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摘 要：依据国网要求开发设计一款低压智能电能表外置无线（蓝牙）断路器，能够实现自动组网、设备状态监测、电池电压检测、主动上报、市电零待机功耗、远程控制分/合闸等功能。采用低功耗的单片机、开关电源和电池相结合的方式降低系统功耗，并对硬件设计、软件控制流程及状态检测和反馈等关键技术进行优化设计。经测试证明，该智能电能表外置断路器具有电网全面感知、数据融合、智能应用、运行稳定、可靠性高、功耗低等优点，满足支撑电力物联网建设和配电网的精益管理需求。

关键词：零待机功耗；远程控制；自动分合闸；自动组网

1.引言

按照国网电网公司Q/GDW 11421—2020《电能表外置断路器规范》的技术规范要求无线（蓝牙）电能表外置断路器整机功耗I（L）≤0.8mA。电能表外置无线蓝牙断路器已再多省进行挂网试点运行和招投标，为降低潜在用电舆论风险和电费计量精准分界，配合中国电科院进一步完善电能表外置无线（蓝牙）断路器静态功耗，要求在不改变物联电能表，不增加智能断路器外形尺寸，对电路模块控制程序进行系统的设计和优化；最后对设计的电路进行实验验证。实验表明市电供电和电池供电两种切换方式满足运行稳定、可靠性高、电能表外置断路器在待机时使用电池供电，实现电能表无线（蓝牙）外置断路器市电供电零待机功耗，同时具备断路器保护功能以及物联表无线蓝牙费控执行功能。

2.项目概况

为适应智能电能表的发展与应用，预付费电能表与外置断路器不断迭代升级，不仅提升了供电企业的管理效率，同时也提高了用户的用电质量。传统智能电能表与电能表外置断路器采用有线电平方式连接，在一定程度满足了智能控制，但不能满足数据信息交互；为实现低压配电网全面感知、数据融合和智能应用，以及支撑电力物联网建设，进一步满足配电网的精益管理需求，智能电能表与电能表外置断路器实现无线蓝牙连接，数据安全交互，市电供电端零待机，开展专项研究电能表外置无线断路器自供电方案技术路线的应用，给出电能表外置无线断路器应用解决方案，支撑物联电能表高质量规模化应用，加快推进自主可控的产品研制。

3.断路器工作原理及设计要求

3.1 断路器工作原理

预付费电能表欠费或电力公司下发分合闸操作命令时，电能表外置断路器通过无线蓝牙方式接收到智能电能表下发分闸指令，断路器执行脱扣操作实现产品的分闸；此时产品处于防合闸状态，即使强行对产品进行合闸操作也处于分闸状态；当充值完成后或电力公司对预付费电能表发出合闸指令时，电能表外置断路器通过无线蓝牙方式接收到智能电能表下发合闸指令，产品实现自动合闸，恢复用户的正常供电。此时用户可以进行人为的合闸或分闸操作。

智能电能表与外置断路器自动配对链接工作原理，在电能表和断路器第一次上电时，断路器生成随机配对特征码并按特征码控制启停内部无功负载装置，同时将该特征码加入广播内容中进行蓝牙广播；电能表按约定检测主回路中的电流/功率情况，并和蓝牙扫描到的广播中的特征码进行比对；如果检测到的电流/功率特征码信息和其中一台断路器广播特征码信息相符，则电能表蓝牙连接该断路器，并发送随机码给断路器进行验证；断路器收到验证码后重新通过启停内部无功负载装置将此验证码通过电力线发送给电能表；电能表通过解析电流/功率来确定验证是否通过，通过则配对成功；配对成功电能表可下发合/分闸命令到断路器。

自动配对链接成功后电能表外置断路器主控单元切换到电池供电，关断AC端供电回路，保持电池供电，实现AC零待机功耗；远程分合闸操作时电池供电切换到AC端供电，实现产品分合闸；在电池欠压时主动上报，提醒后台维护人员及时更换。

3.2 自供电断路器设计要求

符合国家电网有限公司企业标准Q/GDW 11421-2020电能表外置断路器技术规范[1]和NB/T 42149-2018具有远程控制功能的小型断路器（RC-MCB）标准[5]见下表1，还应满足AC端供电实现零待机功耗，电池供电工作寿命≥5年，断路器结构外形设计电池可更换；

