基于IC 71M6533带脉冲计量的能源管理仪表设计
孙丽莉
摘 要 文章介绍了一种带脉冲计量的能源管理仪表。该仪表基于IC 71M6533设计，用于三相四线双向电能计量，同时还可计量3路其它能耗表计输入的能量脉冲，且为导轨式安装。可实现对不同区域或不同负荷电能消耗的计量、统计和分析，用于商务写字楼及各类办公楼、商场及交易市场、学校、工厂、居民小区等场所。
关键字 脉冲计量 能源管理仪表 71M6533 导轨式安装
0 前言
随着中国城市化进程的推进，经济的发展，能耗总量呈持续增长的态势，因此能源管理势在必行。对工矿企业、建筑楼宇的能源管理，依赖于对能源信息的数据采集及分析。
除电能外，其它种类能耗也需要采集，如水、气等。目前大部分的水表、气表，其信息远传方式为脉冲输出，并不适合能源管理系统的直接采集需求，因此很难将非电量的能耗信息融入能源管理系统。现有的脉冲采集器是针对老式机械式电度表开发的产品，完成电能脉冲到电度数的数字转化，但不能将水量、气量等转化成对应的数字当量。
针对上述情况，本文介绍一种带脉冲计量的能源管理仪表。
1 仪表功能
仪表具备三相多功能电能表、脉冲采集器二合一的功能。除可测量常用电力参数及实现电能计量外，还具备3路外部输入脉冲计量功能，可对基于脉冲电路技术的计量表进行信号采集、运算处理、存储，并与仪表自身测量的电参数一起通过RS485总线上传至能源管理平台，其示意图如图1所示。
摘 要 文章介绍了一种带脉冲计量的能源管理仪表。该仪表基于IC 71M6533设计，用于三相四线双向电能计量，同时还可计量3路其它能耗表计输入的能量脉冲，且为导轨式安装。可实现对不同区域或不同负荷电能消耗的计量、统计和分析，用于商务写字楼及各类办公楼、商场及交易市场、学校、工厂、居民小区等场所。
关键字 脉冲计量 能源管理仪表 71M6533 导轨式安装
0 前言
随着中国城市化进程的推进，经济的发展，能耗总量呈持续增长的态势，因此能源管理势在必行。对工矿企业、建筑楼宇的能源管理，依赖于对能源信息的数据采集及分析。
除电能外，其它种类能耗也需要采集，如水、气等。目前大部分的水表、气表，其信息远传方式为脉冲输出，并不适合能源管理系统的直接采集需求，因此很难将非电量的能耗信息融入能源管理系统。现有的脉冲采集器是针对老式机械式电度表开发的产品，完成电能脉冲到电度数的数字转化，但不能将水量、气量等转化成对应的数字当量。
针对上述情况，本文介绍一种带脉冲计量的能源管理仪表。
1 仪表功能
仪表具备三相多功能电能表、脉冲采集器二合一的功能。除可测量常用电力参数及实现电能计量外，还具备3路外部输入脉冲计量功能，可对基于脉冲电路技术的计量表进行信号采集、运算处理、存储，并与仪表自身测量的电参数一起通过RS485总线上传至能源管理平台，其示意图如图1所示。
图1 仪表功能示意图
2 设计依据
仪表设计主要基于以下标准：
（1）GB/T 20866-2007基于用户脉冲计量表的数据采集器；
（2）IEC 61557-8:2007 交流1000V和直流1500V以下低压配电系统的电气安全 防护措施的试验、测量或监控设备；
3 硬件设计
3.1 总体框图
基于产品功能考虑，结合外型结构、生产及调试维修操作方便等因素，将硬件划分分为处理器、电压电流信号采集、存储器、显示液晶、按键输入、能量脉冲输入、电能脉冲输出、通讯等部分。其中，信号采集部分将电网电压、电流信号整定到71M6533所允许输入的范围之内，存储器采用非易失性铁电存储器FM25CL04，其原理框图如图2所示。
图2 仪表硬件原理框图
3.2 主芯片选型
仪表选用专用于三相多功能电表解决方案的SOC，TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533（见图3）。此芯片集电能计量和管理于一体，配备了1个高精度的22位Δ-ΣADC、7个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和独立的32位计算引擎，在超过2000:1范围内计量精度优于0.1%。
而且该SOC芯片只需要极少的低成本外部元器件，极大地简化了软硬件设计，从而能够高效快速的完成开发设计。
仪表选用专用于三相多功能电表解决方案的SOC，TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533（见图3）。此芯片集电能计量和管理于一体，配备了1个高精度的22位Δ-ΣADC、7个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和独立的32位计算引擎，在超过2000:1范围内计量精度优于0.1%。
而且该SOC芯片只需要极少的低成本外部元器件，极大地简化了软硬件设计，从而能够高效快速的完成开发设计。
图3 IC 71M6533功能框图
3.3信号采集
（1）三相交流电压、电流信号采集：
基于成本、内部空间和0.5级精度设计的综合考虑，电压信号采样选用电阻网络分压的方式，电流信号采样选用电流互感器加电阻取样的方式，并都采用二极管BAV199作箝位保护，其原理如图4所示。
