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專利名稱：單相防竊電電能表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種防竊電電能表，屬電能表制造領域。
背景技術：
專利號ZL96214677.3、名稱“防竊電電能表”，防竊電電能表屬電能計量、記錄儀表，是在普通型感應系電能表內對電壓驅動電路、電流驅動電路做了完善的改進，并采用電流檢測電路和控制電路構成，從而達到多方位防竊電的功能，其結構合理、性能可靠、對任何竊電行為反應靈敏，平時是正常計量電能表，有竊電行為時電能表加快計度，對竊電現象進行懲罰，終止竊電時自動恢復正常計量狀態。

發明內容
設計目的設計一種一是當電能表交流電零線接地或火線短接時，能夠有效地進行電流不平衡的防竊電測量與計量；二是當電能表交流電火線的進出端口連接對換時，能夠有效地進行電流反向時的防竊電測量與計量；三是電能表拆除電表的零線或火線連接、沒有電壓信號進入電能表時，能夠有效地進行移除主電壓時的防竊電測量與計量。
設計方案一、設計理念本實用新型采用德州儀器MSP430系列超低功耗控制器作為單相防竊電電能表的設計主體，它針對多種不同應用采用不同外圍模塊的芯片組成，其結構與五種功耗的模式相結合，延長電池使用壽命。MSP430FE42x系列單片機配置有三個獨立的16位∑-Δ模數轉換器和嵌入式信號處理內核(ESP430)、是用于測量和計算二線或三線制的單相電能表的微控制器，配合MSP430的超低功耗性能，可以較為容易的實現單相電能表的以下等防竊電測量①電流不平衡時的防竊電測量電流不平衡典型為零線接地或火線短接；②電流反向時的防竊電測量電流反向典型為火線的進出端口連接對換；③移除主電壓時的防竊電測量移除主電壓典型為拆除電表的零線或火線連接，沒有電壓信號進入電表。二、設計結構MSP430FE42X單相防竊電電能表可實現較全面的防竊電測量，結合圖1MSP430FE42X防竊電電表功能框圖，MSP430FE42X單相防竊電電能表可分為以下幾個功能模塊防竊電多功能計量、電源管理、LCD顯示、通信接口、脈沖輸出、帶溫度補償實時時鐘等。1、防竊電多功能計量多功能計量體現在電能表能夠實現有功、無功、視在功率、電流有效值、電壓有效值、頻率、相位等的測量。①電流不平衡時的防竊電測量電流不平衡包括任何的火線和零線的測量得到的負載電流不平衡的情況，通常電流不平衡體現為零線接地或火線短接。要檢測電流的不平衡，必須要額外增加一個電流傳感器，以實現零線的電流檢測；由于隔離原因，可以在第一路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，但是另一路就必須使用成本相對較高的電流互感器。在圖1MSP430FE42X防竊電電表功能框圖中，內置三個獨立24位ADC的單片機MSP430FE42X進行兩個電流通道(火線、零線)和一個電壓通道的采樣，并在單片機內部處理、比較兩個電流通道的電流大小，實現電流不平衡時的檢測和防竊電測量。兩個電流通道的傳感器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實現。②電流反向時的防竊電測量調換進出線是竊電者經常采取的竊電行為，電流反向典型為火線的進出端口連接對換。MSP430FE42X電能計量模塊能實現檢測電流反向功能，不需要任何的輔助元器件就能實現電流反向的檢測。同時，可以預置電流反向時的處理方式，如電流反向時取功率或電能的絕對值為測量值等等，實現電流反向的防竊電測量。③移除主電壓時的防竊電測量移除主電壓表現為移除電能表接線(火線和零線)中的其中一路，通常竊電者移除零線，使得電表沒有電網電壓的進入，導致電能表沒有供電電源，不能正常計量或不能工作。對付這種竊電行為，可用一個低成本的電流互感器CT(圖1中的供電CT)從剩下的連接電表的導線中流經的電流上竊取很小的電能，經過電源管理模塊的處理，給電能表供電，使電能表實現防竊電測量。由于電能表成本、電能表表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流的影響，選擇從電流上竊電的CT是受限制的，因此能從電流上竊電給電能表供電的電能也受限制的，特別當負載電流很小是，能從電流上竊取的電能將不能勝任電能表供電電源。供電部門通常希望當負載電流大于1A-2A時就能實現電能表的防竊電測量，當然對于供電部門來說，這個能實現防竊電測量的負載最小電流極限值越小越好?；谝陨系囊?，需要選擇一個在移除主電壓防竊電測量時功耗很小的方案以保證能順利完成防竊電的測量。所以配合MSP430FE42X系列單片機的超低功耗特性和豐富的模擬前端可以較為容易的實現移除主電壓時的防竊電測量。2、電源管理圖1MSP430FE42X防竊電電表功能框圖中，除電池外，電能表的電源供給有兩步分組成，一是火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上竊取提供電源，所以當移除主電壓時，供電CT從電流上竊取的電源仍能保存電能表工作，進行防竊電測量。圖2為電源管理的電路圖。供電CT需要在小電流時也能夠驅動電能表工作。