一种具有剩余电流实时监测功能的新型智能电能表设计方案

李 铭，黄申茂

（常州供电公司，江苏 常州 213000）

随着我国经济的迅猛发展，电能在经济建设和人们的日常生活中发挥着愈来愈重要的作用。然而，在电能造福人们生活的同时，电气火灾也随之大量发生，造成巨大的损失。据统计，我国2002年到2010年电气火灾占火灾总起数的25.4%[1]。在电气火灾中，有很大一部分是由剩余电流引起的。同时，剩余电流还可能造成人身触电、设备损坏等事故。为此，世界各国的普遍做法是在低压电网中安装剩余电流动作保护器（RCD）[2]。但是，剩余电流保护器只能在剩余电流发生超限时进行跳闸保护，无法进行预警及实时监测[3]。另外，由于剩余电流保护器本身的设计和制造质量问题，存在保护器误动作现象，这不但严重影响了保护器的使用效果，也直接影响了供电的可靠性[4—6]。当剩余电流保护器动作时，通过对剩余电流的实时监测值分析，判断剩余电流保护器是否正常工作，可以及时发现剩余电流保护器故障并更换，从而减少保护器误动作，提高供电的可靠性。

本文通过分析剩余电流保护器和智能电能表的工作原理，在智能电能表硬件设计基础上进行改进，设计一种可实时监测剩余电流的新型智能电能表，不仅有智能电能表原有的功能，而且有剩余电流的测量、报警、超限记录等功能，结合现有的智能电网用电数据采集系统对用户的剩余电流信息进行采集和统计，从而实现剩余电流异常线路的快速定位和报警，提升供电网络的安全性和可靠性。

1 工作原理

本设计要求智能电能表具有剩余电流实时检测功能，关键在于剩余电流的测量与处理。通过分析剩余电流保护器的工作原理，本设计采用高精度的剩余电流互感器来采集相、零线电流的差值，利用原计量芯片中的零线电流A/D通道对其进行采样，由计量芯片运算得到剩余电流量。同时为降低整表成本，取消了普通智能电能表中的零线电流互感器，由相线电流和剩余电流通过计算得到零线电流，精度可满足国网标准的1%引用误差。

2 硬件设计

本文所设计的单相剩余电流监测新型智能电能表，是在现有的单相智能电表现有的硬件设计基础上的改进，增加了剩余电流互感器，由以下几部分电路成：电网电压采样电路、相线电流采样电路、剩余电流采样电路、计量芯片电路、控制管理MCU、电源管理电路、存储器电路、时钟电路、继电器控制电路、LCD显示电路、RS485通信接口等电路组成，硬件框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2.1 计量模块

计量模块由电网电压采样、相线电流采样、剩余电流采样和计量芯片组成。计量模块原理图如图2所示。

图2 计量模块原理图

计量模块设计方案是：通过电阻分压网络R6—R11取得电网电压采样信号VP，通过锰铜分流器取得相线电流采样信号IA，相线电流线和零线电流线同时穿过剩余电流互感器，通过剩余电流互感器取得剩余电流采样信号IB。这3路电压和电流采样信号经过外围的阻容网络滤波和相位校正后送入计量芯片U1，经过A/D转换和数字滤波器处理后送入DSP电能计量单元，经DSP电量计量单元计算得到各种电能量数据，再经数字-频率转换器转换成频率信号，以电能量脉冲的形式输出。同时通过UART总线与控制MCU进行数据通信，MCU模块把处理好数据作为计量、显示、存储、控制、通信的依据。

计量部分采用了一颗宽量程单相多功能电能计量芯片BL6523GX，芯片内部集成了3路高精度Sigma-Delta ADC，参考基准电压，电源管理等模拟电路模块，处理有功功率、视在功率、电流电压有效值等电参数的数字信号处理电路，以及与控制MCU通信的UART接口。BL6523GX能够测量单相有功能量、视在能量、功率因数、电流电压有效值、线频率等参数，具有失压及过压监测、电流电压峰值检测、过零检测功能。该芯片具有精度高（0.1%）、动态范围宽（6000∶1）、接口简单（UART）等特点。计量芯片内部框图如图3所示。

图3 计量芯片内部框图

2.2 实时时钟模块

RX-8025T是新型实时时钟芯片，具有I2C接口和温度补偿的功能，内部集成了高精度32.768 kHz温度补偿晶体振荡器，典型时钟误差≤±5×10-6，应用于各种对时钟精度要求很高的场合。该芯片采用C-MOS工艺生产，具有宽的工作电压和极低的电流消耗，时钟保持电压1.8～5.5 V，可以长期使用电池供电。时钟模块原理图如图4所示。

图4 时钟模块原理图

2.3 显示模块

智能电能表的显示部分采用了字符段码式的液晶显示器和专用的液晶显示驱动芯片。需要显示的时候，由MCU将显示的数据通过内部总线传送到液晶驱动芯片，由液晶驱动芯片进行电平转换后送到液晶显示器进行显示，并定时进行刷新。在市电停电的情况下，由电能表内部的电池来提供显示所需要电源。显示模块如图5所示。

