掉零线防窃电计量系统设计研究

　　摘要:针对目前市场上大多数防窃电电能表，在窃电过程中系统无法准确记录所窃取的电量问题，提出一种基于单相电能计量芯片的防窃电电能表设计方案。该方案包括掉零线防窃电电能表硬件设计、软件设计和计量误差测量。实验数据表明:在掉零线状态下，电流在不同挡位的测试误差满足计量测试的要求。该方案解决了电压互感器PT耦合出来的电压处在临界点状态时，导致整个系统因功耗不足而使系统不断复位重启的问题，保证系统在各个状态下都能正常计量。

　　关键词:掉零线;防窃电;计量芯片;电能表

　　随着智能技术的发展，传统的电力系统正逐步向人工智能电网系统过渡。电能表作为智能电网系统的终端设备［1］，其需求量随着智能生活的需求正逐年稳定增长。但是由于各种原因，目前窃电行为仍然普遍存在［2］，给国家电力局财务收入造成了不可估量的经济损失。目前常见的窃电方式有:电流分流式窃电、电流反向式窃电、掉零线窃电、串dimmer窃电等［3－4］。单相电能表广泛应用于家庭用户［5］，窃电者往往通过移除电能表的零线进行窃电，电能表中没有零线就等于没有电压，也就无法进行计费。为了防止这种窃电行为发生，目前市场上通常采用掉零线方案进行窃电计量，其原理为:系统电源电路中利用电压互感器PT从电流回路中耦合获取相应的系统电压，读取主电源芯片计量模块相应的电流有效值，以便在窃电行为发生时进行相应的窃电计量。这种方法虽然能基本上解决窃电时不能计量的问题，但是当用电设备所提供的电流处在临界点时，比如电流值为1A左右，PT耦合出来的电压会随着防窃电硬件供电系统功耗地增加导致整个系统供电不足，从而引起系统进入休眠，系统休眠后功耗反而会降低，这时候PT耦合的电压又会上升使系统重新从休眠状态下唤醒，这种不断重启系统的现象会使电能表不能进行正常的掉零线计量［6］，使得计量减少或不计量，从而导致经济损失。面对这种情况，本文提出基于防复位装置的掉零线防窃电电能表系统方案，硬件电路模块中增加模拟比较器电路，这种方法解决了系统在掉零线状态下，因系统不断重启导致的电量损失。

　　1硬件电路设计

　　V9911是杭州万高科技股份有限公司推出的高性能、低功耗单相电能计量SoC芯片。该芯片的主要特点如下:1)芯片休眠时，ＲAM保持数据时的功耗仅为6．8μA;2)支持灵活的防窃电应用;3)支持两路电流同时进行有功电能计量;4)支持快速电流检测和快速有效值检测。因此，该电能表计量芯片能满足掉零线防窃电电能表计量高精度的应用需求。

　　1．1硬件结构图

　　基于电能计量芯片的掉零线防窃表，硬件系统电路方案结构框图如图1所示，主要模块包括［7］:A路锰铜采样电流、B路CT采样电流、电压采样、PT采样、掉电检查电路、232通信电路、红外通信电路、液晶显示电路、开表盖检测按键电路、电源模块、数据存储电路、晶振电路等。

　　1．2防复位装置的系统设计

　　如图2所示是防窃电电能表窃电状态下防复位装置的总体示意图［8］。具体内容如下:1、电阻分压式电压采样电路;2、A路锰铜电流采样电路;3、B路CT电流采样电路;4、电阻分压式电压采样管脚;5、A路电流通道ADC采样管脚;6、B路电流通道ADC采样管脚;7、掉电检测VDCIN管脚;8、系统掉电检测电路;9、模拟比较器检测管脚;10、模拟比较器检测电路;11、交流转换为直流电路;12、直流转换为直流电路;13、电压互感器PT电路;14、主控电能表计量芯片。基于防复位装置的掉零线防窃电电能表在窃电状态时的实现原理如下:当电能表移除零线处在掉零线状态时，系统检测不到电源前端的交流电，交流转换为直流的电路就无法正常工作，但用电设备产生的电流经电压互感器耦合产生的直流电压转换为主控芯片供电的电压能正常工作。因此，当发生掉零线时，电压采样电路采集不到电压信号，电能计量芯片对应的UP采样管脚也无法检测到电压信号。由于窃电只是移除了零线，用电设备的电流采样线还是接入在电能表中，A路锰铜和B路CT电流通道IAP、IBP采样管脚都能正常采集到电流信号。窃电发生时，电能表计量芯片的掉电检测管脚VDCIN和模拟比较器管脚CMPBP或CMPBN都能正常检测到信号。当VDCIN掉电检测的输出信号为低电平，且模拟比较器电路的输出信号为高电平时，程序判断到电能表发生窃电，系统进入窃电计量，而不会进入休眠计量，避免系统从休眠状态下唤醒重启系统，导致系统在唤醒时间段内无法计量。

