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新型的單相防竊電電能表。
技術背景
不論在發(fā)達國家還是在發(fā)展中國家，竊電都是一個非常棘手的問題，每 年都給供電企業(yè)造成巨大損失?，F(xiàn)在的防竊電方法多是從管理上采取措施， 用這些方法即使査出了竊電行為，也往往由于缺乏依據(jù)而無法確定處罰額， 甚至有時供電企業(yè)面臨無法拿出竊電證據(jù)的尷尬。只有提高電能表本身的防 竊電技術，才能從根本上杜絕竊電發(fā)生。由于竊電方法千變?nèi)f化，防竊電電 表設計一直是電表工程師面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，數(shù)字式電表的發(fā)展為解決竊電問 題提供了新途徑。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種能有效防止竊電的單相防竊電電能表。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的 單相防竊電電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源模 塊，所述的外殼中裝有相互連接的取樣電路模塊、計量模塊、系統(tǒng)控制模塊、 數(shù)據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊和實時時鐘模塊。
所述的單相防竊電電能表，所述的取樣電路模塊包括將電壓和電流分別 由電阻分壓器和電流互感器和錳銅分流器取樣，并將所取得的取樣信號送入 計量模塊的計量芯片。
所述的單相防竊電電能表，所述的由計量芯片對信號進行采樣并轉換為 數(shù)字信號，經(jīng)過相位校正，計算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)后，由計量芯片 自動選擇電流較大的通道計算電能，并通過線路將這些數(shù)據(jù)通過SPI接口傳 送給與之相連接的計量模塊中的讀取計量單片機，以構成計量模塊。
所述的單相防竊電電能表，所述的計量單片機讀取計量芯片數(shù)據(jù)后，完 成電能的累計、存儲和顯示，并輸出電能脈沖，實時檢測電表工作狀態(tài)，記 錄所發(fā)生的竊電事件，輸出竊電指示信號，讀取計量單片機具有多種總線接
口，其SPI接口用于連接計量芯片，12C接口用于LCD顯示和EEPROM數(shù) 據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信，外部中斷l(xiāng)用于掉電檢測。
所述的單相防竊電電能表，所述的實時時鐘模塊采用內(nèi)部RTC為事件記 錄提供時標，CPU時鐘源也采用內(nèi)部的RC振蕩器，通過DIVM寄存器2分 頻將CPU時鐘調整為3.686MHz，采用內(nèi)部和外部雙看門狗的設計，內(nèi)部看 門狗使用獨立振蕩器，將計量芯片設置為外部看門狗，其看門狗復位信號連 接到計量單片機的鍵盤中斷口。
這個技術方案有以下有益效果
1.本產(chǎn)品采用最先進的集成電路技術。采用表面裝貼工藝，功能上具備 了雙回路有功電能計量，防止用戶竊電的新型電能表。并且錯誤接線指示、 竊電指示功能的新型電能表。全部采用SMT表貼工藝，貼片機全自動焊接、 流水線作業(yè)、專用校驗臺檢測、高低溫老化，完全是現(xiàn)代化企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)， 產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠性非常高。
2. 本產(chǎn)品具有高精度即在500: 1的動態(tài)范圍內(nèi)平均誤差小于0.3%,信號跳 動小于0.3%。本產(chǎn)品可以精確測量正、負兩個電流采樣端，分別采樣火線和 零線電流，取兩個電流采樣端中較大值作為計量(即使在錯誤用電時)。本產(chǎn) 品具有防潛動功能。本產(chǎn)品功耗低耗小于1W。
3. 本產(chǎn)品有兩個電流采樣端，分別采樣火線和零線電流，當電流誤差超過 12.5%時，表明有竊電行為或錯誤接線，發(fā)出指示信號，并按照兩個電流中大 的一個電流值計量。本產(chǎn)品具有測量負向有功功率的功能，能把負向有功功 率轉換成與正向有功功率方向一致的脈沖輸出。
