掉零線防竊電計量系統設計研究

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摘要:針對目前市場上大多數防竊電電能表，在竊電過程中系統無法準確記錄所竊取的電量問題，提出一種基于單相電能計量芯片的防竊電電能表設計方案。該方案包括掉零線防竊電電能表硬件設計、軟件設計和計量誤差測量。實驗數據表明:在掉零線狀態下，電流在不同擋位的測試誤差滿足計量測試的要求。該方案解決了電壓互感器PT耦合出來的電壓處在臨界點狀態時，導致整個系統因功耗不足而使系統不斷復位重啟的問題，保證系統在各個狀態下都能正常計量。

關鍵詞:掉零線;防竊電;計量芯片;電能表

隨著智能技術的發展，傳統的電力系統正逐步向人工智能電網系統過渡。電能表作為智能電網系統的終端設備［1］，其需求量隨著智能生活的需求正逐年穩定增長。但是由于各種原因，目前竊電行為仍然普遍存在［2］，給國家電力局財務收入造成了不可估量的經濟損失。目前常見的竊電方式有:電流分流式竊電、電流反向式竊電、掉零線竊電、串dimmer竊電等［3－4］。單相電能表廣泛應用于家庭用戶［5］，竊電者往往通過移除電能表的零線進行竊電，電能表中沒有零線就等于沒有電壓，也就無法進行計費。為了防止這種竊電行為發生，目前市場上通常采用掉零線方案進行竊電計量，其原理為:系統電源電路中利用電壓互感器PT從電流回路中耦合獲取相應的系統電壓，讀取主電源芯片計量模塊相應的電流有效值，以便在竊電行為發生時進行相應的竊電計量。這種方法雖然能基本上解決竊電時不能計量的問題，但是當用電設備所提供的電流處在臨界點時，比如電流值為1A左右，PT耦合出來的電壓會隨著防竊電硬件供電系統功耗地增加導致整個系統供電不足，從而引起系統進入休眠，系統休眠后功耗反而會降低，這時候PT耦合的電壓又會上升使系統重新從休眠狀態下喚醒，這種不斷重啟系統的現象會使電能表不能進行正常的掉零線計量［6］，使得計量減少或不計量，從而導致經濟損失。面對這種情況，本文提出基于防復位裝置的掉零線防竊電電能表系統方案，硬件電路模塊中增加模擬比較器電路，這種方法解決了系統在掉零線狀態下，因系統不斷重啟導致的電量損失。

1硬件電路設計

V9911是杭州萬高科技股份有限公司推出的高性能、低功耗單相電能計量SoC芯片。該芯片的主要特點如下:1)芯片休眠時，RAM保持數據時的功耗僅為6．8μA;2)支持靈活的防竊電應用;3)支持兩路電流同時進行有功電能計量;4)支持快速電流檢測和快速有效值檢測。因此，該電能表計量芯片能滿足掉零線防竊電電能表計量高精度的應用需求。

1．1硬件結構圖

基于電能計量芯片的掉零線防竊表，硬件系統電路方案結構框圖如圖1所示，主要模塊包括［7］:A路錳銅采樣電流、B路CT采樣電流、電壓采樣、PT采樣、掉電檢查電路、232通信電路、紅外通信電路、液晶顯示電路、開表蓋檢測按鍵電路、電源模塊、數據存儲電路、晶振電路等。

1．2防復位裝置的系統設計

如圖2所示是防竊電電能表竊電狀態下防復位裝置的總體示意圖［8］。具體內容如下:1、電阻分壓式電壓采樣電路;2、A路錳銅電流采樣電路;3、B路CT電流采樣電路;4、電阻分壓式電壓采樣管腳;5、A路電流通道ADC采樣管腳;6、B路電流通道ADC采樣管腳;7、掉電檢測VDCIN管腳;8、系統掉電檢測電路;9、模擬比較器檢測管腳;10、模擬比較器檢測電路;11、交流轉換為直流電路;12、直流轉換為直流電路;13、電壓互感器PT電路;14、主控電能表計量芯片。基于防復位裝置的掉零線防竊電電能表在竊電狀態時的實現原理如下:當電能表移除零線處在掉零線狀態時，系統檢測不到電源前端的交流電，交流轉換為直流的電路就無法正常工作，但用電設備產生的電流經電壓互感器耦合產生的直流電壓轉換為主控芯片供電的電壓能正常工作。因此，當發生掉零線時，電壓采樣電路采集不到電壓信號，電能計量芯片對應的UP采樣管腳也無法檢測到電壓信號。由于竊電只是移除了零線，用電設備的電流采樣線還是接入在電能表中，A路錳銅和B路CT電流通道IAP、IBP采樣管腳都能正常采集到電流信號。竊電發生時，電能表計量芯片的掉電檢測管腳VDCIN和模擬比較器管腳CMPBP或CMPBN都能正常檢測到信號。當VDCIN掉電檢測的輸出信號為低電平，且模擬比較器電路的輸出信號為高電平時，程序判斷到電能表發生竊電，系統進入竊電計量，而不會進入休眠計量，避免系統從休眠狀態下喚醒重啟系統，導致系統在喚醒時間段內無法計量。