图5 LCD显示模块原理图

2.4 安全加密模块

智能电能表作为智能电网的组成部分，数据的安全性尤为重要，因此在本设计中采用了专用的ESAM芯片。ESAM芯片是一种符合标准ISO7816协议的智能卡芯片，本设计中的ESAM芯片内部的加解密运算采用国家商密委的SM1加密算法，因此，该电能表通信安全性极高。ESAM安全加密模块原理图如图6所示。

图6 ESAM安全加密模块原理图

3 软件设计

新型智能电能表控制软件使用单片机C语言编程开发，由上电初始化、电源管理模块、设备管理模块、计量管理模块、时钟管理模块、显示管理模块、通信管理模块、费控管理模块组成。软件采用模块化结构，提高程序的可读性，易于检查和维护。

4 试验、现场应用情况

由于本设计属于新型的电能表，现有的电能表校验台无法直接对其剩余电流进行误差校验，因此需要对电能表校验台进行改造，采用以下2种方法进行试验。

4.1 主副回路单独加电流检测法

该方法对被检表主副回路单独加电流，检测剩余电流值，确定剩余电流的测量误差。接线方式如图7、图8所示。

图7 单独加主回路电流接线方式（方式1）

图8 单独加副回路电流接线方式（方式2）

方式1和方式2的试验数据如表1所示。

表1 测量数据表（方式1、方式2）

4.2 主副回路同时加不同大小电流检测法

该方法是在主回路和副回路2个回路上加载不同电流，检测剩余电流值，接线方式如图9所示。

图9 主副回路同时加不同大小电流接线方式（方式3）

方式3的试验数据如表2所示。

表2 测量数据表（方式3）

通过试验数据可以得出本文设计的新型智能电能表测量剩余电流值误差小，精度高。当在单独给副回路加50 A电流时测得的剩余电流值误差最大，为0.11%，误差较小，能够应用于实际现场。

4.3 现场运行情况

目前已将首批200只该新型智能电能表安装在常州市4个不同的典型台区：城市配网改造台区、城市配网非改造台区、农村配网改造台区、农村配网非改造台区，每个台区安装50块电能表。剩余电流智能表对用户侧剩余电流进行精确测量后，通过用电采集系统实时上传到后台主站，由主站计算机对用户的剩余电流数据进行统计分析，实现剩余电流异常区域的快速定位和报警。2015年1月23日各台区统计数据如表3所示。

表3 各台区统计数据表

为了清楚的对4个台区剩余电流情况进行对比分析，根据剩余电流保护器的动作值和实际监测剩余电流值的分布情况将剩余电流值分成4个区间，分别为0～5 mA、6～30 mA、30～100 mA、100～300 mA。从表3中可以看出，城市台区剩余电流情况要好于农村台区，一流配网改造台区比非改造台区剩余电流情况好。目前，农村的剩余电流情况比较严重，特别是剩余电流值在100～300 mA的用户，需要对这些用户进行现场排查原因，消除隐患。连续监测表3中剩余电流值在100～300 mA的28个用户，发现剩余电流值一直偏大，初步判断这些居民家中漏电严重，安排人员去用户家中进行排查，发现其中9户居民家中有线路绝缘破损，存在漏电情况，更换新的线路后，监测到居民家中剩余电流值维持正常。另外19户居民家中有用电设备漏电，引起剩余电流值偏大。从发现漏电情况到解决只用了几天时间，保障了用户用电的人身与财产安全，实现了供电公司优质服务。

5 结束语

本文设计的可测量剩余电流的新型智能电能表，在不改变现有智能电能表功能的基础上，通过内部结构改造，实现对用户线路的剩余电流进行实时监测，具有剩余电流的测量、报警、超限记录等功能。结合智能电网用电数据采集系统对用户的剩余电流超限信息进行采集和统计，从而实现剩余电流超限故障的诊断、定位、报警功能。对于提高供电线路的可靠率，预防剩余电流超限故障，保障了用户用电的人身与财产安全，具有广泛的经济意义和社会意义。

[1]雷瑞军，马玄.电气火灾统计分析研究[J].武警学院学报,2014（30）:15-17.

[2]朱正武.剩余电流保护器的运行现状及存在问题[J].农村电气化，2008（11）：54-56.

[3]顾友文.浅谈剩余电流保护的应用[J].低压电器，2008（24）：49-53.

[4]廖从研，杜松怀，李春兰，等.基于MSP430单片机的多路电气量检测装置的设计[J].低压电器，2010（1）：17-19.

[5]张冠英，杨晓光，王尧，等.一种智能剩余电流检测装置的开发[J].低压电器，2011（2）：28-31.

[6]李奎，陆俭国，瞿建喜.剩余电流动作保护器的可靠性验证试验技术的研究[J].电工技术学报，2003（4）：114-117.