CN201075117Y - 单相防窃电电能表 - Google Patents

Abstract

单相防窃电电能表，不论在发达国家还是在发展中国家，窃电都是一个非常棘手的问题，每年都给供电企业造成巨大损失。单相防窃电电能表，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳中的电源模块，所述的外壳中装有相互连接的取样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示及存贮模块、通讯模块和实时时钟模块。本产品的电表设计用于220V/50Hz电网，基本电流10A，最大电流40A的电能表。

Description

单相防窃电电能表

技术领域：

本实用新型涉及一种新型的单相防窃电电能表。

背景技术：

不论在发达国家还是在发展中国家，窃电都是一个非常棘手的问题，每年都给供电企业造成巨大损失。现在的防窃电方法多是从管理上采取措施，用这些方法即使查出了窃电行为，也往往由于缺乏依据而无法确定处罚额，甚至有时供电企业面临无法拿出窃电证据的尴尬。只有提高电能表本身的防窃电技术，才能从根本上杜绝窃电发生。由于窃电方法千变万化，防窃电电表设计一直是电表工程师面临的严峻挑战，数字式电表的发展为解决窃电问题提供了新途径。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种能有效防止窃电的单相防窃电电能表。

本实用新型的目的是这样实现的：

单相防窃电电能表，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳中的电源模块，所述的外壳中装有相互连接的取样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示及存贮模块、通讯模块和实时时钟模块。

所述的单相防窃电电能表，所述的取样电路模块包括将电压和电流分别由电阻分压器和电流互感器和锰铜分流器取样，并将所取得的取样信号送入计量模块的计量芯片。

所述的单相防窃电电能表，所述的由计量芯片对信号进行采样并转换为数字信号，经过相位校正，计算出电能、电流、电压等数据后，由计量芯片自动选择电流较大的通道计算电能，并通过线路将这些数据通过SPI接口传送给与之相连接的计量模块中的读取计量单片机，以构成计量模块。

所述的单相防窃电电能表，所述的计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累计、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表工作状态，记录所发生的窃电事件，输出窃电指示信号，读取计量单片机具有多种总线接口，其SPI接口用于连接计量芯片，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存贮，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。

所述的单相防窃电电能表，所述的实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时标，CPU时钟源也采用内部的RC振荡器，通过DIVM寄存器2分频将CPU时钟调整为3.686MHz，采用内部和外部双看门狗的设计，内部看门狗使用独立振荡器，将计量芯片设置为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到计量单片机的键盘中断口。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本产品采用最先进的集成电路技术。采用表面装贴工艺，功能上具备了双回路有功电能计量，防止用户窃电的新型电能表。并且错误接线指示、窃电指示功能的新型电能表。全部采用SMT表贴工艺，贴片机全自动焊接、流水线作业、专用校验台检测、高低温老化，完全是现代化企业规模生产，产品性能稳定、可靠性非常高。

2.本产品具有高精度即在500∶1的动态范围内平均误差小于0.3％，信号跳动小于0.3％。本产品可以精确测量正、负两个电流采样端，分别采样火线和零线电流，取两个电流采样端中较大值作为计量(即使在错误用电时)。本产品具有防潜动功能。本产品功耗低耗小于1W。

3.本产品有两个电流采样端，分别采样火线和零线电流，当电流误差超过12.5％时，表明有窃电行为或错误接线，发出指示信号，并按照两个电流中大的一个电流值计量。本产品具有测量负向有功功率的功能，能把负向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的脉冲输出。

4.机械异步电机式计度器指示有功电能。两频输出。高频用于计算测试，低频用于计数装置。

5.本方案设计的电表，可以防止以下几种窃电行为：A.进出线反接：即负载端和电网端接线对调，此时测得的电能为负值。此时对于普通机械式电表，其计度器将反转，导致读数减少，而本表仍按正向累计电量；b.进出线旁路：即相线或零线的进线和出线被旁路，此时普通电表会少计旁路电能，本表则能准确计量实际耗电；c.相零对调：即相线与零线对调，本表仍能准确计量电能；d.负载接地：即负载只接相线，而将零线接入大地，本表仍能准确计量电能；e.相零对调并且负载接地：此时普通电表不计电能，而本表能准确计量电能；f.单线计量：即在入线侧将零线断开，负载接出线侧相线，另一端接地。此时普通电表不能工作，无法计量电能，本表在负载电流达到2A以上时，可以计量电能，并且精度可以达到1％以上。以上各种手法组合使用时，本表也能达到防窃电目的。

