一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的制作方法

专利名称：一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压电网电力测量保护设备领域，尤其涉及一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表。
背景技术：
根据国家电网公司智能表的定义，智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。因此，现有的智能电能表并没有具备用电故障监测与保护功能。智能低压开关电器领域技术设备近几年已取得了很大进步，出现了如智能低压综合保护器、智能漏电保护器、智能断路器等智能化开关电器，其主要功能是低压电路控制和 保护，主要涉及的保护类型有过压、欠压、失压、过流、短路、漏电(剩余电流)等，并且一些智能开关电器还具有通信功能，可以实现开关电器运行情况的远程监控。但这些智能开关电器也存在着一些缺点，如难以实现与上级电网智能设备和系统实现互动；需要建立独立的通信和监控系统，建设维护成本高。因此，要在电力用户中大面积推广应用智能开关电器也存在较大困难。另外，随着供电可靠性要求的提高，由于近年来自备电源和双电源用户不断增加，导致从用户侧向低压电网反送电事件不断增多，严重威胁着低压电网维修人员的人身安全。根据检索的资料，目前国内还未有可以针对在低压电网专门防止从用户侧反送电的保护性智能开关设备。国家电网公司提出在“十二五”期间加快建设坚强智能电网，坚强智能电网的最主要特征是“信息化、自动化、互动化”。在低压配电、用电领域需要涉及的关键技术主要有智能用电双向互动技术、多渠道的自助服务技术、客户故障智能化管理技术、在线安全用电技术等。低压电网是智能电网建设的技术和装备最薄弱的环节，目前现有低压电网领域的技术和设备均难以满足智能电网的需求。具体体现在，智能电能表仍局限于电能计量、计费和相关信息互动功能，智能低压开关电器仍局限于电气监测和电气保护方面功能，还没有一种同时具有智能电能表与智能开关电器两方面功能的智能终端设备。智能电能表是安装在低压电网与电力用户线路设备产权界点之间的一种智能终端设备，是“智能电网”中低压电网部分的“神经末稍”。以智能电能表为载体，扩充智能电能表在用电测量、保护控制、故障监测分析、用电信息互动方面的功能，对供电企业和电力用户都具有很强的实用价值。因此，发明一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，作为集计量计费、一次开关、测量、保护控制、在线监测、通信、用电互动等功能于一体的智能终端装备，将极大地推动智能电网建设在低压配电、用电方面的发展。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有用电故障监测与保护功能的智能电能表，将用电工况测量、故障分析、故障隔离保护、故障远程监控、用电信息互动等功能纳入智能电能表功能范围，使智能电能表具有用电故障监测保护与报警功能，能根据需要自动分析隔离故障点，与用电信息采集系统的共用一套网络通道与设备，兼容用电信息采集系统通信协议，用电信息采集系统主站可以以智能电能表为终端管理载体实现对电力用户的远程用电故障监控管理。通过改进，还可以提高智能电能表的防窃电功能和防止部分危险用电行为的发生。本发明所述智能电能表的监测和保护的对象是电能表下侧的电气线路及设备，监测和保护类型包括过压、欠压、失压、过流、短路、漏电(剩余电流)、反送电等类型故障保护。本发明所采用的技术方案是一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，包括计量芯片、漏电电流采样电路、相电流采样电路、相电压采样电路、中央处理器CPU， 低压断路器，所述漏电电流采样电路电联接所述计量芯片，所述计量芯片与中央处理器CPU相互电联接，所述中央处理器CPU经一跳闸输出接口电联接所述低压断路器，所述低压断路器经一状态采集接口电联接所述中央处理器CPU，其特征在于，还包括电源模块。电源模块包含稳压、整流、充电和电池等电路元件。优选的，所述电源模块包括可充电电池。优选的，还包括通信接口、通信模块、远程主站，所述通信接口分别与所述中央处理器CPU、通信模块相互电连接，所述远程主站与通信模块之间采用数据通信协议相互进行通讯。优选的，还包括通信接口、通信模块、集中器、远程主站，所述通信接口分别与所述中央处理器CPU、通信模块相互电连接，所述远程主站与集中器、所述集中器与通信模块之间分别采用数据通信协议相互进行通讯。优选的，所述低压断路器包括分励脱扣器和辅助接点，所述跳闸输出接口电联接分励脱扣器，所述辅助接点电联接状态采集接口。优选的，还包括保护控制开关和跳闸继电器，所述保护控制开关和跳闸继电器串接在输出接口的控制输出回路上。进一步的，还包括键盘、显示屏、声光报警器，所述键盘电联接所述的中央处理器CPU，所述中央处理器CPU分别电联接所述显示屏、声光报警器。进一步的，所述显示屏用于显示电量、电费、功率、表计故障、以及过流、短路、过压、欠压、失压、漏电、反送电故障的保护相关事件信息
