CN103645655B - 一种单相智能电表用继电器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相智能电表用继电器控制方法，其通过单相智能电表的计量芯片采集市电电源的电压过零点和功率因数角，并进而得到市电电源的电压电流过零间隔时间T_j，再由单相智能电表的主控制器在任一电压过零点后T-T_off+T_j时刻向单相智能电表的驱动电路输出关断控制信号，或者再由所述主控制器在任一电压过零点后T-T_on时刻向所述驱动电路输出闭合控制信号，实现继电器的关断或者闭合。其技术效果是：能够使单相智能电表用继电器在电流过零点时刻关断，在电压过零点时刻闭合，减少了单相智能电表用继电器触点开关瞬间的涌流和电弧的发生，降低了单相智能电表用继电器故障率，提高了单相智能电表的可靠性。

Description

一种单相智能电表用继电器控制方法

技术领域

本发明涉及智能电表领域，尤其是一种单相智能电表用继电器控制方法。

背景技术

在国内使用的单相智能电表一般都具有控制功能，可以在用户欠费的情况下对用户断电，目前普遍的实现方式是通过驱动电路直接控制磁保持继电器来实现，在单相智能电表收到断电或者送电命令后，单相智能电表立即发给磁保持继电器一个脉冲信号，磁保持继电器关断或者闭合。这种控制方式存在的问题是在用户有一定负载时，磁保持继电器触点容易被烧坏或者粘连，故障率较高。

传统的过零投切方式，过零控制大多使用可控硅与磁保持继电器并联实现，在电力线上谐波比较大时可控硅容易烧坏，另外由于材料限制，成本原因，均无法在智能电表中得到使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种单相智能电表用继电器控制方法，其能够使单相智能电表用继电器在电流过零点时刻关断，在电压过零点时刻闭合。

实现上述目的的一种技术方案是：一种单相智能电表用继电器控制方法，该单相智能电表包括：计量芯片、主控制器、驱动电路和继电器，所述主控制器内置存储器，包括下列步骤：

过零点捕获步骤：所述计量芯片从市电电源捕获电压过零点，并向所述主控制器发出过零信号；

功率因数角读取步骤：所述计量芯片从市电电源读取功率因数角；

电压电流过零间隔时间计算步骤：所述计量芯片根据功率因数角，计算得到电压电流过零间隔时间T_j，并将电压电流过零间隔时间T_j传递给所述主控制器；

指令判断步骤：所述主控制器判断其接收的指令是关断指令或闭合指令；

关断控制信号生成步骤：若所述主控制器判断其所接收的指令是关断指令，在其接收到任意一个过零信号后T-T_off+T_j时刻，向所述驱动电路输出关断控制信号，其中T_off为关断提前时间，T为电压过零周期；

关断步骤：所述驱动电路接收所述关断控制信号后，向所述继电器发出关断信号，关断所述继电器；

关断反馈步骤：所述继电器向所述主控制器发出关断反馈信号；

闭合控制信号生成步骤：若所述主控制器判断其所接收的指令是闭合指令，在其接收到任一过零信号后T-T_on时刻，向所述驱动电路输出闭合控制信号，其中T_on为闭合提前时间；

闭合步骤：所述驱动电路接收所述闭合控制信号后，向所述继电器发出闭合信号，闭合所述继电器；

闭合反馈步骤：所述继电器向所述主控制器发出闭合反馈信号。

进一步的，电压过零周期T为所述主控制器接收到任意两个相邻过零信号之间的时间差。

再进一步的，在所述指令判断步骤前，设有更新电压过零周期T的电压过零周期更新步骤，即重新计算电压过零周期T，并将重新计算后得到的电压过零周期T写入内置于所述主控制器的存储器中。

