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专利名称：单相防盗电能表制造方法

技术领域：

本实用新型涉及一种新型单相防窃电电能表。

技术背景

无论在发达国家还是在发展中国家，窃电都是一个非常棘手的问题，每年都给供电企业造成巨大的损失。 目前的反盗窃手段大多是管理措施。 即使通过这些手段查出窃电行为，也往往因证据不足而无法确定处罚金额，有时供电公司还会面临无法拿出窃电证据的尴尬。 只有完善电能表本身的防窃电技术，才能从根本上杜绝窃电的发生。 由于窃电方式千变万化，防盗电表的设计一直是电表工程师面临的严峻挑战。 数字电表的发展为解决窃电问题提供了新的途径。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能有效防止窃电的单相防窃电电能表。

本实用新型的目的是以此方式实现的单相防窃电电能表，其组成包括外壳，安装在所述外壳内的电源模块，以及相互连接的采样电路模块，计量模块、系统控制模块、数据显示和存储模块、通信模块和实时时钟模块。

在单相防盗电能表中，采样电路模块包括分别通过电阻分压器、电流互感器和锰铜分流器对电压和电流进行采样，并将得到的采样信号送入计量模块计量芯片。

在单相防窃电电能表中，计量芯片对信号进行采样，转换成数字信号。 计量芯片对电能、电流、电压等数据进行相位校正和计算后，自动选择最大电流。 该通道对电能进行计算，并通过SPI接口将数据通过线路传输给与其相连的计量模块中的抄表单片机，构成计量模块。

在单相防窃电电能表中，计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累加、存储和显示，并输出电能脉冲，检测电能的工作状态实时抄表，并记录发生的窃电事件，输出窃电指示信号，具有多种总线接口的单片机抄表

SPI接口用于连接计量芯片，12C接口用于LCD显示和EEPROM数据存储，UART接口用于红外通信，外部中断l用于掉电检测。

在单相防窃电电能表中，实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时间戳，CPU时钟源也采用内部RC振荡器，CPU时钟调整为3.686通过在 DIVM 寄存器中将频率除以 2。 MHz，采用内外双看门狗设计，内部看门狗采用独立振荡器，计量芯片设置为外部看门狗，其看门狗复位信号接计量单片机的键盘中断口。

该技术方案具有以下有益效果

1、本产品采用最先进的集成电路技术。 采用表面贴装技术，在功能上搭载双回路有功电能计量，防止用户窃电的新型电能表。 以及具有错误接线指示和窃电指示功能的新型电能表。 全部采用SMT表面贴装技术，贴片机自动焊接，流水线作业，专用校准台测试，高低温老化，完全现代化企业规模化生产，产品性能稳定，可靠性极高。

2、本产品精度高，即在500：1的动态范围内平均误差小于0.3%，信号抖动小于0.3%。 本产品可准确测量正负电流采样端子，分别采样火线和零线的电流，取两个电流采样端子中较大的值作为测量值（即使用电不当）。 本产品具有防蠕变功能。 本产品功耗低，小于1W。

3、本产品有两个电流采样端子，分别对火线和零线电流进行采样。 当电流误差超过12.5%时，说明有窃电行为或接线错误，发出指示信号，取两者电流中较大的一个。 价值衡量。 本产品具有测量负有功功率的功能，可将负有功功率转换为与正有功功率同向的脉冲输出。

4、机械异步电动机式计数器指示有功电能。 二频输出。 高频用于计数测试，低频用于计数设备。 '

5、本方案设计的电表可以防止以下窃电行为： A、进出线反接，即负载端与电网端接反。 此时，所测电能为负值。此时，对于普通机械式电表，计数器会反转，导致读数减少，而电表仍在正向累积电量； b. 进出线旁路——即相线或中性线的进出线旁路，此时普通电表会低估旁路功率，而本电表可准确测量实际用电量； C。 零相调换就是相线和零线调换，本表仍能准确测量

电能； d. 负载接地，即负载只接相线，零线接地，电表仍能准确计量电能； e. 零相反转，负载接地。 此时，普通电表不计电能，而本表可准确计量电能； F。 单线测量是在进线侧断开零线，在出线侧将负载接在相线上，另一端接地。 此时，普通电表无法工作，无法计量电能。 本表可在负载电流超过2A时计量电能，精度可达1%以上。 当以上几种方法结合使用时，手表也可以达到防盗电的目的。

6、单相防窃电电能表的使用，通过技术手段防治窃电行为，将减少国家大量的电能损耗，为创建节约型社会做出贡献脉冲电表偷电最方法，减少人员维护成本的增加，为电力管理部门带来经济效益，并可取得更大的社会效益。

