CN114487529A - 一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能表技术领域，提供了一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，包括设置在电能表中的主控MCU、相线检测电路、零线检测电路，相线检测电路通过第一光耦组电性连接主控MCU，零线检测电路通过第二光耦组电性连接主控MCU；本发明通过在电能表中设置相线检测电路和零线检测电路，主控MCU通过判别电流的周期变化曲线确定对应的相线、零线电流时标瞬时值，进行相线、零线电流有效的实时瞬时值比较；在发生漏电的异常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值发生偏差，MCU及时作出漏电判断，从而快速切断智能电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护和偷电行为的及时制止。

Description

一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表

技术领域

本发明涉及电能表技术领域，具体涉及一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表。

背景技术

电网供给的交流电压是50Hz的工频周期正弦信号，但电力系统普遍存在非线性负载(如二极管、晶闸管等)，就形成了非正弦电流，即电路中普遍存在谐波和直流分量产生。

传统的单相电能表是通过电流互感器检测零线电流，并与相线电流比较以发现偷电情况的，互感器是基于电磁感应的原理，初级电流产生的磁场通过磁路耦合到次级线圈，次级会感应生成与两边匝数比相关的交流信号，能充分满足隔离测量的要求，但谐波和直流分量都会引起一定的信号失真，所以互感器的采样精度低，不能有效的检测、判断量值很小的偷电、漏电情况。

互感器采样电流在电力供电电路偶次谐波和直流分量较大时，由于磁路饱和，使零线电流的测量和指示不可靠，无法判断是否存在偷电，不利于及时制止非法偷电行为的发生。

传统的单相交流电路一般采用专用的漏电互感器检测漏电的，在单相电能表中增加漏电互感器，结构上不方便。

为此，我们提出一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，克服了现有技术的不足，解决了现有的单相电能表对零线电流采样精度低，不能有效的检测到少量漏电状态，对于供电电路偶次谐波和直流分量较大时，互感器磁饱和使零线电流的测量不正确，无法判断是否存在偷电的问题；本发明通过在电能表中设置相互隔离的相线检测电路、零线检测电路，采用相同的锰铜采样电阻、同等精度的计量芯片，工艺上进行对称化设计，采用相同的校正方法和换算系数，实现了相线、零线电流的测量精度和线性度完全一致；

为了实现对独立采样的相线、零线电流实时的瞬时值比较，通过主控MCU对相线电流、零线电流的采样值顺序排列，定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，进行对应的时标/相位角瞬时值比较，从而间接的实现了相线、零线电流的同步采样，以进行相线、零线电流有效的实时瞬时值比较。在非漏电的正常工作情况下，相线、零线电流对应的实时瞬时值相等；在发生漏电的异常工作情况下，相线、零线电流对应的实时瞬时值发生偏差，MCU及时作出漏电判断，从而快速切断电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护；对于I漏＝I相-I零，如果I漏的数值较大，而且I相小于I零，判断为一种相线进线和出线之间人为短接(或旁路)的偷电情况。而且锰铜电阻采样不受电力电路谐波和频率特性影响，提高了对电路偷电漏电的检测精确度和检测效果。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，包括设置在电能表中的主控MCU、相线检测电路、零线检测电路，相线检测电路通过第一光耦组电性连接主控MCU，零线检测电路通过第二光耦组电性连接主控MCU；

所述主控MCU包括MCU控制器，MCU控制器在电能表校表时，通过软件方法改变计量芯片中的校正系数，将相线电流、零线电流的测量值校正。设置有对零线电流校正系数做第二次精密校准，使零线电流与相线电流数值完全相等的漏电校验结构；