4. 機械異步電機式計度器指示有功電能。兩頻輸出。高頻用于計算測試，低 頻用于計數(shù)裝置。'
5. 本方案設計的電表，可以防止以下幾種竊電行為:A.進出線反接即負載端 和電網(wǎng)端接線對調，此時測得的電能為負值。此時對于普通機械式電表，其 計度器將反轉，導致讀數(shù)減少，而本表仍按正向累計電量；b.進出線旁路-即相線或零線的進線和出線被旁路，此時普通電表會少計旁路電能，本表則 能準確計量實際耗電；c.相零對調即相線與零線對調，本表仍能準確計量
電能；d.負載接地即負載只接相線，而將零線接入大地，本表仍能準確計 量電能；e.相零對調并且負載接地此時普通電表不計電能，而本表能準確 計量電能；f.單線計量即在入線側將零線斷開，負載接出線側相線，另一 端接地。此時普通電表不能工作，無法計量電能，本表在負載電流達到2A以 上時，可以計量電能，并且精度可以達到1%以上。以上各種手法組合使用 時，本表也能達到防竊電目的。
6. 單相防竊電電能表的使用，通過技術手段進行竊電行為的防治，這樣 會減少國家大量的電力損失，為創(chuàng)建節(jié)約型社會作出貢獻，減少人員的維護 成本增加，用電管理部門的經(jīng)濟效益，并且能夠取得更大的社會效益。
7. 單相電子式防竊電電能表可以有效防止多種竊電行為。隨著市場經(jīng)濟 體制的建立，電力已經(jīng)作為一種商品走向市場，電力企業(yè)管理正轉向商業(yè)化 運行。及時開發(fā)并推出適合國情，既面向未來電量管理自動化建設的需要， 又適應現(xiàn)行的運行管理體制的單相電子式防竊電電能表，是用電控制、管理 的大勢所趨。
8. 通過單相防竊電電能表的使用，通過技術手段進行竊電行為的防治， 這樣會減少國家大量的電力損失，為創(chuàng)建節(jié)約型社會作出貢獻，減少人員的 維護成本增加，用電管理部門的經(jīng)濟效益，并且能夠取得更大的社會效益。
附圖1是本產(chǎn)品的計量芯片的結構原理圖。
附圖2是本產(chǎn)品的工作原理圖。
附圖3是本產(chǎn)品的電原理圖。
附圖4是本產(chǎn)品的一種外觀結構示意圖。
具體實施方式
' 實施例1:
本產(chǎn)品的電表設計用于220V/50Hz電網(wǎng)，基本電流IOA，最大電流40A
的單相防竊電電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源模塊，
所述的外殼中裝有相互連接的取樣電路模塊、計量模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù) 據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊和實時時鐘模塊。連接關系見附圖所示。帶有
相同標號的電路之間具有連接關系。
所述的取樣電路模塊包括將電壓和電流分別由電阻分壓器和電流互感器 和錳銅分流器取樣，并將所取得的取樣信號送入計量模塊的計量芯片。
所述的單相防竊電電能表，所述的由計量芯片對信號進行采樣并轉換為 數(shù)字信號，經(jīng)過相位校正，計算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)后，由計量芯片自動選擇電流較大的通道計算電能，并通過線路將這些數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給與之相連接的計量模塊中的讀取計量單片機，以構成計量模塊。
所述的單相防竊電電能表，其特征是所述的計量單片機讀取計量芯片 數(shù)據(jù)后，完成電能的累計、存儲和顯示，并輸出電能脈沖，實時檢測電表工 作狀態(tài)，記錄所發(fā)生的竊電事件，輸出竊電指示信號，讀取計量單片機具有 多種總線接口，其SPI接口用于連接計量芯片，I2C接口用于LCD顯示和 EEPROM數(shù)據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信，外部中斷l(xiāng)用于掉電檢測。 所述的單相防竊電電能表，所述的實時時鐘模塊采用內(nèi)部RTC為事件 記錄提供時標，CPU時鐘源也采用內(nèi)部的RC振蕩器，通過DIVM寄存器2 分頻將CPU時鐘調整為3.686MHz,采用內(nèi)部和外部雙看門狗的設計，內(nèi)部 看門狗使用獨立振蕩器，將計量芯片設置為外部看門狗，其看門狗復位信號 連接到計量單片機的鍵盤中斷口 。