进一步的，所述声光报警器用于提示电能表运行工况、通信状态、电能表异常状态、相关的故障保护信息。进一步的，所述数据通信协议在《电力用户用电信息采集系统》的通信协议和技术规范上进行功能扩充，扩充后的协议实现向下兼容采集系统和设备、共用通信通道。进一步的，所述智能电能表与远程主站系统或远程管理终端通过数据通信协议进行双向通信，并接受远程主站系统或远程管理终端的管理。进一步的，所述中央处理器CPU分别与一时钟模块相互电联接，与一数据存储器相互电联接。还提供一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，包括以下步骤，
步骤I:智能电能表中的所述相电流采样电路所采集的交流电流信号、所述相电压采样电路所采集的交流电压信号和所述漏电电流采样电路所采集的漏电电流信号中的一种或多种组合信号转换为数字信号，传入所述计量芯片进行数据处理，并存入暂存器中；
步骤2 :所述数据存储器中预先存储有由远程主站或智能电能表按键输入的各种保护整定值或报警整定值，所述中央处理器CPU不断读取或接收来自计量芯片的数据，并与相应的保护整定值或报警整定值进行比较，判断智能电能表所接用户负载侧电路所处的工作状态；
步骤3:当读取或接收到的数据值处于正常工作状态的整定值范围内，则不启动相应故障保护和报警子程序，所述中央处理器CPU将数据进行分析统计，形成单位时间内的平均值、最大值、最小值等统计数据，并在显示屏上，并定时将相关数据上传、经集中器转发到到远程主站，或直接上传到远程主站，以便远程主站进行漏电数据存储和分析，再返回步骤2 ;当超出或低于整定值范围时，则启动相应故障保护和报警子程序，进行进一步故障判断； 根据综合判断结果，中央处理器CPU发出保护跳闸指令给所述低压断路器，所述低压断路器中的分励脱扣器动作断开线路，或发出报警指令给声光报警器，进行报警；
步骤4 由所述中央处理器CPU将报警、故障保护跳闸事件、以及故障保护或报警的执行情况形成带有时间戳的故障事件报文，写入数据存储器，并在显示器上显示，所述智能电能表将相关故障事件报文和数据实时上传，经集中器转发到远程主站，或直接上传到远程主站，远程主站进行数据存储和分析。优选的，所述中央处理器CPU将所采集的当前的交流电压信号数据与所述数据存储器中预存的过压、欠压、失压整定值进行比较，当相电压值〉过压整定值时，则满足过压故障判定启动条件；当相电压值〈欠压整定值且当前电压值 > 失压整定值时，则满足欠压故障判定启动条件；当相电压值〈失压整定值时，则满足失压故障判定启动条件；当电压值数值符合上述范围，智能电能表启动电压类保护和报警子程序，进行进一步故障判断，根据电压大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。优选的，所述中央处理器CPU将所采集的当前的交流电流信号数据与所述数据存储器中预存的过流、短路整定值进行比较，当相电流值 > 过流整定值时，则满足过流故障判定启动条件；当相电流值 > 短路整定值时，则满足短路故障判定启动条件；当电流值数值符合上述范围，智能电能表启动电流类保护子程序和报警子程序，进行进一步故障判断，根据相电流大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。优选的，所述中央处理器CPU将所采集的当前带有方向符号的有功功率或电流数据与零值、反送电保护功率整定值进行比较，当有功功率值〈O且有功功率绝对值 > 反送电保护功率整定值时，或当相电流值〈O且相电流绝对值 > 反送电保护电流整定值时，智能电能表启动反送电类故障保护和报警子程序，进行进一步故障判断，根据反向有功功率或电流大小、波动情况、反向越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。与现有技术相比，本发明的有益效果是I、提供电源模块，为低压断路器提供稳定可靠的保护动作控制电源，提高整个装置的运行可靠率和保护动作正确率，并降低低压断路器跳闸操作机构的故障率；为智能电能表核心模块提供了运行后备电源，支持智能电能表核心模块的待机、休眠等运行模式，为智能电能表掉电后快速恢复运行提供了条件，提高了故障保护功能的实用性；2、提供多种类型的用电故障报警与保护，用电故障保护类型包括过压、欠压、失压、过流、短路、漏电(剩余电流)、反送电等类型保护，通过智能电能表的用电故障报警与保护功能，可以实现对电力用户电压、电流、功率等类型的故障报警与故障保护，预防用电故障和自动隔离故障点，实时监测电气线路与设备的漏电情况，减少因漏电造成的电能损耗和经济损失，防止和减少因电气线路设备故障引起的经济损失和人身安全事故的发生，并有效提高低压电网的可靠性；3、提供多种类型的用电故障信息提示，智能电能表可以在其显示屏上显示有关故障信息和用电提示信息，方便维护人员和用户直观地了解用电故障的原因，准确及时地排除故障和隐患，并能准确区分停电故障原因是由电力用户引起还是由供电企业引起的，为供电企业和电力用电故障分析提供依据，提高供电可靠性和故障抢修效率。智能电能表内置有电源模块和由可充电电池供电的后备电源，可以在智能电能表断电后一段时间内继续对故障情况进行提示，当智能电能表转入待机模式时可以人工唤醒进行数据查询；4、用电故障管理可纳入远程管理，尤其是可接入电力用户用电信息采集系统进行管理。供电企业将用电故障管理纳入管理范围，可以分析低压电网及用户用电故障发生规律，及时预警和采取措施排查故障和隐患，提高低压电网和用电的智能化水平，有效指导电力用户科学、安全、高效用电；5、兼容已有电力用户用电信息采集系统和 设备。本发明在《电力用户用电信息采集系统》的通信协议和技术规范上进行功能扩充，其最大优点就是可向下兼容采集系统和设备、可共用通信通道；6、通过增加了具有采集零线电流或同时采集相线、零线电流的电流采集元件，可以更加有效监测采用电流回路分流或短接方法的窃电行为，提高智能电能表的反窃电功能，并防止危险用电行为的发生，降低供电企业因计量异常和窃电引起的经济损失。


