智能导轨式电能表

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

　　分项计量电能表 鲍静君

　　目前分项计量电能表的安装普遍采用传统壁挂式的安装方式，存在体积大，安装不方便的缺点。而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，易于实现终端照明电能计量，便于照明系统加装电度表的改造。

　　下面以安科瑞电气股份有限公司的DTSF1352系列电能表为例，照明箱**电能表的功能及应用。

　　产品概述

　　DTSF1352系列导轨式安装电能表是安科瑞电气股份有限公司电气集多年的电表设计经验，所推出的新一代微型智能电能表，它用于380V/220V终端照明系统，采用标准DIN35mm导轨式安装，结构模数化设计，宽度与微型断路器匹配，可方便安装于照明箱内。

　　DTSF1352系列电表采用LCD显示，测量电能及其它电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，并具有电能脉冲输出功能。可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。

　　DTSF1352系列电能表具有体积小巧、精度高、可靠性好、安装方便等优点，性能指标符合国标GB/T 17215、GB/T 17883和电力行业标准DL/T614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。

　　应用场合

　　DTSF1352由于其微型化的结构，可方便其与微型断路器一起使用，安装于终端照明箱内。为低压照明终端的电能计量提供了有效的解决方案。可广泛应用于楼宇、商场、会展中心、学校、机场、港口及工厂等。

　　性能特点

　　ACREL公司集多年电表设计之经验，采用的芯片及技术设计而成了DTSF1352系列导轨式安装电能表。产品设计充分考虑了结构微型化、成本效能化、智能性和可靠性，有以下特点：

　　计量总有功电能，反向计入总电能

　　可选分时复费率电能计量功能

　　支持RS485通讯接口，通讯规约可选(MODBUS-RTU或DL/T645规约)，带电能脉冲输出

　　电流一次接入，二次接入均可，电压信号供电，不需要辅助电源

　　体积小巧，宽度为18mm的倍数，与微型断路器配合，带铅封防窃电

　　DIN35mm标准导轨安装方式，轻松置入各类照明箱和照明柜

　　7位宽温型LCD显示，轮显

　　功能简介

　　电能计量

　　计量正、反向有功电能，并具有功率方向指示功能

　　电能量按总、尖、峰、平、谷分别累计、存储

　　电表内存储3个月的冻结数据

　　电能量数据冻结转存日缺省设置为每月末24时(月末冻结)

　　断电后，所有存储数据不丢失，并能保持10年以上

　　时钟及时段费率

　　具有**日历、时间，闰年自动切换功能，时钟误差在0.5s/天以内

　　DDSF1352可编程设置峰、平、谷3种费率，日时段可设8个时段，时段较小间隔为1分钟

　　DTSF1352可编程设置尖、峰、平、谷4种费率，日时段可设8个时段，时段较小间隔为1分钟

　　显示

　　7位宽温型LCD显示。

　　可实现数据轮显，轮显时间为4s。

　　电能脉冲和当前费率时段用LED指示

　　编程功能

　　电表地址设置

　　时间日期设置

　　费率时段设置

　　电量底数清零设置

　　输出

　　有功电能脉冲输出，用于校表、采集电能量

　　无源光电隔离型输出端口，脉冲宽度：80ms±20ms

　　抄表功能

　　通过RS485通信，上位机可实现自动抄表功能

　　技术规格参数

　　测量精度

　　准确度等级：有功1.0级

　　时钟准确度：日误差≤0.5s/d

　　电流输入

　　起动电流：直接接入 0.004Ib;经CT接入 0.002In

　　电流规格：1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A

　　电流线路功耗：≤1VA

　　电压输入

　　额定电压：220V，3×220/380V

　　工作电压：正常工作电压范围：0.9~1.1Un;极限工作电压范围：0.7~1.2Un

　　电压线路功耗 ≤2W，5VA

　　额定频率 50Hz

　　脉冲输出

　　输出方式：集电极开路的光耦脉冲，1路脉冲输出

　　脉冲宽度：80ms±20ms

　　通讯网络

　　1路RS485通讯接口，Modbus-RTU通讯协议(其他可定制)

　　通信速率 9600bps(默认)、4800bps、2400bps、1200bps可选

　　平均无故障工作时间

　　连续工作时间≥50000h

　　适用环境

　　正常工作温度：-10℃~+45℃

　　极限工作温度：-20℃~+55℃

　　存储温度：-40℃~+70℃

　　相对湿度：5%~95%不结露，无腐蚀性气体

　　海拔：≤2500m

　　导轨式安装电能表外形尺寸及安装方式(单位mm )

　　DDS1352外形尺寸为18×91×64mm，1模数

　　DDSF1352外形尺寸为76×89×74mm，4模数

　　DTSF1352外形尺寸为126×89×74mm，7模数

　　DTSD1352外形尺寸为126×89×74mm，7模数

　　DDS1352/ DDSF1352/DTSF1352/ DTSD1352计量仪表均采用标准35mm导轨式安装

　　选 型

　　安科瑞电气股份有限公司电气导轨式安装电能表DTSF1352-FC计量总有功电能、分时复费率电能，反向计入总电能，有功电能脉冲输出、时钟脉冲输出，RS485通讯接口、Modbus协议，外形尺寸126×89×74mm、7模数，标准35mm导轨式安装

　　范 例

　　型 号：DDSF1352-FC

　　应用场合：单相系统

　　接入方式：直接接入

　　额定电压：AC 220V

　　电流规格：5(20)A

　　测量参数：总电能、分时复费率电能，电流，电压

　　附加功能：RS485通信，MODBUS协议

　　型 号：DTSD1352-FC

　　应用场合：三相系统

　　接入方式：二次接入

　　额定电压：AC 3*220V/380V

　　电流规格：1.5(6)A

　　测量参数：测量分相电压、分相电流、分相及总的有功功率、无功功率和视在功率、分相及总的功率因数、电网频率、有功、无功功率较大需量统计、计量总的正反向有功和无功电能(4象限电能)、分时复费率电能

　　附加功能：RS485通信，MODBUS协议