CN201181315Y - 单相防窃电电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微功耗单相电能表防窃电电能表，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的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机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中电压取样信号输入端，单片机中驱动模块接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，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，供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源，单片机为MSP430F42X。

Description

单相防窃电电能表

技术领域

本实用新型涉及一种微功耗单相电能表防窃电电能表，属电能表制造领域。

背景技术

本申请人所有CN1648675A、名称“单相防窃电电能表及防窃电计量方法”，该电能表的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。其美中不足的是：一是MSP430FE42X内置有计量芯片，其计量的方式为固定模式，造成电能表在防窃电检测测量的过程中，能耗高，检测方法不尽完美，精度不理想；二是成本高。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种不采用计量芯片且能够根据单片机MSP430FE42X内在特性，通过测量计算的方法，使单片机MSP430FE42X能够高可靠性、高精度、超低能耗地完成防窃电测量、计算的单相防窃电电能表。

设计方案：为实现上述设计目的，本实用新型在防窃电电能表的硬件选择及方法设计上：

1、采用无内置计量芯片的单片机作为本实用新型的主处理器，由于MSP430系列单片机是一款超低功耗，16位RISC结构的单片机，具有丰富的外围模块，灵活的时钟源，其中数字控制振荡器DC0可使器件从低功耗模式迅速唤醒，16个寄存器和常数发生器使MSP430系列微控制器能达到最高的代码效率。

MSP430F42x系列单片机配置有三个独立的24位∑-Δ模数转换器，是适用于测量和计算二线或三线制的单相电能表的微控制器。

2、MSP430的超低功耗特性：

要实现全失压测量，要求MCU的功耗低，功能强大。MSP430系列单片机是一款超低功耗单片机，具有以下一些特性：(1)工作电压：1.8V-3.6V；(2)超低功耗活动模式：200μA(2.2V，1MHz)；(3)待机模式：1.1μA；(4)关闭模式(RAM保持)：0.1μA；(5)5种省电模式：从待机模式唤醒少于6微秒，MSP430F2xxx系列从待机模式唤醒少于1微秒；16位RISC结构，125纳秒指令周期；MSP430F2xxx系列指令周期为62.5纳秒；(6)具有丰富的外围模块：ADC12：16位定时器Timer_B(7个捕获/比较寄存器)；16位定时器Timer_A(3个捕获/比较寄存器)；两路串行通讯接口：USART0，USART1；硬件乘法器；集成160段LCD驱动；内置模拟比较器Comparator-A(6)上电复位电路，供电电压管理监视模块。

3、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的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机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中电压取样信号输入端，单片机中驱动模块接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，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，供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源，所述的单片机为MSP430F42X。

本实用新型与背景技术相比，充分利用单片机MSP430FE43X的内在特性，采用测量计算方法，不仅能够高效、高可靠性、高精度地达到防窃电测量计算的目的，而且所构成的防窃电电能表，在防窃电测量的过程中，能耗极低、精度极高。

附图说明

图1是MSP430F42X单相防窃电电能表功能框图。

图2是MSP430F42X系列单片机模拟前端电路图。

图3为电源管理的电路图。

图4是单相电能表防窃电的流程图。

图5是中断程序流程图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1～5。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的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机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中电压取样信号输入端，单片机中驱动模块接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，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，供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源，所述的单片机为MSP430F42X，MSP430F42x系列单片机配置有三个独立的24位∑-Δ模数转换器，是适用于测量和计算二线或三线制的单相电能表的微控制器。

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MSP430F42X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MSP430F42X中电流取样信号的输入端。

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MSP430F42X中电压取样信号输入端。

1、MSP430系列单片机是一款超低功耗，16位RISC结构的单片机，具有丰富的外围模块，灵活的时钟源，其中数字控制振荡器DC0可使器件从低功耗模式迅速唤醒，16个寄存器和常数发生器使MSP430系列微控制器能达到最高的代码效率。它的这些特性特别适合电池供电，可大大延长电池寿命。

MSP430F42x系列单片机配置有三个独立的24位∑-Δ模数转换器，是适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，很容易的实现单相电能表以下防窃电的测量：

(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。

2、MSP430F42x单相防窃电电能表功能结构：

MSP430F42X单相防窃电电能表可实现较全面的防窃电测量，图1是MSP430F42X单相防窃电电表功能框图，MSP430F42X单相防窃电电能表可分为以下几个功能模块：多功能防窃电计量、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。

3、多功能防窃电计量：

多功能计量体现在电能表能够实现有功、无功、视在功率、功率因数，电流有效值、电压有效值、频率、相位等的测量。

三种主要的防窃电测量：

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，通常电流不平衡表现为零线接地或火线短接。

为了检测电流的不平衡，除了检测火线的电流外，还要检测零线的电流，因此需要两个电流传感器；由于隔离原因，可以在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。在这里，以火线上使用电流互感器，接在I1+，I1-上，零线上使用锰铜电阻，接在I2+，I2-上为例，画出MSP430F42X单相防窃电电能表功能框图，如图1所示。

在图1MSP430F42X单相防窃电电能表功能框图中，内置三个独立24位∑-ΔADC的单片机MSP430F42X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。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。通过在单片机内部判断测量的功率的正负来检测电流是否反向，不需要任何的辅助元器件就能实现电流反向的检测。同时，我们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获取很小的电能，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，选择从电流上取电的CT是受限制的，因此能从电流上获取的给电能表供电的电能也受限制的，特别当负载电流很小时，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MSP430F42X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。模拟前端的具体电路如图2所示。

4、电源管理：

图1MSP430F42X单相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3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MSP430F42X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。

5、LCD显示：

MSP430F42x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MSP430F42x对应的LCD驱动输出的脚相连即可。

6、通信接口：

MSP430F42x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。MSP430F427x单相防窃电电能表可选择光学通信接口、RS-232/RS-485接口或者两者兼有。

7、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。

8、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。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本实用新型作了比较详细的说明，但是这些说明只是说明性的，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神内的发明创造，均落入本实用新型的保护范围内；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 (4)

1、一种单相防窃电电能表，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的电源端，电流不平衡检测电路的信号输出端接单片机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中电压取样信号输入端，单片机中驱动模块接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，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，供电电流互感器从电流回路中窃电，提供电表工作电源，其特征是：所述的单片机为MSP430F42X。

2、根据权利要求1所述的单相防窃电电能表，其特征是：MSP430F42x系列单片机配置有三个独立的24位∑-Δ模数转换器，是适用于测量和计算二线或三线制的单相电能表的微控制器。

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MSP430F42X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MSP430F42X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：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MSP430F42X中电压取样信号输入端。

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