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
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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，分項計量是現(xiàn)階段有效可行的方法。分項計量系統(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項目。而且大型公共建筑分項電能計量屬于內(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：
l 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級）》
l GB/T17215.211-2006 《交流電測量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件 第11部分:測量部分》
l 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，試驗(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）、快速瞬變脈沖群試驗(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）、靜電放電抗擾度試驗(yàn)。接觸放電8kV，空氣放電15kV，儀表不能有死機(jī)或精度不準(zhǔn)顯現(xiàn)。
4）、浪涌抗擾度試驗(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)在各自的試驗(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)腞TC、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?？傮w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CE，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（RTC）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。
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、IADC2-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：
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