基站直流电能计量模块的设计

时间：2024-08-31

蒋超，马君，张明，周晓龙

(江苏安科瑞电器制造有限公司，江阴 214400)

0 引言

鉴于目前电信行业内基础设施重复建设、利用率低的现象，三大运营商组建了中国铁塔股份有限公司，从事通信铁塔等基站配套设施和室内分布系统的建设、维护和运营。由于部分共享基站的开关电源无分用户电量计量功能，无法对三家运营商用电量进行精确计量，针对这种情况，在满足中国铁塔《基站直流电能计量模块技术要求》的前提下，笔者所在单位设计了AMC16-DETT 基站直流电能计量模块。

1 功能结构

AMC16-DETT 基站直流电能计量模块的功能结构框图如图1所示。开关电源用于给直流电能计量模块及霍尔传感器供电，计量芯片采集霍尔传感器输出电压及系统电压的数据并进行运算，再经4052多路开关传输至MCU微处理器，微处理器同时也接收来自市电检测电路的数据，LED显示通过控制发光二极管的闪烁来指示电能使用情况，RS485接口实现了与后台的实时数据交流。

图1 功能结构框图

2 设计

设计主要采用“MCU+计量芯片”的方式，MCU为基于ARM核心的32位微控制器NUC029LAN，集成了一些系统级的外设功能，可以显著降低外部器件数量、电路板空间以及系统成本。计量芯片采用的是具有三路高精度ADC的RN8209C。

2.1 电源

设计使用了基于DPA的反激式开关电源，辅助电源的输入端加入了防雷设计，防止雷电和其他过压情况对设备造成损坏。电源经系列转换后在变压器主回路得到+3.3V电压，用于为模块系统供电；次级回路得到±12和+5V电压，±12V给模块配套的霍尔传感器供电，+5V给通信电路供电。

2.2 通信电路

为使该模块能够与后台进行数据交换，设计使用了由差分数据收发器ISL3152EIBZ-T芯片构成的RS485通信电路，该电路内部采用光耦进行隔离，防止外部干扰对芯片形成损坏。

2.3 市电检测

市电检测电路如图2所示。市电经外部电量传感器转换为DC 0-5V信号后接至计量模块，该信号经电阻分压后传输至电压跟随器，经电压跟随器输入到MCU。图2中VD1为TVS管，起钳位作用，保护后级电路不受损坏；R3、C1组成RC滤波电路，滤除电路中的干扰信号；电压跟随器隔离起缓冲作用。

图2 市电检测电路

2.4 直流电能计量

2.4.1 直流电能计量的方法

直流电能计量方法与交流电能计量方法相似，信号采样电路将采集到的电压/电流信号由大电压/电流信号转换为小信号，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的进行数据交换。

2.4.2 直流电能计量原理

直流电能计量的基本原理：由于一次侧的电流信号经霍尔传感器后输出为DC 0-5V的电压信号，故该设计的电压和电流采样采用的是相同的电路，等效电路见图3。

图3 信号采样等效电路

具体原理为：信号取样电路采用单端输入方式，R1、R2、R3为分压电阻，R4为采样电阻，作用是将输入的信号降到计量芯片采样通道正常工作的范围内，采样得到的电压：Uo=Ui*R4/(R1+R2+R3+R4)。图3中，D1双向二极管起到钳位作用，防止脉冲干扰电压太大导致元器件损坏，R5、C1及R6、C2组成了RC滤波电路。

采用该电路得到的电压、电流采样信号分别输入至计量芯片的电压、电流通道，进行下一步的数据运算。

3 软件设计

通过对计量模块和上位机软件的设计，借助RS485通信电路，实现了遥测、遥信、遥调等信息交互功能。

模块可监测设备系统时间、总电压、输出总电流、总功率、总电能、各分路电压、各分路电流、各分路功率、各分路电能；具备直流电压输出过低告警、直流电压输出过高告警、一次下电告警、模块失压告警、计量支路错误告警等报警功能；支持广播校时；有历史电能数据和历史告警信息的存储功能。

图4 上位机界面

针对遥信、遥调等功能，提供模块专用的上位机软件，软件界面如图4所示。可查看各支路电流、电压、功率等电参量，具有修改地址、修改CT变比等功能。由于在实际的生产应用中，传感器会受到环境、温度等的影响，出现零点漂移的现象，配合上位机可对霍尔校零。上位机软件可对计量模式进行配置，三家运营商共享的基站可使用总计量功能，施工量小的两家运营商按配置分路接线，剩余一家的用电量即为总用电量减去两家运营商用电量，降低施工难度。