基于TDK71M6521D的單相載波電能表的設(shè)計(jì)

張忠正

摘要：本文介紹了一種基于高度集成芯片TDK71M6521D設(shè)計(jì)的單相多功能電能表，加上載波模塊利用低壓電力線完成通信功能的解決方案，詳細(xì)描述了主要器件及整表的功能特點(diǎn)、工作原理并給出了測試結(jié)果。所設(shè)計(jì)的單相載波電能表適用于居民用戶和工業(yè)用戶的電能計(jì)量及控制，具有成本低、穩(wěn)定可靠、計(jì)量精度高等諸多特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：TDK71M6521D 載波通信 單相電能表

中圖分類號：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0144-01

單相載波電能表是目前居民電能表的方向性產(chǎn)品，尋求一個(gè)低成本、優(yōu)質(zhì)的方案一直是電能表企業(yè)及供電部門所追求的目標(biāo)。隨著電力改革，載波技術(shù)的推進(jìn)及分時(shí)電價(jià)的調(diào)整等用電政策的出臺，國家電網(wǎng)公司出臺了電能表的新標(biāo)準(zhǔn)，為此提出一款單相載波電能表方案來滿足市場的需求。

單相載波電能表以低壓電力線作為通信信道，與遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)利用解頻擴(kuò)頻技術(shù)將電量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。本文給出一種基于TDK71M6521D單片機(jī)的單相載波電能表的設(shè)計(jì)，由于芯片集成度高外圍電路少，在提升產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上降低了整機(jī)成本，增強(qiáng)了電能表的可靠性，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)用戶的電能計(jì)量、電量數(shù)據(jù)電力線載波通信的功能。

1 主要器件介紹

TDK71M6521D芯片是一款高度集成化的SOC，是針對單相復(fù)費(fèi)率多功能電能表應(yīng)用而精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在工業(yè)溫度范圍中2000：1電流范圍內(nèi)具有超過0.4%的精度。芯片內(nèi)部集成了模擬前端（AFE）、獨(dú)立的數(shù)字計(jì)算引擎（CE）、4個(gè)電流電壓模擬輸入、微處理器80515、Sag Detection、22位ADC、參考電壓、溫度傳感器、LCD驅(qū)動(dòng)器、RAM、具有可加密的16KFlash、2個(gè)UART端口、電池監(jiān)控、RTC等多個(gè)部件。TDK71M6521D具有高級電源管理、防篡改、擴(kuò)展IO等特性，為設(shè)計(jì)的電能表提供了高線性。

單相載波電能表采用由專用集成電路芯片構(gòu)成的低壓電力線載波擴(kuò)頻通信模塊實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。載波模塊由接收電路、發(fā)送電路、信號耦合電路加上擴(kuò)頻通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E組成。AFE3361是FSK解調(diào)芯片，是信號處理模擬前端電路。載波模塊中接收電路由濾波電路和調(diào)制解調(diào)電路構(gòu)成，輸出電路由信號發(fā)送電路和信號放大電路構(gòu)成。

2 工作原理

單相載波電能表的電能計(jì)量是由集成電路TDK71M6521D的完成，芯片內(nèi)置的32位計(jì)算引擎（CE）按順序處理其IA、VA、IB、VB引腳上電壓電流模擬采樣信號，再先后分別轉(zhuǎn)換為需要的電流電壓數(shù)字采樣信號，計(jì)算后得到電流有效值、電壓有效值、四象限計(jì)量的有功電能（Wh）、無功電能（VARh）、A2h和V2h等。微處理器可隨時(shí)讀取CE的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行處理后得到電能計(jì)量值并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，通過芯片的外部設(shè)備可實(shí)時(shí)顯示或輸出。

單相載波電能表是應(yīng)用于遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)中的低端設(shè)備，利用低壓電力線作為通信信道把用電量數(shù)據(jù)以電力線載波方式與遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行信息交換。在硬件上利用TDK71M6521D芯片的一個(gè)UART外接載波模塊完成低壓載波通信功能。載波模塊在接收模式下，電力線上的模擬通信信號通過耦合電路傳送至接收濾波電路，通過調(diào)制解調(diào)電路還原成數(shù)字信號后傳輸至TDK71M6521D的UART接收腳。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)TDK71M6521D處理后，返回的數(shù)據(jù)由UART發(fā)送腳發(fā)出，通過擴(kuò)頻通信芯片后得到270KHz的載波信號，此信號輸出后經(jīng)放大電路和耦合電路完成緩沖放大及低通濾波后將放大信號耦合到電力線上。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議符合DL/T645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》，所有的數(shù)據(jù)幀格式都依據(jù)此協(xié)議完成傳輸。

3 功能及檢測結(jié)果

基于TDK71M6521D的單相載波電能表以其為控制核心，整合了液晶模塊、繼電器模塊，載波模塊等重點(diǎn)高性能器件，具有有功電能和無功電能雙向電能計(jì)量功能，具備階梯電價(jià)、多費(fèi)率分時(shí)計(jì)量功能，具備紅外和載波多種通訊方式；具備過載保護(hù)功能；可遠(yuǎn)程通斷電實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，具備異常用電狀況在線監(jiān)測、診斷、報(bào)警及智能化處理功能，可根據(jù)市場設(shè)置靈活時(shí)段時(shí)區(qū)轉(zhuǎn)換、配備專用安全加密模塊，保障電能表信息安全儲(chǔ)存、運(yùn)算和傳輸，可現(xiàn)場使用掌上電腦或遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通過電力載波通訊靈活設(shè)置參數(shù)功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境參量，具有相互自動(dòng)中繼功能。

電能表通過型式試驗(yàn)的檢測，各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)要求。準(zhǔn)確度基本誤差試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果表明此設(shè)計(jì)方案電能表穩(wěn)定可靠，計(jì)量精度高。

4 結(jié)語

本文所介紹的單相載波電能表性能指標(biāo)符合GB/T17215-2002（IEC61036），載波性能指標(biāo)符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T698-1999，具有集成度高、計(jì)量精度高、可靠性高多功能眾多優(yōu)勢，其多費(fèi)率、自動(dòng)抄表、功耗小、性能穩(wěn)定、通信能力達(dá)到國際先進(jìn)水平等特點(diǎn)滿足國網(wǎng)電能表企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于居民用戶和工業(yè)用戶的電能計(jì)量及控制具有一定的實(shí)用與推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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