多回路電能管理終端設(shè)計及應(yīng)用

摘要： 通過提出一種基于71M6543+STM32F103的“單MCU+多計量芯片”的最大12個三相用戶的設(shè)計方案，設(shè)計出一種精度高、可靠性好的多回路電能管理終端，并在實際應(yīng)用中得到肯定。

0 前言

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

近些年來，隨著我國居民住宅建設(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?，F(xiàn)行建筑電氣設(shè)計常將單塊電能表集中掛成一面“表墻”，體積較大，維護管理不便 ^[1]^ 。如在智能小區(qū)、學生公寓等場所，分戶計量時每層需安裝多塊電表，給施工、抄表、控制等帶來諸多困難。本文設(shè)計出一種計量精度高、功能全、性能可靠的多回路電能管理終端，并已經(jīng)在實際中應(yīng)用中得到了肯定。

1 功能介紹：

本文設(shè)計的多回路電能管理終端的主要包括以下功能：

計量：可計量每個回路的尖、峰、平、谷各時段的電能及總電能，精度為1級。

檢測：實時檢測各回路的相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓頻率等。

設(shè)置：可以自由設(shè)置復(fù)費率的時段、時間及通訊參數(shù)。

顯示：實時顯示各回路的用電量。

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

2 設(shè)計方案

本終端的設(shè)計包括硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩個部分。

2.1硬件設(shè)計

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

計量部分硬件包括：計量芯片、鐵電存儲、磁保持控制電路、有功脈沖輸出、信號輸入。其中，計量芯片對電壓、電流信號分別進行采集，并將有功電能數(shù)據(jù)存儲至鐵電中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的查看、對比。每個計量部分和主控部分之間采用RS485通訊，以進行數(shù)據(jù)處理和控制。多回路計量終端采集到的電能最終會存儲至鐵電中。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

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

圖2 計量板軟件處理流程

圖3 主控板軟件處理流程

軟件設(shè)計過程中，計量板部分將電能的計量與繼電器控制交給71M6543完成，并且每個三相回路配置一塊芯片，保證的電能計量的高精度與高可靠性，也使得繼電器控制具有實時性與準確性；主控部分的主控芯片STM32F103只負責通訊、顯示按鍵等操作。

在設(shè)計繼電器控制程序時，考慮到現(xiàn)場應(yīng)用的復(fù)雜性，設(shè)計實現(xiàn)了強制控制、時間控制、負載控制及預(yù)付費控制四種控制邏輯。其中，強制控制優(yōu)先級最高，可強制控制繼電器合閘或分閘；時間控制可根據(jù)預(yù)設(shè)的時段表進行分/合閘操作，負載控制可識別是否接入惡性負載進行分/合閘操作;預(yù)付費控制可實現(xiàn)先交費后使用的功能。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 檢驗測試數(shù)據(jù)

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

4 應(yīng)用方案

多回路電能管理終端在某廣場商鋪中的應(yīng)用情況如圖5所示。三相四線電壓總進線經(jīng)過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回路上，使得一個配電箱中僅使用一個多回路電能管理終端就可實現(xiàn)對多個回路的計量、檢測和控制，同時配電系統(tǒng)的裝配與維護也會更加便利。電能管理終端通過RS485總線配合安科瑞遠程預(yù)付費電能管理系統(tǒng)，用戶可以通過電腦后臺控制、充值、抄表等功能。如圖6所示，為遠程預(yù)付費電能管理系統(tǒng)應(yīng)用圖。

圖5 電能管理終端應(yīng)用圖

圖6 遠程預(yù)付費電能管理系統(tǒng)應(yīng)用圖

5 結(jié)束語

根據(jù)提出的多回路電能管理終端設(shè)計方案，以STM32F103為主控芯片，71M6543為計量芯片設(shè)計終端的硬件組成部分，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計調(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，并且在實際應(yīng)用中得到了肯定。
審核編輯：湯梓紅