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)?，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(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(yīng)的數(shù)字當(dāng)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(shù)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(shè)計依據(jù)

儀表設(shè)計主要基于以下標(biāo)準(zhǔn)：

（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(shè)備；

3 硬件設(shè)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(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(shè)計，從而能夠高效快速的完成開發(fā)設(shè)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(nèi)部空間和0.5級精度設(shè)計的綜合考慮，電壓信號采樣選用電阻網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)置的脈沖變比轉(zhuǎn)化為對應(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(shè)置（如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等）。

綠色LED燈EX1、EX2、EX3分別對應(yīng)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(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(shè)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(shè)計

借助keil μvison3的軟件開發(fā)環(huán)境，采用前后臺設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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。

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(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(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(shè)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(yīng)用于多個工程項目中。

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