李 銘，黃申茂

（常州供電公司，江蘇 常州 213000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電能在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人們的日常生活中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。然而，在電能造福人們生活的同時，電氣火災(zāi)也隨之大量發(fā)生，造成巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2002年到2010年電氣火災(zāi)占火災(zāi)總起數(shù)的25.4%[1]。在電氣火災(zāi)中，有很大一部分是由剩余電流引起的。同時，剩余電流還可能造成人身觸電、設(shè)備損壞等事故。為此，世界各國的普遍做法是在低壓電網(wǎng)中安裝剩余電流動作保護(hù)器（RCD）[2]。但是，剩余電流保護(hù)器只能在剩余電流發(fā)生超限時進(jìn)行跳閘保護(hù)，無法進(jìn)行預(yù)警及實(shí)時監(jiān)測[3]。另外，由于剩余電流保護(hù)器本身的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量問題，存在保護(hù)器誤動作現(xiàn)象，這不但嚴(yán)重影響了保護(hù)器的使用效果，也直接影響了供電的可靠性[4—6]。當(dāng)剩余電流保護(hù)器動作時，通過對剩余電流的實(shí)時監(jiān)測值分析，判斷剩余電流保護(hù)器是否正常工作，可以及時發(fā)現(xiàn)剩余電流保護(hù)器故障并更換，從而減少保護(hù)器誤動作，提高供電的可靠性。

本文通過分析剩余電流保護(hù)器和智能電能表的工作原理，在智能電能表硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種可實(shí)時監(jiān)測剩余電流的新型智能電能表，不僅有智能電能表原有的功能，而且有剩余電流的測量、報警、超限記錄等功能，結(jié)合現(xiàn)有的智能電網(wǎng)用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對用戶的剩余電流信息進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)剩余電流異常線路的快速定位和報警，提升供電網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

1 工作原理

本設(shè)計(jì)要求智能電能表具有剩余電流實(shí)時檢測功能，關(guān)鍵在于剩余電流的測量與處理。通過分析剩余電流保護(hù)器的工作原理，本設(shè)計(jì)采用高精度的剩余電流互感器來采集相、零線電流的差值，利用原計(jì)量芯片中的零線電流A/D通道對其進(jìn)行采樣，由計(jì)量芯片運(yùn)算得到剩余電流量。同時為降低整表成本，取消了普通智能電能表中的零線電流互感器，由相線電流和剩余電流通過計(jì)算得到零線電流，精度可滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的1%引用誤差。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的單相剩余電流監(jiān)測新型智能電能表，是在現(xiàn)有的單相智能電表現(xiàn)有的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，增加了剩余電流互感器，由以下幾部分電路成：電網(wǎng)電壓采樣電路、相線電流采樣電路、剩余電流采樣電路、計(jì)量芯片電路、控制管理MCU、電源管理電路、存儲器電路、時鐘電路、繼電器控制電路、LCD顯示電路、RS485通信接口等電路組成，硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 計(jì)量模塊

計(jì)量模塊由電網(wǎng)電壓采樣、相線電流采樣、剩余電流采樣和計(jì)量芯片組成。計(jì)量模塊原理圖如圖2所示。

圖2 計(jì)量模塊原理圖

計(jì)量模塊設(shè)計(jì)方案是：通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R6—R11取得電網(wǎng)電壓采樣信號VP，通過錳銅分流器取得相線電流采樣信號IA，相線電流線和零線電流線同時穿過剩余電流互感器，通過剩余電流互感器取得剩余電流采樣信號IB。這3路電壓和電流采樣信號經(jīng)過外圍的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波和相位校正后送入計(jì)量芯片U1，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波器處理后送入DSP電能計(jì)量單元，經(jīng)DSP電量計(jì)量單元計(jì)算得到各種電能量數(shù)據(jù)，再經(jīng)數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成頻率信號，以電能量脈沖的形式輸出。同時通過UART總線與控制MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，MCU模塊把處理好數(shù)據(jù)作為計(jì)量、顯示、存儲、控制、通信的依據(jù)。

計(jì)量部分采用了一顆寬量程單相多功能電能計(jì)量芯片BL6523GX，芯片內(nèi)部集成了3路高精度Sigma-Delta ADC，參考基準(zhǔn)電壓，電源管理等模擬電路模塊，處理有功功率、視在功率、電流電壓有效值等電參數(shù)的數(shù)字信號處理電路，以及與控制MCU通信的UART接口。BL6523GX能夠測量單相有功能量、視在能量、功率因數(shù)、電流電壓有效值、線頻率等參數(shù)，具有失壓及過壓監(jiān)測、電流電壓峰值檢測、過零檢測功能。該芯片具有精度高（0.1%）、動態(tài)范圍寬（6000∶1）、接口簡單（UART）等特點(diǎn)。計(jì)量芯片內(nèi)部框圖如圖3所示。

圖3 計(jì)量芯片內(nèi)部框圖

2.2 實(shí)時時鐘模塊

RX-8025T是新型實(shí)時時鐘芯片，具有I2C接口和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽瑑?nèi)部集成了高精度32.768 kHz溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，典型時鐘誤差≤±5×10-6，應(yīng)用于各種對時鐘精度要求很高的場合。該芯片采用C-MOS工藝生產(chǎn)，具有寬的工作電壓和極低的電流消耗，時鐘保持電壓1.8～5.5 V，可以長期使用電池供電。時鐘模塊原理圖如圖4所示。

