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

1引言隨著家庭各類電器的增多，民用電量劇增，受經(jīng)濟利益的驅(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，全國每年因電能被盜損失達200多億元，國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)重影響了國家的經(jīng)濟建設(shè)和社會的穩(wěn)定。因此市場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)計的單相單芯片防竊電電表方案，能有效地防止目前市場上出現(xiàn)的大部分竊電行為，同時具有設(shè)計成本低的特點，非常適合大規(guī)模的市場應(yīng)用。

2V9011SoC簡介

V9011是一款功耗低、計量性能高、計量模式靈活、EMC性能優(yōu)良的單相SoC芯片。它集成了模擬前端、電能計量、內(nèi)部測溫電路、增強型8052MCU、RTC、32kBFlash、1kBXRAM和LCD驅(qū)動等功能模塊。V9011具有4路獨立的ADC，能同時獨立計量兩路有功或一路有/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測量值。其中一路ADC可以留給用戶作為其他用途，用戶可以根據(jù)實際需要接不同的信號傳感器，在本應(yīng)用中，該ADC與芯片內(nèi)部的測溫電路相連，用于測量環(huán)境溫度，實現(xiàn)對RTC的溫度補償。

圖1V9011單相防竊電表系統(tǒng)框圖

3系統(tǒng)設(shè)計

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

3.1信號采樣

V9011具有四路獨立的ADC，其中三路ADC用于計量，可實現(xiàn)對一路電壓和兩路電流同時采樣。在本方案中，電壓信號的采樣采用電阻分壓的模式，火線電流信號采用猛銅分流器采樣，零線電流信號考慮到電氣隔離的原因，用電流互感器實現(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，系統(tǒng)仍能正常計量。

圖2電源管理系統(tǒng)

3.3LCD顯示

V9011芯片內(nèi)部帶有LCD驅(qū)動電路，最多可以驅(qū)動104段LCD屏顯。驅(qū)動電壓和偏置電流可以通過內(nèi)部寄存器進行調(diào)整，可以適用于各種類型不同的顯示屏，用戶無需再擴展任何與LCD驅(qū)動相關(guān)電路，只需將LCD管腳和芯片的驅(qū)動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路獨立的UART口，可以驅(qū)動485、遠近紅外等通信電路。

3.5帶溫度補償?shù)腞TC電路

V9011所自帶的具有溫度補償?shù)挠布TC，能夠保證在-40度到70度全溫度范圍內(nèi)，時鐘精度達到1S/D。溫度補償流程如圖3所示，補償原理如下：首先通過內(nèi)部溫度傳感器測試當(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償值，將該值寫入RTC的補償寄存器后，時鐘電路會每秒對時鐘進行自動補償。

圖3RTC溫度補償流程圖

4系統(tǒng)工作原理及軟件設(shè)計

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，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，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，進入有效值計量模式。系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低功耗模式下運行，默認(rèn)電網(wǎng)電壓為額定電壓不變，電流以實際測試的電流為準(zhǔn)進行計量，此時的功耗只有大約1.6mA。

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

不管是有效值計量模式還是正常有功計量模式，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)計量。

4.2工作流程

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

在主循環(huán)中，系統(tǒng)將主要完成下述幾項工作：

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

2.不斷地檢測電壓有效值、分析電壓波形，監(jiān)測電流反相、電流不平衡、外磁場、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，是否需要進入睡眠模式。

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

5多層防竊電計量

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線和出線的方式來達到竊電目的。對這種竊電行為，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)測功率的方向，就能判別出電流是否反向，進行事件記錄。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能量進行累加。

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換，然后將零線直接接到大地，或者將火線短接。對于這種竊電行為，電表設(shè)計者只需要花很小的成本，增加一個電流互感器，就能檢測出來。因為，V9011具有完全獨立雙回路同時計量功能，系統(tǒng)總是可以選擇電流較大的一路為依據(jù)進行計量。

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能同時檢測兩路電流有效值，并且在1000:1動態(tài)范圍內(nèi)，其測量精度達到0.5%，因此，只需要預(yù)先設(shè)定一個不平衡判定的比例因子，通過對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。

對付這樣的竊電行為，電表設(shè)計者只需要增加一個低成本的功率CT，就能檢測出來。由于功率CT從電流獲取的電壓是有限的，因此，對于很小的電流，功率CT獲取的電壓不足以供電能表工作。當(dāng)用戶竊電的時候，這時電表就相當(dāng)于是功率CT的負載，這就對電能表系統(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具有低功耗計量模式，只需要一個能提供相當(dāng)于1mA/3.3V的功率CT就能維持電表工作。重要的是V9011是一款純硬件計量的SoC，只需要配置完計量參數(shù)之后，軟件幾乎不需要再參與計量部分工作，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。

當(dāng)然，在這種防竊電計量模式下，因為沒有電壓，所以只能將電壓約定為額定電壓，采用電流有效值進行計量。

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線端串一個吊扇調(diào)速開關(guān)，影響采樣電壓的波形，達到少計的竊電目的。

對付這樣的竊電行為，V9011依然能夠做出判定。因為V9011能夠?qū)崟r提供電壓的每個采樣點的數(shù)據(jù)，這樣就能很方便地還原電壓波形，進行電壓分析。在不需要增加任何外圍器件的條件下，電表設(shè)計者只需通過軟件算法，對波形進行一定的還原分析，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際測試的電流為準(zhǔn)進行計量。

6結(jié)論

本設(shè)計充分利用了V9011SoC的多種低功耗工作模式，實現(xiàn)了對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和測溫補償功能，實現(xiàn)了對各種竊電事件的準(zhǔn)確記錄。該表投入市場以來，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益，極大打擊了不法分子的竊電行為。