專利名稱：單相防竊電電能表及防竊電測量計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微功耗單相電能表防竊電方法，屬電能表制造領域。
背景技術：
本申請人所有CN1648675A、名稱"單相防竊電電能表及防竊電計量方法"，該電能表的 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(qū)動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步 接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量。其美中不足的是 一是 MSP430FE42X內(nèi)置有計量芯片，其計量的方式為固定模式，造成電能表在防竊電檢測測量的 過程中，能耗高，檢測方法不盡完美，精度不理想；二是成本高。

發(fā)明內(nèi)容
設計目的避免背景技術中的不足之處，設計一種不采用計量芯片且能夠根據(jù)單片機
MSP430F42X的內(nèi)在特性，通過測量計算的方法，使單片機MSP430F42X能夠高可靠性、高精 度、超低能耗地完成防竊電測量、計算的單相防竊電電能表及防竊電測量計算方法。
設計方案為了實現(xiàn)上述設計目的，本發(fā)明在防竊電電能表的硬件選擇及方法設計上
1、 采用無內(nèi)置計量芯片的單片機作為本發(fā)明的主處理器，由于MSP430系列單片機是一 款超低功耗，16位RISC結構的單片機，具有豐富的外圍模塊，靈活的時鐘源，其中數(shù)字控 制振蕩器DCO可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系列微 控制器能達到最高的代碼效率。
MSP430F42x系列單片機配置有三個獨立的24位2>A模數(shù)轉換器，是適用于測量和計 算二線或三線制的單相電能表的微控制器。
2、 MSP430的超低功耗特性
要實現(xiàn)全失壓測量，要求MCU的功耗低，功能強大。MSP430系列單片機是一款超低 功耗單片機，具有以下一些特性(l)工作電壓1.8V-3.6V; (2)超低功耗活動模式200 U A (2.2V，腿z); (3)待機模式:1. 1UA; (4)關閉模式(RAM保持)0.1"; (5)5種省電模式:
從待機模式喚醒少于6微秒，MSP430F2xxx系列從待機模式喚醒少于1微秒；16位RISC結 構，125納秒指令周期；MSP430F2xxx系列指令周期為62.5納秒；(6)具有豐富的外圍模塊 ADC12: 16位定時器Timer—B (7個捕獲/比較寄存器)；16位定時器Timer—A (3個捕獲/比 較寄存器)；兩路串行通訊接口 USARTO， USART1;硬件乘法器；集成160段LCD驅(qū)動；內(nèi)置 模擬比較器Comparator—A(6)上電復位電路，供電電壓管理監(jiān)視模塊。
3、 MSP430F42X防竊電電能表的工作原理有兩個關節(jié)外部電壓(電網(wǎng)電壓、供電CT 產(chǎn)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(tài)，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(wǎng)電壓的最小極限 值(如80V)，則認為電網(wǎng)電壓存在，電能表在正常計量狀態(tài)，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(wǎng)電壓的最小極限值(如80V)，則認為電網(wǎng)電壓不存在， 此時進入移除主電壓防竊電測量狀態(tài)，電壓以這個地區(qū)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。
本發(fā)明與背景技術相比，充分利用單片機MSP430FE42X的內(nèi)在特性，采用測量計算方法， 不僅能夠高效、高可靠性、高精度地達到防竊電測量計算的目的，而且所構成的防竊電電能 表，在防竊電測量的過程中，能耗極低、精度極高。


圖l是MSP430F42X單相防竊電電能表功能框圖。
圖2是MSP430F42X系列單片機模擬前端電路圖。
圖3為電源管理的電路圖。
圖4是單相電能表防竊電的方法流程圖。
圖5是中斷程序計算方法流程圖。
具體實施例方式
實施例l:參照附圖1 3。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的電源端， 電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機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 機中電壓取樣信號輸入端，單片機中驅(qū)動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送 模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量，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，供電電流互感器從電流回路中竊電， 提供電表工作電源，所述的單片機為MSP430F42X， MSP430F42x系列單片機配置有三個獨 立的24位Z-A模數(shù)轉換器，是適用于測量和計算二線或三線制的單相電能表的微控制器。
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MSP430F42X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MSP430F42X中電流取樣信 號的輸入端。
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MSP430F42X中電壓取樣信號輸入端。
實施例2:在實施例1的基礎上，單相電能表防竊電方法，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的電源端， 電流不平衡檢測電路的信號輸出端接單片機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 機中電壓取樣信號輸入端，單片機中驅(qū)動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送 模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量，其單相電能表防竊電的方法是見附圖4。 單片機MSP430F42X在中斷程序中，完成主要的計算工作是見附圖5。
1、 MSP430系列單片機是一款超低功耗，16位RISC結構的單片機，具有豐富的外圍模 塊，靈活的時鐘源，其中數(shù)字控制振蕩器DCO可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16個寄存 器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系列微控制器能達到最高的代碼效率。它的這些特性特別適合電池 供電，可大大延長電池壽命。
MSP430F42x系列單片機配置有三個獨立的24位1>A模數(shù)轉換器，是適用于測量和計 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，很容易的實現(xiàn)單 相電能表以下防竊電的測量
U)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。
2、 MSP430F42x單相防竊電電能表功能結構
MSP430F42X單相防竊電電能表可實現(xiàn)較全面的防竊電測量，圖1是MSP430F42X單相 防竊電電表功能框圖，MSP430F42X單相防竊電電能表可分為以下幾個功能模塊多功能防 竊電計量、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。
3、 多功能防竊電計量
