原创 物联网智能家居行业节能方案分享_单相电电量计量模块分析

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物联网系统中为什么要使用电量计量模块

物联网系统中使用电量计量模块的原因主要体现在以下几个方面：

1、精确计量与监控

• 精确计量：电量计量模块能够精确测量电力消耗，包括电流、电压、有功功率、无功功率、电能等参数，为物联网系统提供准确的电量数据。
• 实时监控：通过电量计量模块，物联网系统可以实时监控电力使用情况，及时发现异常或故障，提高电力系统的稳定性和可靠性。

2、能源管理与优化

• 能耗分析：电量计量模块提供的数据是能耗分析的基础，通过数据分析，可以了解各设备的能耗情况，找出节能潜力，制定节能措施。
• 负载管理：根据电量计量模块的反馈，物联网系统可以智能调整负载分配，避免过载导致的能源浪费和设备损坏，实现能源的优化利用。

3、合理计费与收费

• 公共事业计费：对于公共事业单位而言，电量计量模块提供的数据是合理计费的重要依据，确保用户按照实际用电量支付费用，维护公共事业的正常运营。
• 用户费用管理：对于用户而言，电量计量模块使他们能够清晰了解自己的用电情况，合理规划用电，避免不必要的浪费和额外费用。

4、智能家居与工业自动化

• 智能家居：在智能家居系统中，电量计量模块可集成在各类家电中，实现电能的计量、统计和监测等功能，提高家居生活的智能化水平。
• 工业自动化：在工业生产中，电量计量模块可用于监测和控制电力消耗，实现电能的准确计量和分析，为企业节能降耗提供参考依据。

5、政策支持与市场需求

• 政策支持：随着智能化生活的需求增加以及政策的推动，智能电表和电量计量模块等智能设备得到了广泛应用。政府制定的阶梯定价策略等政策措施也促进了电量计量模块在物联网系统中的普及。
• 市场需求：物联网技术的快速发展和普及使得电量计量模块在电力信息化、智能电网、工业自动化等领域的应用需求不断增加。

6、具体应用场景

单向低压电量计量模块在多个领域都有广泛的应用，特别是在需要精确计量低压电能的情况下。以下是几个主要的应用场景：

• 居民家庭用电计量：

单向低压电量计量模块能够准确计量家庭用电的消耗情况，帮助居民了解和控制自己的用电行为，从而节约能源和降低电费支出。

• 商业场所用电监测：

在商店、餐厅、办公楼等商业场所，单向低压电量计量模块可以实时监测用电情况，为管理者提供数据支持，便于制定节能措施和优化能源使用。

• 工业设备用电统计：

在工业生产线上，单向低压电量计量模块可用于统计设备的电能消耗情况，帮助企业掌握生产过程中的能源消耗，优化生产流程和降低生产成本。

• 能源管理与分析：

单向低压电量计量模块可以收集大量的电能数据，为能源管理系统提供基础数据。通过对这些数据的分析，可以找出能源消耗的高峰期和低谷期，为能源规划和调度提供依据。

• 电力需求侧管理：

在电力需求侧管理中，单向低压电量计量模块可以帮助用户了解自身的用电模式和需求，从而合理安排用电计划，减轻电网负荷，提高电力系统的运行效率。

• 智能电网建设：

随着智能电网的发展，单向低压电量计量模块作为智能电网的重要组成部分，可以实现远程抄表、实时监测、数据分析等功能，为电网的智能化管理提供有力支持。

综上所述，物联网系统中使用电量计量模块的原因主要包括精确计量与监控、能源管理与优化、合理计费与收费、智能家居与工业自动化以及政策支持与市场需求等方面。这些原因共同推动了电量计量模块在物联网系统中的广泛应用和发展。

本文会再为大家详解电量计量器件家族中的一员——电量计量模块

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电量计量模块的定义

单相电能计量模块是用于测量单相交流电能的一种电子设备，通常由电能表、电压互感器、电流互感器、采集模块等组成。它能够将电能转换成数字信号输出，并可通过数据接口上传到上位机进行数据分析和处理等操作。单向低压电量计量模块是一种专门用于测量低压交流电能的电子设备。它主要由电能表、电压互感器、电流互感器以及采集模块等核心组件构成。此模块的核心功能是将低压电能转换成数字信号输出，这样就可以通过数据接口上传到上位机，方便进行后续的数据分析和处理等操作。

