基站直流電能計量模塊的設計

蔣 超， 馬 君， 張 明， 周曉龍

(江蘇安科瑞電器制造有限公司，江陰 214400)

0 引言

鑒于目前電信行業內基礎設施重復建設、利用率低的現象，三大運營商組建了中國鐵塔股份有限公司，從事通信鐵塔等基站配套設施和室內分布系統的建設、維護和運營。由于部分共享基站的開關電源無分用戶電量計量功能，無法對三家運營商用電量進行精確計量，針對這種情況，在滿足中國鐵塔《基站直流電能計量模塊技術要求》的前提下，筆者所在單位設計了AMC16-DETT 基站直流電能計量模塊。

1 功能結構

AMC16-DETT 基站直流電能計量模塊的功能結構框圖如圖1所示。開關電源用于給直流電能計量模塊及霍爾傳感器供電，計量芯片采集霍爾傳感器輸出電壓及系統電壓的數據并進行運算，再經4052多路開關傳輸至MCU微處理器，微處理器同時也接收來自市電檢測電路的數據，LED顯示通過控制發光二極管的閃爍來指示電能使用情況，RS485接口實現了與后臺的實時數據交流。

圖1 功能結構框圖

2 設計

設計主要采用“MCU+計量芯片”的方式，MCU為基于ARM核心的32位微控制器NUC029LAN，集成了一些系統級的外設功能，可以顯著降低外部器件數量、電路板空間以及系統成本。計量芯片采用的是具有三路高精度ADC的RN8209C。

2.1 電源

設計使用了基于DPA的反激式開關電源，輔助電源的輸入端加入了防雷設計，防止雷電和其他過壓情況對設備造成損壞。電源經系列轉換后在變壓器主回路得到+3.3V電壓，用于為模塊系統供電；次級回路得到±12和+5V電壓，±12V給模塊配套的霍爾傳感器供電，+5V給通信電路供電。

2.2 通信電路

為使該模塊能夠與后臺進行數據交換，設計使用了由差分數據收發器ISL3152EIBZ-T芯片構成的RS485通信電路，該電路內部采用光耦進行隔離，防止外部干擾對芯片形成損壞。

2.3 市電檢測

市電檢測電路如圖2所示。市電經外部電量傳感器轉換為DC 0-5V信號后接至計量模塊，該信號經電阻分壓后傳輸至電壓跟隨器，經電壓跟隨器輸入到MCU。圖2中VD1為TVS管，起鉗位作用，保護后級電路不受損壞；R3、C1組成RC濾波電路，濾除電路中的干擾信號；電壓跟隨器隔離起緩沖作用。

圖2 市電檢測電路

2.4 直流電能計量

2.4.1 直流電能計量的方法

直流電能計量方法與交流電能計量方法相似，信號采樣電路將采集到的電壓/電流信號由大電壓/電流信號轉換為小信號，輸入至計量芯片，再由計量芯片進行模數轉換、數字處理等系列運算，通過通信總線與處理器的進行數據交換。

2.4.2 直流電能計量原理

直流電能計量的基本原理：由于一次側的電流信號經霍爾傳感器后輸出為DC 0-5V的電壓信號，故該設計的電壓和電流采樣采用的是相同的電路，等效電路見圖3。

圖3 信號采樣等效電路

具體原理為：信號取樣電路采用單端輸入方式，R1、R2、R3為分壓電阻，R4為采樣電阻，作用是將輸入的信號降到計量芯片采樣通道正常工作的范圍內，采樣得到的電壓：Uo=Ui*R4/(R1+R2+R3+R4)。圖3中，D1雙向二極管起到鉗位作用，防止脈沖干擾電壓太大導致元器件損壞，R5、C1及R6、C2組成了RC濾波電路。

采用該電路得到的電壓、電流采樣信號分別輸入至計量芯片的電壓、電流通道，進行下一步的數據運算。

3 軟件設計

通過對計量模塊和上位機軟件的設計，借助RS485通信電路，實現了遙測、遙信、遙調等信息交互功能。

模塊可監測設備系統時間、總電壓、輸出總電流、總功率、總電能、各分路電壓、各分路電流、各分路功率、各分路電能；具備直流電壓輸出過低告警、直流電壓輸出過高告警、一次下電告警、模塊失壓告警、計量支路錯誤告警等報警功能；支持廣播校時；有歷史電能數據和歷史告警信息的存儲功能。

圖4 上位機界面

針對遙信、遙調等功能，提供模塊專用的上位機軟件，軟件界面如圖4所示?？刹榭锤髦冯娏?、電壓、功率等電參量，具有修改地址、修改CT變比等功能。由于在實際的生產應用中，傳感器會受到環境、溫度等的影響，出現零點漂移的現象，配合上位機可對霍爾校零。上位機軟件可對計量模式進行配置，三家運營商共享的基站可使用總計量功能，施工量小的兩家運營商按配置分路接線，剩余一家的用電量即為總用電量減去兩家運營商用電量，降低施工難度。

4 測試數據

模擬基站實際運行中可能出現的情況，負荷電流及系統電壓由標準直流源提供，配套使用的霍爾傳感器由我司自主生產，測試數據見表1，用于判斷基站直流電能計量模塊測量精度是否滿足要求。

基站直流電能計量模塊測試數據 表1

5 結束語