繼電器控制在智能電表中的應用

何建英，錢海波

（華立科技股份有限公司，杭州 310023）

隨著科技進步和智能電網的發展，家電設備控制也日趨智能化。合理使用家電設備不僅能節約資源，而且能保證電器設備的安全。在家電智能化的應用過程中，電能表也加入了智能化的行列。智能電表往往通過磁保持繼電器拉合閘來實現負荷控制、預付費表中的欠費、竊電報警（開表蓋、開端蓋、磁影響等）。磁保持繼電器是近幾年發展起來的一種新型繼電器，常閉或常開狀態完全是依賴永久磁鐵的作用，其開關狀態的轉換是靠脈沖電信號觸發完成的。磁保持繼電器其觸點開、合狀態平時由永久磁鐵所產生的磁力保持。當繼電器的觸點需要開或合狀態時，只需要用正（反）直流脈沖電壓激勵線圈，繼電器在瞬間就完成了開與合的狀態轉換。通常觸點處于保持狀態時，線圈不需要繼續通電，僅靠永久磁鐵的磁力就能維持繼電器的狀態不變。磁保持繼電器具有省電、性能穩定、體積小、承載能力大的特點。單片機對事件的判斷，遠程主站或者本地PC發出命令實現繼電器控制，在此過程中，磁保持繼電器起著關鍵作用[1]。

1 繼電器工作原理及驅動電路

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后仍能保持在線圈通電時的位置上的繼電器。根據定義，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期間不需要通電，而其他繼電器需要持續用電。因此，磁保持繼電器最大的優點是省電[2]。

普通單線包繼電器拉合閘驅動電路如圖1所示。layon和layoff分別與單片機的I/O口相連，SH和SL分別與繼電器的驅動口相連。layon和layoff狀態為（0，0）時，繼電器處于靜止狀態，layon和layoff狀態為（1，0）時，繼電器拉閘即 SL 為 12 V，SH 連地，在 layon 和 layoff狀態為（0，1）時，繼電器合閘即SL連地，SH連 12 V，layon和 layoff狀態為都為高（1，1）時，電路不會有損壞的現象，具有防雙高功能。該電路簡單、器件少、成本低、可靠性高。

圖1 繼電器驅動電路Fig.1 Drive circuit of relay

繼電器狀態檢測電路如圖2所示，VR1為繼電器檢測引出線。繼電器狀態為合上時，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，判定繼電器為合上；繼電器狀態為拉閘時，VR1與電能表的火線斷開，VR1與 N之間電壓降為 0，MCU可以讀取REL_R的信號為高電平，判定繼電器為拉閘狀態。

圖2 繼電器狀態檢測電路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電力局及當地的特殊要求，在軟、硬件上做特殊處理[3]。

2.1 技術要求

在主站發出合閘指令后，表計不能執行合閘指令，只有當用戶側的入戶空氣開關先斷開，然后再合上，表計才能執行合閘操作（不允許有額外的連接線）。用戶端允許表計拉閘后仍然有約2 mA的負載電流。當用戶側空氣開關關斷時，此2 mA的電流消失，然后再合上空氣開關，2 mA的電流又重新建立，此時才可執行合閘指令。

2.2 解決方案及原理

整體方案是在拉閘繼電器觸點兩端并接一電容，如圖3所示，電容容量大小應根據用戶負載的情況和表計的靈敏度來確定。配合表計軟件，實現上述技術要求。

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進入，端子3后接一個空氣開關，控制設備的供電。負載為用電設備如電腦、臺燈等，經端子6回到零線，形成回路。繼電器合上時，C1短路，不影響電能表正常工作；繼電器斷開時，C1、空開、負載形成回路，并產生幾毫安的電流。電流經過圖4電路，檢測REL_R電平情況來判斷空氣開關狀態，REL_R電平為低電平，空氣開關斷開；REL_R電平有高低電平，空氣開關合上。當空氣開關完成斷開再合上命令時，主站執行繼電器合閘命令。

圖4 空氣開狀態檢測電路Fig.4 Air switch state detection circuit

2.3 繼電器控制軟件設計

控制軟件設計模式示意如圖5所示。

圖5 控制模式Fig.5 Diagram of control mode

模式0繼電器初始狀態處于“斷開”狀態，則允許遠程拉閘并強制拉閘機構直接進入“準備好重合閘”狀態模式。

模式1繼電器初始狀態處于“閉合”狀態。遠程控制時，允許遠程拉閘并強制執行機構進入“斷開”狀態；手動控制時，手動拉閘使執行機構進入“準備好重合閘”狀態；本地控制時，允許本地拉閘并強制拉閘機構直接進入“準備好重合閘”狀態。

模式2繼電器初始狀態處于“準備好重合閘”情況。手動控制時，允許手動合閘；本地控制時，允許本地合閘。

3 結語

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和實際狀態的基礎上，實現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確性。繼電器驅動電路目前的方案也很多，電路的安全可靠至關重要，本設計中的驅動電路簡單、器件少、有防雙高功能，能在2個穩態狀態之間快速穩定的切換。對于不同國家、不同電力局對當地的拉閘方式的特殊要求，文中通過接線圖及工作原理的詳細介紹，利用阻容電源方案的原理，巧妙的電路設計，完成了一種新的拉合閘控制方式，并通過軟硬件的配合實現這一控制方式，實際應用到電力控制系統中。

[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].計量技術，2010（2）：22-25.

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

[3]魏紹亮，程奉玉，吳清收，等.遠程通斷電控制系統的設計[J].山東科技大學學報：自然科學版.2004，23（2）：47-49.