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基于SOC技术的多功能导轨式三相电能表设计与应用 安科瑞鲍静君
摘要： 针对导轨式三相电能表的实用性及开发难度较大等问题，设计了一种利用SOC技术的实现方法，分别从硬件与软件角度介绍了DTSD1352的设计及应用。
关键字：SOC；导轨式；三相电能表
0.引言
据统计，我国公共建筑单位面积的年平均耗电量数值巨大，约占全国城镇总耗电量的22%。在公共建筑节能方面，分项计量是现阶段有效可行的方法。分项计量系统中电表作为终端元件，在功能、性能、安装方式上都有较严格的要求。目前我国供电部门用于收费的电能表为壁挂式安装方式，此安装方式占用空间较大，不易安装，更不适用于本来空间就狭小的改造项目。而且大型公共建筑分项电能计量属于内部计量管理，不宜使用收费电表，而应采用电力仪表。导轨式安装在体积、结构上都优于传统的壁挂式和嵌入式仪表，其特殊的安装方式既可以安装在终端照明箱中又可以安装在大型开关柜、动力柜中而不用重新开孔。
1.设计依据
电能表作为计量型仪表，与经济、民生息息相关。因此，其相关标准在众多工业标准当中是较为严格的。电能表主要参考的标准为：
GB/T17215.322-2008 《交流电测量设备特殊要求 22部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》
GB/T17215.211-2006 《交流电测量设备 通用要求、试验和试验条件 11部分:测量部分》
DL/T614-2007 《多功能电能表》
以上标准针对电能表在设计、生产及应用中的性能、功能都规定了详细的技术参数。其中较为重要的性能指标有：
1）、工频耐压。所有的电流线路和电压线路以及参比电压**过40V的辅助线路连接在一起为一点，另一点为地，试验电压4kV加于该两点间，不应发生飞弧、火花放电或击穿现象。
2）、快速瞬变脉冲群试验。在电压和电流线路加4kV脉冲群，仪表准确度应在相应标准规定的极限内。
3）、静电放电抗扰度试验。接触放电8kV，空气放电15kV，仪表不能有死机或精度不准显现。
4）、浪涌抗扰度试验。在电压线路通以参比电压，电流端开路，在电压和电流线路上施加4kV，正负极各5次，仪表不应损坏不能工作。
以上几点指标在各自的试验规格中都是较的残酷级别。对于传统的壁挂式电能表，体积较大，内部有足够的设计空间来应对标准中的各种要求。而导轨式三相多功能电能表因为体积较小，模具决定了内部可用空间不大。因此，导轨式三相电能表在设计上要难于传统的壁挂式电能表。本文以DTSD1352三相多功能电能表为例讲解一种基于SOC技术的方案。
2.硬件可靠性设计
2.1 芯片选择
DTSD1352采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一个8051的微处理器内核和一个可实现计量功能的32位DSP数字引擎（CE），同时包括了电能表所必须的一些外设，如LCD驱动、可补偿的RTC、UART等。芯片具有良好的电磁兼容性，完全符合电能表的性能标准。由于此芯片的集成度较高，为产品内部结构留下了宝贵的空间。
2.2 总体方案
总体方案框图如图1所示。总体设计中主要围绕71M6543，外围电路主要包括：开关电源、电压电流采样电路、按键、液晶显示、数据存储、RS485通信模块、脉冲输出。原始信号经电阻分压及电流互感器信号衰减输入到CE，CE顺序处理从模拟输入引脚采集的电压信号，计算有功能量（Wh）和无功能量（VARh），以及四象限表计的A2h和V2h。然后MPU存取这些测量值，进一步处理并通过MPU的外围器件输出，输出方式如：LCD显示、RS485通信等。除了测量功能外，实时时钟（RTC）功能允许71M6543不外挂任何实时时钟芯片就可以实现多费率分时计量。同时配合外挂的铁电，可以实现对12个月的历史数据的保存功能。
2.3 采样电路
71M6543的管脚IADC0至IADC7用作电流传感器输入。这8路电流传感器输入可配置为8路单端输入，或配对构成4路差分输入。为获得较佳性能，DTSD1352在设计中将电流传感器输入配置为差分输入（即：IADC0-IADC1、IADC2-IADC3、IADC4-IADC5、IADC6-IADC7）。71M6543提供了分流器接入和电流互感器接入两种接入方式，处于电气安全的考虑，DTSD1352方案中使用的是互感器方案。具体电路原理图如图2所示：
3.软件模块化设计
DTSD1352采用模块化软件设计，模块设计包括：计量运算、校准模块、人机交互模块、通信模块、复费率计算模块、需量计算模块、事件记录模块等。整体流程图如图4所示：
流程图中的任务调度模块其实是由多个中断以及定时器按一定的**级组合而成的。其支配着整个程序，驱动程序正常无误的工作。对于周期性任务，如计量、复费率运算等，由定时器定时分配任务执行顺序。而对于一些非周期性任务，如通信、人机交互等，则由中断触发执行。各模块大多相互独立，代码维护简单。
4.DTSD1352测试数据
