SOC技術(shù)多功能導(dǎo)軌式相電能表設(shè)計方案與應(yīng)用

1、封面作者： PanHongliang僅供個人學(xué)習(xí)基于SOC技術(shù)的多功能導(dǎo)軌式三相電能表設(shè)計與應(yīng)用畢博1陳建鋒1（1.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801）摘要： 針對導(dǎo)軌式三相電能表的實(shí)用性及開發(fā)難度較大等問題，設(shè)計了一種利用 SOC 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，分別從硬件與軟件角度介紹了 DTSD1352 的設(shè)計及應(yīng)用。關(guān)鍵字： SOC ；導(dǎo)軌式；三相電能表0.引言據(jù)統(tǒng)計，我國公共建筑單位面積的年平均耗電量數(shù)值巨大，約占全國城鎮(zhèn)總耗電量 的 22% 。在公共建筑節(jié)能方面，分項(xiàng)計量是現(xiàn)階段有效可行的方法。分項(xiàng)計量系統(tǒng)中電表 作為終端元件，在功能、性能、安裝方式上都有較嚴(yán)格的要求。目前我國供電部

2、門用于收 費(fèi)的電能表為壁掛式安裝方式，此安裝方式占用空間較大，不易安裝，更不適用于本來空 間就狹小的改造工程。而且大型公共建筑分項(xiàng)電能計量屬于內(nèi)部計量管理，不宜使用收費(fèi) 電表，而應(yīng)采用電力儀表。導(dǎo)軌式安裝在體積、結(jié)構(gòu)上都優(yōu)于傳統(tǒng)的壁掛式和嵌入式儀 表，其特殊的安裝方式既可以安裝在終端照明箱中又可以安裝在大型開關(guān)柜、動力柜中而 不用重新開孔。1.設(shè)計依據(jù)電能表作為計量型儀表，與經(jīng)濟(jì)、民生息息相關(guān)。因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在眾多工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)當(dāng)中是最為嚴(yán)格的。國內(nèi)電能表主要參考的標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T17215.322-2008 交流電測量設(shè)備特殊要求 第 22 部分：靜止式有功電能表（ 0.2S 級和 0.5S

3、級）GB/T17215.211-2006 交流電測量設(shè)備 通用要求、實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)條件 第 11 部分 :測量部 分DL/T614-2007 多功能電能表 以上標(biāo)準(zhǔn)針對電能表在設(shè)計、生產(chǎn)及應(yīng)用中的性能、功能都規(guī)定了詳細(xì)的技術(shù)參 數(shù)。其中較為重要的性能指標(biāo)有：1）、工頻耐壓。所有的電流線路和電壓線路以及參比電壓超過40V 的輔助線路連接在一起為一點(diǎn)，另一點(diǎn)為地，實(shí)驗(yàn)電壓 4kV 加于該兩點(diǎn)間，不應(yīng)發(fā)生飛弧、火花放電或擊穿現(xiàn) 象。2）、快速瞬變脈沖群實(shí)驗(yàn)。在電壓和電流線路加4kV 脈沖群，儀表準(zhǔn)確度應(yīng)在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限內(nèi)。3） 、靜電放電抗擾度實(shí)驗(yàn)。接觸放電8kV，空氣放電 15kV，儀表不能有死機(jī)

4、或精度不準(zhǔn) 顯現(xiàn)。4）、浪涌抗擾度實(shí)驗(yàn)。在電壓線路通以參比電壓，電流端開路，在電壓和電流線路上施加 4kV,正負(fù)極各 5 次，儀表不應(yīng)損壞不能工作。以上幾點(diǎn)指標(biāo)在各自的實(shí)驗(yàn)規(guī)格中都是最高級的殘酷級別。對于傳統(tǒng)的壁掛式電能 表，體積較大，內(nèi)部有足夠的設(shè)計空間來應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)中的各種要求。而導(dǎo)軌式三相多功能電 能表因?yàn)轶w積較小，模具決定了內(nèi)部可用空間不大。因此，導(dǎo)軌式三相電能表在設(shè)計上要 難于傳統(tǒng)的壁掛式電能表。本文以DTSD1352 三相多功能電能表為例講解一種基于SOC 技術(shù)的方案。2.硬件可靠性設(shè)計2.1 芯片選擇DTSD1352 采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一個 8051

5、 的微處理器內(nèi)核和一個可實(shí)現(xiàn)計量功能的32 位 DSP 數(shù)字引擎（CE，同時包括了電能表所必須的一些外設(shè)，如 LCD 驅(qū)動、可補(bǔ)償?shù)?RTG UART 等。芯片具有良好的電磁兼容性，完全符 合電能表的性能標(biāo)準(zhǔn)。由于此芯片的集成度極高，為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)留下了寶貴的空間。2.2 總體方案總體方案框圖如圖 1 所示。總體設(shè)計中主要圍繞 71M6543，外圍電路主要包括： 開關(guān)電源、電壓電流采樣電路、按鍵、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、RS485 通信模塊、脈沖輸出。原始信號經(jīng)電阻分壓及電流互感器信號衰減輸入到GE CE 順序處理從模擬輸入引腳采集的電壓信號，計算有功能量（Wh）和無功能量（VARh）,以及四象限