通常當負載電流為1A時，一個小的CT提供等效于1mA/3V，這對于具有豐富模擬前端的超低功耗的MSP430FE42X單片機來說已經可以實現防竊電測量。當然如果選用更大的CT能降低移除主電壓防竊電測量的負載最小電流極限值，但是這一方面將增加供電CT的成本，另一方面，當負載電流很大時，電源管理相關的元器件將承受很大的壓力，并有可能損壞，所以以選用大CT的方法來降低移除主電壓防竊電測量的負載電流極限值是不可取的。3、LCD顯示MSP430FE42x內部具有LCD驅動器，最多可取動顯示128段碼，能很好的完成LCD顯示功能，無需再擴展LCD驅動器，只要直接將液晶的各個腳與MSP430FE42x對應的LCD驅動輸出的腳相連即可。4、通信接口MSP430FE42x具有一個硬件通用異步/同步接收發送(USARTO)外圍模塊，用于串行數據通信。MSP430FE427x單相多功能電能表可選擇光學通信接口、RS-232/RS-485接口或者兩者兼有。5、脈沖輸出脈沖輸出是用來校表、計量的，脈沖輸出電路由普通I/O加光耦隔離實現，實現方式簡潔。6、帶溫度補償實時時鐘RTC實時時鐘RTC可由MSP430單片機內部的定時器實現。內置的溫度傳感器可方便的實現溫度的測量，實現對實時時鐘RTC的溫度補償。
技術方案1單相防竊電電能表，它包括表殼，電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機MSP430FE42X的電源端，電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X的接單片機中電流取樣信號的輸入端，防竊電檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端，電壓檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端，單片機MSP430FE42X中驅動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量。其防竊電計量方法電表進入工作狀態后，首先判斷外部電壓是否存在，若外部電壓不存在則僅保持帶溫度補償的實時時鐘運行，并監控外部電壓，一旦外部電壓存在，則電能表切換到移除主電壓防竊電計量狀態，進而判斷電網電壓有效值是否大于電網電網的最小極限值，若小于，則保持在移除主電壓防竊電計量狀態，并監控外部電壓存在與否；若大于，則切換到正常計量狀態，在正常計量狀態下，一方面監控外部電壓，當外部電壓不存在時，切換到僅實時時鐘運行的狀態，另一方面，如果外部電壓存在，則保持在正常計量狀態，并監控電壓有效值，進一步確定電能表的工作狀態。
本實用新型采用MSP430FE42x系列單片機作為防竊電電能表的主體，不僅結構設計新穎、獨特、簡單、實用、靠邊，而且有效地實現了電流不平衡的防竊電測量與計量、電流反向時的防竊電測量與計量和移除主電壓時的防竊電測量與計量。


圖1是MSP430FE42X防竊電電表功能框圖。
圖2是電源管理的電路圖。
圖3是MSP430FE42X單相防竊電電能表防竊電測量流程圖。
具體實施方式
實施例1參照附圖1～2。單相防竊電電能表，它包括表殼，電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機MSP430FE42X的電源端，單片機MSP430FE42X中內置三個獨立24位ADC。電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X的接單片機中電流取樣信號的輸入端，電流不平衡檢測電路的電流信號取樣端分別接分流電阻的兩端，分流電阻串接在交流電零線上，電流不平衡檢測電路的電流信號取樣輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端。防竊電檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端，防竊電檢測電路由電流互感器和取樣電路構成，電流互感器套在單相交流電線上，其輸出端與取樣電路的輸入端連接，取樣電路的輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端。電壓檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端，交流電電壓檢測電路的電壓檢測端分別與交流電火線和零線相接、電壓信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端。單片機MSP430FE42X中驅動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量。電源管理模塊的電源輸入端分別與單相交流電的火線和零線相接，供電電流互感器套在單相交流電線上，其電流檢測信號的輸出端接電源管理模塊的信號輸入端。MSP430FE42X防竊電電能表的工作原理有兩個關節外部電壓(電網電壓、供電CT產生或者兩者共同起作用)、電壓有效值。當外部電壓不存在時，電表在睡眠狀態，僅保持RTC運行和LCD顯示。在外部電壓存在的情況下，若電壓有效值大于電網電壓的最小極限值(如80V)，則認為電網電壓存在，電能表在正常計量狀態，通過電流回路和電壓回路的實際測量值計量；若電壓有效值小于電網電壓的最小極限值(如80V)，則認為電網電壓不存在，此時進入移除主電壓防竊電測量狀態，電壓以這個地區的額定電壓為準，電流以電流回路的實際測量值為準進行計量。
