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IC 71M6533 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。
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 - Σ ADC、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。
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:
参照 GB/T 20866-2007 《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。
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 E X1 、 E X2 、 E X3 分别对应指示 3 路外部输入能量脉冲,红色 LED 灯 E P 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。
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 μ vison3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。
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,结果如下所示。
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: ≥ 100M Ω
(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 - Σ ADC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, 20 11 - 10.
[2]TERIDIAN SEMICONDUCTOR CORP. 71M6533/H and 71M6534/H Energy Meter IC DATA SHEET November 2009.