基于soc技术的多功能导轨式三相电能表设计与应用
孙丽莉
摘要： 针对导轨式三相电能表的实用性及开发难度较大等问题，设计了一种利用soc技术的实现方法，分别从硬件与软件角度介绍了dtsd1352的设计及应用。
关键字：soc；导轨式；三相电能表
0.引言
据统计，我国公共建筑单位面积的年平均耗电量数值巨大，约占全国城镇总耗电量的22%。在公共建筑节能方面，分项计量是现阶段有效可行的方法。分项计量系统中电表作为终端元件，在功能、性能、安装方式上都有较严格的要求。目前我国供电部门用于收费的电能表为壁挂式安装方式，此安装方式占用空间较大，不易安装，更不适用于本来空间就狭小的改造项目。而且大型公共建筑分项电能计量属于内部计量管理，不宜使用收费电表，而应采用电力仪表。导轨式安装在体积、结构上都优于传统的壁挂式和嵌入式仪表，其特殊的安装方式既可以安装在终端照明箱中又可以安装在大型开关柜、动力柜中而不用重新开孔。
1.设计依据
电能表作为计量型仪表，与经济、民生息息相关。因此，其相关标准在众多工业标准当中是最为严格的。国内电能表主要参考的标准为：
l gb/t17215.322-2008 《交流电测量设备特殊要求 第22部分：静止式有功电能表（0.2s级和0.5s级）》
l gb/t17215.211-2006 《交流电测量设备 通用要求、试验和试验条件 第11部分:测量部分》
l dl/t614-2007 《多功能电能表》
以上标准针对电能表在设计、生产及应用中的性能、功能都规定了详细的技术参数。其中较为重要的性能指标有：
1）、工频耐压。所有的电流线路和电压线路以及参比电压超过40v的辅助线路连接在一起为一点，另一点为地，试验电压4kv加于该两点间，不应发生飞弧、火花放电或击穿现象。
2）、快速瞬变脉冲群试验。在电压和电流线路加4kv脉冲群，仪表准确度应在相应标准规定的极限内。
3）、静电放电抗扰度试验。接触放电8kv，空气放电15kv，仪表不能有死机或精度不准显现。
4）、浪涌抗扰度试验。在电压线路通以参比电压，电流端开路，在电压和电流线路上施加4kv，正负极各5次，仪表不应损坏不能工作。
以上几点指标在各自的试验规格中都是最高级的残酷级别。对于传统的壁挂式电能表，体积较大，内部有足够的设计空间来应对标准中的各种要求。而导轨式三相多功能电能表因为体积较小，模具决定了内部可用空间不大。因此，导轨式三相电能表在设计上要难于传统的壁挂式电能表。本文以dtsd1352三相多功能电能表为例讲解一种基于soc技术的方案。
2.硬件可靠性设计
2.1 芯片选择
dtsd1352采用的主芯片是美信公司的71m6543，此芯片包含了一个8051的微处理器内核和一个可实现计量功能的32位dsp数字引擎（ce），同时包括了电能表所必须的一些外设，如lcd驱动、可补偿的rtc、uart等。芯片具有良好的电磁兼容性，完全符合电能表的性能标准。由于此芯片的集成度极高，为产品内部结构留下了宝贵的空间。
2.2 总体方案
总体方案框图如图1所示。总体设计中主要围绕71m6543，外围电路主要包括：开关电源、电压电流采样电路、按键、液晶显示、数据存储、rs485通信模块、脉冲输出。原始信号经电阻分压及电流互感器信号衰减输入到ce，ce顺序处理从模拟输入引脚采集的电压信号，计算有功能量（wh）和无功能量（varh），以及四象限表计的a2和v2。然后mpu存取这些测量值，进一步处理并通过mpu的外围器件输出，输出方式如：lcd显示、rs485通信等。除了高级测量功能外，实时时钟（rtc）功能允许71m6543不外挂任何实时时钟芯片就可以实现多费率分时计量。同时配合外挂的铁电，可以实现对12个月的历史数据的保存功能。hh
图1
2.3 采样电路
71m6543的管脚iadc0至iadc7用作电流传感器输入。这8路电流传感器输入可配置为8路单端输入，或配对构成4路差分输入。为获得最佳性能，dtsd1352在设计中将电流传感器输入配置为差分输入（即：iadc0-iadc1、iadc2-iadc3、iadc4-iadc5、iadc6-iadc7）。71m6543提供了分流器接入和电流互感器接入两种接入方式，处于电气安全的考虑，dtsd1352方案中使用的是互感器方案。具体电路原理图如图2所示：
