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邱春玲1 楊立海2 畢博2 花成龍2 余思思2 韓來發2
（1.同濟大學建設設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）
（2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定201801）
摘要：通過提出一種基于71M6543+STM32F103的“單MCU+多計量芯片”的最大12個三相用戶的設計方案，設計出一種精度高、可靠性好的多回路電能管理終端，并在實際應用中得到肯定。
關鍵字：多回路；電能管理；多用戶；電能表
0 前言
隨著我國對用電管理能耗分析的相關要求越來越明晰化，對終端用電的計量與監控需求也越來越細化（如要求插座、照明與空調分三路進行計量與監控），而傳統的終端用電計量設備只能計量單個回路，這就導致一個配電系統中需要使用大量的終端計量設備，不利于配電系統的裝配與維護。
近些年來，隨著我國居民住宅建設的迅速發展，城市樓房所用電能表的數量也日益增多。現行建筑電氣設計常將單塊電能表集中掛成一面“表墻”，體積較大，維護管理不便[1]。如在智能小區、學生公寓等場所，分戶計量時每層需安裝多塊電表，給施工、抄表、控制等帶來諸多困難。本文設計出一種計量精度高、功能全、性能可靠的多回路電能管理終端，并已經在實際中應用中得到了肯定。
1 功能介紹：
本文設計的多回路電能管理終端的主要包括以下功能：
計量：可計量每個回路的尖、峰、平、谷各時段的電能及總電能，精度為1級。
檢測：實時檢測各回路的相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、電壓頻率等。
設置：可以自由設置復費率的時段、時間及通訊參數。
顯示：實時顯示各回路的用電量。
通信：通過RS485接口進行遠程抄表，可支持Modbus與DL/T 645-2007協議。
2 設計方案
本終端的設計包括硬件設計與軟件設計兩個部分。
2.1硬件設計
主控部分硬件包括：MCU、LED數碼顯示、時鐘電路、RS485通訊、按鍵輸入。其中，顯示界面采用的是LED數碼管，用戶可以通過輪顯顯示來了解當前的使用電量和剩余電量；通訊采用兩路RS485，一路為主控模塊與電腦、通訊管理機等設備之間的通訊，另外一路為主控模塊與計量模塊之間的通訊。
計量部分硬件包括：計量芯片、鐵電存儲、磁保持控制電路、有功脈沖輸出、信號輸入。其中，計量芯片對電壓、電流信號分別進行采集，并將有功電能數據存儲至鐵電中，用于后續數據的查看、對比。每個計量部分和主控部分之間采用RS485通訊，以進行數據處理和控制。多回路計量終端采集到的電能最終會存儲至鐵電中。具體的硬件處理流程如圖1所示。
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圖1 終端硬件處理流程
2.2 軟件設計
軟件設計分為計量板與主控板兩個部分，其中，計量板包括：電能計量程序、繼電器控制程序及與主控通訊程序，軟件處理流程如圖2所示；主控板包括：顯示處理程序、與計量通訊程序、上位機通訊程序、按鍵處理程序，其軟件處理流程如圖3所示。
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圖2 計量板軟件處理流程
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圖3 主控板軟件處理流程
軟件設計過程中，計量板部分將電能的計量與繼電器控制交給71M6543完成，并且每個三相回路配置一塊芯片，保證的電能計量的高精度與高可靠性，也使得繼電器控制具有實時性與準確性；主控部分的主控芯片STM32F103只負責通訊、顯示按鍵等操作。
在設計繼電器控制程序時，考慮到現場應用的復雜性，設計實現了強制控制、時間控制、負載控制及預付費控制四種控制邏輯。其中，強制控制優先級最高，可強制控制繼電器合閘或分閘；時間控制可根據預設的時段表進行分/合閘操作，負載控制可識別是否接入惡性負載進行分/合閘操作;預付費控制可實現先交費后使用的功能。繼電器具體控制邏輯如圖4所示。
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圖4 繼電器控制邏輯圖
3 檢驗測試數據
校準后的多回路電能管理終端在額定電壓為220V，基本電流為10A，最大電流為60A的條件下，1~4回路的精度檢測數據如表1所示。
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電壓
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負載 %Ib
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功率因數
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有功電能誤差
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回路1（%）
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回路2（%）
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回路3（%）
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回路4（%）
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220V
|
Imax
|
1.0
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-0.222
|
+0.089
|
+0.023
|
-0.089
|
|
220V
|
Imax
|
0.5L
|
+0.267
|
-0.089
|
-0.089
|
-0.133
|
|
220V
|
Imax
|
0.8C
|
-0.222
|
+0.044
|
+0.045
|
-0.044
|
|
220V
|
5
|
1.0
|
+0.065
|
-0.046
|
+0.038
|
+0.050
|
|
220V
|
10
|
0.5L
|
+0.464
|
-0.204
|
-0.222
|
-0.222
|
|
220V
|
10
|
0.8C
|
-0.204
|
+0.373
|
+0.000
|
-0.089
|
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220V
|
10
|
1.0
|
-0.012
|
+0.000
|
+0.267
|
+0.071
|
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220V
|
100
|
1.0
|
+0.000
|
+0.232
|
+0.241
|
-0.089
|
|
220V
|
100
|
0.5L
|
+0.214
|
-0.044
|
+0.071
|
+0.000
|
|
220V
|
100
|
0.8C
|
+0.160
|
-0.178
|
+0.348
|
+0.232
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4 應用方案
多回路電能管理終端在某廣場商鋪中的應用情況如圖5所示。三相四線電壓總進線經過塑殼斷路器接入到電能管理終端上，電能管理終端再分別接到各個回路上，使得一個配電箱中僅使用一個多回路電能管理終端就可實現對多個回路的計量、檢測和控制，同時配電系統的裝配與維護也會更加便利。電能管理終端通過RS485總線配合安科瑞遠程預付費電能管理系統，用戶可以通過電腦后臺控制、充值、抄表等功能。如圖6所示，為遠程預付費電能管理系統應用圖。
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圖5 電能管理終端應用圖
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圖6 遠程預付費電能管理系統應用圖
5 結束語
根據提出的多回路電能管理終端設計方案，以STM32F103為主控芯片，71M6543為計量芯片設計終端的硬件組成部分，并以此為基礎設計調試終端的軟件程序。經調試，多回路電能管理終端成功研制，并且在實際應用中得到了肯定。
文章來源：《智能建筑電氣技術》2016年5期
參考文獻：
[1] 萬全.新型多用戶電子式電能表的研究和設計[D].湖南：湖南大學，2004:1-28
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