所述相线检测电路包括可对相线电流取样的第一锰铜电阻、以及与第一锰铜电阻电性连接的第一计量芯片，第一计量芯片通过第一光耦组连接在MCU控制器；

所述零线检测电路包括可对零线电流取样的第二锰铜电阻，以及与第二锰铜电阻电性连接的第二计量芯片，第二计量芯片通过第二光耦组连接在MCU控制器。

优选的，所述第一计量芯片上设置有电压采样电路，电压采样电路由串联电阻分压和并联电容滤波构成。

优选的，所述第一计量芯片上还设置晶振电路，晶振电路由一个压电晶体和两脚分别并联一个接地的电容构成。

优选的，所述主控MCU还包括显示模块、存储模块、通信模块，显示模块、存储模块、通信模块均电性连接MCU控制器。

优选的，所述第一锰铜电阻和第二锰铜电阻为相同规格的采样电阻，第一计量芯片和第二计量芯片为相同精度规格的计量芯片。

一种基于如权力所述的带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表的检测方法，包括如下检测方法：

1)电能表连接在交流电源供电电路的入户端口，第一锰铜电阻连接相线对相线电流采样，并将采样数据实时传输给第一计量芯片；同时，第二锰铜电阻连接零线对零线电流采样，并将采样数据实时传输给第二计量芯片；

2)第一计量芯片通过第一光耦组将相线电流的采样值传输给主控MCU，第二计量芯片通过第二光耦组将零线电流的采样值传输给主控MCU，通过主控MCU对相线电流、零线电流的采样值顺序排列，定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，进行对应的时标/相位角瞬时值比较；

3)由相线到零线进入的电流与流出的电流一样时，漏电流为0；由相线到零线进入的电流与流出的电流不一样时，则产生漏电流，说明有电流从其他地方流走；

4)即漏电电流：I漏＝I相-I零，从而实现对偷电和漏电的实时监测。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表。具备以下有益效果：

1、本发明通过在电能表中设置相线检测电路和零线检测电路，相线检测电路对相线(即火线)电流实时采样，零线检测电路对零线电流实时采样，通过主控MCU对相线电流、零线电流的采样值顺序排列，定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，进行对应的时标/相位角瞬时值比较，在非漏电的正常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值相等；在发生漏电的异常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值发生偏差，MCU及时作出漏电判断，从而快速切断智能电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护；对于I漏＝I相-I零，如果I漏的数值较大，而且I相小于I零，判断为一种常见的相线进线和出线之间人为短接(或旁路)的偷电情况；

2、MCU控制器在电能表误差校正时，通过软件方法改变计量芯片中的校正系数，将相线电流、零线电流的测量值校正。软件校正采用相同的校正方法和换算系数，使相线、零线电流的测量精度完全一致；

3、在软件校正的基础上，对零线电流校正系数做第二次精密校准，设置使零线电流与相线电流数值完全相等的漏电校验结构；电能表的相线电流和相电压是电能计量的基础，具有法制属性不应加入额外修正。为了提高漏电检测的准确性和可靠性，将辅助检测的零线电流的数据归一到相线电流的这种漏电校验条件，可以通过电能表面板按键设置下测试；

4、锰铜采样电阻受电路特性和环境条件影响很小，相线、零线检测电路采用相同的锰铜采样电阻、同等精度的计量芯片，工艺上进行对称化设计，后期的环境变化对两者的影响也相同，所以实际运行时误差影响也相同，防止检测误差使I漏(I漏＝I相-I零)不为零，避免产生检测误差的漏电判断，提高对电路偷电、漏电检测的可靠性。

附图说明

图1为本发明的计量原理图；

图2为本发明中主控MCU的方框图；

图3为本发明中相线检测电路的示意图；

图4为本发明中零线检测电路的示意图；

图5为本发明中晶振电路的结构示意图；

图6为本发明中电压采样电路的结构示意图；

图中：主控MCUⅠ；相线检测电路Ⅱ；零线检测电路Ⅲ；晶振电路Ⅳ；电压采样电路Ⅴ；第一光耦组1；第二光耦组2；第一锰铜电阻电性3；第一计量芯片4；第二锰铜电阻5；第二计量芯片6；MCU控制器7；显示模块8；存储模块9；通信模块10；电容C；电阻R；压电晶体X；负荷开关K；相线L；零线N。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1-6，一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，包括设置在电能表中的主控MCUⅠ、相线检测电路Ⅱ、零线检测电路Ⅲ，相线检测电路Ⅱ通过第一光耦组1电性连接主控MCUⅠ，零线检测电路Ⅲ通过第二光耦组2电性连接主控MCUⅠ；

所述主控MCUⅠ包括MCU控制器7，MCU控制器7用于判别相线电流、零线电流周期变化曲线对应的时标/相位角瞬时值是否相等；MCU控制器7中软件功能在电能表校正后对零线电流校正系数做第二次精密校准，设置使零线电流与相线电流数值完全相等的漏电校验结构；

