解決分壓式竊電和移除電壓竊電難題的新型防竊電電表設(shè)計(jì)

1引言隨著家庭各類電器的增多，民用電量劇增，受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，竊電現(xiàn)象也日益嚴(yán)重，各種新的竊電方式不斷出現(xiàn)。據(jù)保守估算，全國(guó)每年因電能被盜損失達(dá)200多億元，國(guó)外也同樣存在竊電現(xiàn)象。這不單困擾供電企業(yè)的發(fā)展，也嚴(yán)重影響了國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的穩(wěn)定。因此市場(chǎng)廣泛需要防篡改的電能表。

目前市面上的防竊電表，或防竊電功能單一，無法有效防止竊電事件的發(fā)生;或成本太高，無法大面積的普及。本文介紹了一款基于V9011設(shè)計(jì)的單相單芯片防竊電電表方案，能有效地防止目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的大部分竊電行為，同時(shí)具有設(shè)計(jì)成本低的特點(diǎn)，非常適合大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用。

2V9011SoC簡(jiǎn)介

V9011是一款功耗低、計(jì)量性能高、計(jì)量模式靈活、EMC性能優(yōu)良的單相SoC芯片。它集成了模擬前端、電能計(jì)量、內(nèi)部測(cè)溫電路、增強(qiáng)型8052MCU、RTC、32kBFlash、1kBXRAM和LCD驅(qū)動(dòng)等功能模塊。V9011具有4路獨(dú)立的ADC，能同時(shí)獨(dú)立計(jì)量?jī)陕酚泄蛞宦酚?無功電能，并提供有/無功功率、視在功率、有效值和線電壓頻率等瞬時(shí)測(cè)量值。其中一路ADC可以留給用戶作為其他用途，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要接不同的信號(hào)傳感器，在本應(yīng)用中，該ADC與芯片內(nèi)部的測(cè)溫電路相連，用于測(cè)量環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)RTC的溫度補(bǔ)償。

圖1V9011單相防竊電表系統(tǒng)框圖

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于V9011設(shè)計(jì)的單相單芯片防竊電表的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1信號(hào)采樣

V9011具有四路獨(dú)立的ADC，其中三路ADC用于計(jì)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一路電壓和兩路電流同時(shí)采樣。在本方案中，電壓信號(hào)的采樣采用電阻分壓的模式，火線電流信號(hào)采用猛銅分流器采樣，零線電流信號(hào)考慮到電氣隔離的原因，用電流互感器實(shí)現(xiàn)。

3.2電源管理

如圖2所示，除了變壓器和電池供電以外，另外還有一路電源是通過專用的供電CT從電流線上獲得。V9011自帶的電源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各電源之間的靈活切換，這樣，當(dāng)用戶移除主電壓竊電時(shí)，系統(tǒng)仍能正常計(jì)量。

圖2電源管理系統(tǒng)

3.3LCD顯示

V9011芯片內(nèi)部帶有LCD驅(qū)動(dòng)電路，最多可以驅(qū)動(dòng)104段LCD屏顯。驅(qū)動(dòng)電壓和偏置電流可以通過內(nèi)部寄存器進(jìn)行調(diào)整，可以適用于各種類型不同的顯示屏，用戶無需再擴(kuò)展任何與LCD驅(qū)動(dòng)相關(guān)電路，只需將LCD管腳和芯片的驅(qū)動(dòng)IO口連接即可使用，停顯功耗不超過20μA。

3.4通訊接口

V9011具有4路獨(dú)立的UART口，可以驅(qū)動(dòng)485、遠(yuǎn)近紅外等通信電路。

3.5帶溫度補(bǔ)償?shù)腞TC電路

V9011所自帶的具有溫度補(bǔ)償?shù)挠布TC，能夠保證在-40度到70度全溫度范圍內(nèi)，時(shí)鐘精度達(dá)到1S/D。溫度補(bǔ)償流程如圖3所示，補(bǔ)償原理如下：首先通過內(nèi)部溫度傳感器測(cè)試當(dāng)前溫度，然后根據(jù)當(dāng)前溫度值，通過查表的方式得到溫度補(bǔ)償值，將該值寫入RTC的補(bǔ)償寄存器后，時(shí)鐘電路會(huì)每秒對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

圖3RTC溫度補(bǔ)償流程圖

4系統(tǒng)工作原理及軟件設(shè)計(jì)

圖4軟件流程圖

4.1系統(tǒng)工作原理

V9011單線多層防竊電電子式電能表的工作電壓有兩個(gè)來源：如果電網(wǎng)電壓高于設(shè)定的閾值(80V)，則認(rèn)為電網(wǎng)電壓存在，此時(shí)，工作電壓為電網(wǎng)電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓小于最小閾值80V時(shí)，認(rèn)為電網(wǎng)電壓不存在，電壓被移除了，工作電壓由功率CT提供，進(jìn)入有效值計(jì)量模式。系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低功耗模式下運(yùn)行，默認(rèn)電網(wǎng)電壓為額定電壓不變，電流以實(shí)際測(cè)試的電流為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量，此時(shí)的功耗只有大約1.6mA。

另外，當(dāng)外部電網(wǎng)電壓存在時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)不斷的采集電壓波形，進(jìn)行分析。當(dāng)連續(xù)十次監(jiān)測(cè)到電壓相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值超過預(yù)先設(shè)定的比例閾值的時(shí)候，認(rèn)為電壓收到了人為的干擾，進(jìn)入分壓式竊電狀態(tài)。此時(shí)將進(jìn)入有效值計(jì)量模式，電壓以該地區(qū)的額定電壓為準(zhǔn)，電流以實(shí)際測(cè)試電壓為準(zhǔn)計(jì)量。