（1）三相交流电压、电流信号采集：
基于成本、内部空间和0.5级精度设计的综合考虑，电压信号采样选用电阻网络分压的方式，电流信号采样选用电流互感器加电阻取样的方式，并都采用二极管BAV199作箝位保护，其原理如图4所示。
电压信号采集电路
电流信号采集电路
图4
（2）外部输入脉冲信号采集：
参照GB/T 20866-2007《基于用户脉冲计量表的数据采集器》标准，对脉宽为80ms±20ms的三路外部输入脉冲信号进行计数（对于脉宽不在此范围之内的信号作为杂波滤除）。然后根据用户设置的脉冲变比转化为对应的水、气当量，其原理如图5所示。
参照GB/T 20866-2007《基于用户脉冲计量表的数据采集器》标准，对脉宽为80ms±20ms的三路外部输入脉冲信号进行计数（对于脉宽不在此范围之内的信号作为杂波滤除）。然后根据用户设置的脉冲变比转化为对应的水、气当量，其原理如图5所示。
图5 脉冲输入电路
3.4人机界面
该仪表功能丰富，提供给用户的参数信息较多，采用带背光的122*32点阵液晶作为显示单元，并采用薄膜按键，可方便的进行参数的查看与设置（如电压、电流、功率、功率因数、电能等）。
绿色LED灯EX1、EX2、EX3分别对应指示3路外部输入能量脉冲，红色LED灯EP用来指示仪表有功电能脉冲输出。
3.5输出接口
脉冲输出接口为光耦隔离型，脉冲波形为标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，硬件原理如图6所示。
该仪表功能丰富，提供给用户的参数信息较多，采用带背光的122*32点阵液晶作为显示单元，并采用薄膜按键，可方便的进行参数的查看与设置（如电压、电流、功率、功率因数、电能等）。
绿色LED灯EX1、EX2、EX3分别对应指示3路外部输入能量脉冲，红色LED灯EP用来指示仪表有功电能脉冲输出。
3.5输出接口
脉冲输出接口为光耦隔离型，脉冲波形为标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，硬件原理如图6所示。
图6 脉冲输出电路
3.6通讯电路
仪表具有一路RS485通讯接口，采用Modbus-RTU协议，所有测量得到的数据和脉冲能量都可通过此端口进行远传。硬件设计采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其电路如图7所示。
仪表具有一路RS485通讯接口，采用Modbus-RTU协议，所有测量得到的数据和脉冲能量都可通过此端口进行远传。硬件设计采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其电路如图7所示。
图7 通讯电路
4 软件设计
借助keil μvison3的软件开发环境，采用前后台设计、模块化编程，实现了高可靠性的要求，其流程如图8所示。
借助keil μvison3的软件开发环境，采用前后台设计、模块化编程，实现了高可靠性的要求，其流程如图8所示。
图8 仪表软件流程图
5 测试数据
（1）仪表测量电量、计量电能精度实验
给仪表输入额定值为AC220V、5A的信号。电压、电流实验数据如下（实验仪器为南京丹迪克DK-34B1交流采样变送器校验装置）：
（1）仪表测量电量、计量电能精度实验
给仪表输入额定值为AC220V、5A的信号。电压、电流实验数据如下（实验仪器为南京丹迪克DK-34B1交流采样变送器校验装置）：
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电压
|
电流
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||||
|
标准源
输入信号
|
仪表
显示值
|
标准源
输入信号
|
仪表
显示值
|
||
|
UA
|
120%
|
264.1V
|
IA
|
120%
|
6.001A
|
|
UB
|
264.0V
|
IB
|
6.002A
|
||
|
UC
|
263.8V
|
IC
|
5.997A
|
||
|
UA
|
100%
|
220.2V
|
IA
|
100%
|
5.002A
|
|
UB
|
220.1V
|
IB
|
5.000A
|
||
|
UC
|
219.8V
|
IC
|
4.998A
|
||
|
UA
|
50%
|
110.2V
|
IA
|
50%
|
2.500A
|
|
UB
|
110.1V
|
IB
|
2.501A
|
||
|
UC
|
109.8V
|
IC
|
2.498A
|
||
|
UA
|
20%
|
44.0V
|
IA
|
20%
|
1.000A
|
|
UB
|
44.1V
|
IB
|
1.001A
|
||
|
UC
|
43.8V
|
IC
|
0.998A
|
||
|
UA
|
0%
|
0V
|
IA
|
0%
|
0A
|
|
UB
|
0V
|
IB
|
0A
|
||
|
UC
|
0V
|
IC
|
0A
|
||
