基于RN8209C的直流电能计量仪表及其应用

符晨旭, 苏孙深, 蒋 超, 吴勤卫, 陈永杰

(1.江苏安科瑞电器制造有限公司, 江苏 江阴 214400;2.福建电创智能科技有限公司, 福建 福州 350000)

0 引 言

在全球能源危机及环境危机的背景下,我国政府大力推进新能源的应用,直流充电桩作为电动汽车重要的基础配套设施,发展前景广阔;5G的兴起带动了基站的建设,基站直流电源需求巨大;另外直流用电设备在各个行业中开始得到了广泛的应用,这些都对直流电能计量提出需求。

由于应用市场的扩大以及市面上直流电能表厂家产品质量的参差不齐,国家市场监管力度加大且要求提高,国家层面以及行业均对产品的国家标准和行业应用标准进行了更新或者发布。同时,由于行业内直流信号采样元件不同,二次输出信号种类较多,存在产品测量精度不高或者部分信号无法测量的情况。针对目前这种情况,在满足GB/T 33708—2017《静止式直流电能表》、GB/T 29318—2012《电动汽车非车载充电机电能计量》等标准的前提下,设计了基于RN8209C的直流电能计量仪表。

1 功能结构

功能结构框图如图1所示。

图1 功能结构框图

电源模块用于给产品各个单元供电;计量芯片RN8209C能测量电压、电流、功率及电能,并提供相应电参量的有效值等数据;MCU通过读取RN8209C的数据,进行运算、控制,并经驱动电路驱动LED/LCD进行显示;开关量输出功能可实现过压、过流报警,控制指示灯或蜂鸣器实现声光报警,也可控制断路器分合闸;开关量输入功能可通过辅助触点采集断路器分合闸情况;±12 V输出可为霍尔传感器提供供电电源;RS-485接口实现了与后台的实时数据交互;红外功能可以实现现场抄表或者参数设置;脉冲输出可用于电能计量或者电能准确度检验,通过更改配置参数,可实现秒脉冲输出[1]。

2 硬件设计

2.1 电 源

使用TNY286PG及DPA424两款开关电源,可分别适用于AC/DC 85～265 V和DC 20～60 V两种宽范围电压输入场合。电源经过系列的转换后在变压器主回路得到5 V电压。5 V电压用于给开关量输出模块的继电器供电,同时LDO转换为3.3 V电压,用于给MCU、液晶、计量芯片供电。变压器二次侧回路得到电压1(15 V)与电压2(15 V),电压1用于给开关量输入模块供电,或者可经LDO及DC-DC转换后产生±12 V电压(用于外接的霍尔传感器供电)。而电压2经LDO后产生另一路5 V电压供RS-485通信模块使用。

2.2 通信电路

为了能够与后台进行数据交换,采用由差分数据收发器ISL3152EIBZ-T芯片构成的RS-485通信电路,该电路内部采用3个光耦进行隔离,减少外部干扰对通信质量的影响,避免干扰对芯片造成损坏。电路内置通信加速电路,可使该设计在使用普通光耦的条件下实现波特率为38 400 bps的高速通信,降低物料成本。

2.3 直流电能计量

2.3.1 直流电能计量方法

直流电能信号采样方法与交流电能方法相似,信号采样电路将输入端的大信号转换为小信号,输入至计量芯片,再由计量芯片进行模数转换、数字处理等系列运算,通过通信总线与处理器进行数据交换。

2.3.2 直流电能信号采样原理

直流电能信号采样等效电路如图2所示。

图2 直流电能信号采样等效电路

具体原理如下:采样电路是用差分输入电路,R1、R2均为分压电阻,R3为采样电阻,作用是将输入的信号降到计量芯片采样通道的额定输入的范围内。电压Uo=UiR3/(R1+R2+R3)。

图2中,VD1双向二极管起到钳位保护作用,防止脉冲干扰电压太大损坏后端元器件,R4、C1及R5、C2为抗混叠电路,用于滤除交流干扰信号,提高测量精度。

高压直流输电系统中的交流系统在不对称情况下，换流器两侧会存在各次谐波，当两侧谐波含量较大时，换流阀的触发及换相过程会受到较大的影响。其中，交流侧电压影响换流阀的触发和换相过程，直流侧电流也会影响换流阀的换相持续时间，因此需要对不对称情况下换流器交流侧电压和直流侧电流进行频谱分析。

