多回路電能管理終端設(shè)計(jì)及應(yīng)用

更新時(shí)間：2017-07-06

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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(lái)發(fā)²

（1.同濟(jì)大學(xué)建設(shè)設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）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(guò)提出一種基于71M6543+STM32F103的“單MCU+多計(jì)量芯片”的zui大12個(gè)三相用戶的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出一種精度高、可靠性好的多回路電能管理終端，并在實(shí)際應(yīng)用中得到肯定。

關(guān)鍵字：多回路；電能管理；多用戶；電能表

0 前言

隨著我國(guó)對(duì)用電管理能耗分析的相關(guān)要求越來(lái)越明晰化，對(duì)終端用電的計(jì)量與監(jiān)控需求也越來(lái)越細(xì)化（如要求插座、照明與空調(diào)分三路進(jìn)行計(jì)量與監(jiān)控），而傳統(tǒng)的終端用電計(jì)量設(shè)備只能計(jì)量單個(gè)回路，這就導(dǎo)致一個(gè)配電系統(tǒng)中需要使用大量的終端計(jì)量設(shè)備，不利于配電系統(tǒng)的裝配與維護(hù)。

近些年來(lái)，隨著我國(guó)居民住宅建設(shè)的迅速發(fā)展，城市樓房所用電能表的數(shù)量也日益增多。現(xiàn)行建筑電氣設(shè)計(jì)常將單塊電能表集中掛成一面“表墻”，體積較大，維護(hù)管理不便^[1]。如在智能小區(qū)、學(xué)生公寓等場(chǎng)所，分戶計(jì)量時(shí)每層需安裝多塊電表，給施工、抄表、控制等帶來(lái)諸多困難。本文設(shè)計(jì)出一種計(jì)量精度高、功能全、性能可靠的多回路電能管理終端，并已經(jīng)在實(shí)際中應(yīng)用中得到了肯定。

1 功能介紹：

本文設(shè)計(jì)的多回路電能管理終端的主要包括以下功能：

計(jì)量：可計(jì)量每個(gè)回路的尖、峰、平、谷各時(shí)段的電能及總電能，精度為1級(jí)。

檢測(cè)：實(shí)時(shí)檢測(cè)各回路的相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電壓頻率等。

設(shè)置：可以自由設(shè)置復(fù)費(fèi)率的時(shí)段、時(shí)間及通訊參數(shù)。

顯示：實(shí)時(shí)顯示各回路的用電量。

通信：通過(guò)RS485接口進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，可支持Modbus與DL/T 645-2007協(xié)議。

2 設(shè)計(jì)方案

本終端的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1硬件設(shè)計(jì)

主控部分硬件包括：MCU、LED數(shù)碼顯示、時(shí)鐘電路、RS485通訊、按鍵輸入。其中，顯示界面采用的是LED數(shù)碼管，用戶可以通過(guò)輪顯顯示來(lái)了解當(dāng)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(jī)等設(shè)備之間的通訊，另外一路為主控模塊與計(jì)量模塊之間的通訊。

計(jì)量部分硬件包括：計(jì)量芯片、鐵電存儲(chǔ)、磁保持控制電路、有功脈沖輸出、信號(hào)輸入。其中，計(jì)量芯片對(duì)電壓、電流信號(hào)分別進(jìn)行采集，并將有功電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至鐵電中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的查看、對(duì)比。每個(gè)計(jì)量部分和主控部分之間采用RS485通訊，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。多回路計(jì)量終端采集到的電能zui終會(huì)存儲(chǔ)至鐵電中。具體的硬件處理流程如圖1所示。

圖1 終端硬件處理流程

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為計(jì)量板與主控板兩個(gè)部分，其中，計(jì)量板包括：電能計(jì)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(jì)量通訊程序、上位機(jī)通訊程序、按鍵處理程序，其軟件處理流程如圖3所示。

圖2 計(jì)量板軟件處理流程

圖3 主控板軟件處理流程

軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)量板部分將電能的計(jì)量與繼電器控制交給71M6543完成，并且每個(gè)三相回路配置一塊芯片，保證的電能計(jì)量的高精度與高可靠性，也使得繼電器控制具有實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性；主控部分的主控芯片STM32F103只負(fù)責(zé)通訊、顯示按鍵等操作。

在設(shè)計(jì)繼電器控制程序時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制控制、時(shí)間控制、負(fù)載控制及預(yù)付費(fèi)控制四種控制邏輯。其中，強(qiáng)制控制優(yōu)先級(jí)zui高，可強(qiáng)制控制繼電器合閘或分閘；時(shí)間控制可根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)段表進(jìn)行分/合閘操作，負(fù)載控制可識(shí)別是否接入惡性負(fù)載進(jìn)行分/合閘操作;預(yù)付費(fèi)控制可實(shí)現(xiàn)先交費(fèi)后使用的功能。繼電器具體控制邏輯如圖4所示。

圖4 繼電器控制邏輯圖

3 檢驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)后的多回路電能管理終端在額定電壓為220V，基本電流為10A，zui大電流為60A的條件下，1~4回路的精度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

電壓	負(fù)載 %Ib	功率因數(shù)	有功電能
電壓	負(fù)載 %Ib	功率因數(shù)	回路1（%）	回路2（%）	回路3（%）	回路4（%）
220V	Imax	1.0	-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
220V	10	1.0	-0.012	+0.000	+0.267	+0.071
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

4 應(yīng)用方案

多回路電能管理終端在某廣場(chǎng)商鋪中的應(yīng)用情況如圖5所示。三相四線電壓總進(jìn)線經(jīng)過(guò)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(gè)回路上，使得一個(gè)配電箱中僅使用一個(gè)多回路電能管理終端就可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)回路的計(jì)量、檢測(cè)和控制，同時(shí)配電系統(tǒng)的裝配與維護(hù)也會(huì)更加便利。電能管理終端通過(guò)RS485總線配合安科瑞遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)電腦后臺(tái)控制、充值、抄表等功能。如圖6所示，為遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)應(yīng)用圖。

圖5 電能管理終端應(yīng)用圖

圖6 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)應(yīng)用圖

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)提出的多回路電能管理終端設(shè)計(jì)方案，以STM32F103為主控芯片，71M6543為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)終端的硬件組成部分，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)調(diào)試終端的軟件程序。經(jīng)調(diào)試，多回路電能管理終端成功研制，并且在實(shí)際應(yīng)用中得到了肯定。

文章來(lái)源：《智能建筑電氣技術(shù)》2016年5期

參考文獻(xiàn)：

[1] 萬(wàn)全.新型多用戶電子式電能表的研究和設(shè)計(jì)[D].湖南：湖南大學(xué)，2004:1-28