CN109932643A - 一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统及方法，包括负荷开关、处理器、存储器、计量芯片、执行模块及判断模块，处理器连接执行模块的输入端、存储器及计量芯片，执行模块的输出端连接负荷开关的控制线，计量芯片检测负载电流，判断模块的输出端连接处理器，判断模块的输入端连接负荷开关的输出端。消弧方法步骤为：测量每个电能表中负荷开关的断开时间；将断开时间保存至存储器，使用时由处理器读取；计量芯片及处理器判断发出拉闸信号的时间点，如不需要延时则直接执行拉闸，如需要延时则执行下一步；根据保存的断开时间计算所需延时，在延时过后发出拉闸信号。本发明具有提高效率，降低成本，提高安全性的特点。

Description

一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统及方法

技术领域

本发明涉及电能表用负荷开关测试技术领域，特别涉及一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统及方法。

背景技术

智能电能表自2010年起开始推广应用以来，电能表拉、合闸等费控功能的应用日益成为售电企业供电服务的一项重要技术手段。为了保护负荷开关的触点，避免过多的灼烧减少触点的寿命，智能电能表技术规范提出：采用内置负荷开关的电能表进行开关操作时应有相应的硬件或软件的消弧措施。负荷开关软件消弧措施一般采用电流过零分断方式实现，由于不同内置负荷开关的断开时间一致性较差，批量生产的单相电能表在对负荷开关操作时很难较好的实现过零分断。因此，设计一种带负荷开关断开时间自检功能的电流过零分断消弧系统及方法显得非常重要。

公开号 CN206348433U的实用新型提供了一种电能表用负荷开关过零操作测试系统，涉及电能表用负荷开关测试技术领域，该系统中数据处理器电路分别与MCU芯片电路、实负载发生电路和脉冲信号发生电路连接；交流电压过零检测电路与MCU芯片电路连接；实负载发生电路和脉冲信号发生电路还分别连接电能表用负荷开关；该系统在电能表用负荷开关触点处于断开状态时，在控制闭合脉冲输出时刻向电能表用负荷开关发送闭合脉冲信号，以控制电能表用负荷开关触点闭合；在电能表用负荷开关触点处于闭合状态时，在控制分断脉冲输出时刻向电能表用负荷开关发送分断脉冲信号，以控制电能表用负荷开关触点分断。

上述对比文件存在结构复杂，成本较高，精确度低，不利于维护的问题，不能有效实现负荷开关过零分断的消弧。

发明内容

针对现有技术存在结构复杂，成本较高，精确度低，不利于维护的问题，本发明公开了一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统及方法，通过硬件电路及对应的算法，实现对不同电能表的差异化精确消弧，便于批量生产时提高效率，降低成本，提高使用时的安全性。

以下是本发明的技术方案。

一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统，包括负荷开关，还包括处理器、存储器、计量芯片、执行模块及判断模块，所述处理器连接执行模块的输入端、存储器及计量芯片，所述执行模块的输出端连接负荷开关的控制线，所述计量芯片检测负载电流，所述判断模块的输出端连接处理器，判断模块的输入端连接负荷开关的输出端。通过处理器、计量芯片及判断模块，对拉闸需求进行判断，然后通过执行模块对负荷开关进行拉闸操作，操作效率高，安全性高。

进一步的，所述执行模块包括若干三极管及若干电阻，所述电阻R5及电阻R6的第一端连接控制电源，电阻R5及电阻R6的第二端连接三极管V2及三极管V3的发射极，三极管V2的集电极连接三极管V1的集电极及负荷开关控制线的第一端，三极管V2的基极连接电阻R67的第一端，电阻R67的第二端连接控制线第二端及三极管V3的集电极，三极管V3的基极通过电阻R68连接三极管V2的集电极，三极管V3的集电极连接三极管V4的集电极，三极管V4的发射极与三极管V1的发射极连接GND，三极管V1的基极通过电阻R66连接处理器第一输出端，标号为RELAYON，三极管V4的基极通过电阻R69连接处理器的第二输出端，标号为RELAYOFF，其中三极管V2及三极管V3为PNP三极管，三极管V1及三极管V4为NPN三极管。平常状态下，RELAYON以及RELAYOFF口均为低电平，负荷开关闭合，当接收到拉闸信号时，RELAYON出现一次高电平脉冲信号，使负荷开关拉闸，随后RELAYOFF出现一次高电平脉冲信号，使负荷开关回到闭合状态。

