基于SOC技術的多功能導軌式三相電能表設計與應用
孫麗莉
摘要： 針對導軌式三相電能表的實用性及開發(fā)難度較大等問題，設計了一種利用SOC技術的實現(xiàn)方法，分別從硬件與軟件角度介紹了DTSD1352的設計及應用。
關鍵字：SOC；導軌式；三相電能表
0.引言
據統(tǒng)計，我國公共建筑單位面積的年平均耗電量數值巨大，約占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%。在公共建筑節(jié)能方面，分項計量是現(xiàn)階段有效可行的方法。分項計量系統(tǒng)中電表作為終端元件，在功能、性能、安裝方式上都有較嚴格的要求。目前我國供電部門用于收費的電能表為壁掛式安裝方式，此安裝方式占用空間較大，不易安裝，更不適用于本來空間就狹小的改造項目。而且大型公共建筑分項電能計量屬于內部計量管理，不宜使用收費電表，而應采用電力儀表。導軌式安裝在體積、結構上都優(yōu)于傳統(tǒng)的壁掛式和嵌入式儀表，其特殊的安裝方式既可以安裝在終端照明箱中又可以安裝在大型開關柜、動力柜中而不用重新開孔。
1.設計依據
電能表作為計量型儀表，與經濟、民生息息相關。因此，其相關標準在眾多工業(yè)標準當中是最為嚴格的。國內電能表主要參考的標準為：
l GB/T17215.322-2008 《交流電測量設備特殊要求 第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》
l GB/T17215.211-2006 《交流電測量設備 通用要求、試驗和試驗條件 第11部分:測量部分》
l DL/T614-2007 《多功能電能表》
以上標準針對電能表在設計、生產及應用中的性能、功能都規(guī)定了詳細的技術參數。其中較為重要的性能指標有：
1）、工頻耐壓。所有的電流線路和電壓線路以及參比電壓超過40V的輔助線路連接在一起為一點，另一點為地，試驗電壓4kV加于該兩點間，不應發(fā)生飛弧、火花放電或擊穿現(xiàn)象。
2）、快速瞬變脈沖群試驗。在電壓和電流線路加4kV脈沖群，儀表準確度應在相應標準規(guī)定的極限內。
3）、靜電放電抗擾度試驗。接觸放電8kV，空氣放電15kV，儀表不能有死機或精度不準顯現(xiàn)。
4）、浪涌抗擾度試驗。在電壓線路通以參比電壓，電流端開路，在電壓和電流線路上施加4kV，正負極各5次，儀表不應損壞不能工作。
以上幾點指標在各自的試驗規(guī)格中都是最高級的殘酷級別。對于傳統(tǒng)的壁掛式電能表，體積較大，內部有足夠的設計空間來應對標準中的各種要求。而導軌式三相多功能電能表因為體積較小，模具決定了內部可用空間不大。因此，導軌式三相電能表在設計上要難于傳統(tǒng)的壁掛式電能表。本文以DTSD1352三相多功能電能表為例講解一種基于SOC技術的方案。
2.硬件可靠性設計
2.1 芯片選擇
DTSD1352采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一個8051的微處理器內核和一個可實現(xiàn)計量功能的32位DSP數字引擎（CE），同時包括了電能表所必須的一些外設，如LCD驅動、可補償的RTC、UART等。芯片具有良好的電磁兼容性，完全符合電能表的性能標準。由于此芯片的集成度極高，為產品內部結構留下了寶貴的空間。
2.2 總體方案
總體方案框圖如圖1所示。總體設計中主要圍繞71M6543，外圍電路主要包括：開關電源、電壓電流采樣電路、按鍵、液晶顯示、數據存儲、RS485通信模塊、脈沖輸出。原始信號經電阻分壓及電流互感器信號衰減輸入到CE，CE順序處理從模擬輸入引腳采集的電壓信號，計算有功能量（Wh）和無功能量（VARh），以及四象限表計的A2h和V2h。然后MPU存取這些測量值，進一步處理并通過MPU的外圍器件輸出，輸出方式如：LCD顯示、RS485通信等。除了高級測量功能外，實時時鐘（RTC）功能允許71M6543不外掛任何實時時鐘芯片就可以實現(xiàn)多費率分時計量。同時配合外掛的鐵電，可以實現(xiàn)對12個月的歷史數據的保存功能。
圖1
2.3 采樣電路
71M6543的管腳IADC0至IADC7用作電流傳感器輸入。這8路電流傳感器輸入可配置為8路單端輸入，或配對構成4路差分輸入。為獲得最佳性能，DTSD1352在設計中將電流傳感器輸入配置為差分輸入（即：IADC0-IADC1、IADC2-IADC3、IADC4-IADC5、IADC6-IADC7）。71M6543提供了分流器接入和電流互感器接入兩種接入方式，處于電氣安全的考慮，DTSD1352方案中使用的是互感器方案。具體電路原理圖如圖2所示：
圖2 圖2中IN_IA+和IN_IA-與互感器次級輸出相連，IA+和IA-與IADC0和IADC1相連。電壓采樣電路使用單端輸入，通過電阻分壓檢測電網電壓。VADC8、VADC9、VADC10引腳為單端，返回至V3P3A引腳。