电压通道中,通过调整R1及R2的阻值,可适用于不同等级的电压信号输入,设计最大可输入DC 1 500 V电压。

电流通道原理相同,也是通过调整R1、R2的阻值,可满足75 mV分流器信号输入,0～20 mA/4～20 mA/0～4 V/0～5 V霍尔传感器信号输入。

为满足全温度范围内电能计量精度,R1～R3、R7～R9推荐使用高精度、低温漂的电阻。

75 mV分流器输入时,分流器串接在回路中,存在共正、共负两种接线方式,不同的接线方式会导致测量信号出现误差,直接导致电能极差。为避免该问题,电压通道采用隔离采样芯片进行隔离,规避了接线方式不同带来的影响。分流器共正、共负接线图如图3所示。

图3 分流器共正、共负接线图

3 软件设计

通过对计量模块和上位机软件的设计,借助RS-485通信电路,实现校准、监视、设置等信息交互功能。仪表校准分为两步:① 零点校准,不加信号时,短接电压、电流输入端子,校准直流偏置分量;② 满度校准,加满度信号,校准电压、电流满度系数。

仪表可监测设备系统时间、电压、电流、功率、电能;具备电压、电流、功率过低报警,电压、电流、功率过高报警等报警功能;支持校准、校时、清电能;有历史电能数据的存储功能。

新能源应用中,如充电桩、储能应用现场,普遍干扰较大,为了增强抗干扰能力,关键参数采用3备份存储和校验,保证仪表稳定运行,同时实时监测计量芯片运行状态,如发现异常,立即重新复位,直至恢复正常运行。

电流信号若由霍尔4～20 mA信号输入时,由于零点信号对应的物理量非零点,若采用常规处理方法,则会出现电流输入0(对应霍尔输出4 mA)时,会有电能产生,与实际情况不符。该直流电能表设计时采用计量芯片的自定义功率寄存器,将计算功率进行映射后,写入自定义功率寄存器,防止零点电能走字。

4 典型应用

4.1 直流充电桩

直流充电桩是一种可为电动汽车动力电池提供直流电源的供电装置,市场前景广阔,需要准确的电能计量[2]。设计的电能表既可以对充电桩进行电压、电流采集,又能够计量总电能及不同时段内的复费率电能,同时可以检测过压、过流等各类故障并报警。检测的结果可用于本地显示,也能上传至测控系统或云平台,为充电安全提供保障。充电桩应用如图4所示。

图4 充电桩应用

4.2 光伏发电

太阳能光伏电站主要由光伏电池阵列输出直流电,既能通过逆变器产生交流电并入电网,也能通过光伏控制器给蓄电池充电或者给直流负载供电。设计的电能表用在光伏发电系统的直流侧,对直流电参量进行准确的监测及计量。光伏电站应用如图5所示。

图5 光伏电站应用

4.3 基 站

截至2021年6月底,我国已累计开通5G基站96.1万个,覆盖全国地级以上城市,形成全球最大5G独立组网网络。在这样大趋势下,基站电源需求巨大,能耗监控及用电安全不可忽略。基站供电系统引入市电,通过交流配电箱、开关电源转换为直流-48 V后接入基站设备。设计的电能表可针对开关电源转换后的直流电压、电流、电能进行监控、报警,对保证通信设备的正常运行有着重大意义。基站应用如图6所示。

图6 基站应用

4.4 其 他

随着电力电子产品的日益发展,越来越多的设备采用直流进行供电,采用直流供电的方式可以减少AC/DC转换过程中的能量损耗,降低用电成本。同时伴随着新能源的爆发,直流供电的优势也日益凸显。数据中心、储能、工业等直流场合都给直流测量仪表带来广阔的应用前景。

5 结 语

采用基于RN8209C的直流电能计量仪表可精确计量直流系统用电量,并直观显示、记录,适用于多种直流信号输入,同时丰富的扩展功能能满足用户不同的需求,为直流配电设备提供可靠的计量解决方案。