进一步的，所述判断模块包括光电耦合器E7、若干电阻及电容，所述光电耦合器E7发射端的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接负荷开关输出端的火线，光电耦合器E7发射端的阴极通过一组限流电阻连接零线，光电耦合器E7接收端的阳极连接低压电源并通过电容C52连接公共接地端，光电耦合器E7接收端的阴极连接处理器的输入端，标号为ZCP DET，光电耦合器E7接收端的阴极通过电阻R100以及电容C46连接公共接地端。当负荷开关断开时，L出没有电压，光耦不导通，ZCP DET电压为0V，当负荷开关合上时，在L出的电压正半周时，ZCP DET有电压，在L出的电压负半周时ZCP DET没有电压。由于电能表用的负荷开关的断开时间少于10ms，即少于半个周期的时长，所以可以由处理器对ZCP DET管脚进行AD检测，通过判断电压是否为0，即可较好的实现负荷开关断开还是闭合的判断。

进一步的，所述计量芯片为HT7017。该芯片的技术成熟，成本低，可靠性高。

本技术方案还包括一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，使用上述消弧系统，包括以下步骤：

步骤S01：检测每个电能表中负荷开关的断开时间T；

步骤S02：将断开时间T保存至存储器，使用时由处理器读取；

步骤S03：计量芯片及处理器判断发出拉闸信号的时间点，如不需要延时则直接执行拉闸，如需要延时则执行步骤S04；

步骤S04：根据保存的断开时间T计算所需延时，在延时过后发出拉闸信号。

进一步的，所述步骤S01中，断开时间T单位为ms，所述检测过程为：电能表在工厂模式检测拉合闸功能时，电能表在收到拉闸命令后，处理器输出指令将计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电压正向过零中断输出，如图4所示为电压正向过零处，计量芯片检测到电压正向过零时，计量芯片的TX/IRQ管脚发出中断信号，处理器收到后对执行模块发出拉闸信号，同时启动处理器1内计时器，此时开始ZCP DET的电压为正值，当负荷开关5完全关断时，ZCP DET的电压为零，同时计时器停止计时，并将该时间记为断开时间T。

进一步的，所述步骤S02中，断开时间T在每次使用时作为固定值读取到处理器的RAM中，且仅在维修时支持重新计算。

进一步的，所述步骤S03中，判断过程为：电能表在现场运行在收到拉闸命令后，处理器输出指令将计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电流正向过零中断输出，处理器对TX /IRQ脚进行查询检测，如果连续20ms均没有收到中断信号，则代表用户未用电，处理器向执行模块直接发出拉闸信号，如果在20ms内收到中断信号，表示用户在用电，则在延时后再发出拉闸信号，确保负荷开关在电流反向过零时彻底断开。

进一步的，所述步骤S04中，延时的计算方式为：延时T0=(10-T)，所述延时T0的单位为ms。

进一步的，所述计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ在中断信号发出后，由处理器对该管脚进行一次读操作，使其恢复为串口数据输出管脚。

即预先在工厂内检测出每个电能表中负荷开关断开时间T，现场运行每次需要拉闸时，即可通过断开时间T计算出的延时T0，来使拉闸过程完全断开的时间点恰好在电流反向过零处。这种设计提高了生产时的生产及检测效率，也保证了不同电能表具有各自的延时，在使用时可以确保消弧，提高使用寿命及安全性。

本发明的有益效果为：实现对不同电能表的差异化精确消弧，便于批量生产时提高效率，降低成本，提高使用寿命及安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2为本发明实施例的执行模块电路图；

图3为本发明实施例的判断模块电路图；

图4为本发明实施例计算断开时间T时的起始点示意图；

图5为本发明实施例拉闸过程的示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本技术方案作进一步阐述。

实施例：如图1所示为一种单相电能表内置负荷开关5电流过零分断消弧系统，包括负荷开关5，还包括处理器1、存储器（未画出）、计量芯片2、执行模块3及判断模块4，所述处理器1连接执行模块3的输入端、存储器及计量芯片2，所述执行模块3的输出端连接负荷开关5的控制线，所述计量芯片2检测负载电流，所述判断模块4的输出端连接处理器1，判断模块4的输入端连接负荷开关5的输出端。通过处理器1、计量芯片2及判断模块4，对拉闸需求进行判断，然后通过执行模块3对负荷开关5进行拉闸操作，操作效率高，安全性高。