6.单相防窃电电能表的使用，通过技术手段进行窃电行为的防治，这样会减少国家大量的电力损失，为创建节约型社会作出贡献，减少人员的维护成本增加，用电管理部门的经济效益，并且能够取得更大的社会效益。

7.单相电子式防窃电电能表可以有效防止多种窃电行为。随着市场经济体制的建立，电力已经作为一种商品走向市场，电力企业管理正转向商业化运行。及时开发并推出适合国情，既面向未来电量管理自动化建设的需要，又适应现行的运行管理体制的单相电子式防窃电电能表，是用电控制、管理的大势所趋。

8.通过单相防窃电电能表的使用，通过技术手段进行窃电行为的防治，这样会减少国家大量的电力损失，为创建节约型社会作出贡献，减少人员的维护成本增加，用电管理部门的经济效益，并且能够取得更大的社会效益。

附图说明：

附图1是本产品的计量芯片的结构原理图。

附图2是本产品的工作原理图。

附图3是本产品的电原理图。

附图4是本产品的一种外观结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

本产品的电表设计用于220V/50Hz电网，基本电流10A，最大电流40A的单相防窃电电能表，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳中的电源模块，所述的外壳中装有相互连接的取样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示及存贮模块、通讯模块和实时时钟模块。连接关系见附图所示。带有相同标号的电路之间具有连接关系。

所述的取样电路模块包括将电压和电流分别由电阻分压器和电流互感器和锰铜分流器取样，并将所取得的取样信号送入计量模块的计量芯片。

所述的单相防窃电电能表，所述的由计量芯片对信号进行采样并转换为数字信号，经过相位校正，计算出电能、电流、电压等数据后，由计量芯片自动选择电流较大的通道计算电能，并通过线路将这些数据通过SPI接口传送给与之相连接的计量模块中的读取计量单片机，以构成计量模块。

所述的单相防窃电电能表，其特征是：所述的计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累计、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表工作状态，记录所发生的窃电事件，输出窃电指示信号，读取计量单片机具有多种总线接口，其SPI接口用于连接计量芯片，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存贮，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。

所述的单相防窃电电能表，所述的实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时标，CPU时钟源也采用内部的RC振荡器，通过DIVM寄存器2分频将CPU时钟调整为3.686MHz，采用内部和外部双看门狗的设计，内部看门狗使用独立振荡器，将计量芯片设置为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到计量单片机的键盘中断口。

本产品中的STPM01是第一款电能计量专用芯片，有一个电压通道和两个电流通道，可以测量有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值以及电流有效值和瞬时值。其电流传感器可以选用电流互感器或者锰铜分流器。它是一款高精度计量芯片，在5％到1,000％动态范围内，可达到0.2％。STMP01主要由两部分组成即模拟部分和数字部分，包括前值放大器、A/D转换器、带隙电压基准、调压器、DSP和SPI接口等。芯片上还配置了56位OTP存贮器，可以将校表数据等信息烧录到芯片上。调压器除了向内部模拟和数字电路供电外，还向外部提供3V和1.5V电源。

电压通道的差分放大器增益为4倍，其输入最大差分信号为±0.3V。电流通道除了前置放大器外，还有一个可编程放大器，两个电流通道的放大倍数可独立编程，这为电流通道选用不同的传感器提供了方便。

STPM01内部有2个有功电能寄存器，即0类有功电能和1类有功电能。0类为基波有功电能，1类为含谐波的总有功电能(FUND＝1时)。因此利用这两个寄存器可以计算出谐波电能含量。除测量和配置寄存器外片内还设有状态寄存器和模式寄存器。

通过设置配置位，STPM01可以独立工作，也可以作为单片机外围设备。在独立模式下，STPM01(MON和MOP管脚)可以直接驱动步进电机计度器，同时LED管脚输出有功电能脉冲，脉冲常数通过配置位选择。此模式下，SDA/TD管脚输出窃电指示信号，SCL/NLC管脚输出无负载指示信号，SYN管脚输出电能反向指示信号。上电后，芯片按照OTP中的配置信息进行工作。

