基于TDK71M6521D的单相载波电能表的设计

张忠正

摘要：本文介绍了一种基于高度集成芯片TDK71M6521D设计的单相多功能电能表，加上载波模块利用低压电力线完成通信功能的解决方案，详细描述了主要器件及整表的功能特点、工作原理并给出了测试结果。所设计的单相载波电能表适用于居民用户和工业用户的电能计量及控制，具有成本低、稳定可靠、计量精度高等诸多特点。

关键词：TDK71M6521D 载波通信 单相电能表

中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0144-01

单相载波电能表是目前居民电能表的方向性产品，寻求一个低成本、优质的方案一直是电能表企业及供电部门所追求的目标。随着电力改革，载波技术的推进及分时电价的调整等用电政策的出台，国家电网公司出台了电能表的新标准，为此提出一款单相载波电能表方案来满足市场的需求。

单相载波电能表以低压电力线作为通信信道，与远程集中抄表系统利用解频扩频技术将电量数据进行传输。本文给出一种基于TDK71M6521D单片机的单相载波电能表的设计，由于芯片集成度高外围电路少，在提升产品性能的基础上降低了整机成本，增强了电能表的可靠性，实现了单个用户的电能计量、电量数据电力线载波通信的功能。

1 主要器件介绍

TDK71M6521D芯片是一款高度集成化的SOC，是针对单相复费率多功能电能表应用而精心设计的产品，在工业温度范围中2000：1电流范围内具有超过0.4%的精度。芯片内部集成了模拟前端（AFE）、独立的数字计算引擎（CE）、4个电流电压模拟输入、微处理器80515、Sag Detection、22位ADC、参考电压、温度传感器、LCD驱动器、RAM、具有可加密的16KFlash、2个UART端口、电池监控、RTC等多个部件。TDK71M6521D具有高级电源管理、防篡改、扩展IO等特性，为设计的电能表提供了高线性。

单相载波电能表采用由专用集成电路芯片构成的低压电力线载波扩频通信模块实现可靠的数据通信。载波模块由接收电路、发送电路、信号耦合电路加上扩频通信芯片PLCi36G-Ⅲ-E组成。AFE3361是FSK解调芯片，是信号处理模拟前端电路。载波模块中接收电路由滤波电路和调制解调电路构成，输出电路由信号发送电路和信号放大电路构成。

2 工作原理

单相载波电能表的电能计量是由集成电路TDK71M6521D的完成，芯片内置的32位计算引擎（CE）按顺序处理其IA、VA、IB、VB引脚上电压电流模拟采样信号，再先后分别转换为需要的电流电压数字采样信号，计算后得到电流有效值、电压有效值、四象限计量的有功电能（Wh）、无功电能（VARh）、A2h和V2h等。微处理器可随时读取CE的计算结果，进行处理后得到电能计量值并存储在存储器内，通过芯片的外部设备可实时显示或输出。

单相载波电能表是应用于远程集中抄表系统中的低端设备，利用低压电力线作为通信信道把用电量数据以电力线载波方式与远程集中抄表系统的上位机进行信息交换。在硬件上利用TDK71M6521D芯片的一个UART外接载波模块完成低压载波通信功能。载波模块在接收模式下，电力线上的模拟通信信号通过耦合电路传送至接收滤波电路，通过调制解调电路还原成数字信号后传输至TDK71M6521D的UART接收脚。传输的数据经TDK71M6521D处理后，返回的数据由UART发送脚发出，通过扩频通信芯片后得到270KHz的载波信号，此信号输出后经放大电路和耦合电路完成缓冲放大及低通滤波后将放大信号耦合到电力线上。

数据通信协议符合DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》，所有的数据帧格式都依据此协议完成传输。

3 功能及检测结果

基于TDK71M6521D的单相载波电能表以其为控制核心，整合了液晶模块、继电器模块，载波模块等重点高性能器件，具有有功电能和无功电能双向电能计量功能，具备阶梯电价、多费率分时计量功能，具备红外和载波多种通讯方式；具备过载保护功能；可远程通断电实现预付费功能，具备异常用电状况在线监测、诊断、报警及智能化处理功能，可根据市场设置灵活时段时区转换、配备专用安全加密模块，保障电能表信息安全储存、运算和传输，可现场使用掌上电脑或远程抄表系统通过电力载波通讯灵活设置参数功能，可实时监测电网运行状态、电能质量和环境参量，具有相互自动中继功能。

电能表通过型式试验的检测，各项功能均满足设计要求。准确度基本误差试验结果如表1所示，测试结果表明此设计方案电能表稳定可靠，计量精度高。

4 结语

本文所介绍的单相载波电能表性能指标符合GB/T17215-2002（IEC61036），载波性能指标符合电力行业标准DL/T698-1999，具有集成度高、计量精度高、可靠性高多功能众多优势，其多费率、自动抄表、功耗小、性能稳定、通信能力达到国际先进水平等特点满足国网电能表企业标准，特别适用于居民用户和工业用户的电能计量及控制具有一定的实用与推广价值。

参考文献

[1]TDK71M6521电能计量IC数据手册.TERIDIAN 公司.

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