單相電子式防竊電電能表的設(shè)計與應(yīng)用

譚先鋒

摘 要：目前，許多用戶受利益的驅(qū)使，使用非法手段破壞電表，以期達(dá)到其不計費(fèi)或者少計費(fèi)的目的，給電力市場造成了極大的損失，造成市場失衡。該文闡述了目前電能表的防竊電方式，分析了單相電子式防竊電電表的設(shè)計，讓人們對這種防竊電裝置有所了解。

關(guān)鍵詞：電能表;單片機(jī)硬件電路;精度參數(shù)調(diào)試

中圖分類號：TM933.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 電能表的防竊電方式

1.1 防電流反向竊電

最常見典型的竊電行為是竊電者把電能表火線端口的進(jìn)線和出線進(jìn)行交換，用這種方式可以很快地達(dá)到竊電的目的。然而V9821S不需要添加任何外圍輔助器，僅憑系統(tǒng)本身就可以達(dá)到監(jiān)控的效果。系統(tǒng)通過監(jiān)測功率的方向，能夠迅速判斷出電流是否有反向流動的行為，并進(jìn)行事件記錄。當(dāng)然，V9821S也可以設(shè)置為正向反向都累加的模式，這樣無論功率是正是反都能夠?qū)⒛芰窟M(jìn)行累加。

1.2 防電流分流竊電

最常見的是竊電者在將火線零線對換后，直接將零線接到大地上，或者將火線進(jìn)行短接。但是這種竊電行為運(yùn)用V9821S很容易就可以檢測出來，只需要增加一個電流互感器就可以有效防止。這是因為V9821S具有雙回路同時計量的功能，系統(tǒng)總是可以依據(jù)電流較大的一路進(jìn)行計量。

1.3 防移除電壓竊電

這種方式通常都是由竊電者將電表的火電或者零線進(jìn)行移除，從而使電表沒有供電，所以電表無法工作，以此來達(dá)到竊電的目的。對于這樣的竊電行為，只需要增加一個低成本的功率CT，就可以進(jìn)行有效防范。這是因為V9821S具有低功耗的計量模式，只需提供相當(dāng)于1mA、3.3V的功率，CT就能夠持續(xù)維持電表工作，不受移除電流的限制。

1.4 串可控硅竊電

最常見的竊電方法是在電表零線進(jìn)線端處串一個吊扇調(diào)速開關(guān)，可能會影響到采樣電壓的波形以達(dá)到竊電者少計電量的目的。對于這樣的竊電行為，V9821S依然可以做出準(zhǔn)確的判斷。由于V9821S可以提供電壓每個采樣點(diǎn)的實時數(shù)據(jù)，精確到每分每秒，這樣就能夠方便快速地還原電壓波形，從而對電壓進(jìn)行準(zhǔn)確分析。V9821S利用軟件對波形進(jìn)行還原分析，就可以判斷出是否產(chǎn)生了竊電行為，之后再采取額定電壓和實際測試的電流進(jìn)行計量，從而保證電表的穩(wěn)定和安全。

2 單相電子式防竊電電能表設(shè)計方案

2.1 工作原理圖

通過對圖1的分析研究可知，該工作原理圖的主要框架是由V9821S計量芯片、LED顯示、一路電壓采樣與兩路電流采樣電路、存儲器24CO1以及單片機(jī)控制器組合而成的。

2.2 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計包括電量精度設(shè)計、5 V電源供給、單片機(jī)電量計量、采樣電路等，在該文中將進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.1 采樣輸入電路設(shè)計

作為電量計量信號的輸入部分，采樣電路大致是由兩路電流采樣與一路電壓采樣組合而成，屬于模擬輸入。其中電壓采樣電路選用的是電阻分壓采樣。V1N與V1P輸入端都屬于全差分電壓輸入，此類電流采樣電路使用的是電阻阻值為400 Ω的錳銅分流器，與V1N腳相比，最大的電平信號設(shè)置了一個增益可編的放大器，此類放大器可結(jié)合相關(guān)設(shè)置，采用不同的增益量，由此計算出最大差分的信號。另一路竊電采樣電路是V2N與V2P，此類電路使用的是穿心互感器，與V2N腳對應(yīng)的最大電平信號是500 mvl。一旦V9821S回路判斷至竊電電流電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常電流電壓的12.5 %，就說明探測到了有竊電行為，這時儀器會發(fā)出警報，從而防止竊電并且對竊電電量做出計量。

2.2.2 電源供給設(shè)計

電源供給大部分使用密封雙路變壓進(jìn)行供電，同時采取濾波、整流、78LOS穩(wěn)壓的方式，其中有一路是數(shù)字電路、數(shù)碼管與供單片機(jī)控制電路，另一路是模擬電路與供電量計量電路。這兩路供電電源互不影響，充分防止了不同信號相互干擾的可能性，并且有效提高了計量芯片的穩(wěn)定性。

