導(dǎo)語：掉零線防竊電計量系統(tǒng)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對目前市場上大多數(shù)防竊電電能表，在竊電過程中系統(tǒng)無法準(zhǔn)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(shè)計方案。該方案包括掉零線防竊電電能表硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和計量誤差測量。實驗數(shù)據(jù)表明:在掉零線狀態(tài)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(diǎn)狀態(tài)時，導(dǎo)致整個系統(tǒng)因功耗不足而使系統(tǒng)不斷復(fù)位重啟的問題，保證系統(tǒng)在各個狀態(tài)下都能正常計量。

關(guān)鍵詞:掉零線;防竊電;計量芯片;電能表

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)正逐步向人工智能電網(wǎng)系統(tǒng)過渡。電能表作為智能電網(wǎng)系統(tǒng)的終端設(shè)備［1］，其需求量隨著智能生活的需求正逐年穩(wěn)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(wù)收入造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于家庭用戶［5］，竊電者往往通過移除電能表的零線進(jìn)行竊電，電能表中沒有零線就等于沒有電壓，也就無法進(jìn)行計費(fèi)。為了防止這種竊電行為發(fā)生，目前市場上通常采用掉零線方案進(jìn)行竊電計量，其原理為:系統(tǒng)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(yīng)的系統(tǒng)電壓，讀取主電源芯片計量模塊相應(yīng)的電流有效值，以便在竊電行為發(fā)生時進(jìn)行相應(yīng)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(dāng)用電設(shè)備所提供的電流處在臨界點(diǎn)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(tǒng)功耗地增加導(dǎo)致整個系統(tǒng)供電不足，從而引起系統(tǒng)進(jìn)入休眠，系統(tǒng)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(tǒng)重新從休眠狀態(tài)下喚醒，這種不斷重啟系統(tǒng)的現(xiàn)象會使電能表不能進(jìn)行正常的掉零線計量［6］，使得計量減少或不計量，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。面對這種情況，本文提出基于防復(fù)位裝置的掉零線防竊電電能表系統(tǒng)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(tǒng)在掉零線狀態(tài)下，因系統(tǒng)不斷重啟導(dǎo)致的電量損失。

1硬件電路設(shè)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(diǎn)如下:1)芯片休眠時，RAM保持?jǐn)?shù)據(jù)時的功耗僅為6．8μA;2)支持靈活的防竊電應(yīng)用;3)支持兩路電流同時進(jìn)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(yīng)用需求。

1．1硬件結(jié)構(gòu)圖

基于電能計量芯片的掉零線防竊表，硬件系統(tǒng)電路方案結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲電路、晶振電路等。

1．2防復(fù)位裝置的系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示是防竊電電能表竊電狀態(tài)下防復(fù)位裝置的總體示意圖［8］。具體內(nèi)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(tǒng)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(zhuǎn)換為直流電路;12、直流轉(zhuǎn)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(fù)位裝置的掉零線防竊電電能表在竊電狀態(tài)時的實現(xiàn)原理如下:當(dāng)電能表移除零線處在掉零線狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測不到電源前端的交流電，交流轉(zhuǎn)換為直流的電路就無法正常工作，但用電設(shè)備產(chǎn)生的電流經(jīng)電壓互感器耦合產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換為主控芯片供電的電壓能正常工作。因此，當(dāng)發(fā)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(yīng)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(shè)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(fā)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(dāng)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(fā)生竊電，系統(tǒng)進(jìn)入竊電計量，而不會進(jìn)入休眠計量，避免系統(tǒng)從休眠狀態(tài)下喚醒重啟系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)在喚醒時間段內(nèi)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(nèi)部的模擬比較器檢測電路結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)運(yùn)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(guān);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(dāng)bit［3:2］為0時，管腳M2輸入電壓正信號和低功耗電壓基準(zhǔn)源REF_LP負(fù)信號進(jìn)行比較，當(dāng)bit［3:2］為1時，管腳M1輸入電壓正信號和低功耗電壓基準(zhǔn)源REF_LP負(fù)信號進(jìn)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(tài)。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(guān)。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(shè)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(fù)信號進(jìn)行比較。

2軟件設(shè)計

2．1系統(tǒng)主流程

掉零線防竊電能表運(yùn)行的主要流程如圖5所示。系統(tǒng)主流程包括:上電掉電處理、系統(tǒng)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(tǒng)時鐘PLL切換為800kHz，然后根據(jù)VDCIN來判斷系統(tǒng)是否有電，若系統(tǒng)有電，則對底層驅(qū)動、應(yīng)用層數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，掉電計量數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù);若系統(tǒng)沒電，則計量時鐘切換為32kHz，進(jìn)行休眠計量。系統(tǒng)事件包括:系統(tǒng)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(biāo)志處理以及背光處理;分處理包括:校表參數(shù)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(tǒng)在掉零線狀態(tài)下進(jìn)行竊電計量時，若檢測到掉電檢測信號VDCIN為高電平，則系統(tǒng)電源有交流電，程序退出竊電計量模式，恢復(fù)到正常計量模式。若系統(tǒng)檢測到掉電檢測信號VDCIN為低電平，且讀取ANState寄存器BIT6的數(shù)據(jù)為0，則判斷系統(tǒng)進(jìn)入休眠計量模式;若讀取AN-State寄存器BIT6的數(shù)據(jù)為1，則判斷系統(tǒng)進(jìn)入竊電計量模式。系統(tǒng)在正常計量時，PLL切換為3．2MHz，AD通道一直保持為開啟狀態(tài)，根據(jù)A、B兩路電流有效值的大小來判斷是哪一路進(jìn)行計量，能量進(jìn)行自動累加計量。系統(tǒng)處在斷零線計量時，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)時鐘PLL由3．2MHz切換為800kHz，只開啟計量對應(yīng)的AD通道，更新電流有效值填入到常數(shù)計量寄存器進(jìn)行能量的累加計量。休眠計量系統(tǒng)時鐘切換為32kHz，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，RTC喚醒時間間隔設(shè)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(yīng)信號，可以有效區(qū)分系統(tǒng)運(yùn)行的三種狀態(tài)，防止小電流狀態(tài)下PT耦合的電壓供給不足導(dǎo)致系統(tǒng)不斷復(fù)位的情況發(fā)生，解決了系統(tǒng)復(fù)位帶來的電能表不計量或少計量的問題。

3實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于防復(fù)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(tài)下，基于不同的電流擋位對電能表進(jìn)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(huán)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(jìn)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(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

4結(jié)束語

電能表的計量誤差是電能表性能的重要指標(biāo)之一。通過實驗數(shù)據(jù)表明，本文基于防復(fù)位裝置的掉零線防竊電計量系統(tǒng)方案，在掉零線狀態(tài)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(diǎn)狀態(tài)時，導(dǎo)致整個系統(tǒng)因功耗不足而使系統(tǒng)不斷復(fù)位重啟的問題，保證掉零線防竊電電能表的計量系統(tǒng)在各個狀態(tài)下都能正常計量。

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作者：陳培余 汪嬋嬋 金恩曼 李雨 朱莉莉 單位：浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院