表1为DTSD1352在各温度环境测试中的数据，这些数据表明DTSD1352有功电能精度等级可以满足0.5S级要求，并满足高低温性能。
表1
5.DTSD1352在实际中的应用
图5为DTSD1352在某写字楼中的系统图和接线图。右图为电气系统图，DTSD1352作为系统中的终端元件对包括照明、空调或插座等终端负载进行电能计量及电气运行参数测量。左图为单个DTSD1352的外部接线图，电网中的A、B、C三相分别接入表的UA、UB、UC（端子号1、3、5）端子。电流经互感器后接到相应的电流接口。DTSD1352还有直接接入，低于80A的电流可直接进表，接线方式与互感器接入相似，由于篇幅问题，这里就不再赘述。
5.结束语
导轨式安装多功能电能表可在分项计量项目中发挥较大作用，可有效减少施工难度及成本。DTSD1352性能指标符合国标GB/T17215和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，适用于**和大型公建中对电能的分项计量，也可用于企事业单位作电能管理考核。
文章来源于：《电气时代》2012年11期。
参考文献
[1]《电力电测字仪表原理与应用指南》.任致程,周中.中国电力出版社
[2]《交流采样的设计与实现》.陈学珍.数采与监测
基于DDSF1352/DTSF1352电表的低压终端电能管理 安科瑞鲍静君
摘 要：鉴于公共建筑电能消耗主要集中在低压终端的现状，为了实现对终端用户用能的量化管理，在公共建筑低压配电系统中加装电能计量装置，实现电能计量管理十分必要。本文介绍一种采用现场总线的数字式复费率电能表，以及利用该表组成的电能管理系统，实现电能管理的实际案例。
关键词：DDSF1352/DTSF1352电表;电能管理系统;工程案例
0 引言
由***签署的*人民共和国**令531号《公共机构节能条例》已经2008年7月23日**18次常务会议通过，自2008年10月1日起施行。《条例》十四条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类、用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。建质〔2006〕277号文《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇 电气分册》提出电气回路要加装电能计量装置，而江苏、上海也分别推出苏建科〔2007〕217号文《江苏省公共建筑用能计量设计规定》和沪建交〔2008〕828号文《关于进一步加强本市民用建筑设备节能设计技术管理的通知》，进一步明确提出对主要用电设施分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元;对医疗病房、宾馆客房、学校教室应按楼层或功能分区计量等等，并纳入审图和竣工验收标准之中。
目前终端电能计量表计的安装普遍采用传统壁挂式的安装方式，存在体积大，安装不方便等缺点。而DDSF1352/DTSF1352导轨式安装电表采用模数化设计，具有体积小、易安装、易组网等优点，易于实现终端配电电能计量。便于配电系统加装电度表的改造。
1 DDSF1352/DTSF1352电表简介
1.1产品特点
DDSF1352/DTSF1352单、三相电子式复费率电表，采用DIN35mm轨道安装，结构模数化设计，宽度与微型断路器匹配，分别是4和7个模数，可方便安装于照明箱内(见图1)。一次接入较大电流20(80)A，80A以上需外接CT，变比较大可扩至6000/5A。电表带RS485通讯接口，支持MODBUS-RTU协议或DL/T645规约。接线端子上的透明翻盖与外壳可铅封，达到防窃电的目的。该表除用于企事业内部电能计量考核管理外，经供电部门测试校验合格后，还可作为贸易结算表使用。该产品符合GB/T 17215-2002《1级和2级静止式交流有功电能表》，GB/T 15284-2002《多费率电能表特殊要求》等标准要求。
图1 电表外形及安装方式
1.2 设计原理
1.2.1 单相DDSF1352电表设计原理
DDSF1352单相复费率电能表采用ADI公司较新技术ADE7169F16片上系统的单芯片设计完成。ADE7169集成了高精度计量单元模块和8052的MCU及其外围模块，计量模块计量精度高、能测量各相电流、电压有效值、各相及总的有功功率、无功功率、电网频率等运行参数，过载倍数大。片上8052的MCU带有16K FLASH和512B RAM和多种外设模块，支持低功耗温度补偿的片上RTC模块、LCD驱动模块、电源管理模块、SPI/I2C接口模块和UART通讯模块等，用一片ADE7169就能实现单相复费率多功能电能表设计。具体设计框图如图2。
图2 单相DDSF1352电表原理框图
1.2.2 三相DTSF1352电表设计原理