图I为本发明根据核心模块数据交换的对象划分的方式一的电路结构框 图2为本发明根据核心模块数据交换的对象划分的方式二的电路结构框 图3为用电故障保护主控程序示意 图4为本发明根据交流电气信号采集传感器元件类型划分的方式一的电路结构 图5为本发明根据交流电气信号采集传感器元件类型划分的方式二的电路结构 图6为本发明根据交流电气信号采集传感器元件类型划分的方式三的电路结构 图7为本发明的低压断路器内置式示意 图8为本发明的低压断路器外置式示意 附图标记说明1、计量芯片；2、漏电电流采样电路；3、相电流采样电路；4、相电压采样电路；5、跳闸输出接口 ；6、状态采集接口 ；7、低压断路器；8、通信接口 ；9、通信模块；10、数据存储器；11、时钟模块；12、中央处理器CPU ;13、声光报警器；14、显示屏；15、键盘；16、远程主站；17、集中器；18、电源模块。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的说明。如图I、图2所示，一种具有用电故障监测与保护功能的智能电能表，包括计量芯片I、相电流采样电路3、相电压采样电路4、中央处理器CPU 12，漏电电流采样电路2、低压断路器7，和电源模块18。所述漏电电流采样电路2电联接所述计量芯片1，所述计量芯片I与中央处理器CPU 12相互电联接，所述中央处理器CPU 12经一跳闸输出接口 5电联接所述低压断路器7，所述低压断路器7经一状态采集接口 6电联接所述中央处理器CPU 12。所述漏电电流采样电路2包括漏电电流采集传感器。
还包括通信接口 8、通信模块9、键盘15、显示屏14、声光报警器13，所述通信接口8分别与所述中央处理器CPU 12、通信模块9相互电连接，所述键盘15接入所述的中央处理器CPU 12，所述中央处理器CPU 12分别电联接所述显示屏14、声光报警器13。所述中央处理器CPU 12与一时钟模块11相互电联接。所述中央处理器CPU 12与一数据存储器10相互电联接。漏电电流采样电路负责将低压漏电电流交流模拟信号转换为数字信号，并将漏电电流数字信号传入计量芯片进行数据处理。漏电电流采样电路中最重要元件是漏电电流采集传感器，漏电电流采集传感器是漏电电流的交流模拟信号转换元件，将线路漏电电流信号按一定比例关系转换为适合于漏电电流采样电路处理的交流信号，漏电电流采样电路再将漏电交流模拟信号转换为数字信号后输出到计量芯片，由计量芯片进行漏电电流数字信号处理。漏电电流采集传感器可以采用电流互感器或分流电阻等漏电电流信号采集传感元件。相电流采样电路、相电压采样电路将三相或单相低压线路的相电流、相电压交流模拟信号分别转换为适合计量芯片采集的数字信号，并将电压、电流数字信号传入计量芯片进行数据处理，形成电流、电压、电功率、电量等测量数据。电压、电流采样电路包含传感器元件，一般为电压、电流互感器或分压、分流电阻元件。计量芯片是一种专门用于电能计量及电压、电流等电气信号处理的数字信号处理(Digital Singnal Processing,简称DSP)芯片，本发明中，计量芯片不仅负责将相电流、相电压数字信号通过运算处理转换为功率和电量，也负责将相电压、相电流、漏电电流数字信号通过运算处理转换为有效值，并将相关数据存储在计量芯片的暂存器中。CPU是智能电能表的核心元件，一般采用嵌入式微处理器，是智能电能表实现保护参数整定、保护判断和发出指令的保护智能处理核心元件，并负责数据参数存储管理、外设控制和通信控制等任务。数据存储器除用于存储电能计量、计费和表计事件等数据外，还用于存储电气数据(相电压、相电流、漏电电流等)、参数和事件信息。跳闸输出接口用于向低压断路器输出跳闸控制脉冲信号或电平信号，实现对低压断路器的跳闸控制。跳闸输出接口包含一个跳闸继电器，用于控制跳闸信号的输出。跳闸输出接口还包含保护控制开关，保护控制开关串接跳闸输出接口的控制输出回路上，用于设定智能电能表的故障保护跳闸功能是否投入使用。状态采集接口负责采集低压断路器的分合闸位置状态量。通信接口和通信模块负责智能电能表与集中器、远程主站、现场便携式数据采集PDA等智能终端设备的通信。时钟是计时设备，并自带电池，用于智能电能表的独立计时，并确保智能电能表在断电时仍能准确计时，以确保故障信息发生时间记录的准确性。键盘按钮、显示器、声光指示为智能电能表的人机交互的输入/输出设备，负责用电故障监测保护功能调试和故障报警、故障信息显示。电源模块是带有稳压、整流和充电功能的电路模块，负责为智能电能表本身的正常运行提供稳定的电源，并可为低压断路器控制提供安全可靠的低电压控制电源。电源模块包含一组可充电电池作为后备电源，可以支持智能电能表在失电以后维持运行一段时间，进行数据处理、数据存储、数据通信、显示信息和发出报警信号等操作；并根据电池电能消耗情况，自动转入待机、休眠状态，以便智能电能表复电时快速恢复运行。低压断路器，是一种带有分励脱扣器和辅助接点的低压断路器。分励脱扣器的作用是作为智能电能表实现对低压断路器进行分闸操作的一种内部附件，当智能电能表跳闸控制接口输出分闸信号，就接通分励脱扣线圈电源，操纵低压断路器分闸。