不管是有效值計(jì)量模式還是正常有功計(jì)量模式，只要發(fā)現(xiàn)其中一路電流大于另外一路電流超過了系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的比例閾值，則無條件切換到以電流較大的一路為準(zhǔn)計(jì)量。

4.2工作流程

如圖4所示：系統(tǒng)上電先低功耗運(yùn)行，然后不斷監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓，如果發(fā)現(xiàn)電壓被移除了，則保持低功耗運(yùn)行，否則轉(zhuǎn)為正常功耗有功計(jì)量模式，進(jìn)入主循環(huán)。

在主循環(huán)中，系統(tǒng)將主要完成下述幾項(xiàng)工作：

1.每隔一秒讀取CF脈沖個(gè)數(shù)，累加電量，保存電量數(shù)據(jù)，完成計(jì)量;

2.不斷地檢測(cè)電壓有效值、分析電壓波形，監(jiān)測(cè)電流反相、電流不平衡、外磁場(chǎng)、電壓是否被移除和分壓式竊電等竊電事件;并判斷是否發(fā)生掉電，是否需要進(jìn)入睡眠模式。

3.程序還會(huì)每隔一段時(shí)間檢查計(jì)量參數(shù)是否正確，若發(fā)生任何的異常都會(huì)從EEPROM中恢復(fù)正確的計(jì)量參數(shù)，防止出錯(cuò)。

5多層防竊電計(jì)量

V9011SoC單相單相電子式防竊電電能表主要完成以下幾種防竊電功能。

5.1防電流反向竊電

典型的反向竊電方式是竊電者試圖通過交換電能表火線端口的進(jìn)線和出線的方式來達(dá)到竊電目的。對(duì)這種竊電行為，在不需要添加任何外圍輔助器件的條件下，系統(tǒng)只需要通過監(jiān)測(cè)功率的方向，就能判別出電流是否反向，進(jìn)行事件記錄。當(dāng)然也可以將V9011設(shè)置為正向反向都累加的模式，這樣，不管功率是正是反都能對(duì)能量進(jìn)行累加。

5.2防電流不平衡竊電

典型的不平衡竊電方式是竊電者試圖將火線零線先對(duì)換，然后將零線直接接到大地，或者將火線短接。對(duì)于這種竊電行為，電表設(shè)計(jì)者只需要花很小的成本，增加一個(gè)電流互感器，就能檢測(cè)出來。因?yàn)?，V9011具有完全獨(dú)立雙回路同時(shí)計(jì)量功能，系統(tǒng)總是可以選擇電流較大的一路為依據(jù)進(jìn)行計(jì)量。

理論上來說，正常情況下，火線電流和零線電流大小基本是一致的，而V9011能同時(shí)檢測(cè)兩路電流有效值，并且在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其測(cè)量精度達(dá)到0.5%，因此，只需要預(yù)先設(shè)定一個(gè)不平衡判定的比例因子，通過對(duì)比火線電流和零線電流的大小，就能做出不平衡判定。

5.3防移除電壓竊電

典型的移除電壓竊電方式是竊電者試圖移除電表的火電或者零線，使得電表沒有供電電壓而無法工作。

對(duì)付這樣的竊電行為，電表設(shè)計(jì)者只需要增加一個(gè)低成本的功率CT，就能檢測(cè)出來。由于功率CT從電流獲取的電壓是有限的，因此，對(duì)于很小的電流，功率CT獲取的電壓不足以供電能表工作。當(dāng)用戶竊電的時(shí)候，這時(shí)電表就相當(dāng)于是功率CT的負(fù)載，這就對(duì)電能表系統(tǒng)功耗提出了要求，功耗小，功率CT就能做得小，既節(jié)省了成本又提高了安全性，一般的表殼也能裝得下。而V9011具有低功耗計(jì)量模式，只需要一個(gè)能提供相當(dāng)于1mA/3.3V的功率CT就能維持電表工作。重要的是V9011是一款純硬件計(jì)量的SoC，只需要配置完計(jì)量參數(shù)之后，軟件幾乎不需要再參與計(jì)量部分工作，因此更加安全可靠，目前該方案已經(jīng)十分成熟，并廣泛應(yīng)用于南亞市場(chǎng)。

當(dāng)然，在這種防竊電計(jì)量模式下，因?yàn)闆]有電壓，所以只能將電壓約定為額定電壓，采用電流有效值進(jìn)行計(jì)量。

5.4串可控硅竊電

典型的串可控硅竊電方式是竊電者試圖通過在電表零線進(jìn)線端串一個(gè)吊扇調(diào)速開關(guān)，影響采樣電壓的波形，達(dá)到少計(jì)的竊電目的。

對(duì)付這樣的竊電行為，V9011依然能夠做出判定。因?yàn)閂9011能夠?qū)崟r(shí)提供電壓的每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這樣就能很方便地還原電壓波形，進(jìn)行電壓分析。在不需要增加任何外圍器件的條件下，電表設(shè)計(jì)者只需通過軟件算法，對(duì)波形進(jìn)行一定的還原分析，就能判定是否發(fā)生了竊電。如果發(fā)生了竊電，電能表將采取額定電壓和實(shí)際測(cè)試的電流為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量。

6結(jié)論

本設(shè)計(jì)充分利用了V9011SoC的多種低功耗工作模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同竊電行為的有效防治。在不增加額外成本的情況下，采用V9011的硬件RTC和測(cè)溫補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種竊電事件的準(zhǔn)確記錄。該表投入市場(chǎng)以來，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，極大打擊了不法分子的竊電行為。