解決分壓式竊電和移除電壓竊電難題的新型防竊電電

1引言隨著(zhù)家庭各類(lèi)電器的增多，民用電量劇增，受經(jīng)濟利益的驅使，竊電現象也日益嚴重，各種新的竊電方式不斷出現。據保守估算，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象。這不單困擾供電企業(yè)的發(fā)展，也嚴重影響了國家的經(jīng)濟建設和社會(huì )的穩定。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(wú)法有效防止竊電事件的發(fā)生;或成本太高，無(wú)法大面積的普及。本文介紹了一款基于V9011設計的單相單芯片防竊電電表方案，能有效地防止目前市場(chǎng)上出現的大部分竊電行為，同時(shí)具有設計成本低的特點(diǎn)，非常適合大規模的市場(chǎng)應用。

2V9011SoC簡(jiǎn)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、內部測溫電路、增強型8052MCU、RTC、32kBFlash、1kBXRAM和LCD驅動(dòng)等功能模塊。V9011具有4路獨立的ADC，能同時(shí)獨立計量?jì)陕酚泄蛞宦酚?無(wú)功電能，并提供有/無(wú)功功率、視在功率、有效值和線(xiàn)電壓頻率等瞬時(shí)測量值。其中一路ADC可以留給用戶(hù)作為其他用途，用戶(hù)可以根據實(shí)際需要接不同的信號傳感器，在本應用中，該ADC與芯片內部的測溫電路相連，用于測量環(huán)境溫度，實(shí)現對RTC的溫度補償。

圖1V9011單相防竊電表系統框圖

3系統設計

基于V9011設計的單相單芯片防竊電表的系統框圖如圖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(shí)現對一路電壓和兩路電流同時(shí)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(xiàn)電流信號采用猛銅分流器采樣，零線(xiàn)電流信號考慮到電氣隔離的原因，用電流互感器實(shí)現。

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(guò)專(zhuān)用的供電CT從電流線(xiàn)上獲得。V9011自帶的電源管理系統可以實(shí)現各電源之間的靈活切換，這樣，當用戶(hù)移除主電壓竊電時(shí)，系統仍能正常計量。

圖2電源管理系統

3.3LCD顯示

V9011芯片內部帶有LCD驅動(dòng)電路，最多可以驅動(dòng)104段LCD屏顯。驅動(dòng)電壓和偏置電流可以通過(guò)內部寄存器進(jìn)行調整，可以適用于各種類(lèi)型不同的顯示屏，用戶(hù)無(wú)需再擴展任何與LCD驅動(dòng)相關(guān)電路，只需將LCD管腳和芯片的驅動(dòng)IO口連接即可使用，停顯功耗不超過(guò)20μA。

3.4通訊接口

V9011具有4路獨立的UART口，可以驅動(dòng)485、遠近紅外等通信電路。

3.5帶溫度補償的RTC電路

V9011所自帶的具有溫度補償的硬件RTC，能夠保證在-40度到70度全溫度范圍內，時(shí)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(guò)內部溫度傳感器測試當前溫度，然后根據當前溫度值，通過(guò)查表的方式得到溫度補償值，將該值寫(xiě)入RTC的補償寄存器后，時(shí)鐘電路會(huì )每秒對時(shí)鐘進(jìn)行自動(dòng)補償。

圖3RTC溫度補償流程圖

4系統工作原理及軟件設計

圖4軟件流程圖

4.1系統工作原理

V9011單線(xiàn)多層防竊電電子式電能表的工作電壓有兩個(gè)來(lái)源：如果電網(wǎng)電壓高于設定的閾值(80V)，則認為電網(wǎng)電壓存在，此時(shí)，工作電壓為電網(wǎng)電壓。當電網(wǎng)電壓小于最小閾值80V時(shí)，認為電網(wǎng)電壓不存在，電壓被移除了，工作電壓由功率CT提供，進(jìn)入有效值計量模式。系統轉為低功耗模式下運行，默認電網(wǎng)電壓為額定電壓不變，電流以實(shí)際測試的電流為準進(jìn)行計量，此時(shí)的功耗只有大約1.6mA。

另外，當外部電網(wǎng)電壓存在時(shí)，系統還會(huì )不斷的采集電壓波形，進(jìn)行分析。當連續十次監測到電壓相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值超過(guò)預先設定的比例閾值的時(shí)候，認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)入有效值計量模式，電壓以該地區的額定電壓為準，電流以實(shí)際測試電壓為準計量。

不管是有效值計量模式還是正常有功計量模式，只要發(fā)現其中一路電流大于另外一路電流超過(guò)了系統預先設置的比例閾值，則無(wú)條件切換到以電流較大的一路為準計量。

4.2工作流程

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

在主循環(huán)中，系統將主要完成下述幾項工作：

1.每隔一秒讀取CF脈沖個(gè)數，累加電量，保存電量數據，完成計量;

2.不斷地檢測電壓有效值、分析電壓波形，監測電流反相、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)間檢查計量參數是否正確，若發(fā)生任何的異常都會(huì )從EEPROM中恢復正確的計量參數，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(guò)交換電能表火線(xiàn)端口的進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)的方式來(lái)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，系統只需要通過(guò)監測功率的方向，就能判別出電流是否反向，進(jìn)行事件記錄。當然也可以將V9011設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(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(xiàn)零線(xiàn)先對換，然后將零線(xiàn)直接接到大地，或者將火線(xiàn)短接。對于這種竊電行為，電表設計者只需要花很小的成本，增加一個(gè)電流互感器，就能檢測出來(lái)。因為，V9011具有完全獨立雙回路同時(shí)計量功能，系統總是可以選擇電流較大的一路為依據進(jìn)行計量。

理論上來(lái)說(shuō)，正常情況下，火線(xiàn)電流和零線(xiàn)電流大小基本是一致的，而V9011能同時(shí)檢測兩路電流有效值，并且在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內，其測量精度達到0.5%，因此，只需要預先設定一個(gè)不平衡判定的比例因子，通過(guò)對比火線(xiàn)電流和零線(xiàn)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(xiàn)，使得電表沒(méi)有供電電壓而無(wú)法工作。

對付這樣的竊電行為，電表設計者只需要增加一個(gè)低成本的功率CT，就能檢測出來(lái)。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。當用戶(hù)竊電的時(shí)候，這時(shí)電表就相當于是功率CT的負載，這就對電能表系統功耗提出了要求，功耗小，功率CT就能做得小，既節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(gè)能提供相當于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，并廣泛應用于南亞市場(chǎng)。

當然，在這種防竊電計量模式下，因為沒(méi)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(guò)在電表零線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)端串一個(gè)吊扇調速開(kāi)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能夠實(shí)時(shí)提供電壓的每個(gè)采樣點(diǎn)的數據，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，電表設計者只需通過(guò)軟件算法，對波形進(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)際測試的電流為準進(jìn)行計量。

6結論

本設計充分利用了V9011SoC的多種低功耗工作模式，實(shí)現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(shí)現了對各種竊電事件的準確記錄。該表投入市場(chǎng)以來(lái)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會(huì )效益，極大打擊了不法分子的竊電行為。