辅助接点是低压断路器用于辅助判断分合闸位置的一种内部附件，它与低压断路器的动触头联动，负责向智能电能表反馈低压断路器的分合闸位置状态信号。低压断路器是用于切断和恢复用户负载的电气控制设备，低压断路器的分励脱扣线圈、辅助接点分别与智能电能表的跳闸输出接口、状态采集接口相连接。本发明中，低压断路器负责在发生故障时根据需要断开故障点或故障电力用户，并能根据远程主站的指令断开低压断路器或根据远程主站下发的参数防止低压断路器被非法合闸。可以选用带有电动合闸操作机构外部附件的低压断路器，并在智能电能表核心部分增加合闸输出接口，通过功能扩充，可以实现智能电能表对低压断路器自动重合闸的功能，及实现远程主站对智能电能表所属低压断路器遥控合闸功能。集中器是指收集各采集终端或电能表的数据，并进行处理储存，同时能和用电信息采集主站或手持设备进行数据交换的设备，本发明中，集中器也负责智能电能表故障保护功能相关数据、参数、事件的储存和转发。远程主站指的是用电信息采集系统主站，负责对智能电能表进行数据采集与管理，也负责对智能电能表的运行数据、控制参数和保护控制进行远程管理。本发明还提供一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，包括以下步骤，
(1)智能电能表中的所述相电流采样电路所采集的交流电流信号、所述相电压采样电路所采集的交流电压信号和所述漏电电流采样电路所采集的漏电电流信号中的一种或多种组合信号转换为数字信号，传入所述计量芯片进行数据处理，并存入暂存器中；
(2)所述数据存储器中预先存储有由远程主站或智能电能表按键输入的各种保护整 定值或报警整定值，所述中央处理器CPU不断读取或接收来自计量芯片的数据，并与相应的保护整定值或报警整定值进行比较，判断智能电能表所接用户负载侧电路所处的工作状态；
(3)当读取或接收到的数据值处于正常工作状态的整定值范围内，则不启动相应故障保护和报警子程序，所述中央处理器CPU将数据进行分析统计，形成单位时间内的平均值、最大值、最小值等统计数据，并在显示屏上，并定时将相关数据上传、经集中器转发到到远程主站，或直接上传到远程主站，以便远程主站进行漏电数据存储和分析，再返回步骤(2)；当超出或低于整定值范围时，则启动相应故障保护和报警子程序，进行进一步故障判断；根据综合判断结果，中央处理器CPU发出保护跳闸指令给所述低压断路器，所述低压断路器中的分励脱扣器动作断开线路，或发出报警指令给声光报警器，进行报警；
(4)由所述中央处理器CPU将报警、故障保护跳闸事件、以及故障保护或报警的执行情况形成带有时间戳的故障事件报文，写入数据存储器，并在显示器上显示，所述智能电能表将相关故障事件报文和数据实时上传，经集中器转发到远程主站，或直接上传到远程主站，远程主站进行数据存储和分析。其的故障保护工作原理和过程如下
智能电能表的监控和保护的对象是电能表下侧的电气线路及设备，监控和保护内容包括过压、欠压、失压、过流、短路、漏电(剩余电流)、反送电等类型故障保护。为实现各类用电故障保护，在智能电能表的嵌入式CPU核心运行程序中，各故障保护与报警子程序均受用电故障保护主控程序控制。为确保故障监测保护的实时性，嵌入式CPU及其操作系统应选用支持实时多任务的操作系统。用电故障保护主控程序如图3所示，当智能电能表加电启动后，立即加载用电故障保护主控程序进行用电故障监控和保护。用电故障保护主控程序读取来自计量芯片一组当前相电压、 相电流、漏电电流数值，并将相电压、相电流、漏电电流数值分别与相应整定值进行比较。如果相电压、相电流、漏电电流数值越限，或者存在反送电异常信号，则检查相应保护子程序进程是否已在运行中，如果相应保护子程序已运行，则直接返回到下一项数据判断节点，如果相应保护子程序未运行，则启动相应保护子程序进程进行进一步判断，并返回到下一项数据判断节点。各数据项均已与整定值比较完成后，流程返回到读取新的一组当前相电压、相电流、漏电电流数值节点，并按上述流程进行循环判断。由于智能电能表采用实时多任务操作系统，因此智能电能表支持多项故障类型同时并行检测保护，操作系统根据不同的故障信号类型临时创建相应故障进程，启动相应保护子程序，当完成故障保护动作后或故障信号消失后，操作系统自动终止和释放该进程。智能电能表采用支持实时多任务的操作系统的优点是由一个CPU芯片就可以实现电压、电流、漏电、反送电等多个电气故障保护类型同时运行，可确保故障保护判定和保护动作实时性，并可实现不同类型保护子程序运行的统一协调调度。现以漏电保护为例说明其故障保护工作原理和过程
当智能电能表所接用户负载侧电路发生触、漏电时，智能电能表内部的零序电流互感器就感生出漏电电流，零序电流互感器的二次回路将漏电电流信号经处理后输入到A/D转换器进行漏电电流模拟信号数字化采集，将漏电电流模拟信号转换为数字信号，并将并将漏电电流数字信号传入计量芯片进行数据处理。计量芯片将漏电电流采样电路传来的漏电电流数据经过数学运算处理后形成漏电电流有效值、平均值数据等数据，并将数据存储在计量芯片的暂存器中。CPU不断读取或接收来自计量芯片的漏电电流数据，并将实时漏电电流数据与漏电保护整定值或报警整定值进行比较，如果漏电电流值大于漏电保护整定值或报警整定值，则启动漏电保护与报警子程序，当满足漏电保护跳闸触发条件时，CPU通过跳闸输出接口向低压断路器输出跳闸控制脉冲信号或电平信号，接通低压断路器的分励脱扣线圈电源，实现漏电保护跳闸；当满足漏电报警触发条件时，CPU向声光报警设备输出控制信号，接通声光报警设备进行漏电报警。