2.2.3 V9821S計量精度硬件設(shè)計

V9821S計量精度硬件設(shè)計主要是對從內(nèi)部乘法器處理采樣獲取到的電壓信號與電流信號進(jìn)行處理，各電路完成采樣后，再向內(nèi)部乘法器傳送信息，予以處理與研究，緊接著輸出與電量呈正比的脈沖信號，然后由廣電耦合器送至單片機(jī)，讓單片機(jī)結(jié)合獲取的脈沖信號予以處理，最后會顯示出用戶當(dāng)前的電量。

3 精度參數(shù)調(diào)試方法

精度參數(shù)調(diào)試重點(diǎn)采取兩點(diǎn)觀察法與粗調(diào)兩點(diǎn)調(diào)整法，其中粗調(diào)兩點(diǎn)即阻性100 % Ib調(diào)整，感性100 % Ib相位調(diào)整，兩點(diǎn)觀察是指對輕載的10 % Ib與5 % Ib這2點(diǎn)進(jìn)行觀察，應(yīng)把此類數(shù)值的誤差控制在0.4以內(nèi)。

3.1 正常回路精度調(diào)試

通常而言，精度調(diào)試有要求，誤差應(yīng)在0.4內(nèi)，但如果用戶有特殊的要求，那么應(yīng)按照用戶的具體要求執(zhí)行。若達(dá)到100 % Ib，調(diào)整0.1～10，使得誤差符合要求。然后觀察100 % Ib點(diǎn)誤差，若誤差大于100 % Ib誤差為0.3，在C8的位置進(jìn)行-4.7nF相位調(diào)整電容焊接，此時要確保前文提及的兩點(diǎn)誤差相差的絕對值低于0.3，緊接著不斷觀察輕載5 % Ib和10% Ib誤差是否符合要求，若不符合要求，應(yīng)重新調(diào)整0.1～10，最終確保達(dá)到要求。

3.2 竊電回路誤差調(diào)試

竊電回路的調(diào)試方式與正?；芈返恼{(diào)試方式一般是一致的，唯一的區(qū)別就在于精度調(diào)試需控制在±0.5的范圍中，相位調(diào)整電容，調(diào)整點(diǎn)是0.2～0.5。

4 單片機(jī)電量處理系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)V9821S輸出脈沖信號時，單片機(jī)接收到信號后作為數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并顯示，之后進(jìn)行實時的電量處理，這種工作原理即數(shù)據(jù)采集。脈沖常數(shù)的設(shè)置有3種不同數(shù)值，分別為1600、3200和6400。同時，單片機(jī)的處理系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)注意常見的幾點(diǎn)問題，象非法開殼報警指示燈、電表在調(diào)試后，一定要把出廠電表的底數(shù)改為0，將看門狗設(shè)置在電表外部，對單片機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等進(jìn)行控制與監(jiān)督，保證整個系統(tǒng)運(yùn)用的科學(xué)合理性。

4.1 單片機(jī)硬件電路設(shè)計

在進(jìn)行單片機(jī)硬件電路設(shè)計時，硬件的選擇是關(guān)鍵，單片機(jī)應(yīng)選擇V9821S，存儲器選擇24 CO1，硬件看門狗中采用計數(shù)器4060形成1.4 s的脈沖，選擇完基礎(chǔ)硬件后，要結(jié)合I/O端口的概念與系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)范要求，做好硬件電路設(shè)計工作。當(dāng)選用4060計數(shù)器時，會形成周期是1.4 s左右的脈沖，此時必須要對單片機(jī)程序的運(yùn)行情況進(jìn)行控制與監(jiān)督，結(jié)果為正常和異常2種形式，如果單片機(jī)程序運(yùn)行順暢，那么就會發(fā)出喂狗脈沖信號，看門狗會因此喪失效果;如果單片機(jī)程序出現(xiàn)異常問題，那么發(fā)出無喂狗信號脈沖，這時看門狗才會發(fā)揮效用，促使單片機(jī)強(qiáng)制復(fù)位，這時單片機(jī)程序?qū)⒒謴?fù)正常。

4.2 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件設(shè)計大致包括讀出流程圖、主程序流程圖、顯示流程圖、數(shù)據(jù)寫入流程圖以及中斷流程圖等，其中，在進(jìn)行應(yīng)用軟件編制之前，應(yīng)先行繪制出程序流程圖，因為程序流程圖的編制十分關(guān)鍵，它直接關(guān)系到了軟件的成敗，是整個系統(tǒng)的決定因素。

參考文獻(xiàn)

[1]江嵐.電子式電能表的可靠性及改善措施研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.