多功能計量體現(xiàn)在電能表能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功、視在功率、功率因數(shù)，電流有效值、電 壓有效值、頻率、相位等的測量。 三種主要的防竊電測量 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 衡表現(xiàn)為零線接地或火線短接。
為了檢測電流的不平衡，除了檢測火線的電流外，還要檢測零線的電流，因此需要兩個
電流傳感器；由于隔離原因，可以在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。在這里，以火線上使用電流互感器，接在Il+， II-上，零線上使用錳銅電阻，接在I2+， 12-上為例，畫出MSP430F42X單相防竊電電能表功能 框圖，如圖1所示。
在圖l MSP430F42X單相防竊電電能表功能框圖中，內(nèi)置三個獨立24位S-A ADC的 單片機MSP430F42X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(nèi)部處理、比較兩個電流通道的電流大小，實現(xiàn)電流不平衡時的檢測。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(xiàn)。
2) 電流反向時的防竊電測量
調(diào)換進出線是竊電者經(jīng)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。 通過在單片機內(nèi)部判斷測量的功率的正負來檢測電流是否反向，不需要任何的輔助元器件就 能實現(xiàn)電流反向的檢測。同時，我們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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)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(jīng)的電流上獲取很小的電能，經(jīng)過電源管理模塊的處理，給電能表供電， 使電能表實現(xiàn)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，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此能從電流上獲取的給電能表供 電的電能也受限制的，特別當負載電流很小時，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時就能實現(xiàn)電能表的防竊電測量，當然對于 供電部門來說，這個能實現(xiàn)防竊電測量的負載最小電流極限值越小越好?；谝陨系囊螅?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MSP430F42X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(xiàn) 移除主電壓時的防竊電測量。模擬前端的具體電路如圖2所示。
4、電源管理
圖1MSP430F42X單相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3為電源管理的電路圖。
供電CT需要在小電流時也能夠驅(qū)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lmA/3V，這對于具有豐富模擬前端的超低功耗的MSP430F42X單片機來說
已經(jīng)可以實現(xiàn)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。
5、 LCD顯示
MSP430F42x內(nèi)部具有LCD驅(qū)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(qū)動器，只要直接將液晶的各個腳與MSP430F42x對應的LCD驅(qū) 動輸出的腳相連即可。
6、 通信接口
MSP430F42x具有一個硬件通用異步/同步接收發(fā)送(USART0)外圍模塊，用于串行數(shù) 據(jù)通信。MSP430F427x單相防竊電電能表可選擇光學通信接口、 RS-232/RS-485接口或者兩 者兼有。
7、 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(xiàn)，實現(xiàn)方式簡潔。
8、 帶溫度補償實時時鐘RTC:
實時時鐘RTC可由MSP430單片機內(nèi)部的定時器實現(xiàn)。內(nèi)置的溫度傳感器可方便的實現(xiàn) 溫度的測量，實現(xiàn)對實時時鐘RTC的溫度補償。
需要理解到的是上述實施例雖然對本發(fā)明作了比較詳細的說明，但是這些說明只是說 明性的，而不是對本發(fā)明的限制，任何不超出本發(fā)明實質(zhì)精神內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本發(fā)明 的保護范圍內(nèi)；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的測量計算方法，其特征是單相電能表防竊電的方法是見附圖4。
2、 根據(jù)權利要求1所述的單相防竊電電能表的測量計算方法，其特征是單片機MSP430F42X 在中斷程序中，完成主要的計算工作是見附圖5。
3、 一種單相防竊電電能表，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的電源端，電流不平衡檢測電路的信 號輸出端接單片機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中電壓取樣信號輸入端， 單片機中驅(qū)動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出 接口用于校表和計量，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，供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源，其特征 是所述的單片機為MSP430F42X。
4、 根據(jù)權利要求l所述的單相防竊電電能表，其特征是MSP430F42x系列單片機配置有三 個獨立的24位S-A模數(shù)轉換器，是適用于測量和計算二線或三線制的單相電能表的微控制 器。
5、 根據(jù)權利要求l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MSP430F42X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MSP430F42X中電流取樣信號的輸入端。
6、 根據(jù)權利要求l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MSP430F42X中電壓取樣信號輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微功耗單相電能表防竊電方法，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的電源端，電流不平衡檢測電路的信號輸出端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中電壓取樣信號輸入端，單片機中驅(qū)動模塊接LCD顯示器、硬件通用異步/同步接收發(fā)送模塊接通信接口、脈沖輸出接口用于校表和計量，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，供電電流互感器從電流回路中竊電，提供電表工作電源，單片機為MSP430F42X。
文檔編號G01R19/25GK101387661SQ20071007154
公開日2009年3月18日 申請日期2007年10月8日 優(yōu)先權日2007年10月8日
發(fā)明者周震宇, 源 梁, 趙振東, 鄭經(jīng)歐, 陳賢興 申請人:杭州利爾達科技有限公司