如图2所示，所述执行模块3包括若干三极管及若干电阻，所述电阻R5及电阻R6的第一端连接12V电源，电阻R5及电阻R6的第二端连接三极管V2及三极管V3的发射极，三极管V2的集电极连接三极管V1的集电极及负荷开关5控制线的第一端，三极管V2的基极连接电阻R67的第一端，电阻R67的第二端连接控制线第二端及三极管V3的集电极，三极管V3的基极通过电阻R68连接三极管V2的集电极，三极管V3的集电极连接三极管V4的集电极，三极管V4的发射极与三极管V1的发射极连接GND，三极管V1的基极通过电阻R66连接处理器1第一输出端，标号为RELAYON，三极管V4的基极通过电阻R69连接处理器1的第二输出端，标号为RELAYOFF，其中三极管V2及三极管V3为PNP三极管，三极管V1及三极管V4为NPN三极管。平常状态下，RELAYON以及RELAYOFF口均为低电平，负荷开关5闭合，当接收到拉闸信号时，RELAYON出现一次高电平脉冲信号，使负荷开关5拉闸，随后RELAYOFF出现一次高电平脉冲信号，使负荷开关5回到闭合状态。

如图3所示，所述判断模块4包括光电耦合器E7、若干电阻及电容，所述光电耦合器E7发射端的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接负荷开关5输出端的火线，光电耦合器E7发射端的阴极通过一组限流电阻连接零线，光电耦合器E7接收端的阳极连接5V低压电源并通过电容C52连接公共接地端，光电耦合器E7接收端的阴极连接处理器1的输入端，标号为ZCP DET，光电耦合器E7接收端的阴极通过电阻R100以及电容C46连接公共接地端。当负荷开关5断开时，L出没有电压，光耦不导通，ZCP DET电压为0V，当负荷开关5合上时，在L出的电压正半周时，ZCP DET有电压，在L出的电压负半周时ZCP DET没有电压。由于电能表用的负荷开关5的断开时间少于10ms，即少于半个周期的时长，所以可以由处理器1对ZCP DET管脚进行AD检测，通过判断电压是否为0，即可较好的实现负荷开关5断开还是闭合的判断。

本实施例中，所述计量芯片2为HT7017。该芯片的技术成熟，成本低，可靠性高。

本实施例还包括一种单相电能表内置负荷开关5电流过零分断消弧方法，使用上述消弧系统，包括以下步骤：

步骤S01：检测每个电能表中负荷开关5的断开时间T；

步骤S02：将断开时间T保存至存储器，使用时由处理器1读取；

步骤S03：计量芯片2及处理器1判断发出拉闸信号的时间点，如不需要延时则直接执行拉闸，如需要延时则执行步骤S04；

步骤S04：根据保存的断开时间T计算所需延时，在延时过后发出拉闸信号。

本实施例中，所述步骤S01中，断开时间T单位为ms，所述检测过程为：

电能表在工厂检测拉合闸功能时，电能表在收到拉闸命令后，处理器1输出指令将计量芯片2的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电压中断输出，如图4所示为电压正向过零处，计量芯片2检测到电压正向过零时，计量芯片2的TX/IRQ管脚发出中断信号，处理器1收到后对执行模块3发出拉闸信号，同时启动处理器1内计时器，此时开始ZCP DET的电压为正值，当负荷开关5完全关断时，ZCP DET的电压为零，同时计时器停止计时，并将该时间记为断开时间T。

本实施例中，所述步骤S02中，断开时间T在每次使用时作为固定值读取到处理器1的RAM中，且仅在维修时支持重新计算。

本实施例中，所述步骤S03中，判断过程为：电能表在现场运行在收到拉闸命令后，处理器1输出指令将计量芯片2的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电流正向过零中断输出，处理器1对TX /IRQ脚进行查询检测，如果连续20ms均没有收到中断信号，则代表用户未用电，处理器1向执行模块3直接发出拉闸信号，如果在20ms内收到中断信号，表示用户在用电，则在延时后再发出拉闸信号，确保负荷开关5在电流反向过零时彻底断开。

如图5所示，本实施例中，所述步骤S04中，延时的计算方式为：延时T0=(10-T)，所述延时T0的单位为ms。

本实施例中，所述计量芯片2的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ在中断信号发出后，由处理器1对该管脚进行一次读操作，使其恢复为串口数据输出管脚。

