摘 要
文章介紹了一種帶脈沖計量的能源管理儀表。該儀表基于IC 71M6533 設計， 用于三相四線雙向電能計量，同時還可計量3路其它能耗表計輸入的能量脈沖，且為導軌式安裝。可實現對不同區域或不同負荷電能消耗的計量、統計和分析，用于商務寫字樓及各類辦公樓、商場及交易市場、學校、工廠、居民小區等場所。
關鍵字 脈沖計量 能源管理儀表 71M6533 導軌式安裝
0 前言 隨著中國城市化進程的推進，經濟的發展，能耗總量呈持續增長的態勢，因此能源管理勢在必行。對工礦企業、建筑樓宇的能源管理，依賴于對能源信息的數據采集及分析。
除電能外，其它種類能耗也需要采集，如水、氣等。目前大部分的水表、氣表，其信息遠傳方式為脈沖輸出，并不適合能源管理系統的直接采集需求，因此很難將非電量的能耗信息融入能源管理系統。現有的脈沖采集器是針對老式機械式電度表開發的產品，完成電能脈沖到電度數的數字轉化，但不能將水量、氣量等轉化成對應的數字當量。
針對上述情況，本文介紹一種帶脈沖計量的能源管理儀表。
1 儀表功能 儀表具備三相多功能電能表、脈沖采集器二合一的功能。除可測量常用電力參數及實現電能計量外， 還具備3 路外部輸入脈沖計量功能，可對基于脈沖電路技術的計量表進行信號采集、運算處理、存儲，并與儀表自身測量的電參數一起通過 RS485 總線上傳至能源管理平臺， 其示意圖如圖1 所示。
2 設計依據 儀表設計主要基于以下標準：
（ 1 ） GB/T 20866-2007 基于用戶脈沖計量表的數據采集器；
（2） IEC 61557-8:2007 交流 1000V 和直流 1500V 以下低壓配電系統的電氣安全 防護措施的試驗、測量或監控設備；
3 硬件設計 3.1 總體框圖
基于產品功能考慮，結合外型結構、生產及調試維修操作方便等因素，將硬件劃分分為處理器、電壓電流信號采集、存儲器、顯示液晶、按鍵輸入、能量脈沖輸入、電能脈沖輸出、通訊等部分。其中，信號采集部分將電網電壓、電流信號整定到71M6533 所允許輸入的范圍之內，存儲器采用非易失性鐵電存儲器 FM25CL04 ，其原理框圖如圖 2 所示。
3.2 主芯片選型
儀表選用專用于三相多功能電表解決方案的 SOC ， TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533 （見圖 3 ）。此芯片集電能計量和管理于一體，配備了 1 個高精度的 22 位 Δ - Σ ADC、7個模擬輸入、數字溫度補償、精密參考電壓和獨立的32位計算引擎， 在超過 2000:1 范圍內計量精度優于 0.1% 。
而且該SOC芯片只需要極少的低成本外部元器件，極大地簡化了軟硬件設計 ，從而能夠高效快速的完成開發設計。
3.3信號采集
（1 ）三相交流電壓、電流信號采集：
基于成本、內部空間和0.5 級精度設計的綜合考慮，電壓信號采樣選用電阻網絡分壓的方式，電流信號采樣選用電流互感器加電阻取樣的方式，并都采用二極管 BAV199 作箝位保護，其原理如圖 4 所示。
（ 2 ）外部輸入脈沖信號采集：
參照 GB/T 20866-2007 《基于用戶脈沖計量表的數據采集器》標準，對脈寬為 80ms ± 20ms的三路外部輸入脈沖信號進行計數（對于脈寬不在此范圍之內的信號作為雜波濾除）。然后根據用戶設置的脈沖變比轉化為對應的水、氣當量，其原理如圖 5 所示。
3.4人機界面
該儀表功能豐富，提供給用戶的參數信息較多， 采用帶背光的 122*32 點陣液晶作為顯示單元，并采用薄膜按鍵，可方便的進行參數的查看與設置（如電壓、電流、功率、功率因數、電能等）。