所述的漏电保护整定值或报警整定值是由远程主站或智能电能表按键输入的漏电保护和报警参数，参数类型包括漏电保护整定值、漏电报警整定值、漏电保护跳闸延时时间、漏电保护跳闸允许/禁止、漏电报警允许/禁止等参数，相关参数都储存在智能电能表的数据存储器中。漏电保护与报警子程序是智能电能表进行漏电判断和发出保护跳闸/报警指令的一段计算机程序代码，其原理是根据漏电电流的大小、波动情况、持续时间等各种因素进行自动跟踪和智能判断，根据判断结果和预定的策略决定是否发出漏电保护跳闸或漏电报警指令。智能电能表所监控的电力用户因漏电发生的漏电报警、漏电保护跳闸事件，以及漏电保护或漏电报警的执行情况况，由CPU形成带有时间戳的事件报文，将事件报文写入数据存储器，并将相关事件信息在液晶显示器上显示。漏电报警、漏电保护跳闸事件发生后，智能电能表还将相关事件报文和数据实时上传、经集中器转发到远程主站，或直接上传到远程主站。如果智能电能表所接负载侧漏电电流值在正常范围，智能电能表的CPU也不断从数据存储器读取当前漏电电流值进行分析统计，形成单位时间内的漏电电流平均值、最大值、最小值等统计数据，并根据需要在液晶显示屏上显示相关数据，并定时将相关数据上传、经集中器转发到到远程主站，或直接上传到远程主站，以便远程主站进行漏电数据存储和分析。智能电能表的过压、欠压、失压、过流、短路、反送电等其它类型保护工作原理与过程同漏电保护的原理过程一致，其差异是运行数据、控制参数、事件信息类型不同，和所执行的对应保护与报警子程序不同。过压、欠压、失压故障保护工作原理和过程如下
智能电能表通过相电压采样电路采集的电压信号，经计量芯片运算后的电压数据，不仅作为电量、功率计算的数据源，也作为过压、欠压、失压等电压类故障监测和保护判定依 据。与漏电保护原理类似，智能电能表的CPU将所采集的当前电压数据与预先存储在数据存储器中的过压、欠压、失压整定值进行比较，当当前电压值 > 过压整定值时，则满足过压故障判定启动条件；当当前相电压值〈欠压整定值且当前电压值 > 失压整定值时，则满足欠压故障判定启动条件；当当前相电压值〈失压整定值时，则满足失压故障判定启动条件。如果当前电压值数值符合上述范围，则表明可能存在电压类故障，智能电能表启动电压保护子程序进行进一步故障判断，根据电压大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断，当符合故障报警条件时，则输出报警信息；当符合故障保护动作条件时，则输出跳闸指令到跳闸控制接口，控制低压断路器断开用户电路。电压类故障信息经判定后也在智能电能表的显示器上显示，并实时上报到远程主站。过流、短路故障保护工作原理和过程如下
智能电能表通过相电流采样电路所采集的电流数据，经计量芯片运算后的电流数据，不仅作为电量、功率计算的数据源，也作为过流、短路等电流类故障监测和保护判定依据。与漏电保护原理类似，智能电能表的CPU将所采集的当前电流数据与预先存储在数据存储器中的过流、短路整定值进行比较，当当前相电流值 > 过流整定值时，则满足过流故障判定启动条件；当当前相电流值〉短路整定值时，则满足短路故障判定启动条件。如果当前电流值数值符合上述范围，则表明可能存在电流类故障，智能电能表启动电流保护子程序进行进一步故障判断，根据相电流大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断，当符合故障报警条件时，则输出报警信息；当符合故障保护动作条件时，则输出跳闸指令到跳闸控制接口，控制低压断路器断开用户电路。电流类故障信息经判定后也在智能电能表的显示器上显示，并实时上报到远程主站。反送电故障保护工作原理和过程如下
反送电指的是电源经非正常途径反向送电的现象，在低压电网中，反送电的主要形式是低压电力用户侧自备发电电源或双回路电源向低压电网反向送电的现象。其危害是当低压配网停电检修时，电力用电反送电极易导致线路设备检修人员遭电击引起人身伤亡事故。本发明所述智能电能表的反送电故障保护原理是当智能电能表检测到流经智能电能表的相线有功功率或电流反向时，立即断开低压断路器，断开电力用电线路或设备与低压电网的电气联接。根据电能四象限图，当视在功率落在第I或第IV象限时，电能输送方向为由低压电网向电力用户供电，其有功功率与电流方向均为正向，属正常送电状态；当视在功率落在第II或III象限时，电能输送方向为由电力用户侧向低压电网侧供电，其有功功率与电流方向均为反向，属反送电状态。反送电故障保护工作过程与其它故障保护过程类似，智能电能表的CPU将所采集的当前带有方向符号的有功功率或电流数据与零值进行比较，当当前有功功率值〈O且当前有功功率绝对值 > 反送电保护功率整定值时，或者当当前相电流值〈O且当前相电流绝对值〉反送电保护电流整定值时，则可能存在反送电情况，智能电能表启动反送电故障保护子程序进行进一步故障判断，根据反向有功功率或电流大小、波动情况、反向越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断，当符合故障报警条件时，则输出报警信息；当符合故障保护动作条件时，则输出跳闸指令到跳闸控制接口，控制低压断路器断开 用户电路。反送电故障信息也在智能电能表的显示器上显示，并实时上报到远程主站。