CN1648675A - 单相防窃电电能表及防窃电计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防窃电电能表及工作方法，属电能表制造领域。电源管理模块电源输入端分别接交流电火线和零线、供电电流互感器、电池，电源管理模块输出端接单片机MSP430FE42X的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X的接单片机中电流取样信号的输入端，防窃电检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端，电压检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端，单片机MSP430FE42X中驱动模块接LCD显示器、硬件通用异步/同步接收发送模块接通信接口、脉冲输出接口用于校表和计量。

Description

单相防窃电电能表及防窃电计量方法

技术领域：

本发明涉及一种防窃电电能表及工作方法，属电能表制造领域。

背景技术：

专利号ZL96214677.3、名称“防窃电电能表”，防窃电电能表属电能计量、记录仪表，是在普通型感应系电能表内对电压驱动电路、电流驱动电路做了完善的改进，并采用电流检测电路和控制电路构成，从而达到多方位防窃电的功能，其结构合理、性能可靠、对任何窃电行为反应灵敏，平时是正常计量电能表，有窃电行为时电能表加快计度，对窃电现象进行惩罚，终止窃电时自动恢复正常计量状态。

发明内容：

设计目的：设计一种一是当电能表交流电零线接地或火线短接时，能够有效地进行电流不平衡的防窃电测量与计量；二是当电能表交流电火线的进出端口连接对换时，能够有效地进行电流反向时的防窃电测量与计量；三是电能表拆除电表的零线或火线连接、没有电压信号进入电能表时，能够有效地进行移除主电压时的防窃电测量与计量。

设计方案：一、设计理念：本发明采用德州仪器MSP430系列超低功耗控制器作为单相防窃电电能表的设计主体，它针对多种不同应用采用不同外围模块的芯片组成，其结构与五种功耗的模式相结合，延长电池使用寿命。MSP430FE42x系列单片机配置有三个独立的16位∑-Δ模数转换器和嵌入式信号处理内核(ESP430)、是用于测量和计算二线或三线制的单相电能表的微控制器，配合MSP430的超低功耗性能，可以较为容易的实现单相电能表的以下等防窃电测量：①电流不平衡时的防窃电测量：电流不平衡典型为零线接地或火线短接；②电流反向时的防窃电测量：电流反向典型为火线的进出端口连接对换；③移除主电压时的防窃电测量：移除主电压典型为拆除电表的零线或火线连接，没有电压信号进入电表。二、设计结构：MSP430FE42X单相防窃电电能表可实现较全面的防窃电测量，结合图1MSP430FE42X防窃电电表功能框图，MSP430FE42X单相防窃电电能表可分为以下几个功能模块：防窃电多功能计量、电源管理、LCD显示、通信接口、脉冲输出、带温度补偿实时时钟等。1、防窃电多功能计量：多功能计量体现在电能表能够实现有功、无功、视在功率、电流有效值、电压有效值、频率、相位等的测量。①电流不平衡时的防窃电测量：电流不平衡包括任何的火线和零线的测量得到的负载电流不平衡的情况，通常电流不平衡体现为零线接地或火线短接。要检测电流的不平衡，必须要额外增加一个电流传感器，以实现零线的电流检测；由于隔离原因，可以在第一路的电流通道上选用低成本的锰铜电阻，但是另一路就必须使用成本相对较高的电流互感器。在图1MSP430FE42X防窃电电表功能框图中，内置三个独立24位ADC的单片机MSP430FE42X进行两个电流通道(火线、零线)和一个电压通道的采样，并在单片机内部处理、比较两个电流通道的电流大小，实现电流不平衡时的检测和防窃电测量。两个电流通道的传感器分别选用了锰铜电阻和电流互感器，电压通道采用电阻分压实现。②电流反向时的防窃电测量：调换进出线是窃电者经常采取的窃电行为，电流反向典型为火线的进出端口连接对换。MSP430FE42X电能计量模块能实现检测电流反向功能，不需要任何的辅助元器件就能实现电流反向的检测。同时，可以预置电流反向时的处理方式，如电流反向时取功率或电能的绝对值为测量值等等，实现电流反向的防窃电测量。③移除主电压时的防窃电测量：移除主电压表现为移除电能表接线(火线和零线)中的其中一路，通常窃电者移除零线，使得电表没有电网电压的进入，导致电能表没有供电电源，不能正常计量或不能工作。对付这种窃电行为，可用一个低成本的电流互感器CT(图1中的供电CT)从剩下的连接电表的导线中流经的电流上窃取很小的电能，经过电源管理模块的处理，给电能表供电，使电能表实现防窃电测量。由于电能表成本、电能表表壳的尺寸以及电子元器件能够承受的最大电流的影响，选择从电流上窃电的CT是受限制的，因此能从电流上窃电给电能表供电的电能也受限制的，特别当负载电流很小是，能从电流上窃取的电能将不能胜任电能表供电电源。供电部门通常希望当负载电流大于1A-2A时就能实现电能表的防窃电测量，当然对于供电部门来说，这个能实现防窃电测量的负载最小电流极限值越小越好。基于以上的要求，需要选择一个在移除主电压防窃电测量时功耗很小的方案以保证能顺利完成防窃电的测量。所以配合MSP430FE42X系列单片机的超低功耗特性和丰富的模拟前端可以较为容易的实现移除主电压时的防窃电测量。2、电源管理：图1MSP430FE42X防窃电电表功能框图中，除电池外，电能表的电源供给有两步分组成，一是火线和零线的主电压提供电源，另一部分是供电CT从电流上窃取提供电源，所以当移除主电压时，供电CT从电流上窃取的电源仍能保存电能表工作，进行防窃电测量。图2为电源管理的电路图。供电CT需要在小电流时也能够驱动电能表工作。通常当负载电流为1A时，一个小的CT提供等效于1mA/3V，这对于具有丰富模拟前端的超低功耗的MSP430FE42X单片机来说已经可以实现防窃电测量。当然如果选用更大的CT能降低移除主电压防窃电测量的负载最小电流极限值，但是这一方面将增加供电CT的成本，另一方面，当负载电流很大时，电源管理相关的元器件将承受很大的压力，并有可能损坏，所以以选用大CT的方法来降低移除主电压防窃电测量的负载电流极限值是不可取的。3、LCD显示：MSP430FE42x内部具有LCD驱动器，最多可取动显示128段码，能很好的完成LCD显示功能，无需再扩展LCD驱动器，只要直接将液晶的各个脚与MSP430FE42x对应的LCD驱动输出的脚相连即可。4、通信接口：MSP430FE42x具有一个硬件通用异步/同步接收发送(USART0)外围模块，用于串行数据通信。MSP430FE427x单相多功能电能表可选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。5、脉冲输出：脉冲输出是用来校表、计量的，脉冲输出电路由普通I/O加光耦隔离实现，实现方式简洁。6、带温度补偿实时时钟RTC：实时时钟RTC可由MSP430单片机内部的定时器实现。内置的温度传感器可方便的实现温度的测量，实现对实时时钟RTC的温度补偿。