作为单片机外围设备时，STPM01可作为从机通过SPI接口与单片机通信，将测量数据、状态信息和配置信息传送给单片机，单片机还可以修改其配置位，实时更改STPM01的工作方式。配置位APL＝0时，MOP管脚输出电压过零信号，MON输出看门狗信号。而通过设置配置位KMOT，LED管脚可以输出基波有功电能、总有功电能、无功电能或视在电能脉冲；APL＝1时，MOP脚输出电压A/D转换值，MON脚输出电流A/D转换值，LED脚输出电流通道选择信号。

STPM01有两个电流通道，可分别用于监测火线和零线电流，当两者的差别超过设定阀值时，芯片进入窃电状态，取较大者用于电能计算。阀值可通过配置位设为12.5％或6.25％。当两通道电流符号不同时，不判断电流大小直接进入窃电状态。在窃电状态下，窃电状态位BIT置位，如果此时芯片工作在独立模式，窃电状态还通过SDATD管脚输出。

STPM01还有一种单线计量模式。如果FRS设为1，在没有输入电压信号或电压信号稳定不变时，芯片进入单线计量模式。此时不对电压信号采样，而用设定的额定电压计算电能(按功率因数为1计算)。单线计量模式要求电流传感器必须采用高夫斯基(ROGOWSKI)线圈。累加方式也可以选择，配置位ABS置1时电能按绝对值累计，ABS清零时电能按代数和累计。

本产品选用的PIC24FJ128GA006是一款低成本单片机，它采用了高性能处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。它实际上是PIC24FJ128GA006微控制器和PCF8576D液晶驱动器的复合体。其主要特性如下：16KB的Flash程序存储器，单字节擦除特性使每个字节都可用作非易失性数据存储器；256B RAM数据存储器；4×32段LCD驱动器；2个模拟比较器，2个16位定时/计数器和1个RTC定时器；8个键盘中断输入，2路外部中断输入；4个中断优先级；有20~23个I/O口，端口驱动能力20mA；具有I2C、SPI和增强型UART端口；CPU时钟可选择片内看门狗振荡器、片内RC振荡器、外部晶振振荡器或外部时钟源；掉电检测可在电源故障时使系统安全关闭；具有空闲和两种不同的掉电模式及唤醒功能；可选择片内复位或外部复位；支持ICP、ISP和IAP编程，Flash保密位防止程序读出；VDD工作电压范围为2.4~3.6V，I/O口可承受5V。

电压和电流分别由电阻分压器和电流互感器和锰铜分流器取样，取样信号送入计量芯片STPM01，由STPM01对信号进行采样并转换为数字信号，再经过相位校正，计算出电能、电流、电压等数据，STPM01自动选择电流较大的通道计算电能。这些数据通过SPI接口传送给PIC24FJ128GA006。

PIC24FJ128GA006读取计量芯片数据后，完成电能的累计、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表工作状态，记录所发生的窃电事件，给出窃电指示信号。通过红外通讯模块实现对电表数据抄读和设置，电源模块为整个系统提供工作电源，电源掉电后，单片机关闭液晶显示，进入完全掉电模式，将功耗降到最低，仅由后备电池维持单片机内部RTC运行。

PIC24FJ128GA006资源十分丰富，具有多种总线接口。其SPI接口用于连接STPM01，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存贮，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。为降低成本，采用内部RTC为事件记录提供时标，CPU时钟源也采用内部的RC振荡器，通过DIVM寄存器2分频将CPU时钟调整为3.686MHz，以降低系统功耗。采用内部和外部双看门狗的设计，提供系统可靠性。内部看门狗使用独立振荡器，将STPM01设置为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到PIC24FJ128GA006的键盘中断口。

取样电路设计

电压取样采用电阻分压，考虑到贴片电阻的耐压有限，选用4只200kΩ电阻做分压器。STPM01电压通道最大输入差分电压为±0.3V，对于50Hz交流电，对应有效值为0.21VRMS，输入信号不能大于此最大值，否则会出现削峰。考虑到余量，对于220V额定电压，我们取0.16VRMS，则取样电阻＝200×4×0.16/220＝581Ω，我们选560Ω作为取样电阻。