更进一步的，电压过零周期更新步骤中，若所述主控制器无法接收到所述计量芯片发出的过零信号，则从所述存储器中读取电压过零周期T。

进一步的，关断提前时间T_off和闭合提前时间T_on是在单相智能电表生产时进行检测的，并写入内置于所述主控制器的存储器中的。

进一步的，关断控制信号生成步骤包括下列步骤：

提前时间计算步骤：所述主控制器计算从其接收到任一过零信号到其向所述继电器发出关断控制信号的定时值T-T_off+T_j；

计时步骤：所述主控制器从其接收到任意一个过零信号开始计时至T-T_off+T_j；

关断控制信号输出步骤：所述主控制器向所述驱动电路输出关断控制信号。

再进一步的，关断控制信号生成步骤还包括在关断控制信号输出步骤后进行的延时步骤和关断控制信号取消步骤。

进一步的，闭合控制信号生成步骤包括下列步骤：

提前时间计算步骤：所述主控制器计算从其接收到任一过零信号到其向所述继电器发出闭合控制信号的定时值至T-T_on；

计时步骤：所述主控制器从其接收到任意一个过零信号开始计时至T-T_on；

闭合控制信号输出步骤：所述主控制器向所述驱动电路输出闭合控制信号。

再进一步的，闭合控制信号生成步骤还包括在闭合控制信号输出步骤后进行的延时步骤和闭合控制信号取消步骤。

采用了本发明的一种单相智能电表用继电器控制方法的技术方案，即通过单相智能电表的计量芯片采集市电电源的电压过零点和功率因数角，并进而得到市电电源的电压电流过零间隔时间T_j，再由单相智能电表的主控制器在任一电压过零点后T-T_off+T_j时刻向单相智能电表的驱动电路输出关断控制信号，或者再由所述主控制器在任一电压过零点后T-T_on时刻向所述驱动电路输出闭合控制信号，实现继电器的关断或者闭合的技术方案。其技术效果是：能够使智能电表用继电器在电流过零点时刻关断，在电压过零点时刻闭合，减少了智能电表用继电器触点开关瞬间的涌流和电弧的发生，降低了智能电表用继电器故障率，提高了单相智能电表的可靠性。

附图说明

图1为单相智能电表的结构示意图。

图2为本发明的一种单相智能电表用继电器控制方法的流程图。

图3为本发明的一种单相智能电表用继电器控制方法中继电器关断控制步骤的流程图。

图4为本发明的一种单相智能电表用继电器控制方法中继电器闭合控制步骤的流程图。

具体实施方式

请参阅图1至和图4，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图1，单相智能电表如图1所示：包括计量芯片1、主控制器2、驱动电路3、继电器4、电流采样电路5、电压采样电路6、变压器7和掉电检测电路8。电流采样电路5、电压采样电路6的输入端分别连接市电电源，用于采集市电电源的电流信号和电压信号。计量芯片1的输入端连接电流采样电路5和电压采样电路6的输出端，输出端连接主控制器2的脉冲信号输入端。计量芯片1接收电流采样电路5和电压采样电路6采集的数据，得到用户的用电信息，对用户的用电量进行计算，并向主控制器2的脉冲信号输入端发出脉冲信号，主控制器2根据计量芯片1发出的脉冲信号，对用户的用电量进行统计。主控制器2内置第一定时器、第二定时器和存储器。同时，计量芯片1和主控制器2的输入端之间还设置了一路通讯总线，该通讯总线可以为SPI总线、IIC总线或者UART总线等。

主控制器2的输出端连接驱动电路3的输入端，驱动电路3的输出端连接继电器4的输入端，继电器4的输出端连接主控制器2的反馈信号输入端。主控制器2的输入口在接收到关断指令或者继电器闭合指令后，向驱动电路3发出一个闭合控制信号或者一个关断控制信号，该信号经驱动电路3放大后，形成用于关断继电器4的关断信号或者用于闭合继电器4的闭合信号，继电器4在关断或者闭合后，向主控制器2发出关断反馈信号信号或者闭合反馈信号，使主控制器2检测继电器4，以确定继电器4执行是否异常，确认继电器4的触点状态是否已经变化。

继电器4还连接电流采样电路5，这样连接的目的在于：继电器4关断时电流采样电路5采集到的市电电源的电流为0。变压器7连接市电电源，将220V的交流电变为12V。变压器7还连接驱动电路3和掉电检测电路8，掉电检测电路8连接主控制器2。变压器7为驱动电路3提供工作电源。同时，掉电检测电路8通过变压器7，检测驱动电路3驱动继电器4的驱动电压，一旦检测到驱动电路3的驱动电压低于阈值，掉电检测电路8输出低电平控制信号，供主控制器2掉电时保护数据用。

本发明的一种单相智能电表用继电器控制方法，包括下列步骤：

过零点捕获步骤：计量芯片1从市电电源捕获电压过零点，并向主控制器2发出过零信号，本实施例中，计量芯片1是通过电压采样电路6从市电电源捕获电压过零点的。

功率因数角读取步骤：计量芯片1从市电电源读取功率因数角。本实施例中，计量芯片1是通过电压采样电路6获取电压的数据，通过电流采样电路5获取电流的数据，再计算电流和电压之间的功率因数角。

电压电流过零间隔时间计算步骤：计量芯片1根据测量到的功率因数角，计算出电压电流过零间隔时间T_j，再将电压电流过零间隔时间T_j通过通讯总线传递给主控制器2。

智能电表中常用计量芯片1，已经具备具有的电压过零检测及功率因数角测量功能，在基本不增加硬件的基础上得到电压、电流过零点时刻。电压过零点时刻可以直接检测到，而电流过零点时刻，即电压电流过零间隔时间T_j是根据从计量芯片1的功率因数角计算得到，对容性负载、感性负载也可以实现比较准确的过零控制。