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电量计量模块的工作原理

单相智能电表工作原理简述本产品由计量芯片、高速数据处理器、实时时钟、数据接口等设备组成。在高速数据处理器的控制下，通过计量芯片准确获得电网运行各实时参数，并依据相应费率等要求对数据进行处理，其结果保存在数据存储器中，并随时向外部接口提供信息和进行数据交换，其原理框图如下图所示。

电能计量模块通常包括电流互感器（CT）和电压互感器（VT），它们用于将电流和电压转化成可测量的信号。CT和VT分别将高电流和高电压转化成适合测量的低电流和低电压。这样可以使得电能计量模块能够处理和测量这些信号。

一旦电流和电压信号经过转化，它们将被输入到计量芯片或电能表芯片中进行电能的计量。计量芯片通过在一定时间内测量电流和电压信号的波形和数值，可以计算出电能的消耗。

具体来说，电流和电压信号将被用于计算功率（P），功率即为电流乘以电压。然后，这些功率值会被积分，即在一定时间内将功率值相加，从而得到消耗的电能。此积分值将以特定的单位（一般为kWh）记录下来，并用于计量和统计电能的使用情况。

电量计量模块准品如需要测试超过额度电流的更大电流量程的直流或交流电流或功率，此模块可以外置各种量程的直流锰铜（100A/75mv，200A/75mv，300A/75mv）或者交流开口互感器（150A，250A，500A等）。电流的采样原理一般采用电流互感器与锰铜分流器两种方式，其中：

电流互感器：

对于数字化仪表，采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。

微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。（“仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。）

电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。电流互感器接被测电流的绕组（匝数为N1），称为一次绕组（或原边绕组、初级绕组）；接测量仪表的绕组（匝数为N2）称为二次绕组（或副边绕组、次级绕组）。

电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。电流互感器在额定电流下工作时的电流比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。

Kn=I1n/I2n

电流互感器（Current transformer 简称CT）的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。

锰铜分流器：

锰铜分流器就是采用锰铜材料制作的一个小电阻，该电阻用于电流信号的取样，当通过将电流时，会在两端产生的压降般在额定输入时一般标准化为75MV，这一数值的压降大小可由欧姆定律表示。压降信号就可以作为采样小信号通过放大电路等处理之后送入ADC、计量芯片等器件进行采样。

但不同于互感器的间接采样，由于是直接采样，在很多电,路中需要进行其他电路部分的隔离外理，由干材料具有低温度系数，减少了环境温度变化引起精度变化。

电子工程师在计量芯片设计计量产品的时候，经常会碰到要为不同的电流规格产品选取不同的取样电阻的情况，针对这些需求，特整理出以下计算方法，方便大家根据需要自己计算需要的值。以下计算仅适用于使用锰铜分流器作为电流采样器件的产品，

锰铜采样电阻的确定必须同时遵循两个条件：

条件1：R(锰铜)的选择必须确保1.5倍I(max)条件下，功率不超过2W（避免发热）。

举例说明：

设计一款新的单相计量产品，选用了锐能微的RN8209C\D\G计量芯片，产品设计电流量程为5（60）A，采用锰铜分流器取样，取样设计在A通道PGAIA[1:0]，则锰铜分流器取样电阻的阻值计算如下：

接线示意图：

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电量计量模块的选型参数

单相电量计量模块的选型参数主要包括以下几个方面：

• 电压量程：一般单相电是民用电220V，所以电压量程应选择适合220V的规格。一些产品可能还提供100V、380V等可选量程，以适应不同的应用需求。
• 电流量程：电流量程的选择取决于实际电流的大小。常见的电流量程有5A、50A、100A等可选，外接开口电流互感器型号也可选。
• 信号处理：模块应采用专用计量芯片进行信号处理，以确保测量的准确性和稳定性。
• 过载能力：模块应具有一定的过载能力，以应对可能的瞬间电流或电压过载情况。例如，过载能力为1.2倍量程可持续，瞬间(<20ms)电流5倍，电压1.5倍量程不损坏。
• 输入阻抗：电压通道的输入阻抗也是一个需要考虑的参数，应确保符合实际应用的需求。