技术方案1：单相防窃电电能表，它包括表壳，电源管理模块电源输入端分别接交流电火线和零线、供电电流互感器、电池，电源管理模块输出端接单片机MSP430FE42X的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X的接单片机中电流取样信号的输入端，防窃电检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端，电压检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端，单片机MSP430FE42X中驱动模块接LCD显示器、硬件通用异步/同步接收发送模块接通信接口、脉冲输出接口用于校表和计量。

技术方案2：单相防窃电电能表防窃电计量方法，电表进入工作状态后，首先判断外部电压是否存在，若外部电压不存在则仅保持带温度补偿的实时时钟运行，并监控外部电压，一旦外部电压存在，则电能表切换到移除主电压防窃电计量状态，进而判断电网电压有效值是否大于电网电网的最小极限值，若小于，则保持在移除主电压防窃电计量状态，并监控外部电压存在与否；若大于，则切换到正常计量状态，在正常计量状态下，一方面监控外部电压，当外部电压不存在时，切换到仅实时时钟运行的状态，另一方面，如果外部电压存在，则保持在正常计量状态，并监控电压有效值，进一步确定电能表的工作状态。

本发明采用MSP430FE42x系列单片机作为防窃电电能表的主体，不仅结构设计新颖、独特、简单、实用、靠边，而且有效地实现了电流不平衡的防窃电测量与计量、电流反向时的防窃电测量与计量和移除主电压时的防窃电测量与计量。