實施例2參照附圖3單相防竊電電能表防竊電計量方法，電表進入工作狀態后，首先判斷外部電壓是否存在，若外部電壓不存在則僅保持帶溫度補償的實時時鐘運行，并監控外部電壓，一旦外部電壓存在，則電能表切換到移除主電壓防竊電計量狀態，進而判斷電網電壓有效值是否大于電網電網的最小極限值，若小于，則保持在移除主電壓防竊電計量狀態，并監控外部電壓存在與否；若大于，則切換到正常計量狀態，在正常計量狀態下，一方面監控外部電壓，當外部電壓不存在時，切換到僅實時時鐘運行的狀態，另一方面，如果外部電壓存在，則保持在正常計量狀態，并監控電壓有效值，進一步確定電能表的工作狀態。供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源。
需要理解到的是上述實施例雖然對本實用新型作了比較詳細的說明，但是這些說明只是說明性的，而不是對本實用新型的限制，任何不超出本實用新型實質精神內的發明創造，均落入本實用新型的保護范圍內；其次，本申請重點敘述了基于MSP430FE42X的低功耗性能和豐富的模擬前端等特性的防竊電電能表的防竊電功能，其所說的單相防竊電電能表是在正常的單相多功能、多費率電能表上加上防竊電功能，所以MSP430FE42X單相防竊電電能表可以是單相多功能表的形式，也可以是單相多費率的形式以及其他的電能表形式。
權利要求1.一種單相防竊電電能表，它包括表殼，其特征是電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機MSP430FE42X的電源端，電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X的接單片機中電流取樣信號的輸入端，防竊電檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端，電壓檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端，單片機MSP430FE42X中驅動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量。
2.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是電源管理模塊的電源輸入端分別與單相交流電的火線和零線相接，供電電流互感器套在單相交流電線上，其電流檢測信號的輸出端接電源管理模塊的信號輸入端。
3.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是電流不平衡檢測電路的電流信號取樣端分別接分流電阻的兩端，分流電阻串接在交流電零線上，電流不平衡檢測電路的電流信號取樣輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端。
4.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是防竊電檢測電路由電流互感器和取樣電路構成，電流互感器套在單相交流電線上，其輸出端與取樣電路的輸入端連接，取樣電路的輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端。
5.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是交流電電壓檢測電路的電壓檢測端分別與交流電火線和零線相接、電壓信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端。
6.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是單片機MSP430FE42X中內置三個獨立24位ADC。
7.根據權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源。
專利摘要本實用新型涉及一種單相防竊電電能表，屬電能表制造領域。電源管理模塊電源輸入端分別接交流電火線和零線、供電電流互感器、電池，電源管理模塊輸出端接單片機MSP430FE42X的電源端，電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X的接單片機中電流取樣信號的輸入端，防竊電檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電流取樣信號的輸入端，電壓檢測電路的信號輸出端接單片機MSP430FE42X中電壓取樣信號輸入端，單片機MSP430FE42X中驅動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量。
文檔編號G01R11/00GK2781382SQ20052000868
公開日2006年5月17日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者陳賢興, 周震宇, 季燕飛 申請人:杭州利爾達單片機技術有限公司