本发明根据智能电能表计量芯片采集的电气数据及相关数据的处理，还可以扩充出其它类型的故障保护功能，如根据三相电压相位角顺序可扩充出相序故障保护(防止电力用户三相电机倒转)；根据电压与电流的乘法运算可扩充出功率越限故障保护(防止电力用户用电超载)。本发明所述的智能电能表，在保留原有的用电信息数据远程传输功能基础上，通过对数据通信协议及相关软件进行故障监测保护相关功能的扩充改进，无需增加专用通信、主站硬件设备，采用共用通信介质、通信设备和主站方式，就可以实现用户用电故障保护运行情况的远程监控和调整。智能电能表用电故障监测保护相关功能数据通信协议扩充，指的是在智能电能表与集中器、集中器与用电信息采集主站之间的数据通信协议扩充。其中，智能电能表与集中器之间的通信协议以DL/T645 - 2007《多功能电能表通信协议》为基础进行扩充，集中器与用电信息采集系统主站之间通信协议以Q / GDff 376. I - 2009《电力用户用电信息采集系统通信协议主站与采集终端通信协议》为基础进行扩充。用电故障远程监控的实现方法如下
对智能电能表的远程通信协议进行扩充。以漏电故障保护为例，增加实时漏电电流、漏电电流冻结数据、漏电电流曲线数据等数据项；增加零序电流互感器倍率(作为测量点基本参数项)、漏电电流门限(作为漏电保护跳闸动作电流整定值)、漏电电流上限(作为漏电电流越限报警电流整定值)、漏电电流越门限持续时间(漏电保护跳闸延时时间)、漏电电流越上限持续时间(漏电报警延时时间)、漏电电流越门限恢复系数、漏电电流越上限恢复系数等测量点限值参数和保护参数；增加漏电保护跳闸允许/禁止、漏电报警允许/禁止等漏电保护控制参数；增加漏电保护跳闸事件、漏电越限报警事件等事件项目。过压、欠压、失压等电压类故障保护和过流、短路等电流类故障保护，以及反送电故障保护，其通信协议的扩充方法与漏电保护类型相似，不再一一细述。为实现主站与智能电能表功能的兼容，与智能电能表相连接的集中器、主站的通信协议也按上述方法进行通信协议扩充。故障监测保护相关参数的调整下发。通过对主站的漏电、过压、欠压、失压、过流、短路、反送电等参数管理软件功能进行改进。以漏电保护为例，增加零序电流互感器倍率、漏电电流门限、漏电电流上限、漏电电流越门限持续时间、漏电电流越上限持续时间、漏电电流越门限恢复系数、漏电电流越上限恢复系数、漏电保护跳闸允许/禁止、漏电越限报警允许/禁止等漏电相关参数管理功能。在主站完成相关参数的设定后，将相关参数组成报文批量或逐一经集中器转发下传到智能电能表，智能电能表对接收到的参数报文进行验证、解析，将主站下发的参数储存在数据存储器中。过压、欠压、失压等电压类故障保护，过流、短路等电流类故障保护，以及反送电故障保护等参数的调整下发也与漏电保护参数下发方法类似，不再一一细述。智能电能表运行情况和故障保护的远程监控。智能电能表定时自动将采集到的漏电电流、相电压、相电流等类型的实时数据、冻结数据、曲线数据以数据报文方式经集中器上传到主站，主站将接收到的数据报文进行验证、解析，并将数据写入数据库，由主站进行数据展现和显示。智能电能表检测到用电故障后自动启动相应保护与报警子程序进行处理后，并形成故障保护跳闸事件或电气保护数值越限报警事件报文，将有关事件信息以事件报文方式自动经集中器上传到主站，由主站进一步处理。主站监控人员如果需要查询智能电能表的当前或历史故障监测保护相关信息，可以从主站发出故障信息召测命令，智能电能表接收到召测命令后，立即自动将相关信息以报文形式上传到主站。 用电情况与故障信息显示方法如下
在正常用电情况下，智能电能表的显示屏可自动翻屏显示当前电压、电流、漏电电流、功率、电量、电费、时间、主站下发的提示信息等数据；当发生用电故障时，智能电能表的显示屏可显示用电故障类型、故障原因、故障时间等信息；当发生电网故障导致智能电能表失电时，依靠内置的后备电源的支持，智能电能表的显示屏仍可提供一段时间的用电信息显示，为抢修人员和用户提供停电事件的相关参考信息，准确地判断故障类型和故障来源。当后备电源消耗到一定程度或断电一定时间后，智能电能表自动转入待机的低功耗状态，关闭所有外设和外围电路电源，仅给智能电能表核心部分的内存供电。当在停电状态下需要查询智能电能表有关信息时，可以由人工操作键盘按钮唤醒智能电能表进行信息查询。当智能电能表复电后，可以不必经历操作系统重新引导启动过程，即可迅速恢复到正常运行状态，确保计量的准确性，确保各项故障保护功能及时投入运行。本发明按智能电能表核心模块数据交换的连接方式的不同，有两种实施方式 方式一如图I所示，核心模块的通信接口 8分别与中央处理器CPU 12、通信模块9相
互电连接，远程主站16与通信模块9之间采用数据通信协议相互进行通讯。方式二 如图2所示，还包括集中器17，远程主站16与集中器17、集中器17与核心模块的通信模块9之间分别采用数据通信协议相互进行通讯。集中器17收集各采集终端或电能表的数据，并进行储存，并能同时实现电能表和用电信息采集主站或手持智能终端设备的数据交换。本发明按漏电电流采样电路、相电流采样电路、相电压采样电路中交流电气信号采集传感器的元件选择和组合的类型不同，有三种实施方式