6、表計的 A2h 和V2h。然后 MPU 存取這些測量值，進(jìn)一步處理并通過MPU 的外圍器件輸出，輸出方式如：LCD 顯示、RS485 通信等。除了高級測量功能外，實(shí)時時鐘（ RTQ 功能允許 71M6543 不外 掛任何實(shí)時時鐘芯片就可以實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率分時計量。同時配合外掛的鐵電,可以實(shí)現(xiàn)對12 個月的歷史數(shù)據(jù)的保存功能。圖 12.3 采樣電路71M6543 的管腳 IADC0 至 IADC7 用作電流傳感器輸入。這 8 路電流傳感器輸入可 配置為 8路單端輸入，或配對構(gòu)成 4 路差分輸入。為獲得最佳性能，DTSD1352 在設(shè)計中將電流傳感器輸入配置為差分輸入（即：IADC0-IADC1、 IA

7、DC2-IADC3、 IADC4-IADC5、 IADC6-IADC7）。 71M6543 提供了分流器接入和電流互感器接入兩種接入方式,處于電氣安全的 考慮，DTSD1352 方案中使用的是互感器方案。具體電路原理圖如圖2 所示：圖 2圖 2 中 IN_IA+和 INA 與互感器次級輸出相連，IA+和 IA-與 IADC0 和 IADC1 相連。電壓采樣電路使用單端輸入，通過電阻分壓檢測電網(wǎng)電壓。VADC8 VADC9 VADC10 引腳為單端，返回至 V3P3A 引腳。2.4 輸入復(fù)用器及采樣時序由于 71M6543 內(nèi)部只有一個 ADC，所以使用了一個輸入復(fù)用器來切換7 種信號（IA、V

8、A、IB、VB IC、VC、IN）的采集。輸入復(fù)用器按照11 個 MUXn_SEL3:0 控制字段確定的采用順序，將模擬輸入信號依次作用到ADC 輸入。一個完整的采樣過程稱為復(fù)用幀。圖 3 為一個完整復(fù)用幀的時序圖：圖 33.軟件模塊化設(shè)計DTSD1352 采用模塊化軟件設(shè)計，模塊設(shè)計包括：計量運(yùn)算、校準(zhǔn)模塊、人機(jī)交互 模塊、通信模塊、復(fù)費(fèi)率計算模塊、需量計算模塊、事件記錄模塊等。整體流程圖如圖4所示：流程圖中的任務(wù)調(diào)度模塊其實(shí)是由多個中斷以及定時器按一定的優(yōu)先級組合而成 的。其支配著整個程序,驅(qū)動程序正常無誤的工作。對于周期性任務(wù),如計量、復(fù)費(fèi)率運(yùn)算等，由定時器定時分配任務(wù)執(zhí)行順序。而對于一

9、些非周期性任務(wù)，如通信、人機(jī)交互 等，則由中斷觸發(fā)執(zhí)行。各模塊大多相互獨(dú)立，代碼維護(hù)簡單。圖 44.DTSD1352 測試數(shù)據(jù)表 1 為 DTSD1352 在各溫度環(huán)境測試中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明DTSD1352 有功電能精度等級可以滿足 0.5S 級要求，并滿足高低溫性能。表 1測試環(huán)境輸入信號（3P4L）cos $電冃匕誤差（%及儀表編號1#2#25C220V6.0A1.0-0.0533-0.0798220V5.0A1.0-0.0261-0.07020.5L0.0271-0.0710.8C-0.0642-0.111220V0.5A1.00.1427-0.041660C220V6.0A1.0-

10、0.0434-0.0171220V5.0A1.0-0.01950.01380.5L0.04450.03640.8C-0.0695-0.0614220V0.5A1.00.2860.0425-20C220V6.0A1.00.29120.2258220V5.0A1.0P 0.20970.23820.5L0.28990.18960.8C0.19570.2117220V0.5A1.00.20620.26495.DTSD1352 在實(shí)際中的應(yīng)用圖 5 為 DTSD1352 在某寫字樓中的系統(tǒng)圖和接線圖。右圖為電氣系統(tǒng)圖，DTSD1352作為系統(tǒng)中的終端元件對包括照明、空調(diào)或插座等終端負(fù)載進(jìn)行電能計量及電氣

11、運(yùn)行參數(shù) 測量。左圖為單個 DTSD1352 的外部接線圖，電網(wǎng)中的 A、B C 三相分別接入表的 UA、 UB、UC （端子號 1、3、5）端子。電流經(jīng)互感器后接到相應(yīng)的電流接口。DTSD1352 還有直接接入，低于 80A 的電流可直接進(jìn)表，接線方式與互感器接入相似，由于篇幅問題，這里 就不再贅述。圖 55.結(jié)束語導(dǎo)軌式安裝多功能電能表可在分項(xiàng)計量工程中發(fā)揮極大作用，可有效減少施工難度及成本。DTSD1352 性能指標(biāo)符合國標(biāo) GB/T17215 和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T614-2007 對電能表 的各項(xiàng)技術(shù)要求，適用于政府機(jī)關(guān)和大型公建中對電能的分項(xiàng)計量，也可用于企事業(yè)單位 作電能管理考

12、核。文章來源于：電氣時代 2012 年第 11 期。參考文獻(xiàn)1電力電測字儀表原理與應(yīng)用指南任致程，周中中國電力出版社2交流采樣的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)陳學(xué)珍數(shù)采與監(jiān)測作者簡介：畢博，男，工程師，碩士，從事電能計量研究，Email:ACRELXLP版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整 理。版權(quán)為潘宏亮個人所有This article includes some parts, including text, pictures, and desig n.Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個人學(xué)

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