图2
图2中in_ia+和in_ia-与互感器次级输出相连，ia+和ia-与iadc0和iadc1相连。电压采样电路使用单端输入，通过电阻分压检测电网电压。vadc8、vadc9、vadc10引脚为单端，返回至v3p3a引脚。
2.4 输入复用器及采样时序
由于71m6543内部只有一个adc，所以使用了一个输入复用器来切换7种信号（ia、va、ib、vb、ic、vc、in）的采集。输入复用器按照11个muxn_sel[3:0]控制字段确定的采用顺序，将模拟输入信号依次作用到adc输入。一个完整的采样过程称为复用帧。图3为一个完整复用帧的时序图：
图3
3.软件模块化设计
dtsd1352采用模块化软件设计，模块设计包括：计量运算、校准模块、人机交互模块、通信模块、复费率计算模块、需量计算模块、事件记录模块等。整体流程图如图4所示：
流程图中的任务调度模块其实是由多个中断以及定时器按一定的优先级组合而成的。其支配着整个程序，驱动程序正常无误的工作。对于周期性任务，如计量、复费率运算等，由定时器定时分配任务执行顺序。而对于一些非周期性任务，如通信、人机交互等，则由中断触发执行。各模块大多相互独立，代码维护简单。
图4
4.dtsd1352测试数据
表1为dtsd1352在各温度环境测试中的数据，这些数据表明dtsd1352有功电能精度等级可以满足0.5s级要求，并满足高低温性能。
表1
|
测试环境
|
输入信号(3p4l)
|
cosφ
|
电能误差（%）及仪表编号
|
||
|
1#
|
2#
|
||||
|
25℃
|
220v
|
6.0a
|
1.0
|
-0.0533
|
-0.0798
|
|
220v
|
5.0a
|
1.0
|
-0.0261
|
-0.0702
|
|
|
0.5l
|
0.0271
|
-0.071
|
|||
|
0.8c
|
-0.0642
|
-0.111
|
|||
|
220v
|
0.5a
|
1.0
|
0.1427
|
-0.0416
|
|
|
60℃
|
220v
|
6.0a
|
1.0
|
-0.0434
|
-0.0171
|
|
220v
|
5.0a
|
1.0
|
-0.0195
|
0.0138
|
|
|
0.5l
|
0.0445
|
0.0364
|
|||
|
0.8c
|
-0.0695
|
-0.0614
|
|||
|
220v
|
0.5a
|
1.0
|
0.286
|
0.0425
|
|
|
-20℃
|
220v
|
6.0a
|
1.0
|
0.2912
|
0.2258
|
|
220v
|
5.0a
|
1.0
|
0.2097
|
0.2382
|
|
|
0.5l
|
0.2899
|
0.1896
|
|||
|
0.8c
|
0.1957
|
0.2117
|
|||
|
220v
|
0.5a
|
1.0
|
0.2062
|
0.2649
|
|
5.dtsd1352在实际中的应用
图5为dtsd1352在某写字楼中的系统图和接线图。右图为电气系统图，dtsd1352作为系统中的终端元件对包括照明、空调或插座等终端负载进行电能计量及电气运行参数测量。左图为单个dtsd1352的外部接线图，电网中的a、b、c三相分别接入表的ua、ub、uc（端子号1、3、5）端子。电流经互感器后接到相应的电流接口。dtsd1352还有直接接入，低于80a的电流可直接进表，接线方式与互感器接入相似，由于篇幅问题，这里就不再赘述。
图5
5.结束语
导轨式安装多功能电能表可在分项计量项目中发挥极大作用，可有效减少施工难度及成本。dtsd1352性能指标符合国标gb/t17215和电力行业标准dl/t614-2007对电能表的各项技术要求，适用于政府机关和大型公建中对电能的分项计量，也可用于企事业单位作电能管理考核。