作者:华东区工程师 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu 

   

随着智能电网建设的推进,智能电能表费控系统作为量大面广的基础,受到国家电网公司和南方电网公司的重视。为进一步提高电能表费控系统的可靠性,加强电能表外置断路器的质量控制,确保电力系统智能管理、智能服务的安全稳定运行,国家电网公司和南方电网公司分别在2015制定了《电能表外置断路器技术规范》,中国质量认证中心(CQC)在2016年5月份研发并推出了电能表外置断路器的认证业务。

电能表外置微型断路器(以下简称:微型断路器)是配合智能电能表实现智能费控功能的关键器件,额定电流相对较大(>60A)的智能电能表一般采用微型断路器的方式来实现各种费控功能。

图1是微型断路器示意图。微型断路器是配合智能电表使用,可以实现欠费自动分闸断电,续费自动合闸续电的功能。微型断路器和电表之间有两根线连接,分别是控制信号线和反馈线。控制线采用AC220V电平方式,控制单元供电从控制信号线取电,拉闸动作时可以从相线短暂用电,动作结束后相线泄露电流需要小于0.2mA。反馈信号也采用AC220V电平方式,内部串联100kΩ电阻后输出。控制单元上包含一个用于带动执行机构的直流马达,通过马达动作带动断路器分闸和合闸,并由位置传感器检测马达的实际位置。

                                                                                                                              图 1.  电能表外置断路器示意图

根据《电能表外置断路器技术规范》,微型断路器需要满足以下技术要求:

1)       额定控制电平电压:AC220V;

2)       额定控制电平电流:≤ 1mA;

3)       相线泄露电流:控制单元合闸后,每相线消耗的稳态电流小于0.2mA;

4)       额定频率:50Hz或60Hz;

5)       自动合闸时间:≤3s;

6)       上电延时:≥ 4s。

外置微型断路器为全自动断路器,具备欠费分闸、付费合闸、费控状态指示、欠费脱口保持、状态反馈等功能。根据设计要求,图2所示为推荐的微型断路器系统框图。

                                                                                                                                      图 2.  微型断路器系统框图

微型断路器的技术参数中有要求相线泄露电流在控制单元合闸后,每相线消耗的稳态电流小于0.2mA,因此必须要采用超低功耗的MCU。根据微型断路器控制单元的功能和性能,总结MCU的具体技术要求:

1)      低功耗:不超过150uA;

2)      Flash: 4KB左右;

3)      RAM:1KB左右;

4)      具备片内EEPROM;

5)      封装:20 脚,TSSOP封装;

6)      ADC:10位或12位,1通道。

根据以上的MCU具体技术要求,我们选择了MSP430FR铁电系列的MSP430FR2111,这是TI公司为微型断路器、充电宝、电子烟等领域量身定制的超低功耗的MCU。

MCU发出的合闸和分闸指令需要由直流电机来执行,并最终带动执行机构完成动作。这个系统里采用DRV8848方案,其一组控制输出直接驱动直流电机执行指令,另一组输出用来控制位置霍尔传感器DRV5023的供电电源通断,以降低合闸后的系统功耗,从而达到0.2mA输入电流的要求。

微型断路器需要从交流供电线取电,且方案对体积要求较高,因此方案选用集成MOSFET的UCC28910原边控制反激方案。UCC28910 是专门用于隔离反激式电源,在无需光耦合器的情况下提供稳定的输出电压和电流,其内置的700V 启动和智能电源管理模块可以在保证器件实现高压启动情况下,使器件在正常工作期间将内部高压启动电流源关闭,因此方案可实现极低的待机功率,以满足0.2mA输入电流要求。UCC28910输出电压为12V,给微型断路器的直流电机和位置霍尔传感器供电,同时通过TLV70433将12V转化为3.3V给MCU供电。