智能電表外置微型斷路器方案設計

　　隨著(zhù)智能電網(wǎng)建設的推進(jìn)，智能電能表費控系統作為量大面廣的基礎，受到國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的重視。為進(jìn)一步提高電能表費控系統的可靠性，加強電能表外置斷路器的質(zhì)量控制，確保電力系統智能管理、智能服務(wù)的安全穩定運行，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司分別在2015制定了《電能表外置斷路器技術(shù)規范》，中國質(zhì)量認證中心(CQC)在2016年5月份研發(fā)并推出了電能表外置斷路器的認證業(yè)務(wù)。

　　電能表外置微型斷路器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：微型斷路器)是配合智能電能表實(shí)現智能費控功能的關(guān)鍵器件，額定電流相對較大(>60A)的智能電能表一般采用微型斷路器的方式來(lái)實(shí)現各種費控功能。

　　圖1是微型斷路器示意圖。微型斷路器是配合智能電表使用，可以實(shí)現欠費自動(dòng)分閘斷電，續費自動(dòng)合閘續電的功能。微型斷路器和電表之間有兩根線(xiàn)連接，分別是控制信號線(xiàn)和反饋線(xiàn)?？刂凭€(xiàn)采用AC220V電平方式，控制單元供電從控制信號線(xiàn)取電，拉閘動(dòng)作時(shí)可以從相線(xiàn)短暫用電，動(dòng)作結束后相線(xiàn)泄露電流需要小于0.2mA。反饋信號也采用AC220V電平方式，內部串聯(lián)100k?電阻后輸出?？刂茊卧习粋€(gè)用于帶動(dòng)執行機構的直流馬達，通過(guò)馬達動(dòng)作帶動(dòng)斷路器分閘和合閘，并由位置傳感器檢測馬達的實(shí)際位置。

　　圖 1. 電能表外置斷路器示意圖

　　根據《電能表外置斷路器技術(shù)規范》，微型斷路器需要滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：

　　1) 額定控制電平電壓：AC220V;

　　2) 額定控制電平電流：≤ 1mA;

　　3) 相線(xiàn)泄露電流：控制單元合閘后，每相線(xiàn)消耗的穩態(tài)電流小于0.2mA;

　　4) 額定頻率：50Hz或60Hz;

　　5) 自動(dòng)合閘時(shí)間：≤3s;

　　6) 上電延時(shí)：≥ 4s。

　　外置微型斷路器為全自動(dòng)斷路器，具備欠費分閘、付費合閘、費控狀態(tài)指示、欠費脫口保持、狀態(tài)反饋等功能。根據設計要求，圖2所示為推薦的微型斷路器系統框圖。

　　圖 2. 微型斷路器系統框圖

　　微型斷路器的技術(shù)參數中有要求相線(xiàn)泄露電流在控制單元合閘后，每相線(xiàn)消耗的穩態(tài)電流小于0.2mA，因此必須要采用超低功耗的MCU。根據微型斷路器控制單元的功能和性能，總結MCU的具體技術(shù)要求：

　　1) 低功耗：不超過(guò)150uA;

　　2) Flash： 4KB左右;

　　3) RAM：1KB左右;

　　4) 具備片內EEPROM;

　　5) 封裝：20 腳，TSSOP封裝;

　　6) ADC：10位或12位，1通道。

　　根據以上的MCU具體技術(shù)要求，我們選擇了MSP430FR鐵電系列的MSP430FR2111，這是TI公司為微型斷路器、充電寶、電子煙等領(lǐng)域量身定制的超低功耗的MCU。

　　MCU發(fā)出的合閘和分閘指令需要由直流電機來(lái)執行，并最終帶動(dòng)執行機構完成動(dòng)作。這個(gè)系統里采用DRV8848方案，其一組控制輸出直接驅動(dòng)直流電機執行指令，另一組輸出用來(lái)控制位置霍爾傳感器DRV5023的供電電源通斷，以降低合閘后的系統功耗，從而達到0.2mA輸入電流的要求。

　　微型斷路器需要從交流供電線(xiàn)取電，且方案對體積要求較高，因此方案選用集成MOSFET的UCC28910原邊控制反激方案。UCC28910 是專(zhuān)門(mén)用于隔離反激式電源，在無(wú)需光耦合器的情況下提供穩定的輸出電壓和電流，其內置的700V 啟動(dòng)和智能電源管理模塊可以在保證器件實(shí)現高壓?jiǎn)?dòng)情況下，使器件在正常工作期間將內部高壓?jiǎn)?dòng)電流源關(guān)閉，因此方案可實(shí)現極低的待機功率，以滿(mǎn)足0.2mA輸入電流要求。UCC28910輸出電壓為12V，給微型斷路器的直流電機和位置霍爾傳感器供電，同時(shí)通過(guò)TLV70433將12V轉化為3.3V給MCU供電。

　　作者：華東區工程師 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu