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基于IC 71M6533帶脈沖計量的能源管理儀表設計

基于IC 71M6533帶脈沖計量的能源管理儀表設計

2014/1/25 15:11:09

    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)

    摘  要    文章介紹了一種帶脈沖計量的能源管理儀表。該儀表基于IC 71M6533設計,用于三相四線雙向電能計量,同時還可計量3路其它能耗表計輸入的能量脈沖,且為導軌式安裝??蓪崿F(xiàn)對不同區(qū)域或不同負荷電能消耗的計量、統(tǒng)計和分析,用于商務寫字樓及各類辦公樓、商場及交易市場、學校、工廠、居民小區(qū)等場所。

    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)?,F(xiàn)有的脈沖采集器是針對老式機械式電度表開發(fā)的產品,完成電能脈沖到電度數(shù)的數(shù)字轉化,但不能將水量、氣量等轉化成對應的數(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)的電氣安全  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

          基于產品功能考慮,結合外型結構、生產及調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電壓、電流信號整定到71M6533所允許輸入的范圍之內,存儲器采用非易失性鐵電存儲器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

    3.3信號采集

    (1)三相交流電壓、電流信號采集:

          基于成本、內部空間和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。

    電壓信號采樣電路

    電流信號采樣電路

    圖4

    (2)外部輸入脈沖信號采集:

          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的信號作為雜波濾除)。然后根據(jù)用戶設置的脈沖變比轉化為對應的水、氣當量,其原理如圖5所示。

    圖5  脈沖輸入電路

    3.4人機界面

          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

    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

    4 軟件設計

          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

    5 測試數(shù)據(jù)

    (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,不結露,不含腐蝕性氣體

    (14)海拔:≤2500m

    7 結束語

          本文首次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,結合豐富的電表設計經驗,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.智能電網用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產品選型及解決方案[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.

     

    作者簡介:

    徐丹丹(1984-),女,助理工程師,工學學士。從事能源管理儀表開發(fā)。Email:423647716@qq.com 手機:15827180236 QQ:423647716

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