:2007 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。

　　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，TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533（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3 IC 71M6533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。

（2）外部输入脉冲信号采集：

　　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。

　　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。

　　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。

　　4 软件设计借助keil μvison3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。

　　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 UA

　　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）：

　　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。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%) 198564 198563 1 8Hz(60%) 100198 100196 2 1Hz(60%) 92094 92095 1

　　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：≤2500m

　　7 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TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533，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。