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基于IC71M6533带脉冲计量的能源管理仪表设计

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供稿:中国工控网 2016/5/27 16:57:53

0 人气:106

  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。

  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:

  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

  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。

  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

  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。

  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。

 

审核编辑(王雪)
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