繼電器控制在智能電表中的應(yīng)用

何建英，錢(qián)海波

（華立科技股份有限公司，杭州 310023）

隨著科技進(jìn)步和智能電網(wǎng)的發(fā)展，家電設(shè)備控制也日趨智能化。合理使用家電設(shè)備不僅能節(jié)約資源，而且能保證電器設(shè)備的安全。在家電智能化的應(yīng)用過(guò)程中，電能表也加入了智能化的行列。智能電表往往通過(guò)磁保持繼電器拉合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制、預(yù)付費(fèi)表中的欠費(fèi)、竊電報(bào)警（開(kāi)表蓋、開(kāi)端蓋、磁影響等）。磁保持繼電器是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型繼電器，常閉或常開(kāi)狀態(tài)完全是依賴永久磁鐵的作用，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠脈沖電信號(hào)觸發(fā)完成的。磁保持繼電器其觸點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)平時(shí)由永久磁鐵所產(chǎn)生的磁力保持。當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)需要開(kāi)或合狀態(tài)時(shí)，只需要用正（反）直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，繼電器在瞬間就完成了開(kāi)與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通常觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需要繼續(xù)通電，僅靠永久磁鐵的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。磁保持繼電器具有省電、性能穩(wěn)定、體積小、承載能力大的特點(diǎn)。單片機(jī)對(duì)事件的判斷，遠(yuǎn)程主站或者本地PC發(fā)出命令實(shí)現(xiàn)繼電器控制，在此過(guò)程中，磁保持繼電器起著關(guān)鍵作用[1]。

1 繼電器工作原理及驅(qū)動(dòng)電路

磁保持繼電器是利用永久磁鐵或具有很高剩磁特性的零件使電磁繼電器的銜鐵在線圈斷開(kāi)后仍能保持在線圈通電時(shí)的位置上的繼電器。根據(jù)定義，磁保持繼電器與一般繼電器相比，最大的不同是保持銜鐵狀態(tài)期間不需要通電，而其他繼電器需要持續(xù)用電。因此，磁保持繼電器最大的優(yōu)點(diǎn)是省電[2]。

普通單線包繼電器拉合閘驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。layon和layoff分別與單片機(jī)的I/O口相連，SH和SL分別與繼電器的驅(qū)動(dòng)口相連。layon和layoff狀態(tài)為（0，0）時(shí)，繼電器處于靜止?fàn)顟B(tài)，layon和layoff狀態(tài)為（1，0）時(shí)，繼電器拉閘即 SL 為 12 V，SH 連地，在 layon 和 layoff狀態(tài)為（0，1）時(shí)，繼電器合閘即SL連地，SH連 12 V，layon和 layoff狀態(tài)為都為高（1，1）時(shí)，電路不會(huì)有損壞的現(xiàn)象，具有防雙高功能。該電路簡(jiǎn)單、器件少、成本低、可靠性高。

圖1 繼電器驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 Drive circuit of relay

繼電器狀態(tài)檢測(cè)電路如圖2所示，VR1為繼電器檢測(cè)引出線。繼電器狀態(tài)為合上時(shí)，VR1與電能表的火線等電位，與N之間存在220 V市電壓降，MCU讀取到REL_R有50 Hz的方波信號(hào)，判定繼電器為合上；繼電器狀態(tài)為拉閘時(shí)，VR1與電能表的火線斷開(kāi)，VR1與 N之間電壓降為 0，MCU可以讀取REL_R的信號(hào)為高電平，判定繼電器為拉閘狀態(tài)。

圖2 繼電器狀態(tài)檢測(cè)電路Fig.2 Relay status detection circuit

2 拉合閘控制方式

繼電器的控制模式要根據(jù)電力局及當(dāng)?shù)氐奶厥庖?，在軟、硬件上做特殊處理[3]。

2.1 技術(shù)要求

在主站發(fā)出合閘指令后，表計(jì)不能執(zhí)行合閘指令，只有當(dāng)用戶側(cè)的入戶空氣開(kāi)關(guān)先斷開(kāi)，然后再合上，表計(jì)才能執(zhí)行合閘操作（不允許有額外的連接線）。用戶端允許表計(jì)拉閘后仍然有約2 mA的負(fù)載電流。當(dāng)用戶側(cè)空氣開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，此2 mA的電流消失，然后再合上空氣開(kāi)關(guān)，2 mA的電流又重新建立，此時(shí)才可執(zhí)行合閘指令。

