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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
双向计量多功能表 安科瑞鲍静君
双向计量多功能表是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的。它能测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度、谐波等。由于该电力仪表还具备完善的通信联网功能，所以我们称之为网络电力仪表。它非常适合于实时电力监控系统。
该表具有很高的性能价格比，可以直接取代常规电力变送器及测量仪表。作为一种的智能化、数字化的前端采集元件，该系列网络仪表已广泛应用于各种控制系统、SCADA系统和能源管理系统中。
双向计量多功能表国外品牌有美国电气控制QP系列、法国施耐德PM系列，品牌有安科瑞电气股份有限公司ACR系列、江苏斯菲尔PD系列、珠海派诺PMAC等。
下面以安科瑞电气股份有限公司ACR220E产品为例,介绍双向计量多功能表的功能及技术参数。
双向计量多功能表
LED显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F);四象限电能计量;2DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议。
适用环境
工作温度：-10℃~+45℃
储存温度：-25℃~+70℃
相对湿度：≤95%不结露
海拔高度：≤2500m
电磁兼容
静电抗干扰实验 Ⅲ级(IEC61000-4-2)
辐射抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-3)
电快速瞬变脉冲群干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-4)
浪涌抗干扰试验 Ⅳ级(IEC61000-4-5)
射频传导干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-6)
电磁场抗干扰试验 Ⅲ级(IEC61000-4-8)
功能
可直接从电流、电压互感器接入信号;
可任意设定PT/CT变比;
仪表显示可滚动设置;
I/O开关量，继电器报警输出，4~20mA模拟量等功能模块化设计;
多块仪表可设置不同地址;
可通讯接入SCADA、PLC系统中;可与业界多种软件通讯(Intouch, Fix, Citec，组态网等);
LED或蓝屏背光LCD显示，可视度高;
方便安装，接线简单，工程量小;
仪表采用**失电保护电路，在失电情况下，数据保存不丢失，恢复电源后，仪表继续运行;
四象限电能计量，分时计费，较大需量纪录及12个月电能统计。
应用领域
能源管理系统
变电站自动化
配电网自动化
小区电力监控
工业自动化
智能建筑
智能型配电盘、开关柜
技术参数
网络
三相三线、三相四线
精度等级
电流、电压：0.2级，
功率、有功电能：0.5级，
频率：0.05Hz，
无功电能：1级
输入电流
额定值：AC1A、5A
过负荷： 1.2倍持续，瞬时10倍/10秒
功耗：<0.2VA
阻抗：<0.1Ω
输入电压
额定值：AC100V、400V
过负荷： 1.2倍持续，瞬时2倍/1秒
功耗：<0.2VA
阻抗：>200kΩ
工作电源
工作范围 AC85-270V
频率 50±5Hz，60±5Hz
功耗 <1W
工频耐压
2kV/1min交流有效值
开关量输入
2、4或8路路干接点输入，内置+5V电源
开关量输出
输出方式：2或4路继电器常开触点输出
触点容量：AC 250V/3A、DC 30V/3A
脉冲输出
输出方式:集电极开路的光耦脉冲，2路输出
脉冲常数: 10000、40000、160000 imp/kWh
通讯
RS485接口
MODBUS-RTU协议
波特率38400、19200、9600、4800可设定
外形及安装尺寸(mm)
ACR220E的面框尺寸为96mm*96mm,开孔尺寸为88mm*88mm, 安装深度为85mm。安装方式为嵌入式，固定方式为挤压式。LED显示。
**及着作权
ACR220E**：网络电力仪表(一)--外观**号200430035121.7 ;一种通用型电测仪表衬框外壳--实用新型**号200720066352.2
ACR220E着作权登记号：沪 DGY-2007-1338《安科瑞ACRXXE综合测控软件V1.0》
范例
型 号：ACR220E
辅助电源：AC/DC220V
输入信号：380V 600A/5A 2DI/2DO
电 网：三相四线
通 讯：RS485/Modbus-RTU