圖4 時鐘模塊原理圖

2.3 顯示模塊

智能電能表的顯示部分采用了字符段碼式的液晶顯示器和專用的液晶顯示驅(qū)動芯片。需要顯示的時候，由MCU將顯示的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線傳送到液晶驅(qū)動芯片，由液晶驅(qū)動芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，并定時進(jìn)行刷新。在市電停電的情況下，由電能表內(nèi)部的電池來提供顯示所需要電源。顯示模塊如圖5所示。

圖5 LCD顯示模塊原理圖

2.4 安全加密模塊

智能電能表作為智能電網(wǎng)的組成部分，數(shù)據(jù)的安全性尤為重要，因此在本設(shè)計(jì)中采用了專用的ESAM芯片。ESAM芯片是一種符合標(biāo)準(zhǔn)ISO7816協(xié)議的智能卡芯片，本設(shè)計(jì)中的ESAM芯片內(nèi)部的加解密運(yùn)算采用國家商密委的SM1加密算法，因此，該電能表通信安全性極高。ESAM安全加密模塊原理圖如圖6所示。

圖6 ESAM安全加密模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

新型智能電能表控制軟件使用單片機(jī)C語言編程開發(fā)，由上電初始化、電源管理模塊、設(shè)備管理模塊、計(jì)量管理模塊、時鐘管理模塊、顯示管理模塊、通信管理模塊、費(fèi)控管理模塊組成。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高程序的可讀性，易于檢查和維護(hù)。

4 試驗(yàn)、現(xiàn)場應(yīng)用情況

由于本設(shè)計(jì)屬于新型的電能表，現(xiàn)有的電能表校驗(yàn)臺無法直接對其剩余電流進(jìn)行誤差校驗(yàn)，因此需要對電能表校驗(yàn)臺進(jìn)行改造，采用以下2種方法進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 主副回路單獨(dú)加電流檢測法

該方法對被檢表主副回路單獨(dú)加電流，檢測剩余電流值，確定剩余電流的測量誤差。接線方式如圖7、圖8所示。

圖7 單獨(dú)加主回路電流接線方式（方式1）

圖8 單獨(dú)加副回路電流接線方式（方式2）

方式1和方式2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)表（方式1、方式2）

4.2 主副回路同時加不同大小電流檢測法

該方法是在主回路和副回路2個回路上加載不同電流，檢測剩余電流值，接線方式如圖9所示。

圖9 主副回路同時加不同大小電流接線方式（方式3）

方式3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù)表（方式3）

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出本文設(shè)計(jì)的新型智能電能表測量剩余電流值誤差小，精度高。當(dāng)在單獨(dú)給副回路加50 A電流時測得的剩余電流值誤差最大，為0.11%，誤差較小，能夠應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場。

4.3 現(xiàn)場運(yùn)行情況

目前已將首批200只該新型智能電能表安裝在常州市4個不同的典型臺區(qū)：城市配網(wǎng)改造臺區(qū)、城市配網(wǎng)非改造臺區(qū)、農(nóng)村配網(wǎng)改造臺區(qū)、農(nóng)村配網(wǎng)非改造臺區(qū)，每個臺區(qū)安裝50塊電能表。剩余電流智能表對用戶側(cè)剩余電流進(jìn)行精確測量后，通過用電采集系統(tǒng)實(shí)時上傳到后臺主站，由主站計(jì)算機(jī)對用戶的剩余電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)剩余電流異常區(qū)域的快速定位和報警。2015年1月23日各臺區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各臺區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

為了清楚的對4個臺區(qū)剩余電流情況進(jìn)行對比分析，根據(jù)剩余電流保護(hù)器的動作值和實(shí)際監(jiān)測剩余電流值的分布情況將剩余電流值分成4個區(qū)間，分別為0～5 mA、6～30 mA、30～100 mA、100～300 mA。從表3中可以看出，城市臺區(qū)剩余電流情況要好于農(nóng)村臺區(qū)，一流配網(wǎng)改造臺區(qū)比非改造臺區(qū)剩余電流情況好。目前，農(nóng)村的剩余電流情況比較嚴(yán)重，特別是剩余電流值在100～300 mA的用戶，需要對這些用戶進(jìn)行現(xiàn)場排查原因，消除隱患。連續(xù)監(jiān)測表3中剩余電流值在100～300 mA的28個用戶，發(fā)現(xiàn)剩余電流值一直偏大，初步判斷這些居民家中漏電嚴(yán)重，安排人員去用戶家中進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其中9戶居民家中有線路絕緣破損，存在漏電情況，更換新的線路后，監(jiān)測到居民家中剩余電流值維持正常。另外19戶居民家中有用電設(shè)備漏電，引起剩余電流值偏大。從發(fā)現(xiàn)漏電情況到解決只用了幾天時間，保障了用戶用電的人身與財(cái)產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)了供電公司優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的可測量剩余電流的新型智能電能表，在不改變現(xiàn)有智能電能表功能的基礎(chǔ)上，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，實(shí)現(xiàn)對用戶線路的剩余電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，具有剩余電流的測量、報警、超限記錄等功能。結(jié)合智能電網(wǎng)用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對用戶的剩余電流超限信息進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)剩余電流超限故障的診斷、定位、報警功能。對于提高供電線路的可靠率，預(yù)防剩余電流超限故障，保障了用戶用電的人身與財(cái)產(chǎn)安全，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

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