即预先在工厂内检测出每个电能表中负荷开关5的断开时间T，现场运行每次需要拉闸时，即可通过断开时间T计算出的延时T0，来使拉闸过程完全断开的时间点恰好在电流反向过零处。这种设计提高了生产时的生产及检测效率，也保证了不同电能表具有各自的延时，在使用时可以确保消弧，提高使用寿命及安全性。

本实施例的有益效果为：实现对不同电能表的差异化精确消弧，便于批量生产时提高效率，降低成本，提高使用寿命及安全性。

应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统，包括负荷开关，其特征在于，还包括处理器、存储器、计量芯片、执行模块及判断模块，所述处理器连接执行模块的输入端、存储器及计量芯片，所述执行模块的输出端连接负荷开关的控制线，所述计量芯片检测负载电流，所述判断模块的输出端连接处理器，判断模块的输入端连接负荷开关的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统，其特征在于，所述执行模块包括若干三极管及若干电阻，所述电阻R5及电阻R6的第一端连接控制电源，电阻R5及电阻R6的第二端连接三极管V2及三极管V3的发射极，三极管V2的集电极连接三极管V1的集电极及负荷开关控制线的第一端，三极管V2的基极连接电阻R67的第一端，电阻R67的第二端连接控制线第二端及三极管V3的集电极，三极管V3的基极通过电阻R68连接三极管V2的集电极，三极管V3的集电极连接三极管V4的集电极，三极管V4的发射极与三极管V1的发射极连接GND，三极管V1的基极通过电阻R66连接处理器第一输出端，标号为RELAYON，三极管V4的基极通过电阻R69连接处理器的第二输出端，标号为RELAYOFF，其中三极管V2及三极管V3为PNP三极管，三极管V1及三极管V4为NPN三极管。

3.根据权利要求2所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统，其特征在于，所述判断模块包括光电耦合器E7、若干电阻及电容，所述光电耦合器E7发射端的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接负荷开关输出端的火线，光电耦合器E7发射端的阴极通过一组限流电阻连接零线，光电耦合器E7接收端的阳极连接低压电源并通过电容C52连接公共接地端，光电耦合器E7接收端的阴极连接处理器的输入端，标号为ZCP DET，光电耦合器E7接收端的阴极通过电阻R100以及电容C46连接公共接地端。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧系统，其特征在于，所述计量芯片为HT7017。

5.一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，使用权利要求1至4所述的消弧系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：检测每个电能表中负荷开关的断开时间T；

步骤S02：将断开时间T保存至存储器，使用时由处理器读取；

步骤S03：计量芯片及处理器判断发出拉闸信号的时间点，如不需要延时则直接执行拉闸，如需要延时则执行步骤S04；

步骤S04：根据保存的断开时间T计算所需延时，在延时过后发出拉闸信号。

6.根据权利要求5所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，其特征在于，所述步骤S01中，断开时间T单位为ms，所述检测过程为：电能表在工厂模式检测拉合闸功能时，电能表在收到拉闸命令后，处理器输出指令将计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电压正向过零中断输出，计量芯片检测到电压正向过零时，计量芯片的TX/IRQ管脚发出中断信号，处理器收到后对执行模块发出拉闸信号，同时启动处理器内计时器，此时开始ZCP DET的电压为正值，当负荷开关完全关断时，ZCP DET的电压为零，同时计时器停止计时，并将该时间记为断开时间T。

7.根据权利要求5所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，其特征在于，所述步骤S02中，断开时间T在每次使用时作为固定值读取到处理器的RAM中，且仅在维修时支持重新计算。

8.根据权利要求6所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，其特征在于，所述步骤S03中，判断过程为：电能表在现场运行在收到拉闸命令后，处理器输出指令将计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ复用为电流正向过零中断输出，处理器对TX /IRQ脚进行查询检测，如果连续20ms均没有收到中断信号，则代表用户未用电，处理器向执行模块直接发出拉闸信号，如果在20ms内收到中断信号，表示用户在用电，则在延时后再发出拉闸信号，确保负荷开关在电流反向过零时彻底断开。

9.根据权利要求8所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，其特征在于，所述步骤S04中，延时的计算方式为：延时T0=(10-T)，所述延时T0的单位为ms。

10.根据权利要求6或8所述的一种单相电能表内置负荷开关电流过零分断消弧方法，其特征在于，所述计量芯片的串口数据输出与中断输出复用管脚TX/IRQ在中断信号发出后，由处理器对该管脚进行一次读操作，使其恢复为串口数据输出管脚。