4.自供电断路器的设计

4.1 整体设计思路

从市电零待机要求出发，前期方案尝试使用太阳能储能给电能表外置断路器供电，但收到环境因数影响以及断路器尺寸不改动要求，储能无法满足断路器远程分合闸操作；尝试单独电池供电，受到环境因数影响放电能力会下降，结构空间不改变所供能量无法满足断路器分合闸寿命测试要求；为实现市电端零待机功能，与中国电科院再次沟通，可在原有电能表外置无线（蓝牙）断路器基础上增加电池供电，在断路器待机状态时市电供电保持零待机功耗，且电池可更换方案。主体方案已确认，在设计过程中需考虑考虑电池尺寸、寿命、使用环境、更换问题、电池供电待机功耗问题、AC市电供电与电池供电切原理设计方案如下：

先从断路器结构外形设计出发，电池仓与驱动极底座一体化，并与电机分/合闸机构隔离，以提高电池更换的便利性；设计电池仓盖旋转打开的机制，使更换电池更加方便，无需拆装产品即可实现电池更换；见下图1。

结构外形已确认，在从电池的选型出发，结构外壳壁厚1.5mm*2，电池直径应小于15mm，高度小于40mm，以及整机极限工作温度-40℃～+70℃，联系了国内知名厂家推荐锂/亚硫酰电池，外形为圆柱形电池，尺寸为33.5mm*φ14.5mm，见下图2；满足单极断路器放置空间见下图，标称容量为1650mAh，标称电压为3.6V，最大脉冲能力75mA，最大持续放电电流35mA，工作温度-55℃～+85℃，此参数满足选型要求，解决电池尺寸、使用环境、更换问题。

电池选型问题得以解决，断路器控制极从低功耗电路设计策略出发，元件选择低功耗元件可以有效降低电路的总体功耗。如选择低功耗国民技术N32L406CBL7MCU处理器[2]，V（DD）=3.3V，IDD_STANDBY待机模式下的供应电流（开启低速内部RC振荡器和独立看门狗）可低至1.6uA。

4.2 电源模块

电源管理是低功耗设计的重要组成部分[5]，采用高效的电源管理技术，电源模块分为两部分组成，整体设计方案如下图3，一部分是AC/DC开关电源动态电源供电，一部分是DC电池静态电源供电，因市电零待机要求，产品未施加市电情况和产品为库存放置状态时，对断路器供电功能时序逻辑进行设计，当产品未施加AC市电时，电池供电单元不工作，产品加载AC电源后，通过“AC电源控制单元”给AC/DC单元供电，流经DC/DC单元和电源管理单元再到MCU主控单元；MCU主控单元工作正常时，检测到AC电源运行正常时，电能表外置无线（蓝牙）断路器组网识别单元发起与智能电能表自动配对链接，配对方式采用无功电流启停特征码，无功电流不会造成电能表有功计量，同时不会给用户造成计费，在链接完成与主站配对通讯后，MCU主控单元关闭AC电源控制单元，同时MCU主控单元控制电源管理单元切换到电池供电单元供电；当AC电源失压时，MCU控制单元关闭电池供电单元供电；此方案既能减少电池供电单元在无AC供电时电池损耗，同时满足AC供电时零待机功耗方案设计，此方案验证得以通过，电池供电功耗问题、AC市电供电与电池供电切换问题，产品长期存放电池供电消耗问题等得以解决；电源供电管理和切换实际原理图如下图4。

U2 EN_AC信号可控制AC电源关断和接通，Q4 MOS管DCDC_3V3_CTL信号可控制DC/DC单元供电关断和接通，Q3 MOS管BATTERR_3V3_CTL信号可控制电池单元供电关断和接通。

在电路设计时优化电路布局是降低功耗的关键，电池供电时不进行分合闸操作，电池供电可不对分合闸状态电路进行实时检查，只保存发生时刻状态，可优化电路和系列检测方案降低电池功耗，提升电池寿命。

4.3驱动模块

根据低功耗电子系统的设计技术，驱动模块在选型时选择具有超低功耗睡眠模式的两通道马达驱动芯片，本文选择了PN7705控制芯片[2]驱动电机控制断路器进行分合闸操作，可以控制马达进入正转、反转、刹车和超低功耗睡眠模式，并具有欠压保护、过温保护、输出短路保护和外部可调节驱动限流等功能；结合直流电机特性，驱动模块工作电压在15V，马达驱动芯片选择宽电源电压范围，6V～28V，超低睡眠电流：I（VCC）<100nA（IN1=IN2=0V），工作温度：-40～125°C，驱动限流可通过ISET外接电阻编程（最大3A，最小1.5A），且无需使用功率电阻。电机驱动电路如下图5。

