智能電表外置微型斷路器方案設(shè)計

供稿：美國德州儀器公司
作者：美國德州儀器公司華東區(qū)工程師 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，智能電能表費控系統(tǒng)作為量大面廣的基礎(chǔ)，受到國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的重視。為進一步提高電能表費控系統(tǒng)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(tǒng)智能管理、智能服務(wù)的安全穩(wěn)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(guī)范》，中國質(zhì)量認(rèn)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(rèn)證業(yè)務(wù)。

電能表外置微型斷路器（以下簡稱：微型斷路器）是配合智能電能表實現(xiàn)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實現(xiàn)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，可以實現(xiàn)欠費自動分閘斷電，續(xù)費自動合閘續(xù)電的功能。微型斷路器和電表之間有兩根線連接，分別是控制信號線和反饋線?？刂凭€采用AC220V電平方式，控制單元供電從控制信號線取電，拉閘動作時可以從相線短暫用電，動作結(jié)束后相線泄露電流需要小于0.2mA。反饋信號也采用AC220V電平方式，內(nèi)部串聯(lián)100k?電阻后輸出?？刂茊卧习粋€用于帶動執(zhí)行機構(gòu)的直流馬達(dá)，通過馬達(dá)動作帶動斷路器分閘和合閘，并由位置傳感器檢測馬達(dá)的實際位置。

圖 1. 電能表外置斷路器示意圖

根據(jù)《電能表外置斷路器技術(shù)規(guī)范》，微型斷路器需要滿足以下技術(shù)要求：

1)額定控制電平電壓：AC220V；

2)額定控制電平電流：≤ 1mA；

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

4)額定頻率：50Hz或60Hz；

5)自動合閘時間：≤3s；

6)上電延時：≥ 4s。

外置微型斷路器為全自動斷路器，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(jù)設(shè)計要求，圖2所示為推薦的微型斷路器系統(tǒng)框圖。

圖 2. 微型斷路器系統(tǒng)框圖

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

1)低功耗：不超過150uA；

2)Flash： 4KB左右；

3)RAM：1KB左右；

4)具備片內(nèi)EEPROM；

5)封裝：20 腳，TSSOP封裝；

6)ADC：10位或12位，1通道。

根據(jù)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執(zhí)行，并最終帶動執(zhí)行機構(gòu)完成動作。這個系統(tǒng)里采用DRV8848方案，其一組控制輸出直接驅(qū)動直流電機執(zhí)行指令，另一組輸出用來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(tǒng)功耗，從而達(dá)到0.2mA輸入電流的要求。

微型斷路器需要從交流供電線取電，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 是專門用于隔離反激式電源，在無需光耦合器的情況下提供穩(wěn)定的輸出電壓和電流，其內(nèi)置的700V 啟動和智能電源管理模塊可以在保證器件實現(xiàn)高壓啟動情況下，使器件在正常工作期間將內(nèi)部高壓啟動電流源關(guān)閉，因此方案可實現(xiàn)極低的待機功率，以滿足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，同時通過TLV70433將12V轉(zhuǎn)化為3.3V給MCU供電。