7、单相电子式防盗电表能有效防止各种盗电行为。 随着市场经济体制的建立，电力作为商品进入市场，电力企业的经营方式正在向商业化经营转变。 适时研制和推出适合国情的单相电子式防盗电能表，面向未来电力管理自动化建设的需要，适应当前运行管理体制是电力控制管理的大势所趋。

8、通过单相防窃电电能表的使用，通过技术手段防治窃电行为，将减少国家大量的电能损耗，为建设节约型社会做出贡献，并减少人员维护成本和电力管理的增加。 部门的经济效益，并能取得更大的社会效益。

附图1是本产品计量芯片的结构原理图。

附图2是本产品的工作原理图。

附图3是本产品的电气原理图。

附图4是本产品的一种外观结构示意图。

详细方法

'示例 1：

本产品电表专为220V/50Hz电网设计，基本电流为IOA，最大电流为40A

一种单相防盗电能表，它由外壳、安装在外壳内的电源模块、

外壳上装有相互连接的采样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示和存储模块、通讯模块和实时时钟模块。 连接关系见附图。

具有相同编号的电路具有连接关系。

采样电路模块包括分别通过电阻分压器、电流互感器和锰铜分流器对电压和电流进行采样，并将采集到的采样信号发送给计量模块的计量芯片。

在单相防窃电电能表中，计量芯片对信号进行采样，转换成数字信号。 计量芯片对电能、电流、电压等数据进行相位校正和计算后，自动选择最大电流。 该通道对电能进行计算，并通过SPI接口将数据通过线路传输给与其相连的计量模块中的抄表单片机，构成计量模块。

单相防窃电电能表的特点是计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累加、存储和显示，并输出电能脉冲，检测电能的工作状态。实时检测电表，并记录发生的窃电事件，输出窃电指示信号，抄表单片机具有多种总线接口，其SPI接口用于连接计量芯片，I2C接口用于LCD显示和EEPROM数据存储，UART接口用于红外通信，外部中断l用于掉电检测。 在单相防窃电电能表中，实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时间戳，CPU时钟源也采用内部RC振荡器，CPU时钟调整为3.686通过在 DIVM 寄存器中将频率除以 2。 MHz，采用内外双看门狗设计，内部看门狗采用独立振荡器，计量芯片设置为外部看门狗，其看门狗复位信号接计量单片机的键盘中断口。

本产品中的STPM01是第一款电能计量专用芯片。 具有1个电压通道和2个电流通道，可测量有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值、电流有效值。 和瞬时值。 电流传感器可以是电流互感器或锰铜分流器。 它是一款高精度计量芯片，在5%到1000%的动态范围内可以达到0.2%。 STMP01主要由模拟部分和数字部分两部分组成，包括预值放大器、A/D转换器、带隙基准电压源、稳压器、DSP和SPI接口等。芯片还配备了一个56位0TP存储器，可将仪表校准数据等信息烧入芯片。 稳压器除了给内部的模拟和数字电路供电外，还对外提供3V和1.5V的电源。

电压通道差分放大器增益为4倍，其最大输入差分信号为±0.3V。 除了前置放大器，电流通道还有一个可编程放大器。 两个电流通道的放大倍数可独立编程，为电流通道选择不同的传感器提供方便。

STPM01内部有2个有功电能寄存器，分别为0类有功电能和1类有功电能。 0级为基波有功电能，1级为包括谐波在内的总有功电能（FUND-1时）。 因此，可以使用这两个寄存器计算谐波能量含量。 除了测量和配置寄存器外，片上还有状态寄存器和模式寄存器。

通过设置配置位，STPM01可以独立工作，也可以作为单片机的外围设备工作。 在单机模式下，STPM01（M0N和M0P引脚）可以直接驱动步进电机计数器，同时LED引脚输出有功电能脉冲，脉冲常数由配置位选择。 该模式下，SDA/TD引脚输出篡改指示信号，SCL/NLC引脚输出空载指示信号，SYN引脚输出电源反向指示信号。 上电后，芯片按照OTP中的配置信息工作。

当作为单片机的外围设备使用时，STPM01可以作为从机通过SPI接口与单片机通信，向单片机传输测量数据、状态信息和配置信息。 单片机还可以修改其配置位，实时改变STPM01的工作模式。 当配置位APL = 0时，MOP引脚输出电压过零信号，MON输出看门狗信号。 并且通过设置配置位KM0T，LED管脚可以输出基波有功电能、总有功电能、无功电能或视在电能脉冲； 当APL为1时，M0P脚输出电压的A/D转换值，MON脚输出当前的A/D转换值，LED脚输出当前的通道选择信号。

