武山电工培训学校,解决分压式窃电和移除电压窃电难题的新型防窃电电表设计

随着家庭各类电器的增多，民用电量剧增，受经济利益的驱使，窃电现象也日益严重，各种新的窃电方式不断出现。据保守估算，全国每年因电能被盗损失达200多亿元，国外也同样存在窃电现象。这不单困扰供电企业的发展，也严重影响了国家的经济建设和社会的稳定。因此市场广泛需要防篡改的电能表。
目前市面上的防窃电表，或防窃电功能单一，无法有效防止窃电事件的发生;或成本太高，无法大面积的普及。本文介绍了一款基于V9011设计的单相单芯片防窃电电表方案，能有效地防止目前市场上出现的大部分窃电行为，同时具有设计成本低的特点，非常适合大规模的市场应用。
2V9011SoC简介
V9011是一款功耗低、计量性能高、计量模式灵活、EMC性能优良的单相SoC芯片。它集成了模拟前端、电能计量、内部测温电路、增强型8052MCU、RTC、32kBFlash、1kBXRAM和LCD驱动等功能模块。V9011具有4路独立的ADC，能同时独立计量两路有功或一路有/无功电能，并提供有/无功功率、视在功率、有效值和线电压频率等瞬时测量值。其中一路ADC可以留给用户作为其他用途，用户可以根据实际需要接不同的信号传感器，在本应用中，该ADC与芯片内部的测温电路相连，用于测量环境温度，实现对RTC的温度补偿。

图1V9011单相防窃电表系统框图
3系统设计
基于V9011设计的单相单芯片防窃电表的系统框图如图1所示。
3.1信号采样
V9011具有四路独立的ADC，其中三路ADC用于计量，可实现对一路电压和两路电流同时采样。在本方案中，电压信号的采样采用电阻分压的模式，火线电流信号采用猛铜分流器采样，零线电流信号考虑到电气隔离的原因，用电流互感器实现。
3.2电源管理
如图2所示，除了变压器和电池供电以外，另外还有一路电源是通过专用的供电CT从电流线上获得。V9011自带的电源管理系统可以实现各电源之间的灵活切换，这样，当用户移除主电压窃电时，系统仍能正常计量。

图2电源管理系统
3.3LCD显示
V9011芯片内部带有LCD驱动电路，较多可以驱动104段LCD屏显。驱动电压和偏置电流可以通过内部寄存器进行调整，可以适用于各种类型不同的显示屏，用户无需再扩展任何与LCD驱动相关电路，只需将LCD管脚和芯片的驱动IO口连接即可使用，停显功耗不超过20μA。
3.4通讯接口
V9011具有4路独立的UART口，可以驱动485、远近红外等通信电路。
3.5带温度补偿的RTC电路
V9011所自带的具有温度补偿的硬件RTC，能够保证在-40度到70度全温度范围内，时钟精度达到1S/D。温度补偿流程如图3所示，补偿原理如下：首先通过内部温度传感器测试当前温度，然后根据当前温度值，通过查表的方式得到温度补偿值，将该值写入RTC的补偿寄存器后，时钟电路会每秒对时钟进行自动补偿。

图3RTC温度补偿流程图
4系统工作原理及软件设计

图4软件流程图
4.1系统工作原理
V9011单线多层防窃电电子式电能表的工作电压有两个来源：如果电网电压高于设定的阈值(80V)，则认为电网电压存在，此时，工作电压为电网电压。当电网电压小于较小阈值80V时，认为电网电压不存在，电压被移除了，工作电压由功率CT提供，进入有效值计量模式。系统转为低功耗模式下运行，默认电网电压为额定电压不变，电流以实际测试的电流为准进行计量，此时的功耗只有大约1.6mA。
另外，当外部电网电压存在时，系统还会不断的采集电压波形，进行分析。当连续十次监测到电压相邻的两个采样点的差值超过预先设定的比例阈值的时候，认为电压收到了人为的干扰，进入分压式窃电状态。此时将进入有效值计量模式，电压以该地区的额定电压为准，电流以实际测试电压为准计量。
不管是有效值计量模式还是正常有功计量模式，只要发现其中一路电流大于另外一路电流超过了系统预先设置的比例阈值，则无条件切换到以电流较大的一路为准计量。
4.2工作流程
如图4所示：系统上电先低功耗运行，然后不断监测电网电压，如果发现电压被移除了，则保持低功耗运行，否则转为正常功耗有功计量模式，进入主循环。
在主循环中，系统将主要完成下述几项工作：
1.每隔一秒读取CF脉冲个数，累加电量，保存电量数据，完成计量;
2.不断地检测电压有效值、分析电压波形，监测电流反相、电流不平衡、外磁场、电压是否被移除和分压式窃电等窃电事件;并判断是否发生掉电，是否需要进入睡眠模式。
3.程序还会每隔一段时间检查计量参数是否正确，若发生任何的异常都会从EEPROM中恢复正确的计量参数，防止出错。
5多层防窃电计量
V9011SoC单相单相电子式防窃电电能表主要完成以下几种防窃电功能。
5.1防电流反向窃电
典型的反向窃电方式是窃电者试图通过交换电能表火线端口的进线和出线的方式来达到窃电目的。对这种窃电行为，在不需要添加任何外围辅助器件的条件下，系统只需要通过监测功率的方向，就能判别出电流是否反向，进行事件记录。当然也可以将V9011设置为正向反向都累加的模式，这样，不管功率是正是反都能对能量进行累加。
5.2防电流不平衡窃电
典型的不平衡窃电方式是窃电者试图将火线零线先对换，然后将零线直接接到大地，或者将火线短接。对于这种窃电行为，电表设计者只需要花很小的成本，增加一个电流互感器，就能检测出来。因为，V9011具有完全独立双回路同时计量功能，系统总是可以选择电流较大的一路为依据进行计量。
理论上来说，正常情况下，火线电流和零线电流大小基本是一致的，而V9011能同时检测两路电流有效值，并且在1000:1动态范围内，其测量精度达到0.5%，因此，只需要预先设定一个不平衡判定的比例因子，通过对比火线电流和零线电流的大小，就能做出不平衡判定。
5.3防移除电压窃电
典型的移除电压窃电方式是窃电者试图移除电表的火电或者零线，使得电表没有供电电压而无法工作。

(整理：电工培训学校)