2.2 解決方案及原理

整體方案是在拉閘繼電器觸點(diǎn)兩端并接一電容，如圖3所示，電容容量大小應(yīng)根據(jù)用戶負(fù)載的情況和表計(jì)的靈敏度來(lái)確定。配合表計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)要求。

圖3 整體方案Fig.3 Overall scheme diagram

圖3中1、3、4、6黑色圓圈分別代表單相智能電表的接線端子。市電220 V交流電從端子1、4進(jìn)入，端子3后接一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，控制設(shè)備的供電。負(fù)載為用電設(shè)備如電腦、臺(tái)燈等，經(jīng)端子6回到零線，形成回路。繼電器合上時(shí)，C1短路，不影響電能表正常工作；繼電器斷開(kāi)時(shí)，C1、空開(kāi)、負(fù)載形成回路，并產(chǎn)生幾毫安的電流。電流經(jīng)過(guò)圖4電路，檢測(cè)REL_R電平情況來(lái)判斷空氣開(kāi)關(guān)狀態(tài)，REL_R電平為低電平，空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；REL_R電平有高低電平，空氣開(kāi)關(guān)合上。當(dāng)空氣開(kāi)關(guān)完成斷開(kāi)再合上命令時(shí)，主站執(zhí)行繼電器合閘命令。

圖4 空氣開(kāi)狀態(tài)檢測(cè)電路Fig.4 Air switch state detection circuit

2.3 繼電器控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件設(shè)計(jì)模式示意如圖5所示。

圖5 控制模式Fig.5 Diagram of control mode

模式0繼電器初始狀態(tài)處于“斷開(kāi)”狀態(tài)，則允許遠(yuǎn)程拉閘并強(qiáng)制拉閘機(jī)構(gòu)直接進(jìn)入“準(zhǔn)備好重合閘”狀態(tài)模式。

模式1繼電器初始狀態(tài)處于“閉合”狀態(tài)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，允許遠(yuǎn)程拉閘并強(qiáng)制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入“斷開(kāi)”狀態(tài)；手動(dòng)控制時(shí)，手動(dòng)拉閘使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入“準(zhǔn)備好重合閘”狀態(tài)；本地控制時(shí)，允許本地拉閘并強(qiáng)制拉閘機(jī)構(gòu)直接進(jìn)入“準(zhǔn)備好重合閘”狀態(tài)。

模式2繼電器初始狀態(tài)處于“準(zhǔn)備好重合閘”情況。手動(dòng)控制時(shí)，允許手動(dòng)合閘；本地控制時(shí)，允許本地合閘。

3 結(jié)語(yǔ)

在智能電表中，繼電器控制的方式很多。智能電能表程序須在綜合分析磁保持繼電器指令狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)縝密的邏輯流程判斷，以保證智能電能表控制的安全性和拉合閘指示的準(zhǔn)確性。繼電器驅(qū)動(dòng)電路目前的方案也很多，電路的安全可靠至關(guān)重要，本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、器件少、有防雙高功能，能在2個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)之間快速穩(wěn)定的切換。對(duì)于不同國(guó)家、不同電力局對(duì)當(dāng)?shù)氐睦l方式的特殊要求，文中通過(guò)接線圖及工作原理的詳細(xì)介紹，利用阻容電源方案的原理，巧妙的電路設(shè)計(jì)，完成了一種新的拉合閘控制方式，并通過(guò)軟硬件的配合實(shí)現(xiàn)這一控制方式，實(shí)際應(yīng)用到電力控制系統(tǒng)中。

[1]馬利人，彭中華.智能電能表中磁保持繼電器工況的綜合分析[J].計(jì)量技術(shù)，2010（2）：22-25.

[2]王凱，李杏春，王占國(guó).磁保持繼電器在預(yù)付費(fèi)電能表中的控制方案[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（12）：75-77.

[3]魏紹亮，程奉玉，吳清收，等.遠(yuǎn)程通斷電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2004，23（2）：47-49.