STPM01有两个电流通道，可分别监测火线电流和零线电流。 当两者之差超过设定的阈值时，芯片进入窃电状态，取较大的用于功率计算。 阈值可以通过配置位设置为 12.5% 或 6.25%。 当两个通道的电流符号不同时，不判断电流大小，直接进入窃电状态。 在窃电状态下，窃电状态位BIT被置位，如果此时芯片工作在独立模式，窃电状态也通过SDATD管脚输出。

STPM01 还具有单线测光模式。 若FRS置1，芯片在没有输入电压信号或电压信号稳定时进入单线计量模式。 此时不对电压信号进行采样，而是用设定的额定电压计算电能（根据功率因数1计算）。单线计量方式需要电流传输

传感器必须使用高夫斯基（ROGOWSKI）线圈。 也可以选择累积方法。 当配置位ABS设置为1时，电能按照绝对值累加，当ABS清零时，电能按照代数和累加。

本产品选用的PIC24FJ128GA006是一款低成本单片机，采用高性能处理器结构，指令执行时间仅需2～4个时钟周期，是标准80C51器件的6倍。 它实际上是PIC24FJ128GA006微控制器和PCF8576D LCD驱动器的复合体。 其主要特点如下： 16KB Flash程序存储器，单字节擦除特性使得每个字节都可以作为非易失性数据存储器； 256BRAM数据存储器； 4X32段式LCD驱动； 2个模拟比较器，2个16位定时器/计数器和1个RTC定时器； 8个键盘中断输入，2个外部中断输入； 4个中断优先级； 20个23 I/0端口，端口驱动能力20mA； 具有 I2C、SPI 和增强型 UART 端口； CPU时钟可选择片内看门狗振荡器、片内RC振荡器、外部晶振或外部时钟源； 掉电检测可使系统在断电时安全关机； 具有空闲和两种不同的掉电模式和唤醒功能； 可选择片内复位或外部复位； 支持ICP、ISP和IAP编程，Flash安全位防止程序读出； VDD工作电压范围为2.4 3. 6V，1/0端口可承受5V。

电压和电流分别经过电阻分压器、电流互感器和锰铜分流器采样，采样信号送入计量芯片STPMO1，信号经STPM01采样转换成数字信号，然后进行相位校正计算电能和电流、电压等数据，STPM01自动选择电流较大的通道计算电能。 这些数据通过SPI接口发送到PIC24FJ128GA006。

PIC24FJ128GA006读取计量芯片数据后，完成电能的累加、存储和显示，并输出电能脉冲，实时检测电表的工作状态，记录发生的窃电事件，并给电盗窃指示信号。 通过红外通讯模块实现表计数据的读取和设置。 电源模块为整个系统提供工作电源。 电池维持微控制器内部 RTC 的运行。 PIC24FJ128GA006资源非常丰富，有多种总线接口。 其SPI接口用于连接STPMO1，12C接口用于LCD显示和EEPROM数据存储，UART接口用于红外通信，外部中断1用于掉电检测。 为了降低成本，内部RTC用于为事件记录提供时间戳。 CPU 时钟源也使用内部 RC 振荡器。 CPU时钟通过DIVM寄存器中的2分频调整为3.686MHz，以降低系统功耗。 内外双看门狗的设计提供了系统的可靠性。 内部看门狗采用独立振荡器，将STPMOl设置为外部看门狗，其看门狗复位信号接PIC24FJ128GA006的键盘中断口。

采样电路设计

电压采样由电阻分压。 考虑到贴片电阻的耐压有限，采用4个200kΩ的电阻作为分压。 STPMO1电压通道的最大输入差分电压为±0.3V。 对于50Hz的交流电，对应的有效值为0.21VRMS。 输入信号不能大于这个最大值，否则会削峰。 考虑到余量，对于220V的额定电压，我们取O。16VRMS，采样电阻200X4X 0。16/220 = 581Ω，我们选择560Ω作为采样电阻。

我们使用变压器作为相电流传感器，变比为 5,000:1。 如果通道增益设置为 8，则最大输入信号为 0.105VRMS。 考虑到一定的余量，在40A时，输入信号选择在0.08VRMS左右，变压器的负载电阻为0.08/40X5，OOO-IOQ。

中性电流通道采用锰铜分流器，分流器阻值250uQ，阻值不宜过大或过小。 太小，电流小时采样信号太弱，导致误差增大，容易超差。 如果该值过大，分流器在大电流时会产生过多的热量，从而导致不稳定的错误。 对于 250uQ 分流器，其两端的电压信号在 40A 时为 250X40 = 10,000uV，即 10mVRMS。 采样信号很小，通道增益应设置为最大，即32倍。 此时信号输入的最大幅度为26. 25mVRMS。 实际最大输入信号小于允许最大输入信号，应合理选择分流器的阻值。