本產(chǎn)品中的STPM01是第一款電能計量專用芯片，有一個電壓通道和兩個 電流通道，可以測量有功電能、無功電能、視在電能、電網(wǎng)頻率、電壓有效 值和瞬時值以及電流有效值和瞬時值。其電流傳感器可以選用電流互感器或 者錳銅分流器。它是一款高精度計量芯片，在5%到1，.000%動態(tài)范圍內(nèi)，可達 到0. 2%。 STMP01主要由兩部分組成即模擬部分和數(shù)字部分，包括前值放大器、 A/D轉換器、帶隙電壓基準、調壓器、DSP和SPI接口等。芯片上還配置了56 位0TP存貯器，可以將校表數(shù)據(jù)等信息燒錄到芯片上。調壓器除了向內(nèi)部模 擬和數(shù)字電路供電外，還向外部提供3V和1.5V電源。
電壓通道的差分放大器增益為4倍，其輸入最大差分信號為士0.3V。電流通 道除了前置放大器外，還有一個可編程放大器，兩個電流通道的放大倍數(shù)可 獨立編程，這為電流通道選用不同的傳感器提供了方便。
STPM01內(nèi)部有2個有功電能寄存器，即0類有功電能和1類有功電能。0類 為基波有功電能，1類為含諧波的總有功電能(FUND-1時)。因此利用這兩個 寄存器可以計算出諧波電能含量。除測量和配置寄存器外片內(nèi)還設有狀態(tài)寄 存器和模式寄存器。
通過設置配置位，STPM01可以獨立工作，也可以作為單片機外圍設備。在獨 立模式下，STPM01(M0N和M0P管腳)可以直接驅動步進電機計度器，同時LED 管腳輸出有功電能脈沖，脈沖常數(shù)通過配置位選擇。此模式下，SDA/TD管腳 輸出竊電指示信號，SCL/NLC管腳輸出無負載指示信號，SYN管腳輸出電能反 向指示信號。上電后，芯片按照OTP中的配置信息進行工作。
作為單片機外圍設備時，STPM01可作為從機通過SPI接口與單片機通信，將 測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和配置信息傳送給單片機，單片機還可以修改其配置位， 實時更改STPM01的工作方式。配置位APL = 0時，MOP管腳輸出電壓過零信號， MON輸出看門狗信號。而通過設置配置位KM0T, LED管腳可以輸出基波有功電 能、總有功電能、無功電能或視在電能脈沖；APL二1時，M0P腳輸出電壓A/D 轉換值，MON腳輸出電流A/D轉換值，LED腳輸出電流通道選擇信號。
STPM01有兩個電流通道，可分別用于監(jiān)測火線和零線電流，當兩者的差別超 過設定閥值時，芯片進入竊電狀態(tài)，取較大者用于電能計算。閥值可通過配 置位設為12.5%或6.25%。當兩通道電流符號不同時，不判斷電流大小直接 進入竊電狀態(tài)。在竊電狀態(tài)下，竊電狀態(tài)位BIT置位，如果此時芯片工作在 獨立模式，竊電狀態(tài)還通過SDATD管腳輸出。
STPM01還有一種單線計量模式。如果FRS設為1，在沒有輸入電壓信號或電 壓信號穩(wěn)定不變時，芯片進入單線計量模式。此時不對電壓信號采樣，而用設定的額定電壓計算電能(按功率因數(shù)為l計算)。單線計量模式要求電流傳
感器必須采用高夫斯基(ROGOWSKI)線圈。累加方式也可以選擇，配置位ABS 置l時電能按絕對值累計，ABS清零時電能按代數(shù)和累計。
本產(chǎn)品選用的PIC24FJ128GA006是一款低成本單片機，它采用了高性 能處理器結構，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。 它實際上是PIC24FJ128GA006微控制器和PCF8576D液晶驅動器的復合體。其 主要特性如下16KB的Flash程序存儲器，單字節(jié)擦除特性使每個字節(jié)都可 用作非易失性數(shù)據(jù)存儲器；256BRAM數(shù)據(jù)存儲器；4X32段LCD驅動器；2個 模擬比較器，2個16位定時/計數(shù)器和1個RTC定時器；8個鍵盤中斷輸入， 2路外部中斷輸入；4個中斷優(yōu)先級；有20 23個I/0口，端口驅動能力20mA; 具有I2C、 SPI和增強型UART端口； CPU時鐘可選擇片內(nèi)看門狗振蕩器、片內(nèi) RC振蕩器、外部晶振振蕩器或外部時鐘源；掉電檢測可在電源故障時使系統(tǒng) 安全關閉；具有空閑和兩種不同的掉電模式及喚醒功能;可選擇片內(nèi)復位或 外部復位；支持ICP、 ISP和IAP編程，F(xiàn)lash保密位防止程序讀出；VDD工 作電壓范圍為2.4 3. 6V, 1/0口可承受5V。