相电流传感器我们采用互感器，变比为5,000∶1。该通道增益设置为8，则输入最大信号为0.105VRMS，考虑到一定余量，在40A时，输入信号选择在0.08VRMS左右，则互感器负载电阻为0.08/40×5,000＝10Ω。

零线电流通道我们采用锰铜分流器，分流器阻值取250μΩ。阻值不能取得过大或过小，如果选得过小，则在小电流时取样信号太微弱，导致误差增大，容易超差。如果选得过大，则大电流时分流器发热过大，造成误差不稳定。对于250μΩ分流器，在40A时其两端电压信号为250×40＝10,000μV，即10mVRMS。取样信号非常小，所以该通道增益应设置为最大即32倍，此时信号输入最大幅度为26.25mVRMS。实际最大输入信号小于允许的最大输入信号，分流器阻值选择合理。

电源电路设计

电源模块由主电源和副电源组成，主电源在电压线路电压存在时工作。当电压消失，而电流线路有电流时，副电源为系统提供电源，此时电表按照设定方式计量电能。

STPM01工作电压为3.0~5.5V，PIC24FJ128GA006工作电压为2.4~3.6V，考虑到功耗和余量，系统工作电压设计为3.3V。主电源我们采用线性电源，220V交流电经变压、整流、滤波和稳压后得到3.3V电源。对于副电源，首先由一个电流-电压感应器将电流线路的电流通过电磁感应转换为交流电压，当火线和零线中的电流大小相等方向相反时，感应器无电压输出，否则会输出一定幅度的电压，此电压经整流、滤波和稳压后得到3.3V电源。

软件设计

电表软件采用模块化设计，主要包括以下几个子程序：电能计量子程序、显示子程序、日历子程序、掉电处理子程序、通讯子程序等。

这里主要介绍一下电能计量子程序。电表上电后，主程序进行初始化，写入STPM01配置参数，设定定时时间以定时调用电能计量子程序。计量子程序读取测量数据和状态，计算出电量值并输出电能脉冲。主电源失电后，若从STPM01读取得电流值不为零，则认为电表处于单线计量的窃电状态，此时以额定电压计算电量。定时读取STPM01的时间，应满足在最大电流时，电能寄存器不发生溢出，并考虑一定过载余量。由于启用了STPM01的看门狗功能，如果1.6s内没有对STPM01进行读/写，STPM01就会输出看门狗信号，使MCU产生中断。因此，定时读取时间最长不能超过1.6s。

附图标记说明：图4中：1、铜质铅封钉。2、表盖铅封孔。3、机械式计度器显示窗口。4、停电指示灯。5、有功电能指示脉冲灯。6、面板。7、表盖。8、端子盖铅封孔。9、端钮盖穿孔铜钉。10、端钮盖。

Claims (5)

1.一种单相防窃电电能表，其组成包括：外壳，安装在所述的外壳中的电源模块，其特征是：所述的外壳中装有相互连接的取样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示及存贮模块、通讯模块和实时时钟模块。

2.根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：所述的取样电路模块包括将电压和电流分别由电阻分压器和电流互感器和锰铜分流器取样，并将所取得的取样信号送入计量模块的计量芯片。

3.根据权利要求1或2所述的单相防窃电电能表，其特征是：所述的由计量芯片对信号进行采样并转换为数字信号，经过相位校正，计算出电能、电流、电压等数据后，由计量芯片自动选择电流较大的通道计算电能，并通过线路将这些数据通过SPI接口传送给与之相连接的计量模块中的读取计量单片机，以构成计量模块。

4.根据权利要求1或2所述的单相防窃电电能表，其特征是：所述的计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累计、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表工作状态，记录所发生的窃电事件，输出窃电指示信号，读取计量单片机具有多种总线接口，其SPI接口用于连接计量芯片，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存贮，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。

5.根据权利要求1或2所述的单相防窃电电能表，其特征是：所述的实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时标，CPU时钟源也采用内部的RC振荡器，通过DIVM寄存器2分频将CPU时钟调整为3.686MHz，采用内部和外部双看门狗的设计，内部看门狗使用独立振荡器，将计量芯片设置为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到计量单片机的键盘中断口。

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