电源电路设计 电源模块由主电源和副电源组成。 主电源在电压线电压存在时工作。 当电压消失，电流线路有电流时，辅助电源为系统供电，电流表按设定的方式测量电能。

STPM01的工作电压为3.(T5.5V，PIC24FJ128GA006的工作电压为2.4 3.6V，考虑到功耗和余量，系统工作电压设计为3.3V。我们采用线性电源作为主电源供电，220V交流电经变压、整流、滤波、稳压后得到3.3V电源，辅助电源首先由电流电压传感器通过电磁感应将电流线路的电流转换为交流电压. 转换器没有电压输出，否则会输出一定范围的电压，电压经过整流、滤波、稳压得到3.3V电源。

软件设计

电表软件采用模块化设计，主要包括以下子程序：电能计量子程序、显示子程序、日历子程序、停电处理子程序、通讯子程序等。

这里主要介绍电能计量子程序。 电表上电后，主程序初始化，写入STPM01配置参数，设置定时时间，定时调用电能计量子程序。 计量子程序读取测量数据和状态，计算电量值并输出电能脉冲。 主电源掉电后，如果从STPM01读取的电流值不为零，则认为电流表处于偷电状态进行单线测量，此时用额定电压计算电量这次。 定时读取STPMO1的时间应满足最大电流，电能寄存器不溢出，并考虑一定的过载余量。 由于STPM01的看门狗功能使能，如果1.6s内没有对STPM01进行读/写操作，STPM01将输出看门狗信号使MCU中断。 因此，最长定时读取时间不能超过1.6s。

附图标记说明 图4中1、铜铅封钉。 2. 盖子上的铅封孔。 3、机械计数器显示窗。 4、断电指示灯。 5、有功电能指示脉冲灯。 6.面板。 7. 覆盖。 8、端子盖铅封孔。 9、尾钮盖用铜钉打孔。 10.结束按钮盖。

1. 一种单相防盗电能表，包括外壳，安装在外壳内的电源模块，其特征在于外壳内设有相互连接的采样电路模块、计量模块、系统控制模块、数据显示器以及存储模块、通信模块和实时时钟模块。

2.根据权利要求1所述的单相防窃电电度表，其特征在于，所述采样电路模块包括分别通过电阻分压器、电流互感器和锰铜分流器采样电压和电流，采集的采样信号为发送到计量模块的计量芯片。

3.根据权利要求1或2所述的单相防窃电电能表，其特征在于，计量芯片对信号进行采样并转换为数字信号，计算出相位后的电能、电流、电压等。校正数据采集后，计量芯片自动选择电流较大的通道计算电能，并通过SPI接口将数据通过线传输给与其相连的计量模块中的读数计量单片机，构成计量模块。

4.根据权利要求1或2所述的单相防窃电电能表，其特征在于，计量单片机读取计量芯片数据后，完成电能的累加、存储和显示，并输出电能脉冲供用户使用。实时检测电表的工作状态，记录盗电事件，输出盗电指示信号，读取具有多种总线接口的计量单片机，SPI接口用于连接计量芯片，I2C接口为用于LCD显示和EEPROM数据存储，UART接口用于红外通信，外部中断l用于掉电检测。

5.根据权利要求1或2所述的单相防盗电能表，其特征在于，所述实时时钟模块采用内部RTC为事件记录提供时间戳，CPU时钟源也采用内部RC振荡器。 DIVM寄存器对CPU时钟进行2分频调整为3.686MHz，采用内外双看门狗设计脉冲电表偷电最方法，内部看门狗采用独立振荡器，设置计量芯片为外部看门狗，其看门狗复位信号连接到计量微控制器的键盘中断端口。

专利摘要 对于单相防盗电表，盗电无论在发达国家还是发展中国家都是一个非常棘手的问题，每年都给供电公司造成巨大的损失。 单相防盗电能表由外壳、安装在外壳内的电源模块、采样电路模块、计量模块、系统控制模块以及相互连接的数据显示和存储模块组成在外壳中。 模块、通信模块和实时时钟模块。 本产品电流表专为220V/50Hz电网设计，基本电流10A，最大电流40A。

文件编号 G01R11/24GK201075117SQ200720115688

公布日期 2008 年 6 月 18 日 申请日期 2007 年 3 月 5 日 优先权日期 2007 年 3 月 5 日

发明人 刘江 申请人：哈尔滨智通科技有限公司