電壓和電流分別由電阻分壓器和電流互感器和錳銅分流器取樣，取樣信號送 入計量芯片STPMOl，由STPM01對信號進行采樣并轉換為數(shù)字信號，再經(jīng)過相 位校正，計算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)，STPM01自動選擇電流較大的通道 計算電能。這些數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給PIC24FJ128GA006。
PIC24FJ128GA006讀取計量芯片數(shù)據(jù)后，完成電能的累計、存儲和顯示，并輸 出電能脈沖，實時檢測電表工作狀態(tài)，記錄所發(fā)生的竊電事件，給出竊電指 示信號。通過紅外通訊模塊實現(xiàn)對電表數(shù)據(jù)抄讀和設置，電源模塊為整個系-統(tǒng)提供工作電源，電源掉電后，單片機關閉液晶顯示，進入完全掉電模式， 將功耗降到最低，僅由后備電池維持單片機內(nèi)部RTC運行。PIC24FJ128GA006資源十分豐富，具有多種總線接口。其SPI接口用于連接 STPMOl， 12C接口用于LCD顯示和EEPROM數(shù)據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信， 外部中斷l(xiāng)用于掉電檢測。為降低成本，釆用內(nèi)部RTC為事件記錄提供時標， CPU時鐘源也采用內(nèi)部的RC振蕩器，通過DIVM寄存器2分頻將CPU時鐘調整 為3.686MHz，以降低系統(tǒng)功耗。采用內(nèi)部和外部雙看門狗的設計，提供系統(tǒng) 可靠性。內(nèi)部看門狗使用獨立振蕩器，將STPMOl設置為外部看門狗，其看門 狗復位信號連接到PIC24FJ128GA006的鍵盤中斷口 。
取樣電路設計
電壓取樣采用電阻分壓，考慮到貼片電阻的耐壓有限，選用4只200kQ電阻 做分壓器。STPMOl電壓通道最大輸入差分電壓為土0.3V，對于50Hz交流電， 對應有效值為0. 21VRMS，輸入信號不能大于此最大值，否則會出現(xiàn)削峰。考 慮到余量，對于220V額定電壓，我們?nèi). 16VRMS，貝U取樣電阻二200X4X 0. 16/220 = 581 Q，我們選560 Q作為取樣電阻。
相電流傳感器我們采用互感器，變比為5，000:1。該通道增益設置為8，則輸 入最大信號為0. 105VRMS，考慮到一定余量，在40A時，輸入信號選擇在 0. 08VRMS左右，則互感器負載電阻為0. 08/40X5， OOO二IOQ 。
零線電流通道我們采用錳銅分流器，分流器阻值取250u Q。阻值不能取得過 大或過小，如果選得過小，則在小電流時取樣信號太微弱，導致誤差增大， 容易超差。如果選得過大，則大電流時分流器發(fā)熱過大，造成誤差不穩(wěn)定。 對于250uQ分流器，在40A時其兩端電壓信號為250X40 = 10, OOOuV，即 10mVRMS。取樣信號非常小，所以該通道增益應設置為最大即32倍，此時信 號輸入最大幅度為26. 25mVRMS。實際最大輸入信號小于允許的最大輸入信號， 分流器阻值選擇合理。
電源電路設計電源模塊由主電源和副電源組成，主電源在電壓線路電壓存在時工作。當電 壓消失，而電流線路有電流時，副電源為系統(tǒng)提供電源，此時電表按照設定 方式計量電能。
STPM01工作電壓為3.(T5.5V， PIC24FJ128GA006工作電壓為2.4 3.6V，考慮 到功耗和余量，系統(tǒng)工作電壓設計為3.3V。主電源我們采用線性電源，220V 交流電經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。對于副電源，首先由一 個電流 一 電壓感應器將電流線路的電流通過電磁感應轉換為交流電壓，當火 線和零線中的電流大小相等方向相反時，感應器無電壓輸出，否則會輸出一 定幅度的電壓，此電壓經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后得到3.3V電源。