芯片内部集成电流采样电阻可检测驱动电流大小，一旦检测到电流大于芯片设置的驱动限流阈值后，芯片关闭输出，且FAULT会下拉到地，经过25us时间后，芯片重新正常工作，如此循环工作。PN7705提供了驱动限流编程功能：在芯片启动100ms内，驱动限流固定为3A，为了满足电机从停止状态启动时所需的大电流；100ms后驱动限流可以通过ISET管脚接外接电阻来调节。ISET管脚短路到地时，过流保护阈值为1.5A；ISET管脚接100k电阻到地时，过流保护阈值为2A；ISET开路时，过流保护阈值为3A。下图6是ISET管脚电阻与驱动限流值的示意图。

PN7705具有超低功耗睡眠功能，当芯片处于SLEEP模式时，流过电源VCC的电流小于100nA。当芯片输入管脚IN1和IN2同时为低电平，且维持时间大于1ms时，芯片进入SLEEP模式，此时芯片内部的所有电路都停止工作。芯片退出SLEEP模式，分为以下三种情况：FAULT管脚浮置时，只要IN1和IN2任意一个信号变为高电平后，芯片退出SLEEP模式；FAULT管脚接到MCU，可与MCU进行通讯。如果正常工作时MCU将FAULT上拉为高电位，进入SLEEP模式后，在IN1和IN2任意一个信号变为高电平之前，需要MCU将FAULT下拉到地或者置为高阻态，芯片才能退出SLEEP模式；如果MCU不能将FAULT拉低或者置为高阻态，则VCC需要重新掉电后再上电，IN1和IN2任意一个信号变为高电平后，芯片退出SLEEP模式。

此芯片可以控制马达进入正转、反转、刹车、滑行和SLEEP模型，下表是芯片输入输出关系真值表，以及相对应马达的工作模式如表2。

4.4通信模块

电能表外置无线断路器采用蓝牙点对点方式通讯，利用蓝牙的加密功能确保通信过程中数据的安全性，防止未授权访问，电能表外置断路器可以检测运行状态情况，并通过蓝牙主动向电能表发送预警信息，以便及时采取措施；蓝牙是一种短距离无线通信技术，它允许设备之间通过低功耗无线电波进行数据交换，同时蓝牙，要求整机产品在休闲模式时都处理超低功耗运行，维持蓝牙心跳与电能表保持链接，蓝牙理论功耗从Nordic提供的计算软件获取信息如表3。

电池使用年功耗和年限计算如表4。

5.自供电断路器的应用

如图8所示，根据智能计量箱使用需求，蓝牙费控断路器采用电池与市电互为备份的供电方式。无线（蓝牙）断路器用于解决智能台区计量箱中传统预付费电能表外置断路器费控功能不完善、智能化水平低、控制导线易损坏、安全性低等问题，配合物联网表可实现电流指纹自动配对、智能费控和加密通信功能。蓝牙费控断路器应用于智能台区计量箱中，安装于智能物联电能表后。搭载市电与电池供电柔滑切换的蓝牙费控断路器有利于电费计量精准分界，有效减少现场施工量、降低操作难度、提升电能表费控系统自动化水平。

6.结论

本文对电能表无线（蓝牙）外置断路器的电路布局、电源管理、低功耗元件选型以及优化元件参数等方法，并优化硬件和软件，实现低功耗控制，针对电源模块采用双电源设计，实现市电供电电能表外置断路器零待机功耗，同时使整个DC电池供电电路维持在极低的待机功耗，有效地解决了电能表耗电产生的用电纠纷和分界问题，极大地节省了电力资源，同时也能为用户节省很大的电力成本。本文设计的智能电能表外置断路器控制系统满足当前国网的用电管理要求，具有电网全面感知、数据融合、智能应用、运行稳定、可靠性高、功耗低等优点，具有良好的发展前景，未来，随着技术的发展，我们将有更多的机会和挑战去探索更高效、更低功耗的电路设计方法。

参考文献：

[1] 标准——Q/GDW 11421—2020 电能表外置断路器技术规范

[2] 专著——王兆安. 电力电子器件及其应用[M]. 机械工业出版社， 2000.

[3] 专著——王晓明， 李刚， 刘祥阁等. 低功耗设计[M]. 北京航空航天大学出版社， 2009.

[4] 专著——陈思儒. 低功耗电子系统的设计技术[R]. 中国电子学会信息论分会学术年会， 2005.

[5] 标准——NB/T 42149-2018. 具有远程控制功能的小型断路器（RC-MCB） [S].

作者简介：蒲韬，男，1987.06-，四川渠县人，汉族，本科，工程师，研究方向：仪表电子