预付费单相多功能电能表设计

2022-09-11

传统普通电表需要定期派专人上门抄表催收电费, 工作量大, 给供电管理部门集中管理带来很多的不便。如将众多的电表集中安放到一个专门的房间要占用很大的空间, 此外, 其工程的复杂性及后续结构、电器的配置等费用也比较昂贵, 同时仍需派专人催收电费。现有的预付费电表, 供电企业不能及时掌握用户用电信息;而RS485联网的电表要铺设通讯线, 增加施工成本也影响美观;且上述电表都不能可靠防止用户窃电。

针对以上问题, 作者设计了单相多功能电表。本电表管理系统满足了电力部门对用电管理改革的需求, 解决了偷电、漏电、管理混乱、人工抄表、防止窃电等诸多问题, 集管理和自动控制为一体。用电预付费, 计量准确, 切断可靠, 能有效提高用电管理效率, 满足小区、公寓、集体宿舍用电管理需求。

1 产品功能设计

本文设计的单相多功能电表采用了美国德州仪器公司 (TI) 新推出的单相防窃电多功能电能表专用芯片, 它是德州仪器MSP430系列产品的成员, 是一款超低功耗的16位单片机MSP430FE42x芯片, 内部包含了单相防窃电多功能电能表计量模块ESP430CE1, 提供有功功率、无功功率、电压、电流、频率、瞬时电流采样值, 功率因数等电参数, 该芯片功能强大, 在电能计量行业居于世界领先水平。该单相多功能电表功能设计如下。

1.1 预付费

采用射频IC卡, 先购买电量充值到IC卡中, 然后再刷卡把卡中电量下载到表中, 达到先买电后用电, 无费停电的目的, 为用电管理部门提供高效的管理手段。

1.2 集中抄表

采用电力载波集中抄表, 电力载波集中抄表是集电表数据采集、载波传输、数据存储、数据通信、数据处理及断电控制等功能于一体的自动化设计;该系统可以使供电部门及时掌握用户用电情况, 监测有无窃电行为;根据需要进行供电控制 (如用户长时间欠费后断电) ;通过远程抄表, 节省抄表的人力物力。

系统由三部分组成:抄表管理单元 (由抄表管理软件和抄表管理计算机组成) 、数据集中器、电表端载波。

系统以数据集中器为中心, 上行通过公用电话网等通道与抄表管理单元通讯, 下行通过载波方式与电表端载波RU通讯, 从而完成自动集中抄表控制的功能。

1.3 分时复费率 (不同时段, 不同电价)

该电表可设置尖、峰、平、谷四种费率, 同时可分为十个时段, 每个时段最小间隔为一分钟;可以按照四个季节进行划分, 每个季节独立对应4组分时价格。采用6位LED数码管显示信息 (5位整数, 1位小数) 。

可查询每个电表的累计总电量及分时电量, 反向电量及过零电量。可以按照预定费率对购电量进行减法处理, 最多可设定3个费率10时段。电表可通过IC卡接口或串行通讯接口修改费率时段等电表参数;对于不同费率可设定不同功率上限值, 超负荷自动断闸, 在设定时间后自动合闸或插卡合闸。可设定超负荷次数限定, 超负荷超过设定次数将不允许用电, 提请用电增容。

同时可记录最大负荷及其发生时刻, 可设定两级告警门限, 告警间隔可设置;允许用户设定或取消预装电量和最大赊欠电量;可以设定用户的最大购电量, 防止用户囤积电量;有超负荷记录、继电器异常记录、异常插卡记录以及反向用电等事件的发生次数和发生时间。

1.4 恶性负载识别功能

通过单片机+A/D转换器, 对220V输出端的电压电流的波形实时采样, 然后编制相应的程序, 通过算法, 判断这两种负载的功率各占多大的比例, 仅仅限制纯电阻性负载的接入。恶性负载识别模块限制的不是用电总功率, 而是瞬间的阶跃功率, 如果阶跃功率大于事先的设定, 系统将自动切断负载电路, 在间隔一段时间后, 系统自动尝试性恢复供电, 经过识别判断没有大功率阻性电热负载接入电路, 从而继续正常供电。

此功能可通过软件设定是否启用, 可设置断电后送电的时间间隔等。

1.5 防窃电计量

只要火线或零线有一个有工作电流就能可靠计量;防止用户偷电、私自接电等。

1.6 一体化设计和分体设计满足不同的需求

一体化设计符合国家电力规范的产品标准, 实现强弱电分离, 避免互相干扰, 使计量精度更准确、散热效果更好;分体设计把计量和显示操作设计成两个单元, 以解决现有完全一体化设计所带来的集中安装和用户操作的矛盾。

1.7 软件校表

软件自动校表是以PC机为基础, 采用电力载波下发参数到校验装置和电能表, 通过计算机控制电能表检验装置对被测电能表进行相关测量, 并收集其测试数据, 然后再利用电力载波通讯对被测电能表进行修正, 以修正其误差, 将电能表的误差控制在一定的范围内。

由于采用了超低功耗芯片, 电表的自身功耗大为降低;采用软件校表, 将大大提高生产效率, 降低人力资源成本;由于采用电力载波通讯, 对老用户改造和新用户安装将带来极大的便利。一体化设计和分体设计满足不同的需求, 分体设计把计量和显示操作设计成两个单元, 以解决现有完全一体化设计所带来的集中安装和用户操作的矛盾。

电力企业可实时掌握用户用电情况根据统计报表, 合理调度电力分配, 降低运营成本;如有窃电发生能及时发现, 降低电力企业损失。根据功率因数进行有效补偿提高用电效率, 达到节约能源的目的。

综上所述单相多功能电表的研发将极大的推动我国电能计量系统的智能化、高效率、绿色节能的进程。

2 产品应用前景

本产品可应用于电力行业, 面向居民用户的用电计量收费, 解决居民用户的用电计量收费, 提高电力系统的信息管理水平, 促进用户合理用电和节约用电, 方便居民操作。由于面向居民用户, 产品具有广泛的市场潜力, 用电管理部门提供灵活有效的管理手段, 同时响应国家对电力及电网建设的相关政策和标准, 为国家节电节能节约资源, 具有极大的市场推广空间。

3 社会效益分析

多功能单相电能表产品的应用提高企业的信息化管理水平, 有利于提高工作效率、降低运营成本, 增加收入;为用电管理部门统计消费数据进行分析, 为售电部门的运营决策提供准确的数字依据, 改善运营效率;可实现预收费、远程抄表、分时复费率、恶性负债识别、用电信息统计等多种功能, 节省人力物力, 为社会创造极大的经济效益。

摘要：本文介绍了一款预付费单相多功能电能表, 该电能表主要采用MSP430计量芯片来设计。文中详细阐述了该电能表各种功能的设计及其特点, 并分析了产品的社会价值及市场前景。

关键词：多功能电能表,电力载波,软件校表