本实施例中计量芯片1是通过通讯总线将电压、电流、及功率因数角、电压电流过零间隔时间T_j等数据传递给主控制器2的。

指令判断步骤：主控制器2在对继电器4进行操作前，判断其接收的指令是关断指令还是闭合指令。本实施例中，关断指令是通过两个IO口输入一高一低电平信号，闭合指令是相反信号，指令信号持续100ms时间后，两个IO口恢复到固定低的低电平状态。

电压过零周期更新步骤：本实施例中，每次对继电器4进行操作前，都要进行更新电压过零周期T的电压过零周期更新步骤。该步骤中，电压过零周期T为主控制器2接收到任意两个相邻的，由计量芯片1发出的过零信号之间的时间差，更新后的电压过零周期T存储在主控制器2的存储器中。电压过零周期T的计算是通过主控制器2上的第一定时器完成的。若主控制器2与计量芯片1之间出现通讯故障，主控制器2无法接收到由计量芯片1发出的过零信号，主控制器2则选择使用存储在所述存储器中的电压过零周期T。

关断控制信号生成步骤：若主控制器2判断其所接收的指令是关断指令，在其接收到任一过零信号后T-T_off+T_j，向驱动电路3输出关断控制信号，其中T_off为关断提前时间。

具体来说：关断控制信号生成步骤分为下列步骤：

提前时间计算步骤：主控制器2计算从其接收到任一过零信号到其向驱动电路3发出关断控制信号的定时值T-T_off+T_j；

计时步骤：主控制器2上第二定时器从主控制器2接收到任意一个过零信号开始计时至T-T_off+T_j；同时，在主控制器2接收到任意一个过零信号后的T-T_off+T_j时刻，主控制器2从计量芯片1上读取市电电源的实时电压，并与该时间点一起保存在主控制器2的存储器中。

关断控制信号输出步骤：主控制器2向驱动电路3输出关断控制信号。

延时步骤：主控制器2向驱动电路3输出关断控制信号的时间持续约100ms。

关断控制信号取消步骤：主控制器2停止向驱动电路3输出关断控制信号。

关断控制信号生成步骤后是关断步骤和关断反馈步骤。

关断步骤：驱动电路3接收到主控制器2发出的关断控制信号后，对关断控制信号进行放大，向继电器4发出关断信号，关断继电器4。

关断反馈步骤：继电器4向主控制器2发出关断反馈信号。

当主控制器2接收到继电器4发出的关断反馈信号后，主控制器2才会停止向驱动电路3输出关断控制信号，即关断控制信号生成步骤中的延时步骤停止。

闭合控制信号生成步骤：若主控制器2判断其所接收的指令是闭合指令，在其接收到任一过零信号后T-T_on时刻，向驱动电路3输出闭合控制信号，其中T_on为闭合提前时间。

具体来说：闭合控制信号生成步骤分为下列步骤：

提前时间计算步骤：主控制器2计算从其接收到任一过零信号到其向驱动电路3发出闭合控制信号的定时值T-T_onj；

计时步骤：主控制器2上第二定时器从主控制器2接收到任意一个过零信号开始计时至T-T_on；同时，在主控制器2接收到任意一个过零信号后的T-T_on时刻，从计量芯片1上读取市电电源的实时电压，并与该时间点一起保存在主控制器2的存储器中。

闭合控制信号输出步骤：主控制器2向驱动电路3输出闭合控制信号。

延时步骤：主控制器2向驱动电路3输出闭合控制信号的时间持续约100ms。

闭合控制信号取消步骤：主控制器2停止向驱动电路3输出闭合控制信号。

闭合控制信号生成步骤后是闭合步骤和闭合反馈步骤。

闭合步骤：驱动电路3接收到主控制器2发出的闭合控制信号后，对该信号进行放大，向继电器4发出闭合信号，闭合继电器4。

闭合反馈步骤：继电器4向主控制器2发出闭合反馈信号。

当主控制器2接收到继电器4发出的闭合反馈信号后，主控制器2才会停止向驱动电路3输出闭合控制信号，即闭合控制信号生成步骤中的延时步骤停止。

关断提前时间T_off和闭合提前时间T_on都是在单相智能电表生产时，通过主控制器2上的继电器状态检测接口，进行不带载测量检测到的，并写入主控制器2的存储器的。不带载控制时，主控制器2向驱动电路3发出一个控制信号，同时启动第二定时器开始计时，控制信号经驱动电路3放大后，驱动继电器4，再从继电器4的输出状态检测接口检测确认信号，并记录从主控制器2输出控制信号到继电器4的输出状态检测接口输出确认的时间。当执行的是关断操作时，从检测输入信号输入主控制器2到继电器4输出确认信号的时间为关断提前时间T_off，当执行的是闭合操作时，从检测输入信号输入主控制器2到继电器4输出确认信号的时间为闭合提前时间T_on。