軟件設計
電表軟件采用模塊化設計，主要包括以下幾個子程序電能計量子程序、顯 示子程序、日歷子程序、掉電處理子程序、通訊子程序等。
這里主要介紹一下電能計量子程序。電表上電后，主程序進行初始化，寫入 STPM01配置參數(shù)，設定定時時間以定時調用電能計量子程序。計量子程序讀 取測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)，計算出電量值并輸出電能脈沖。主電源失電后，若從 STPM01讀取得電流值不為零，則認為電表處于單線計量的竊電狀態(tài)，此時以 額定電壓計算電量。定時讀取STPMOl的時間，應滿足在最大電流時，電能寄 存器不發(fā)生溢出，并考慮一定過載余量。由于啟用了STPM01的看門狗功能， 如果1. 6s內(nèi)沒有對STPM01進行讀/寫，STPM01就會輸出看門狗信號，使MCU 產(chǎn)生中斷。因此，定時讀取時間最長不能超過1.6s。
附圖標記說明圖4中1、銅質鉛封釘。2、表蓋鉛封孔。3、機械式計 度器顯示窗口。 4、停電指示燈。5、有功電能指示脈沖燈。6、面板。7、表 蓋。8、端子蓋鉛封孔。9、端鈕蓋穿孔銅釘。10、端鈕蓋。
權利要求1.一種單相防竊電電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源模塊，其特征是所述的外殼中裝有相互連接的取樣電路模塊、計量模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊和實時時鐘模塊。
2. 根據(jù)權利要求1所述的單相防竊電電能表，其特征是所述的取樣電路模 塊包括將電壓和電流分別由電阻分壓器和電流互感器和錳銅分流器取樣， 并將所取得的取樣信號送入計量模塊的計量芯片。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的單相防竊電電能表，其特征是所述的由計量 芯片對信號進行采樣并轉換為數(shù)字信號，經(jīng)過相位校正，計算出電能、電 流、電壓等數(shù)據(jù)后，由計量芯片自動選擇電流較大的通道計算電能，并通 過線路將這些數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給與之相連接的計量模塊中的讀取計 量單片機，以構成計量模塊。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的單相防竊電電能表，其特征是所述的計量單 片機讀取計量芯片數(shù)據(jù)后，完成電能的累計、存儲和顯示，并輸出電能脈 沖，實時檢測電表工作狀態(tài)，記錄所發(fā)生的竊電事件，輸出竊電指示信號， 讀取計量單片機具有多種總線接口，其SPI接口用于連接計量芯片，I2C 接口用于LCD顯示和EEPROM數(shù)據(jù)存貯，UART接口用于紅外通信，外部中斷l(xiāng)用于掉電檢測。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的單相防竊電電能表，其特征是所述的實時時 鐘模塊采用內(nèi)部RTC為事件記錄提供時標,CPU時鐘源也采用內(nèi)部的RC 振蕩器，通過DIVM寄存器2分頻將CPU時鐘調整為3.686MHz，采用內(nèi) 部和外部雙看門狗的設計，內(nèi)部看門狗使用獨立振蕩器，將計量芯片設置 為外部看門狗，其看門狗復位信號連接到計量單片機的鍵盤中斷口。
專利摘要單相防竊電電能表，不論在發(fā)達國家還是在發(fā)展中國家，竊電都是一個非常棘手的問題，每年都給供電企業(yè)造成巨大損失。單相防竊電電能表，其組成包括外殼，安裝在所述的外殼中的電源模塊，所述的外殼中裝有相互連接的取樣電路模塊、計量模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示及存貯模塊、通訊模塊和實時時鐘模塊。本產(chǎn)品的電表設計用于220V/50Hz電網(wǎng)，基本電流10A，最大電流40A的電能表。
文檔編號G01R11/24GK201075117SQ200720115688
公開日2008年6月18日 申請日期2007年3月5日 優(yōu)先權日2007年3月5日
發(fā)明者江 劉 申請人:哈爾濱智通科技有限公司