多回路电能管理终端设计及应用

摘要： 通过提出一种基于71M6543+STM32F103的“单MCU+多计量芯片”的最大12个三相用户的设计方案，设计出一种精度高、可靠性好的多回路电能管理终端，并在实际应用中得到肯定。

0 前言

随着我国对用电管理能耗分析的相关要求越来越明晰化，对终端用电的计量与监控需求也越来越细化（如要求插座、照明与空调分三路进行计量与监控），而传统的终端用电计量设备只能计量单个回路，这就导致一个配电系统中需要使用大量的终端计量设备，不利于配电系统的装配与维护。

近些年来，随着我国居民住宅建设的迅速发展，城市楼房所用电能表的数量也日益增多。现行建筑电气设计常将单块电能表集中挂成一面“表墙”，体积较大，维护管理不便 ^[1]^ 。如在智能小区、学生公寓等场所，分户计量时每层需安装多块电表，给施工、抄表、控制等带来诸多困难。本文设计出一种计量精度高、功能全、性能可靠的多回路电能管理终端，并已经在实际中应用中得到了肯定。

1 功能介绍：

本文设计的多回路电能管理终端的主要包括以下功能：

计量：可计量每个回路的尖、峰、平、谷各时段的电能及总电能，精度为1级。

检测：实时检测各回路的相电压、有功功率、无功功率、功率因数、电压频率等。

设置：可以自由设置复费率的时段、时间及通讯参数。

显示：实时显示各回路的用电量。

通信：通过RS485接口进行远程抄表，可支持Modbus与DL/T 645-2007协议。

2 设计方案

本终端的设计包括硬件设计与软件设计两个部分。

2.1硬件设计

主控部分硬件包括：MCU、LED数码显示、时钟电路、RS485通讯、按键输入。其中，显示界面采用的是LED数码管，用户可以通过轮显显示来了解当前的使用电量和剩余电量；通讯采用两路RS485，一路为主控模块与电脑、通讯管理机等设备之间的通讯，另外一路为主控模块与计量模块之间的通讯。

计量部分硬件包括：计量芯片、铁电存储、磁保持控制电路、有功脉冲输出、信号输入。其中，计量芯片对电压、电流信号分别进行采集，并将有功电能数据存储至铁电中，用于后续数据的查看、对比。每个计量部分和主控部分之间采用RS485通讯，以进行数据处理和控制。多回路计量终端采集到的电能最终会存储至铁电中。具体的硬件处理流程如图1所示。

图1 终端硬件处理流程

2.2 软件设计

软件设计分为计量板与主控板两个部分，其中，计量板包括：电能计量程序、继电器控制程序及与主控通讯程序，软件处理流程如图2所示；主控板包括：显示处理程序、与计量通讯程序、上位机通讯程序、按键处理程序，其软件处理流程如图3所示。

图2 计量板软件处理流程

图3 主控板软件处理流程

软件设计过程中，计量板部分将电能的计量与继电器控制交给71M6543完成，并且每个三相回路配置一块芯片，保证的电能计量的高精度与高可靠性，也使得继电器控制具有实时性与准确性；主控部分的主控芯片STM32F103只负责通讯、显示按键等操作。

在设计继电器控制程序时，考虑到现场应用的复杂性，设计实现了强制控制、时间控制、负载控制及预付费控制四种控制逻辑。其中，强制控制优先级最高，可强制控制继电器合闸或分闸；时间控制可根据预设的时段表进行分/合闸操作，负载控制可识别是否接入恶性负载进行分/合闸操作;预付费控制可实现先交费后使用的功能。继电器具体控制逻辑如图4所示。

图4 继电器控制逻辑图

3 检验测试数据

校准后的多回路电能管理终端在额定电压为220V，基本电流为10A，最大电流为60A的条件下，1~4回路的精度检测数据如表1所示。

电压	负载 %Ib	功率因数	有功电能误差
回路1（%）	回路2（%）	回路3（%）	回路4（%）
220V	Imax	1.0	-0.222
220V	Imax	0.5L	+0.267
220V	Imax	0.8C	-0.222
220V	5	1.0	+0.065
220V	10	0.5L	+0.464
220V	10	0.8C	-0.204
220V	10	1.0	-0.012
220V	100	1.0	+0.000
220V	100	0.5L	+0.214
220V	100	0.8C	+0.160

4 应用方案

多回路电能管理终端在某广场商铺中的应用情况如图5所示。三相四线电压总进线经过塑壳断路器接入到电能管理终端上，电能管理终端再分别接到各个回路上，使得一个配电箱中仅使用一个多回路电能管理终端就可实现对多个回路的计量、检测和控制，同时配电系统的装配与维护也会更加便利。电能管理终端通过RS485总线配合安科瑞远程预付费电能管理系统，用户可以通过电脑后台控制、充值、抄表等功能。如图6所示，为远程预付费电能管理系统应用图。

图5 电能管理终端应用图

图6 远程预付费电能管理系统应用图

5 结束语

根据提出的多回路电能管理终端设计方案，以STM32F103为主控芯片，71M6543为计量芯片设计终端的硬件组成部分，并以此为基础设计调试终端的软件程序。经调试，多回路电能管理终端成功研制，并且在实际应用中得到了肯定。
审核编辑：汤梓红