綠色 LED 燈 E X1 、 E X2 、 E X3 分別對應指示 3 路外部輸入能量脈沖，紅色 LED 燈 E P 用來指示儀表有功電能脈沖輸出。
3.5輸出接口
脈沖輸出接口為光耦隔離型，脈沖波形為標準方波，脈沖寬度為 80ms ± 20ms ，硬件原理如圖 6 所示。
3.6通訊電路
儀表具有一路 RS485 通訊接口，采用 Modbus-RTU 協議，所有測量得到的數據和脈沖能量都可通過此端口進行遠傳。硬件設計采用高速光耦 6N137 和 485 芯片 SN75LBC184 ， 其電路如圖 7 所示。
4 軟件設計 借助 keil μ vison3的軟件開發環境，采用前后臺設計、模塊化編程，實現了高可靠性的要求，其流程如圖 8 所示。
5 測試數據 （ 1 ）儀表測量電量、計量電能精度實驗
給儀表輸入額定值為 AC220V 、 5A 的信號。電壓、電流實驗數據如下（實驗儀器為南京丹迪克 DK-34B1 交流采樣變送器校驗裝置）：
電能實驗數據如下 （實驗儀器為 PTC 三相便攜式電能表檢驗裝置、 HC-3100 三相標準電能表） ：
實驗結果表明，本儀表測量電量、計量電能精度符合0.5 級要求。
（2 ）儀表對外部輸入脈沖的采集是否符合精度要求實驗。
對儀表進行了脈沖接收對比試驗：將信號發生器分別連接到計數器和本儀表，使信號發生器輸出電壓幅度為4V 、占空比為 60% 的方波脈沖，分別在頻率 3Hz 、 8Hz 、 1Hz 的條件下，測試儀表脈沖采集情況，結果如下所示。
實驗結果表明，本儀表采集外部脈沖輸入精度符合0.5 級要求。
6 儀表主要技術參數 （ 1 ）電壓標稱值： AC100V 、 220V 、 380V
（ 2 ）電流標稱值： AC1A 、 5A
（ 3 ）脈沖：無源信號，脈沖寬度 80ms ± 20ms,儀表提供偏置電壓為 +5V
（4 ）頻率范圍： 45~65Hz
（5 ）過載： 1.2 倍可持續正常工作， 2 倍持續 1 秒
（6 ）功耗：各電壓、電流輸入回路功耗均小于 0.5VA
（7 ）精度等級：電測信號 0.5 級，脈沖計數累計誤差 ≤ 1 ‰
（8 ）工作電源：電壓范圍 AC85~265V 或 DC100~350V, 功耗 ≤ 3W
（9 ）絕緣電阻： ≥ 100M Ω
（10 ）工頻耐壓：通訊端子組與信號輸入、輸出端子組之間 2kV/1min
（11 ）平均無故障工作時間： ≥ 50000h
（12 ）溫度：工作溫度 -10 ℃ ~+50 ℃，貯存溫度 -20 ℃ ~+70 ℃
（13 ）濕度： ≤ 93%RH,不結露，不含腐蝕性氣體
（14 ）海拔： ≤ 2500m
7 結束語 本文首次提出了一種新穎的 帶脈沖計量的能源管理儀表。 采用TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533 ，利用其片內高精度 22 位 Δ - Σ ADC和獨立的32位計算引擎， 利用一系列開發工具，結合豐富的電表設計經驗，完成了儀表開發。對比傳統數據采集器，具有 成本低、精度高、直觀易讀、安裝簡潔、組網方便等優點。 目前，該儀表已成功應用于多個工程項目中。
文章來源于：《 電氣技術 》2012 年 第11 期。
參考文獻
[1]周中 等編著 . 智能電網用戶端電力監控與電能管理系統產品選型及解決方案 [J]. 機械工業出版社， 20 11 - 10.
[2]TERIDIAN SEMICONDUCTOR CORP. 71M6533/H and 71M6534/H Energy Meter IC DATA SHEET November 2009.