所述相线检测电路Ⅱ包括可对相线电流取样的第一锰铜电阻、以及与第一锰铜电阻3电性连接的第一计量芯片4，第一计量芯片4通过第一光耦组1连接在MCU控制器7；

所述零线检测电路Ⅲ包括可对零线电流取样的第二锰铜电阻5，以及与第二锰铜电阻5电性连接的第二计量芯片6，第二计量芯片6通过第二光耦组2连接在MCU控制器7；

本发明通过在电能表中设置相线检测电路Ⅱ和零线检测电路Ⅲ，相线检测电路Ⅱ对相线L(即火线)电流实时采样，零线检测电路Ⅲ对零线N电流实时采样，并按照时间顺序排列，主控MCUⅠ定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，进行对应的时标/相位角瞬时值比较(独立采样的相线、零线电流进行有效的实时瞬时值比较，间接的实现零线电流与相线电流同步采样比较)，在非漏电的正常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值相等；在发生漏电的异常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值发生偏差，主控MCUⅠ及时作出漏电判断，从而快速切断智能电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护；通过此电路也可以监测一种偷电行为，可以精确感知偷电、漏电状态，且不受供电电路电流的波形特性影响；

本实施例中，所述第一计量芯片4上设置有电压采样电路Ⅴ，电压采样电路Ⅴ由串联电阻R分压和并联电容滤波C构成；电能表的主要功能是计量电能，电能是功率的时间累积，功率是电压*电流得到的，所以必须同时测电压和电流。

本实施例中，所述第一计量芯片4上还设置晶振电路Ⅳ，晶振电路Ⅳ由一个压电晶体X和两个电容C构成，两个接地的电容C分别并联在压电晶体X的两端；计量芯片是一个包含AD模数转换的高精度高速数字信号处理器，晶振电路提供系统运行所需的时钟频率信号。

本实施例中，所述第一锰铜电阻3和第二锰铜电阻5为相同规格的采样电阻，第一计量芯片4和第一计量芯片6为相同精度规格的计量芯片，相线检测电路Ⅱ和零线检测电路Ⅲ的电路参数、工艺上进行对称化设计。

本实施例中，所述主控MCUⅠ还包括显示模块8、存储模块9、通信模块10，显示模块8、存储模块9、通信模块10均电性连接MCU控制器7；MCU控制器7对相线、零线电流有效的瞬时值比较，即I漏＝I相-I零，根据I漏的数值及时作出漏电判别，如果出现漏电，则需要快速切断智能电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护；如果监测一种相线进线和出线之间人为短接(或旁路)的偷电行为，I漏的数值较大者偷电明显，而且I相小于I零，则需要记录和保存发生时间和电流数据到存储模块9，并通过通信模块10及时通知相关人员处理；存储模块9用于存储电能计量和相关监测数据，显示模块8便于工作人员方便直观的查看相关计量和监测数据。

一种基于如权力所述的带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表的检测方法，包括如下检测方法：

1)电能表连接在交流电源供电电路的入户端口，第一锰铜电阻3连接相线L对相线电流采样，并将采样数据实时输入到第一计量芯片4上；同时，第二锰铜电阻5连接零线N对零线电流采样，并将采样数据实时输入到第二计量芯片6上；

2)第一计量芯片4通过第一光耦组1将相线电流的采样值传输给主控MCUⅠ，第二计量芯片6通过第二光耦组2将零线电流的采样值传输给主控MCUⅠ，通过主控MCUⅠ对相线电流、零线电流同相位的瞬时值比较，主控MCUⅠ、计量芯片4、计量芯片6、第一光耦组1及第二光耦组2各电路性能满足检测处理的实时性和准确性要求；

3)由相线L到零线N进入的电流与流出的电流一样时，漏电流为0；由相线到零线进入的电流与流出的电流不一样时，则产生漏电流，说明有电流从其他地方流走；

4)即漏电电流：I漏＝I相-I零，从而实现对偷电、漏电的实时监测。

本发明提供的单相电能表防窃电功能，对于短接单相电能表接线的窃电行为，通过检测相线、零线电流有效值的大小来判别，实现可靠的窃电检测；

检测漏电电流的大小，是防止事故的发生或检测用电系统的绝缘状况，以监视用电系统安全运行的基本方式，漏电保护是防止触电事故的有效措施，为了保证人身安全，额定漏电动作电流应不大于人体安全电流值，国际上公认30mA为人体安全电流值；