方式一如图4所示，采用互感器类型采集元件，零序电流互感器LI采集漏电电流，电流互感器L2采集相线电流，电压互感器L3采集相电压。方式二 如图5所示，采用互感器类型采集元件，电流互感器LI采集相线电流，电流互感器L2采集零线电流，电压互感器L3采集相电压。漏电电流由相线电流、零线电流的瞬时值经计量芯片数学运算叠加而得到漏电电流瞬时数值。为提高漏电电流的采集精度，电流互感器LI、L2应采用电气特性和参数一致的电流互感器。方式三如图6所示，采用分压、分流电阻类型采集元件。电阻Rl、R2共同构成分流电阻电路，其中，Rl电阻值较小，R2电阻值较大，Rl与R2电阻值之比I :N，其中N为整数，电阻Rl串联在相线上，电阻R2在分流电路上将分流电流信号输出到相线电流采集端子，计量芯片所采集到的电流信号为I/ (N + I)倍的相线电流。电阻R3、R4共同构成分流电阻电路用于采集零线电流，采集方法与相线采集方法相同。电阻R5、R6串联接在相线、零线之间构成分压电阻电路用于采集相电压，其中，R5电阻值较大，R6电阻值较小，R5与R6之比为M :1，其中M为整数，R6两端的电压信号输出到相电压采集端子，计量芯片所采集到的电压信号为I/ (M+ I)倍的相线电压。与方式二相同，漏电电流由相线电流、零线电流的瞬时值经计量芯片数学运算叠加而得到数值，为提高漏电电流的采集精度，电阻Rl、R3应采用电气特性和参数一致的电阻，电阻R2、R4也应采用电气特性和参数一致的电阻。方式三所述的各采集电阻应采用精密电阻来作为交流采集元件。 上述三种方式例举的是单相情况下的交流采集传感器元件接线方法，对于三相四线制电路，其接线方法原理与上述相同，区别仅在于分别增加了两个电流采集元件和两个电压采集元件。本发明按故障保护动作的执行机构(即低压断路器)的安装位置，有两种组装模式
方式一低压断路器内置式。如图7所示，在智能电能表内部加装带有脱扣器和辅助接点的低压断路器。断路器的辅助接点接入智能电能表核心模块的状态量采集接口输入端子用于监测断路器的分合位置，断路器的分励脱扣线圈接入智能电能表核心模块的跳闸输出接口端子实现故障保护跳闸控制。跳闸输出接口还包含保护控制开关和跳闸继电器，保护控制开关和跳闸继电器串接跳闸输出接口的控制输出回路上，在用于设定智能电能表的故障保护跳闸功能是否投入使用。方式二 低压断路器外置式。如图8所示，将低压断路器安装位置移到智能电能表外部，智能电能表与低压断路器之间的接线方法与图7相同，将电气主回路、控制信号回路、状态检测信号回路导线一一对应相连接。方式一、方式二所例举的是本发明所述功能在单相智能电能表的保护执行机构不同安装位置的接线方法，对于三相智能电能表，其接线原理不变，但需选择三相低压断路器作为故障保护执行机构。为节约空间和成本，可以选择只开断相线类型的低压断路器，也具有相同的效果，但在电能表零线与相线接线错误的情况下就起不到漏电保护的作用。上述方案的跳闸输出接口均包含一个跳闸继电器，用于接通或断开断路器分励脱扣线圈的控制电源，起到控制断路器分闸的作用。断路器的分励脱扣线圈控制电源，可以采用交流220V、直流24V等类型控制电源，既可以采用由电气主回路(即相线)直接供电的方式，也可以通过智能电能表的电源模块经稳压整流后输出的交流或直流电源供电。采用由电气主回路直接提供控制电源供电方式的优点是结构简单，生产成果低，但控制电源质量较差，故障保护动作正确率会降低，为提高保护动作正确率，断路器分励脱扣器附件的选型方面可以考虑采用宽工作电压范围的分励脱扣器；采用由智能电能表的电源模块供电的方式的优点是故障保护动作正确率高，并可降低断路器分励脱扣器附件的故障率，提高用电保护的可靠性。方式一的优点是安装简单，如果智能电能表与上级通信方式是电力载波方式，其接入电网的方法与普通电能表完全一致，仅需将低压线路进出线的相线、零线分别接入相应接线端子即可实现所述故障远程监测保护功能。其缺点是低压断路器更换维修不方便。方式二的优点是低压断路器更换维修比较方便。缺点是安装与接线稍显复杂，控制信号线、状态检测信号线均需从智能电能表端子接到低压断路器相应端子，需要考虑防止连接线被破坏的问题。 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，包括计量芯片、漏电电流采样电路、相电流采样电路、相电压采样电路、中央处理器CPU，低压断路器，所述漏电电流采样电路电联接所述计量芯片，所述计量芯片与中央处理器CPU相互电联接，所述中央处理器CPU经一跳闸输出接口电联接所述低压断路器，所述低压断路器经一状态采集接口电联接所述中央处理器CPU，其特征在于，还包括电源模块。
2.根据权利要求I所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，其特征在于，所述电源模块包括可充电电池。
3.根据权利要求I所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，其特征在于，所述低压断路器包括分励脱扣器和辅助接点，所述跳闸输出接口电联接分励脱扣器，所述辅助接点电联接状态采集接口 ；还包括保护控制开关和跳闸继电器，所述保护控制开关和跳闸继电器串接在输出接口的控制输出回路上。
4.根据权利要求I所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，其特征在于，还包括键盘、显示屏、声光报警器，所述键盘电联接所述的中央处理器CPU，所述中央处理器CPU分别电联接所述显示屏、声光报警器；所述显示屏用于显示电量、电费、功率、表计故障、以及过流、短路、过压、欠压、失压、漏电、反送电故障的保护相关事件信息；所述声光报警器用于提示电能表运行工况、通信状态、电能表异常状态、相关的故障保护信息；所述中央处理器CPU分别与一时钟模块相互电联接，与一数据存储器相互电联接。