单相智能电表通过主控制器2的AD接口和掉电检测电路8测量驱动电路3驱动继电器4的驱动电压，单相智能电表的主控制器2连接掉电检测电路8的掉电检测口一般都是与AD接口复用，也不需要增加额外的硬件。在单相智能电表生产中不带载控制时，实现闭合提前时间T_on和关断提前时间T_off的测量，并存储AD测量到的驱动电路3驱动继电器4的驱动电压。

本发明充分利用单相智能电表中，计量芯片1的已有功能，在基本不增加硬件的基础上，实现了使智能电表用继电器在电压过零点时刻闭合，在电流过零点时刻关断，减少了智能电表用继电器触点开关瞬间的涌流和电弧的发生，降低继电器4故障率，提高了单相智能电表的可靠性。

实际控制时，需要根据继电器4的控制电压，对关断提前时间T_off和闭合提前时间T_on做调整。

通过对单相智能电表试验样机测试，温州众友电器科技有限公司的ZC87型磁保持继电器的闭合时间约为10.2ms,断开时间约为6.3ms,通过主控制器2的软件对控制时刻做调整，采用上述方法控制该继电器的关断和闭合，可以实现在电流过零点前后200μs以内关断该继电器，在电压过零点前后200μs以内闭合该继电器,并且在不同功率因数和频率下都能够准确实现。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种单相智能电表用继电器控制方法，该单相智能电表包括：计量芯片、主控制器、驱动电路和继电器，所述主控制器内置存储器，其特征在于包括下列步骤：

过零点捕获步骤：所述计量芯片从市电电源捕获电压过零点，并向所述主控制器发出过零信号；

功率因数角读取步骤：所述计量芯片从市电电源读取功率因数角；

电压电流过零间隔时间计算步骤：所述计量芯片根据功率因数角，计算得到电压电流过零间隔时间T_j，并将电压电流过零间隔时间T_j传递给所述主控制器；

指令判断步骤：所述主控制器判断其接收的指令是关断指令或闭合指令；

关断控制信号生成步骤：若所述主控制器判断其所接收的指令是关断指令，在其接收到任意一个过零信号后T-T_off+T_j时刻，向所述驱动电路输出关断控制信号，其中T_off为关断提前时间，T为电压过零周期；

关断步骤：所述驱动电路接收所述关断控制信号后，向所述继电器发出关断信号，关断所述继电器；

关断反馈步骤：所述继电器向所述主控制器发出关断反馈信号；

闭合控制信号生成步骤：若所述主控制器判断其所接收的指令是闭合指令，在其接收到任一过零信号后T-T_on时刻，向所述驱动电路输出闭合控制信号，其中T_on为闭合提前时间；

闭合步骤：所述驱动电路接收所述闭合控制信号后，向所述继电器发出闭合信号，闭合所述继电器；

闭合反馈步骤：所述继电器向所述主控制器发出闭合反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：电压过零周期T为所述主控制器接收到任意两个相邻过零信号之间的时间差。

3.根据权利要求2所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：在所述指令判断步骤前，设有更新电压过零周期T的电压过零周期更新步骤，即重新计算电压过零周期T，并将重新计算后得到的电压过零周期T写入内置于所述主控制器的存储器中。

4.根据权利要求3所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：电压过零周期更新步骤中，若所述主控制器无法接收到所述计量芯片发出的过零信号，则从所述存储器中读取电压过零周期T。

5.根据权利要求1所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：关断提前时间T_off和闭合提前时间T_on是在单相智能电表生产时进行检测的，并写入内置于所述主控制器的存储器中的。

6.根据权利要求1所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：关断控制信号生成步骤包括下列步骤：

提前时间计算步骤：所述主控制器计算从其接收到任一过零信号时刻到其向所述继电器发出关断控制信号时刻的定时值T-T_off+T_j；

计时步骤：所述主控制器从其接收到任意一个过零信号时刻开始计时至T-T_off+T_j；

关断控制信号输出步骤：所述主控制器向所述驱动电路输出关断控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：关断控制信号生成步骤还包括在关断控制信号输出步骤后进行的延时步骤和关断控制信号取消步骤。

8.根据权利要求1所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：闭合控制信号生成步骤包括下列步骤：

提前时间计算步骤：所述主控制器计算从其接收到任一过零信号时刻到其向所述继电器发出闭合控制信号时刻的定时值T-T_on；

计时步骤：所述主控制器从其接收到任意一个过零信号时刻开始计时至T-T_on；

闭合控制信号输出步骤：所述主控制器向所述驱动电路输出闭合控制信号。

9.根据权利要求8所述的一种单相智能电表用继电器控制方法，其特征在于：闭合控制信号生成步骤还包括在闭合控制信号输出步骤后进行的延时步骤和闭合控制信号取消步骤。