DTSF1352 三相电子复费率电能表采用计量芯片ATT7030A和飞思卡尔公司的8位单片机M68HC908LJ12实现。其原理为：线路上实时电压、电流经高精度互感器耦合，采样电路分别采样后，送到电量计量**芯片ATT7030A(A/D转换器转化成数字信号，通过片内**DSP运算后输出电能脉冲)，通过脉冲送到MCU中，并根据预先设定的时段完成分时有功、无功电量计量和较大需量计算，分别作出相应处理，并存贮到EEPROM中;同时实现显示和输出、RS485串行数据传输。具体设计框图如图3。
图3 三相DTSF1352电表原理框图
2 应用案例
2.1 一次方案
以某理工大学学生宿舍楼为例。该楼有4层，每层有24间宿舍，配有公共卫生间、洗衣房、公共浴室，电气一次方案见图4。总配电箱进线回路安装有屏装式ACR230ELH多功能电力仪表，计量宿舍总电量。包括三相有功电度、无功电度、功率、功率因数、电流、电压、频率以及分相电量等共34项电参量。电流、电压2～31次分次谐波分量，电流、电压不平衡度，电流、电压正、负零序分量检测和分析。每个楼层、应急照明、风机、预留电气干线分别由7台DTSF1352电表负责计量三相有功电度，电表可与CM1断路器对应并列导轨式安装，也可集中安装在箱内上方。每一楼层的宿舍房间、公共卫生间、洗衣房、走廊电能由27台单相电表DDSF1352负责计量，公共浴室由1台三相DTSF1352计量。
图4 宿舍楼电气一次方案
2.2 系统组网
配电系统一次方案图列出了总配电箱及宿舍一层照明箱配电箱的支路数及各支路电能表的型号。为满足智能化监测及远程自动抄表需要，该电能管理系统采用RS485总线，将安装于总配电箱AL1总进线的1台ACR230ELH多功能电力仪表、安装于WL1～WL7及各楼层公共浴室的11台DTSF1352三相导轨式电度表及安装于宿舍楼各楼层的108台DDSF1352单相导轨式电度表(27×4层宿舍楼)进行集中组网，监控中心配置监控计算机、打印机、通讯服务器及必要的辅助设备，安装电能管理系统EMS软件完成对各台电能表的远程采集和数据的集中处理。电 能管理系统图见图5。
图5 系统组网方案
2.3 电能管理系统功能
2.3.1 远程电参量测量。
完成了对总进线ACR230ELH多功能电力仪表实时电参量采集，包括三相电流、电压、功率、功率因数、有功电度、无功电度、频率等，显示于电能管理主画面;实现了对11只DTSF1352三相电度表和108只DDSF1352单相电度表的远程自动抄表功能;实现自动统计各宿舍日、月用电及分摊电能计算功能;通过该系统与现场仪表的结合使用体现出电能的总进线、支路及各较终用户的分层、分类、分户计量管理。见图4。ACR230ELH对宿舍楼电流谐波、不平衡度等电能质量进行诊断，系统保存历史记录，对下一步电能质量改善方案提供决策依据。
2.3.2 运行状态监测。
管理员可设定系统的采集频率，如每15分种采集一次，并设定各回路的用电负荷值(如宿舍负荷设定为6～10A)，系统可根据设定对采集值进行处理，并对过负荷回路进行声光报警，提示管理员该回路出现异常的状态信息。系统还可对各回路通讯异常进行自检测，以便维护人员能够及时进行排错与维修。
2.3.3 趋势分析。
对采集的电参量进行分类识别并将必要参量存储至数据库中，对所有电参量的数据存储可达两年，对电能参量的数据存储可达三年以上，并可根据用户需求及硬件配置更改存储时间。系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的运行负荷状况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，并通过调用显示各种曲线画面，方便工程人员对监测的配电系统进行质量分析。如：总进线的电流趋势、功率趋势及谐波趋势分析;分支回路的月用电趋势、棒图/折线图分析等,还可与去年/前年同期数据相比，生成计量数据库。
2.3.4 报表打印。
系统可根据用户需求设计出符合其需要的各种类型报表。如：实时报表、历史报表、事件故障及告警记录报表、操作记录报表等。可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表。根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置，自动生成收费报表以便内部收费管理。
2.4 工程造价
根据一次方案及系统结构，该宿舍楼电能管理系统材料名称、型号、数量、报价见表1。不含人力成本投资大约为11.45万元。
表1
3 结束语
2009年1月，DDSF1352/DTSF1352单、三相电表通过国家电能表质量监督检验中心(江苏)委托检验，各项指标均合格。除某理工大学外，产品还在长沙某卷烟厂、运城某中心医院、上海某警务区9156工程等项目中得到应用，取得了较好的社会效益。
文章来源于:《上海节能》2009年4期。
【参考文献】
[1] *人民共和国**令531号《公共机构节能条例》
[2] 任致程，周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3] 沪建交〔2008〕828号 上海市建设和交通**关于进一步加强本市民用建筑设备节能设计技术管理的通知.
[4] 苏建科〔2007〕217号 江苏省公共建筑用能计量设计规定(暂行).