因为漏电保护的动作阈值很小，对常用的额定电流为60A的单相电能表，通过相线电流I相、零线电流I零，计算获得漏电电流I漏(I漏＝I相-I零)，检测电流的精确度不易达到要求；为了保证漏电检测精度和漏电保护动作反应灵敏性，本发明采用相同的双锰铜采样电阻以及同等精度的计量芯片，电路参数和工艺设计上进行对称化，并经过软件方法的校正，实现相线、零线电流的测量线性度和精度完全一致，同时设置对零线电流校正系数做第二次精密校准，使零线电流与相线电流数值完全相等的漏电校验结构，避免产生检测误差的漏电判断，有效实现可靠的漏电检测。

在电能表常规的计量和检测功能之外，为了实现可靠的漏电检测，主控MCUⅠ等间隔均匀地读取第一计量芯片4、第二计量芯片6采集的相线、零线电流瞬时值，分别顺序排列，定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，如下表：

从而间接的实现了相线电流、零线电流的同步采样，以进行相线电流、零线电流有效的瞬时值比较。

在非漏电的正常工作情况下，相线电流、零线电流对应的时标瞬时值相等；在发生漏电的异常工作情况下，相线、零线电流对应的时标瞬时值发生偏差。主控MCUⅠ及时作出漏电判断，从而快速切断智能电能表的负荷开关K，实现漏电的可靠保护。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于：包括设置在电能表中的主控MCU、相线检测电路、零线检测电路，相线检测电路通过第一光耦组电性连接主控MCU，零线检测电路通过第二光耦组电性连接主控MCU；

所述主控MCU包括MCU控制器，MCU控制器在电能表校表时，通过软件方法改变计量芯片中的校正系数，将相线电流、零线电流的测量值校正。设置有对零线电流校正系数做第二次精密校准，使零线电流与相线电流数值完全相等的漏电校验结构；

所述相线检测电路包括可对相线电流取样的第一锰铜电阻、以及与第一锰铜电阻电性连接的第一计量芯片，第一计量芯片通过第一光耦组连接在MCU控制器；

所述零线检测电路包括可对零线电流取样的第二锰铜电阻，以及与第二锰铜电阻电性连接的第二计量芯片，第二计量芯片通过第二光耦组连接在MCU控制器。

2.如权利要求1所述的一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于：所述第一计量芯片上设置有电压采样电路，电压采样电路由串联电阻分压和并联电容滤波构成。

3.如权利要求1所述的一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于：所述第一计量芯片上还设置晶振电路，晶振电路由一个压电晶体和两脚分别并联一个接地的电容构成。

4.如权利要求1所述的一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于：所述主控MCU还包括显示模块、存储模块、通信模块，显示模块、存储模块、通信模块均电性连接MCU控制器。

5.如权利要求1所述的一种带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于：所述第一锰铜电阻和第二锰铜电阻为相同规格的采样电阻，第一计量芯片和第二计量芯片为相同精度规格的计量芯片。

6.一种基于如权力所述的带时标/相位角的瞬时值防偷电漏电检测的单相电能表，其特征在于，包括如下检测方法：

1)电能表连接在交流电源供电电路的入户端口，第一锰铜电阻连接相线对相线电流采样，并将采样数据实时传输给第一计量芯片；同时，第二锰铜电阻连接零线对零线电流采样，并将采样数据实时传输给第二计量芯片；

2)第一计量芯片通过第一光耦组将相线电流的采样值传输给主控MCU，第二计量芯片通过第二光耦组将零线电流的采样值传输给主控MCU，通过主控MCU对相线电流、零线电流的采样值顺序排列，定义系列时标/相位角瞬时值，按电流周期变化的规律，将相线、零线电流的瞬时值序列排列为同相位的时标瞬时值对应，进行对应的时标/相位角瞬时值比较；

3)由相线到零线进入的电流与流出的电流一样时，漏电流为0；由相线到零线进入的电流与流出的电流不一样时，则产生漏电流，说明有电流从其他地方流走；

4)即漏电电流：I漏＝I相-I零，从而实现对偷电、漏电的实时监测。

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