5.根据权利要求I所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，其特征在于，所述数据通信协议在《电力用户用电信息采集系统》的通信协议和技术规范上进行功能扩充，扩充后的协议实现向下兼容采集系统和设备、共用通信通道。
6.根据权利要求I所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，其特征在于，所述智能电能表与远程主站系统或远程管理终端通过数据通信协议进行双向通信，并接受远程主站系统或远程管理终端的管理。
7.一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，其特征在于采用权利要求1-6任一项所述的具有用电故障监测保护功能的智能电能表，包括以下步骤， 步骤I :智能电能表中的所述相电流采样电路所采集的交流电流信号、所述相电压采样电路所采集的交流电压信号和所述漏电电流采样电路所采集的漏电电流信号中的一种或多种组合信号转换为数字信号，传入所述计量芯片进行数据处理，并存入暂存器中；步骤.2 :所述数据存储器中预先存储有由远程主站或智能电能表按键输入的各种保护整定值或报警整定值，所述中央处理器CPU不断读取或接收来自计量芯片的数据，并与相应的保护整定值或报警整定值进行比较，判断智能电能表所接用户负载侧电路所处的工作状态； 步骤3 :当读取或接收到的数据值处于正常工作状态的整定值范围内，则不启动相应故障保护和报警子程序，所述中央处理器CPU将数据进行分析统计，形成单位时间内的平均值、最大值、最小值等统计数据，并在显示屏上，并定时将相关数据上传、经集中器转发到到远程主站，或直接上传到远程主站，以便远程主站进行漏电数据存储和分析，再返回步骤.2 ;当超出或低于整定值范围时，则启动相应故障保护和报警子程序，进行进一步故障判断；根据综合判断结果，中央处理器CPU发出保护跳闸指令给所述低压断路器，所述低压断路器中的分励脱扣器动作断开线路，或发出报警指令给声光报警器，进行报警；步骤4 由所述中央处理器CPU将报警、故障保护跳闸事件、以及故障保护或报警的执行情况形成带有时间戳的故障事件报文，写入数据存储器，并在显示器上显示，所述智能电能表将相关故障事件报文和数据实时上传，经集中器转发到远程主站，或直接上传到远程主站，远程主站进行数据存储和分析。
8.根据权利要求7所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，其特征在于，所述中央处理器CPU将所采集的当前的交流电压信号数据与所述数据存储器中预存的过压、欠压、失压整定值进行比较，当相电压值 > 过压整定值时，则满足过压故障判定启动条件；当相电压值〈欠压整定值且当前电压值 > 失压整定值时，则满足欠压故障判定启动条件；当相电压值〈失压整定值时，则满足失压故障判定启动条件；当电压值数值符合上述范围，智能电能表启动电压类保护和报警子程序，进行进一步故障判断，根据电压大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。
9.根据权利要求7所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，其特征在于，所述中央处理器CPU将所采集的当前的交流电流信号数据与所述数据存储器中预存的过流、短路整定值进行比较，当相电流值 > 过流整定值时，则满足过流故障判定启动条件；当相电流值 > 短路整定值时，则满足短路故障判定启动条件；当电流值数值符合上述范围，智能电能表启动电流类保护子程序和报警子程序，进行进一步故障判断，根据相电流大小、波动情况、越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。
10.根据权利要求7所述的一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表的用电故障监测和控制方法，其特征在于，所述中央处理器CPU将所采集的当前带有方向符号的有功功率或电流数据与零值、反送电保护功率整定值进行比较，当有功功率值〈O且有功功率绝对值 > 反送电保护功率整定值时，或当相电流值〈O且相电流绝对值 > 反送电保护电流整定值时，智能电能表启动反送电类故障保护和报警子程序，进行进一步故障判断，根据反向有功功率或电流大小、波动情况、反向越限持续时间、低压断路器分合闸位置状态等数据进行综合判断。
全文摘要
一种具有用电故障监测保护功能的智能电能表，包括计量芯片、漏电电流采样电路、相电流采样电路、相电压采样电路、中央处理器CPU、电源模块，低压断路器，漏电电流采样电路电联接所述计量芯片，计量芯片与CPU相互电联接，CPU经一跳闸输出接口电联接所述低压断路器，低压断路器经一状态采集接口电联接CPU。还提供一种智能电能表的用电故障监测和控制方法。本发明的有益效果是提供可靠的用电故障保护控制电源模块，提供多种类型的用电故障报警与保护，实现对电力用户电压、电流、功率等类型的故障报警与故障保护，预防和隔离故障点，防止和减少因用户电气线路设备故障引起的经济损失和人身安全事故的发生，并有效提高低压电网的可靠性。
文档编号G01R35/04GK102830255SQ20121030173
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者王金泽 申请人:王金泽