继电器控制在智能电表中的应用

何建英，钱海波

（华立科技股份有限公司，杭州 310023）

随着科技进步和智能电网的发展，家电设备控制也日趋智能化。合理使用家电设备不仅能节约资源，而且能保证电器设备的安全。在家电智能化的应用过程中，电能表也加入了智能化的行列。智能电表往往通过磁保持继电器拉合闸来实现负荷控制、预付费表中的欠费、窃电报警（开表盖、开端盖、磁影响等）。磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器，常闭或常开状态完全是依赖永久磁铁的作用，其开关状态的转换是靠脉冲电信号触发完成的。磁保持继电器其触点开、合状态平时由永久磁铁所产生的磁力保持。当继电器的触点需要开或合状态时，只需要用正（反）直流脉冲电压激励线圈，继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。磁保持继电器具有省电、性能稳定、体积小、承载能力大的特点。单片机对事件的判断，远程主站或者本地PC发出命令实现继电器控制，在此过程中，磁保持继电器起着关键作用[1]。

1 继电器工作原理及驱动电路

磁保持继电器是利用永久磁铁或具有很高剩磁特性的零件使电磁继电器的衔铁在线圈断开后仍能保持在线圈通电时的位置上的继电器。根据定义，磁保持继电器与一般继电器相比，最大的不同是保持衔铁状态期间不需要通电，而其他继电器需要持续用电。因此，磁保持继电器最大的优点是省电[2]。

普通单线包继电器拉合闸驱动电路如图1所示。layon和layoff分别与单片机的I/O口相连，SH和SL分别与继电器的驱动口相连。layon和layoff状态为（0，0）时，继电器处于静止状态，layon和layoff状态为（1，0）时，继电器拉闸即 SL 为 12 V，SH 连地，在 layon 和 layoff状态为（0，1）时，继电器合闸即SL连地，SH连 12 V，layon和 layoff状态为都为高（1，1）时，电路不会有损坏的现象，具有防双高功能。该电路简单、器件少、成本低、可靠性高。

图1 继电器驱动电路Fig.1 Drive circuit of relay

继电器状态检测电路如图2所示，VR1为继电器检测引出线。继电器状态为合上时，VR1与电能表的火线等电位，与N之间存在220 V市电压降，MCU读取到REL_R有50 Hz的方波信号，判定继电器为合上；继电器状态为拉闸时，VR1与电能表的火线断开，VR1与 N之间电压降为 0，MCU可以读取REL_R的信号为高电平，判定继电器为拉闸状态。

图2 继电器状态检测电路Fig.2 Relay status detection circuit

2 拉合闸控制方式

继电器的控制模式要根据电力局及当地的特殊要求，在软、硬件上做特殊处理[3]。

2.1 技术要求

在主站发出合闸指令后，表计不能执行合闸指令，只有当用户侧的入户空气开关先断开，然后再合上，表计才能执行合闸操作（不允许有额外的连接线）。用户端允许表计拉闸后仍然有约2 mA的负载电流。当用户侧空气开关关断时，此2 mA的电流消失，然后再合上空气开关，2 mA的电流又重新建立，此时才可执行合闸指令。

2.2 解决方案及原理

整体方案是在拉闸继电器触点两端并接一电容，如图3所示，电容容量大小应根据用户负载的情况和表计的灵敏度来确定。配合表计软件，实现上述技术要求。

图3 整体方案Fig.3 Overall scheme diagram

图3中1、3、4、6黑色圆圈分别代表单相智能电表的接线端子。市电220 V交流电从端子1、4进入，端子3后接一个空气开关，控制设备的供电。负载为用电设备如电脑、台灯等，经端子6回到零线，形成回路。继电器合上时，C1短路，不影响电能表正常工作；继电器断开时，C1、空开、负载形成回路，并产生几毫安的电流。电流经过图4电路，检测REL_R电平情况来判断空气开关状态，REL_R电平为低电平，空气开关断开；REL_R电平有高低电平，空气开关合上。当空气开关完成断开再合上命令时，主站执行继电器合闸命令。

图4 空气开状态检测电路Fig.4 Air switch state detection circuit

2.3 继电器控制软件设计

控制软件设计模式示意如图5所示。

图5 控制模式Fig.5 Diagram of control mode

模式0继电器初始状态处于“断开”状态，则允许远程拉闸并强制拉闸机构直接进入“准备好重合闸”状态模式。

模式1继电器初始状态处于“闭合”状态。远程控制时，允许远程拉闸并强制执行机构进入“断开”状态；手动控制时，手动拉闸使执行机构进入“准备好重合闸”状态；本地控制时，允许本地拉闸并强制拉闸机构直接进入“准备好重合闸”状态。

模式2继电器初始状态处于“准备好重合闸”情况。手动控制时，允许手动合闸；本地控制时，允许本地合闸。

3 结语

在智能电表中，继电器控制的方式很多。智能电能表程序须在综合分析磁保持继电器指令状态和实际状态的基础上，实现缜密的逻辑流程判断，以保证智能电能表控制的安全性和拉合闸指示的准确性。继电器驱动电路目前的方案也很多，电路的安全可靠至关重要，本设计中的驱动电路简单、器件少、有防双高功能，能在2个稳态状态之间快速稳定的切换。对于不同国家、不同电力局对当地的拉闸方式的特殊要求，文中通过接线图及工作原理的详细介绍，利用阻容电源方案的原理，巧妙的电路设计，完成了一种新的拉合闸控制方式，并通过软硬件的配合实现这一控制方式，实际应用到电力控制系统中。

[1]马利人，彭中华.智能电能表中磁保持继电器工况的综合分析[J].计量技术，2010（2）：22-25.

[2]王凯，李杏春，王占国.磁保持继电器在预付费电能表中的控制方案[J].仪表技术与传感器，2008（12）：75-77.

[3]魏绍亮，程奉玉，吴清收，等.远程通断电控制系统的设计[J].山东科技大学学报：自然科学版.2004，23（2）：47-49.