电能实验数据如下（实验仪器为PTC 三相便携式电能表检验装置、HC-3100三相标准电能表）：
实验结果表明，本仪表测量电量、计量电能精度符合0.5级要求。
（2）仪表对外部输入脉冲的采集是否符合精度要求实验。
对仪表进行了脉冲接收对比试验：将信号发生器分别连接到计数器和本仪表，使信号发生器输出电压幅度为4V、占空比为60%的方波脉冲，分别在频率3Hz、8Hz、1Hz的条件下，测试仪表脉冲采集情况，结果如下所示。
（2）仪表对外部输入脉冲的采集是否符合精度要求实验。
对仪表进行了脉冲接收对比试验：将信号发生器分别连接到计数器和本仪表，使信号发生器输出电压幅度为4V、占空比为60%的方波脉冲，分别在频率3Hz、8Hz、1Hz的条件下，测试仪表脉冲采集情况，结果如下所示。
|
频率
|
计数器走字
|
本仪表采集的脉冲数
|
对比脉冲丢失数
|
|
3Hz(60%)
|
198564
|
198563
|
1
|
|
8Hz(60%)
|
100198
|
100196
|
2
|
|
1Hz(60%)
|
92094
|
92095
|
1
|
实验结果表明，本仪表采集外部脉冲输入精度符合0.5级要求。
6 仪表主要技术参数
（1）电压标称值：AC100V、220V、380V
（2）电流标称值：AC1A、5A
（3）脉冲：无源信号，脉冲宽度80ms±20ms,仪表提供偏置电压为+5V
（4）频率范围：45~65Hz
（5）过载：1.2倍可持续正常工作，2倍持续1秒
（6）功耗：各电压、电流输入回路功耗均小于0.5VA
（7）精度等级：电测信号0.5级，脉冲计数累计误差≤1‰
（8）工作电源：电压范围AC85~265V或DC100~350V,功耗≤3W
（9）绝缘电阻：≥100MΩ
（10）工频耐压：通讯端子组与信号输入、输出端子组之间2kV/1min
（11）平均无故障工作时间：≥50000h
（12）温度：工作温度-10℃~+50℃，贮存温度-20℃~+70℃
（13）湿度：≤93%RH,不结露，不含腐蚀性气体
（14）海拔：≤2500m
7 结束语
本文首次提出了一种新颖的带脉冲计量的能源管理仪表。采用TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533，利用其片内高精度22位Δ-ΣADC和独立的32位计算引擎，利用一系列开发工具，结合丰富的电表设计经验，完成了仪表开发。对比传统数据采集器，具有成本低、精度高、直观易读、安装简洁、组网方便等优点。目前，该仪表已成功应用于多个工程项目中。
6 仪表主要技术参数
（1）电压标称值：AC100V、220V、380V
（2）电流标称值：AC1A、5A
（3）脉冲：无源信号，脉冲宽度80ms±20ms,仪表提供偏置电压为+5V
（4）频率范围：45~65Hz
（5）过载：1.2倍可持续正常工作，2倍持续1秒
（6）功耗：各电压、电流输入回路功耗均小于0.5VA
（7）精度等级：电测信号0.5级，脉冲计数累计误差≤1‰
（8）工作电源：电压范围AC85~265V或DC100~350V,功耗≤3W
（9）绝缘电阻：≥100MΩ
（10）工频耐压：通讯端子组与信号输入、输出端子组之间2kV/1min
（11）平均无故障工作时间：≥50000h
（12）温度：工作温度-10℃~+50℃，贮存温度-20℃~+70℃
（13）湿度：≤93%RH,不结露，不含腐蚀性气体
（14）海拔：≤2500m
7 结束语
本文首次提出了一种新颖的带脉冲计量的能源管理仪表。采用TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533，利用其片内高精度22位Δ-ΣADC和独立的32位计算引擎，利用一系列开发工具，结合丰富的电表设计经验，完成了仪表开发。对比传统数据采集器，具有成本低、精度高、直观易读、安装简洁、组网方便等优点。目前，该仪表已成功应用于多个工程项目中。
文章来源于：《电气技术》2012年第11期。
参考文献
[1]周中 等编著.智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[J].机械工业出版社，2011-10.
[2]TERIDIAN SEMICONDUCTOR CORP. 71M6533/H and 71M6534/H Energy Meter IC DATA SHEET November 2009.
[1]周中 等编著.智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[J].机械工业出版社，2011-10.
[2]TERIDIAN SEMICONDUCTOR CORP. 71M6533/H and 71M6534/H Energy Meter IC DATA SHEET November 2009.
作者简介：
孙丽莉，女，本科，沈阳安科瑞电力系统集成有限公司工程师，主要研究方向为智能电力监控与电能管理系统，技术交流：024-22598684 传真：024-22598310 邮箱：acrelsll@163.com