附图说明：

图1是MSP430FE42X防窃电电表功能框图。

图2是电源管理的电路图。

图3是MSP430FE42X单相防窃电电能表防窃电测量流程图。

具体实施方式：

实施例1：参照附图1～2。单相防窃电电能表，它包括表壳，电源管理模块电源输入端分别接交流电火线和零线、供电电流互感器、电池，电源管理模块输出端接单片机MSP430FE42X的电源端，单片机MSP430FE42X中内置三个独立24位ADC。电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X的接单片机中电流取样信号的输入端，电流不平衡检测电路的电流信号取样端分别接分流电阻的两端，分流电阻串接在交流电零线上，电流不平衡检测电路的电流信号取样输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端。防窃电检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端，防窃电检测电路由电流互感器和取样电路构成，电流互感器套在单相交流电线上，其输出端与取样电路的输入端连接，取样电路的输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端。电压检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端，交流电电压检测电路的电压检测端分别与交流电火线和零线相接、电压信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端。单片机MSP430FE42X中驱动模块接LCD显示器、硬件通用异步/同步接收发送模块接通信接口、脉冲输出接口用于校表和计量。电源管理模块的电源输入端分别与单相交流电的火线和零线相接，供电电流互感器套在单相交流电线上，其电流检测信号的输出端接电源管理模块的信号输入端。MSP430FE42X防窃电电能表的工作原理有两个关节：外部电压(电网电压、供电CT产生或者两者共同起作用)、电压有效值。当外部电压不存在时，电表在睡眠状态，仅保持RTC运行和LCD显示。在外部电压存在的情况下，若电压有效值大于电网电压的最小极限值(如80V)，则认为电网电压存在，电能表在正常计量状态，通过电流回路和电压回路的实际测量值计量；若电压有效值小于电网电压的最小极限值(如80V)，则认为电网电压不存在，此时进入移除主电压防窃电测量状态，电压以这个地区的额定电压为准，电流以电流回路的实际测量值为准进行计量。

实施例2：参照附图3：单相防窃电电能表防窃电计量方法，电表进入工作状态后，首先判断外部电压是否存在，若外部电压不存在则仅保持带温度补偿的实时时钟运行，并监控外部电压，一旦外部电压存在，则电能表切换到移除主电压防窃电计量状态，进而判断电网电压有效值是否大于电网电网的最小极限值，若小于，则保持在移除主电压防窃电计量状态，并监控外部电压存在与否；若大于，则切换到正常计量状态，在正常计量状态下，一方面监控外部电压，当外部电压不存在时，切换到仅实时时钟运行的状态，另一方面，如果外部电压存在，则保持在正常计量状态，并监控电压有效值，进一步确定电能表的工作状态。供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是说明性的，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内；其次，本申请重点叙述了基于MSP430FE42X的低功耗性能和丰富的模拟前端等特性的防窃电电能表的防窃电功能，其所说的单相防窃电电能表是在正常的单相多功能、多费率电能表上加上防窃电功能，所以MSP430FE42X单相防窃电电能表可以是单相多功能表的形式，也可以是单相多费率的形式以及其他的电能表形式。

Claims (8)

1、一种单相防窃电电能表，它包括表壳，其特征是：电源管理模块电源输入端分别接交流电火线和零线、供电电流互感器、电池，电源管理模块输出端接单片机MSP430FE42X的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X的接单片机中电流取样信号的输入端，防窃电检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端，电压检测电路的信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端，单片机MSP430FE42X中驱动模块接LCD显示器、硬件通用异步/同步接收发送模块接通信接口、脉冲输出接口用于校表和计量。

2、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：电源管理模块的电源输入端分别与单相交流电的火线和零线相接，供电电流互感器套在单相交流电线上，其电流检测信号的输出端接电源管理模块的信号输入端。

3、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：电流不平衡检测电路的电流信号取样端分别接分流电阻的两端，分流电阻串接在交流电零线上，电流不平衡检测电路的电流信号取样输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端。

4、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：防窃电检测电路由电流互感器和取样电路构成，电流互感器套在单相交流电线上，其输出端与取样电路的输入端连接，取样电路的输出端接单片机MSP430FE42X中电流取样信号的输入端。

5、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：交流电电压检测电路的电压检测端分别与交流电火线和零线相接、电压信号输出端接单片机MSP430FE42X中电压取样信号输入端。

6、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：单片机MSP430FE42X中内置三个独立24位ADC。

7、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源。

8、一种单相防窃电电能表防窃电计量方法，其特征是：电表进入工作状态后，首先判断外部电压是否存在，若外部电压不存在则仅保持带温度补偿的实时时钟运行，并监控外部电压，一旦外部电压存在，则电能表切换到移除主电压防窃电计量状态，进而判断电网电压有效值是否大于电网电网的最小极限值，若小于，则保持在移除主电压防窃电计量状态，并监控外部电压存在与否；若大于，则切换到正常计量状态，在正常计量状态下，一方面监控外部电压，当外部电压不存在时，切换到仅实时时钟运行的状态，另一方面，如果外部电压存在，则保持在正常计量状态，并监控电压有效值，进一步确定电能表的工作状态。

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