　　1．3模拟比较器检测电路

　　图3所示为电能计量芯片内部的模拟比较器检测电路结构示意图。系统运行时，通过模拟比较器寄存器CtrlADC6的BIT5位或BIT4位来开启模拟比较器CB或CA开关;模拟比较器寄存器CtrlCry2中的bit［3:2］用来选择模拟比较器CB的输入信号源，当bit［3:2］为0时，管脚M2输入电压正信号和低功耗电压基准源ＲEF_LP负信号进行比较，当bit［3:2］为1时，管脚M1输入电压正信号和低功耗电压基准源ＲEF_LP负信号进行比较;然后通过读取模拟比较器AN-State寄存器的BIT6位值来确定模拟比较器CB的输出状态。图4所示为模拟比较器原理图，ZPW信号是电压互感器PT通过电流信号耦合出来的电压信号，选择打开模拟比较器CB的工作开关。其中CMPBP或CMPBN代表模拟比较器CB的输入信号源，通过Ctrl-Cry2寄存器选择模拟比较器CB的输入信号源，设定CtrlCry2寄存器的bit［3:2］为1，管脚CMPBP输入电压正信号和电能表计量芯片第9管脚ＲEF负信号进行比较。

　　2软件设计

　　2．1系统主流程

　　掉零线防窃电能表运行的主要流程如图5所示。系统主流程包括:上电掉电处理、系统事件、时间事件、刷新事件、按键事件。上电掉电处理主要是上电过程中首先将系统时钟PLL切换为800kHz，然后根据VDCIN来判断系统是否有电，若系统有电，则对底层驱动、应用层数据、计量数据等相关参数进行初始化，掉电计量数据进行恢复;若系统没电，则计量时钟切换为32kHz，进行休眠计量。系统事件包括:系统上下电处理、显示处理、通信处理、能量处理、需量处理、清零处理。时间事件包括:秒处理、分处理和时处理。其中秒处理包括:开CF脉冲处理、断零线处理、正常处理、液晶显示标志处理以及背光处理;分处理包括:校表参数刷新、EEPＲOM存储处理等。

　　2．2窃电计量流程

　　窃电计量操作流程如图6所示。系统在掉零线状态下进行窃电计量时，若检测到掉电检测信号VDCIN为高电平，则系统电源有交流电，程序退出窃电计量模式，恢复到正常计量模式。若系统检测到掉电检测信号VDCIN为低电平，且读取ANState寄存器BIT6的数据为0，则判断系统进入休眠计量模式;若读取AN-State寄存器BIT6的数据为1，则判断系统进入窃电计量模式。系统在正常计量时，PLL切换为3．2MHz，AD通道一直保持为开启状态，根据A、B两路电流有效值的大小来判断是哪一路进行计量，能量进行自动累加计量。系统处在断零线计量时，为降低系统功耗，系统时钟PLL由3．2MHz切换为800kHz，只开启计量对应的AD通道，更新电流有效值填入到常数计量寄存器进行能量的累加计量。休眠计量系统时钟切换为32kHz，系统进入休眠状态，ＲTC唤醒时间间隔设置为1h。这种通过VDCIN和电压互感器耦合出的电压来检测模拟比较器电路中的相应信号，可以有效区分系统运行的三种状态，防止小电流状态下PT耦合的电压供给不足导致系统不断复位的情况发生，解决了系统复位带来的电能表不计量或少计量的问题。

　　3实验结果与分析

　　为了验证基于防复位装置的掉零线防窃电计量方面的测试精度，本文在掉零线状态下，基于不同的电流挡位对电能表进行计量误差测量。台体输入额定电流为5A，启动电流为0．1A，测试环境温度:25℃，湿度:85%，精度等级:1．0。分别对表号1和表号2的电能表在不同电流挡位下进行掉零线计量误差值测量，记录10次误差取平均误差测量值和10次计量误差的跳差。实验统计数据如表1所示。

　　4结束语

　　电能表的计量误差是电能表性能的重要指标之一。通过实验数据表明，本文基于防复位装置的掉零线防窃电计量系统方案，在掉零线状态下，电流在不同挡位的测试误差满足计量测试的要求。该方案解决了在小电流下，电压互感器PT耦合出来的电压处在临界点状态时，导致整个系统因功耗不足而使系统不断复位重启的问题，保证掉零线防窃电电能表的计量系统在各个状态下都能正常计量。

　　参考文献:

　　［1］史玉杰．基于实时测量单相智能电表的设计与实现［D］．太原:太原理工大学，2015．

　　［2］窦健，刘宣，卢继哲，等．基于用电信息采集大数据的防窃电方法研究［J］．电测与仪表，2018，55(21):43－49．

　　［3］刘宇鹏，燕伯峰，董永乐，等．基于零线电流测量和计量功能的单相电能表防窃电应用分析［J］．内蒙古电力技术，2017，35(6):6－10．

　　［4］周英娜．基于电流采样LED驱动芯片TＲIAC调光技术的研究与设计［D］．成都:电子科技大学，2015．

　　［5］刘晓巍．智能防窃电系统方案设计及应用［D］．北京:中国电力科学研究院，2018．

　　［6］陈培余，金恩曼，汪婵婵．基于防复位装置的掉零线防窃电计量装置:中国，211979044U［P］．2020－11－20．

　　［7］陈广．基于V9821单片机的电量监测及控制装置的设计与研究［D］．昆明:昆明理工大学，2017．

　　［8］陈培余，金恩曼，汪婵婵．电能计量芯片V9261F在直流表中的应用［J］．仪表技术，2020(6):42－45．

　　作者：陈培余 汪婵婵 金恩曼 李雨 朱莉莉 单位：浙江安防职业技术学院