電能表計(jì)量電量，取決于電壓、電流、功率因數(shù)三要素與時間的乘積，因此，只要改變?nèi)刂械娜魏?個就能達(dá)到竊電的目的。常見的竊電手法主要有欠(失)壓法竊電、欠(失)流法竊電、移相法竊電、擴(kuò)大誤差法竊電、繞越計(jì)量裝置法竊電及高科技竊電等[3]。
1 單相防竊電電子式電能表的工作原理
1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司的一款超低功耗，16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有豐富的外圍模塊和靈活的時鐘源，其中數(shù)字控制振蕩器DC0可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16位計(jì)數(shù)器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系列微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。這些特性特別適合電池供電，可大大延長電池壽命。MSP430F42x系列單片機(jī)配置有3個獨(dú)立的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測量和計(jì)算二線或三線制的單相電能表的微控制器[4]，其構(gòu)成的單相防竊電電子式電能表的功能框圖如圖1所示。
1.1.1 電源管理
圖1中，除電池外，電源表的電源供給由兩部分組成：一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上取得提供電源,當(dāng)進(jìn)行移除主電壓竊電時，電能表仍進(jìn)行正常計(jì)量。電源管理的電路圖如圖2所示。
1.1.2 LCD顯示
MSP430F42x內(nèi)部具有LCD驅(qū)動器，最多可驅(qū)動顯示128段碼，能很好地完成LCD顯示功能，無需再擴(kuò)展LCD驅(qū)動器,只要直接將液晶的各個腳與MSP430F42x對應(yīng)的LCD驅(qū)動輸出腳相連即可。
1.1.3 通信接口
MSP430F42x具有1個硬件通用異步/同步接收發(fā)送外圍模塊（USART0），用于串行數(shù)據(jù)通信。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可選擇光學(xué)通信接口、RS-232/RS485接口或者兩者兼有。
1.1.4 脈沖輸出
脈沖輸出用來校表及計(jì)量，脈沖輸出的電路由普通I/O加光耦隔離實(shí)現(xiàn)。
1.1.5 帶溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時時鐘RTC
實(shí)時時鐘RTC可由單片機(jī)內(nèi)部的定時器實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部的溫度傳感器可方便地實(shí)現(xiàn)溫度的測量，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時時鐘RTC的溫度補(bǔ)償。
1.2 總體工作原理
MSP430F42x單相防竊電電子式電能表的工作過程程中有2個關(guān)鍵值：外部電壓（電網(wǎng)電壓、供電CT產(chǎn)生或者兩者共同起作用的電壓）和電壓有效值。當(dāng)外部電壓不存在時，電表在睡眠狀態(tài)，僅保持RTC 運(yùn)行和LCD顯示。在外部電壓存在的情況下，若電壓有效值大于電網(wǎng)電壓的最小極限值（80 V），則認(rèn)為電網(wǎng)電壓存在，電能表在正常計(jì)量狀態(tài),通過電流回路和電壓回路的實(shí)際測量值計(jì)量；若電壓有效值小于電網(wǎng)電壓的最小極限值（80 V），則認(rèn)為電網(wǎng)電壓不存在，此時進(jìn)入移除主電壓防竊電測量狀態(tài)。電壓以這個地區(qū)的額定電壓為準(zhǔn)，電流以電流回路的實(shí)際測量值為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量。
1.3 工作流程
電表進(jìn)入工作狀態(tài)后，在主程序中，程序循環(huán)查詢標(biāo)志，主要進(jìn)行各種判斷，判斷操作模式是否異常模式、是否等于掉電模式、是否有新的能量產(chǎn)生標(biāo)志、是否等于掉零線模式等，當(dāng)有相應(yīng)的標(biāo)志位置出現(xiàn)時，則進(jìn)行相應(yīng)的處理或進(jìn)入中斷程序。在中斷程序中，完成主要的計(jì)量工作。
2 多功能防竊電計(jì)量
多功能計(jì)量體現(xiàn)在電能表能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功、視在功率、功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、頻率、相位等的測量。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表很容易實(shí)現(xiàn)單相電能表以下防竊電的測量。
2.1 電流不平衡時的防竊電測量
電流不平衡的典型情況為零線接地或火線短接。為了檢測電流的不平衡，除了檢測火線的電流外，還要檢測零線的電流，因此需要2個電流傳感器；由于隔離的原因，可以在1路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，而另1路就必須使用成本相對較高的電流互感器。圖1即為以火線上使用電流互感器,與I1+、I1-相連接，零線上使用錳銅電阻,與I2+、I2-相連接。內(nèi)置3個獨(dú)立24位的Σ-Δ ADC的MSP430F42x進(jìn)行2個通道（火線、零線）和1個電壓通道的采樣，并在單片機(jī)內(nèi)部處理、比較2個電流通道上的電流，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時的檢測。2個電流通道的傳感器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)。
2.2 電流反向時的防竊電測量
電流反向的典型情況為火線的進(jìn)出端口連接對換。通過在單片機(jī)內(nèi)部判斷測量的功率正負(fù)來檢測電流是否反向，不需要任何的輔助元件就能實(shí)現(xiàn)電流的反向檢測。同時可以預(yù)置電流反向時的處理方式，如電流反向時取功率或電能的絕對值為測量值等，實(shí)現(xiàn)電流反向的防竊電測量。
2.3 移除主電壓時的防竊電測量
典型的移除主電壓為拆除電表的零線或火線連接，使得無電壓信號進(jìn)入電表。
對這種竊電行為，可用1個低成本的電流互感器CT（圖1中的供電CT）從剩下的連接電表導(dǎo)線中流經(jīng)的電流上獲取很小的電能，經(jīng)過電源管理模塊處理，給電能表供電，使電能表實(shí)現(xiàn)防竊電測量。由于電能表成本、表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流的影響，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此，能從電流上獲取給電能表供電的電能也是受限制的，特別是當(dāng)負(fù)載電流很小時，從電流上取得的電能將不能勝任電能表的供電電源。供電部門通常希望當(dāng)負(fù)載電流大于1 A時就能實(shí)現(xiàn)電能表的防竊電測量,而且希望這個值越小越好?；谝陨弦螅枰x擇一個在移除主電壓防竊電測量時功耗很小的方案以保證能順利完成防竊電的測量。因此本設(shè)計(jì)采用MSP430F42x系列單片機(jī)，利用其超低功耗特性和豐富的模擬前端,較為容易地實(shí)現(xiàn)了移除主電壓時的防竊電測量。模擬前端的具體電路如圖3所示。
本文介紹的單相防竊電電子式電能表實(shí)際是在正常的單相多功能、多費(fèi)率電能表上加防竊電功能，所以MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可以是單相多功能表的形式，也可以是單相多費(fèi)率的形式以及其他電能表形式。該表投入市場以來，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，也為電力管理部門打擊竊電行為提供了更強(qiáng)有力的武器。
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