2.4 輸入復用器及采樣時序
由于71M6543內部只有一個ADC，所以使用了一個輸入復用器來切換7種信號（IA、VA、IB、VB、IC、VC、IN）的采集。輸入復用器按照11個MUXn_SEL[3:0]控制字段確定的采用順序，將模擬輸入信號依次作用到ADC輸入。一個完整的采樣過程稱為復用幀。圖3為一個完整復用幀的時序圖：
圖3
3.軟件模塊化設計
DTSD1352采用模塊化軟件設計，模塊設計包括：計量運算、校準模塊、人機交互模塊、通信模塊、復費率計算模塊、需量計算模塊、事件記錄模塊等。整體流程圖如圖4所示：
流程圖中的任務調度模塊其實是由多個中斷以及定時器按一定的優(yōu)先級組合而成的。其支配著整個程序，驅動程序正常無誤的工作。對于周期性任務，如計量、復費率運算等，由定時器定時分配任務執(zhí)行順序。而對于一些非周期性任務，如通信、人機交互等，則由中斷觸發(fā)執(zhí)行。各模塊大多相互獨立，代碼維護簡單。
圖44.DTSD1352測試數據
表1為DTSD1352在各溫度環(huán)境測試中的數據，這些數據表明DTSD1352有功電能精度等級可以滿足0.5S級要求，并滿足高低溫性能。
表1
|
測試環(huán)境 |
輸入信號(3P4L) |
cosφ |
電能誤差（%）及儀表編號 |
|
1# |
2# |
|
25℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
-0.0533 |
-0.0798 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
-0.0261 |
-0.0702 |
|
0.5L |
0.0271 |
-0.071 |
|
0.8C |
-0.0642 |
-0.111 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.1427 |
-0.0416 |
|
60℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
-0.0434 |
-0.0171 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
-0.0195 |
0.0138 |
|
0.5L |
0.0445 |
0.0364 |
|
0.8C |
-0.0695 |
-0.0614 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.286 |
0.0425 |
|
-20℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
0.2912 |
0.2258 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
0.2097 |
0.2382 |
|
0.5L |
0.2899 |
0.1896 |
|
0.8C |
0.1957 |
0.2117 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.2062 |
0.2649 |
5.DTSD1352在實際中的應用
圖5為DTSD1352在某寫字樓中的系統(tǒng)圖和接線圖。右圖為電氣系統(tǒng)圖，DTSD1352作為系統(tǒng)中的終端元件對包括照明、空調或插座等終端負載進行電能計量及電氣運行參數測量。左圖為單個DTSD1352的外部接線圖，電網中的A、B、C三相分別接入表的UA、UB、UC（端子號1、3、5）端子。電流經互感器后接到相應的電流接口。DTSD1352還有直接接入，低于80A的電流可直接進表，接線方式與互感器接入相似，由于篇幅問題，這里就不再贅述。
圖5
5.結束語
導軌式安裝多功能電能表可在分項計量項目中發(fā)揮極大作用，可有效減少施工難度及成本。DTSD1352性能指標符合國標GB/T17215和電力行業(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，適用于政府機關和大型公建中對電能的分項計量，也可用于企事業(yè)單位作電能管理考核。
作者簡介：
孫麗莉，女，本科，沈陽安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司工程師，主要研究方向為智能電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術交流：024-22598684 傳真：024-22598310 郵箱：
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