此外，还需要考虑以下因素：

• 通讯接口：选择适合的通讯接口类型，如RS485或Uart TTL串口输出等，以满足数据传输和远程控制的需求。
• 通讯协议和数据格式：确保所选模块支持常用的通讯协议和数据格式，以便于数据的读取和处理。
• 计量数据输出：模块应能够输出电压、电流、功率、功率因数、频率、电量等多个电参量，以满足不同应用场景的需求。

最后，还需要考虑模块的稳定性和可靠性，包括准确度等级、抗电磁干扰能力、环境工作条件等因素。

综上所述，在选择单相电量计量模块时，需要综合考虑电压量程、电流量程、信号处理、过载能力、输入阻抗等选型参数，并结合实际应用需求进行选择。同时，还需关注模块的通讯接口、通讯协议、数据格式以及稳定性和可靠性等方面。

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电量计量模块的使用注意事项

单向低压电量计量模块在使用时需要注意以下事项，以确保其准确、稳定地运行，并满足实际应用需求：

• 安装与接线：
• 严格遵循模块的安装指南和接线图，确保正确连接电压和电流信号线，避免接错相序。
• 使用合适的电缆和接线端子，确保接线牢固可靠，避免松动或接触不良。
• 工作环境：
• 将模块安装在干燥、通风、无腐蚀性气体的环境中，避免暴露于高温、高湿或强电磁干扰的场所。
• 避免模块受到机械冲击和振动，以免影响其正常工作和测量精度。
• 电源供应：
• 确保模块的电源供应稳定可靠，避免电源电压波动或断电对模块造成影响。
• 注意模块的电源接线，避免接反或短路，以免损坏模块或引发安全事故。
• 参数设置与校准：
• 根据实际应用需求，正确设置模块的参数，如电压量程、电流量程、通讯协议等。
• 定期对模块进行校准，确保其测量精度符合标准要求。使用标准设备和方法进行校准，并记录校准结果。
• 通讯与数据传输：
• 确保模块的通讯接口与上位机或数据采集系统兼容，正确配置通讯参数。
• 在数据传输过程中，注意数据的完整性和准确性，避免数据丢失或错误。
• 维护与保养：
• 定期对模块进行清洁和维护，保持其表面清洁无尘。
• 检查模块的散热情况，确保其散热良好，避免过热影响性能。
• 安全注意事项：
• 在安装、接线和维护过程中，务必遵守安全操作规程，避免触电或其他安全事故的发生。
• 注意模块的绝缘性能，确保设备外壳接地，防止电气安全问题。
• 注意使用期限：
• 留意模块的使用期限，及时更换老化的模块，确保计量准确性和系统稳定运行。

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供应商A：艾锐达光电

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：IM1253B

对应的产品详情介绍

产品概述

• 采集单相交直流电参数，包括电压、电流、有功功率、功率因数（仅交流）、频率（仅交流）、电能、温度等多个电参量，信息全；
• 通信规约采用电力行业通用标准 DL/T 645-2007 以及标准 Modbus-RTU 规约(二选一)，兼容性好，更方便通讯及开发；
• 电能数据掉电保护；
• 三防漆涂覆，无铅加工工艺。
• 电量存储空间大，电量存满后翻转重新开始计量；
• 产品已取得 RoHS 报告、计量院测试报告。
• 满足《JJG1148-2018 电动汽车交流充电桩计量检定规程》中相关计量要求。
• 满足《QZTT2301.4-2018 基站智能动态监控单元（FSU）技术要求第 4 部分：微站型》中相关计量要求。

技术参数

目前，公司 IM 系列交直流计量模块已经在交直流充电桩、智能家居、动环监控 FSU、智能安防、照明监控、智能园区、数字机房、能耗管理、电池监控等领域广泛应用，得到各行业标杆企业的采用和认可。此模块可方便嵌入应用于路灯监控、智能家居、智能家电、节能改造、智能用电管理、安防监控、设备能耗监测等诸多行业，是迈入物联网时代的重要配套模块。

• 硬件参考设计

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)