1．3模擬比較器檢測電路

圖3所示為電能計量芯片內部的模擬比較器檢測電路結構示意圖。系統運行時，通過模擬比較器寄存器CtrlADC6的BIT5位或BIT4位來開啟模擬比較器CB或CA開關;模擬比較器寄存器CtrlCry2中的bit［3:2］用來選擇模擬比較器CB的輸入信號源，當bit［3:2］為0時，管腳M2輸入電壓正信號和低功耗電壓基準源REF_LP負信號進行比較，當bit［3:2］為1時，管腳M1輸入電壓正信號和低功耗電壓基準源REF_LP負信號進行比較;然后通過讀取模擬比較器AN-State寄存器的BIT6位值來確定模擬比較器CB的輸出狀態。圖4所示為模擬比較器原理圖，ZPW信號是電壓互感器PT通過電流信號耦合出來的電壓信號，選擇打開模擬比較器CB的工作開關。其中CMPBP或CMPBN代表模擬比較器CB的輸入信號源，通過Ctrl-Cry2寄存器選擇模擬比較器CB的輸入信號源，設定CtrlCry2寄存器的bit［3:2］為1，管腳CMPBP輸入電壓正信號和電能表計量芯片第9管腳REF負信號進行比較。

2軟件設計

2．1系統主流程

掉零線防竊電能表運行的主要流程如圖5所示。系統主流程包括:上電掉電處理、系統事件、時間事件、刷新事件、按鍵事件。上電掉電處理主要是上電過程中首先將系統時鐘PLL切換為800kHz，然后根據VDCIN來判斷系統是否有電，若系統有電，則對底層驅動、應用層數據、計量數據等相關參數進行初始化，掉電計量數據進行恢復;若系統沒電，則計量時鐘切換為32kHz，進行休眠計量。系統事件包括:系統上下電處理、顯示處理、通信處理、能量處理、需量處理、清零處理。時間事件包括:秒處理、分處理和時處理。其中秒處理包括:開CF脈沖處理、斷零線處理、正常處理、液晶顯示標志處理以及背光處理;分處理包括:校表參數刷新、EEPROM存儲處理等。

2．2竊電計量流程

竊電計量操作流程如圖6所示。系統在掉零線狀態下進行竊電計量時，若檢測到掉電檢測信號VDCIN為高電平，則系統電源有交流電，程序退出竊電計量模式，恢復到正常計量模式。若系統檢測到掉電檢測信號VDCIN為低電平，且讀取ANState寄存器BIT6的數據為0，則判斷系統進入休眠計量模式;若讀取AN-State寄存器BIT6的數據為1，則判斷系統進入竊電計量模式。系統在正常計量時，PLL切換為3．2MHz，AD通道一直保持為開啟狀態，根據A、B兩路電流有效值的大小來判斷是哪一路進行計量，能量進行自動累加計量。系統處在斷零線計量時，為降低系統功耗，系統時鐘PLL由3．2MHz切換為800kHz，只開啟計量對應的AD通道，更新電流有效值填入到常數計量寄存器進行能量的累加計量。休眠計量系統時鐘切換為32kHz，系統進入休眠狀態，RTC喚醒時間間隔設置為1h。這種通過VDCIN和電壓互感器耦合出的電壓來檢測模擬比較器電路中的相應信號，可以有效區分系統運行的三種狀態，防止小電流狀態下PT耦合的電壓供給不足導致系統不斷復位的情況發生，解決了系統復位帶來的電能表不計量或少計量的問題。

3實驗結果與分析

為了驗證基于防復位裝置的掉零線防竊電計量方面的測試精度，本文在掉零線狀態下，基于不同的電流擋位對電能表進行計量誤差測量。臺體輸入額定電流為5A，啟動電流為0．1A，測試環境溫度:25℃，濕度:85%，精度等級:1．0。分別對表號1和表號2的電能表在不同電流擋位下進行掉零線計量誤差值測量，記錄10次誤差取平均誤差測量值和10次計量誤差的跳差。實驗統計數據如表1所示。

4結束語

電能表的計量誤差是電能表性能的重要指標之一。通過實驗數據表明，本文基于防復位裝置的掉零線防竊電計量系統方案，在掉零線狀態下，電流在不同擋位的測試誤差滿足計量測試的要求。該方案解決了在小電流下，電壓互感器PT耦合出來的電壓處在臨界點狀態時，導致整個系統因功耗不足而使系統不斷復位重啟的問題，保證掉零線防竊電電能表的計量系統在各個狀態下都能正常計量。

參考文獻:

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［2］竇健，劉宣，盧繼哲，等．基于用電信息采集大數據的防竊電方法研究［J］．電測與儀表，2018，55(21):43－49．

［3］劉宇鵬，燕伯峰，董永樂，等．基于零線電流測量和計量功能的單相電能表防竊電應用分析［J］．內蒙古電力技術，2017，35(6):6－10．

［4］周英娜．基于電流采樣LED驅動芯片TRIAC調光技術的研究與設計［D］．成都:電子科技大學，2015．

［5］劉曉巍．智能防竊電系統方案設計及應用［D］．北京:中國電力科學研究院，2018．

［6］陳培余，金恩曼，汪嬋嬋．基于防復位裝置的掉零線防竊電計量裝置:中國，211979044U［P］．2020－11－20．

［7］陳廣．基于V9821單片機的電量監測及控制裝置的設計與研究［D］．昆明:昆明理工大學，2017．

［8］陳培余，金恩曼，汪嬋嬋．電能計量芯片V9261F在直流表中的應用［J］．儀表技術，2020(6):42－45．

作者：陳培余 汪嬋嬋 金恩曼 李雨 朱莉莉 單位：浙江安防職業技術學院