新型单相防窃电电子式电能表

随着进入家庭的各类电器越来越多，民用电量剧增，受经济利益的驱使，窃电现象也日益严重[1-2]。而传统的电表不具备监测和预防窃电的能力，因此市场广泛需要防篡改的电能表。
　电能表计量电量，取决于电压、电流、功率因数三要素与时间的乘积，因此，只要改变三要素中的任何1个就能达到窃电的目的。常见的窃电手法主要有欠(失)压法窃电、欠(失)流法窃电、移相法窃电、扩大误差法窃电、绕越计量装置法窃电及高科技窃电等[3]。
1 单相防窃电电子式电能表的工作原理
1.1系统设计
    MSP430系列单片机是美国德州仪器公司的一款超低功耗，16位RISC结构的单片机，具有丰富的外围模块和灵活的时钟源，其中数字控制振荡器DC0可使器件从低功耗模式迅速唤醒，16位计数器和常数发生器使MSP430系列微控制器能达到最高的代码效率。这些特性特别适合电池供电，可大大延长电池寿命。MSP430F42x系列单片机配置有3个独立的24位Σ-Δ模数转换器，是适用于测量和计算二线或三线制的单相电能表的微控制器[4]，其构成的单相防窃电电子式电能表的功能框图如图1所示。

1.1.1 电源管理
　 图1中，除电池外，电源表的电源供给由两部分组成：一是由火线和零线的主电压提供电源，另一部分是供电CT从电流上取得提供电源,当进行移除主电压窃电时，电能表仍进行正常计量。电源管理的电路图如图2所示。

1.1.2 LCD显示
    MSP430F42x内部具有LCD驱动器，最多可驱动显示128段码，能很好地完成LCD显示功能，无需再扩展LCD驱动器,只要直接将液晶的各个脚与MSP430F42x对应的LCD驱动输出脚相连即可。
1.1.3 通信接口
　 MSP430F42x具有1个硬件通用异步/同步接收发送外围模块（USART0），用于串行数据通信。MSP430F42x单相防窃电电子式电能表可选择光学通信接口、RS-232/RS485接口或者两者兼有。
1.1.4 脉冲输出
    脉冲输出用来校表及计量，脉冲输出的电路由普通I/O加光耦隔离实现。
1.1.5 带温度补偿的实时时钟RTC
    实时时钟RTC可由单片机内部的定时器实现。内部的温度传感器可方便地实现温度的测量，实现对实时时钟RTC的温度补偿。
1.2 总体工作原理
　 MSP430F42x单相防窃电电子式电能表的工作过程程中有2个关键值：外部电压（电网电压、供电CT产生或者两者共同起作用的电压）和电压有效值。当外部电压不存在时，电表在睡眠状态，仅保持RTC 运行和LCD显示。在外部电压存在的情况下，若电压有效值大于电网电压的最小极限值（80 V），则认为电网电压存在，电能表在正常计量状态,通过电流回路和电压回路的实际测量值计量；若电压有效值小于电网电压的最小极限值（80 V），则认为电网电压不存在，此时进入移除主电压防窃电测量状态。电压以这个地区的额定电压为准，电流以电流回路的实际测量值为准进行计量。
1.3 工作流程
　 电表进入工作状态后，在主程序中，程序循环查询标志，主要进行各种判断，判断操作模式是否异常模式、是否等于掉电模式、是否有新的能量产生标志、是否等于掉零线模式等，当有相应的标志位置出现时，则进行相应的处理或进入中断程序。在中断程序中，完成主要的计量工作。
2 多功能防窃电计量
　 多功能计量体现在电能表能够实现有功、无功、视在功率、功率因数、电流有效值、电压有效值、频率、相位等的测量。MSP430F42x单相防窃电电子式电能表很容易实现单相电能表以下防窃电的测量。
2.1 电流不平衡时的防窃电测量
　 电流不平衡的典型情况为零线接地或火线短接。为了检测电流的不平衡，除了检测火线的电流外，还要检测零线的电流，因此需要2个电流传感器；由于隔离的原因，可以在1路的电流通道上选用低成本的锰铜电阻，而另1路就必须使用成本相对较高的电流互感器。图1即为以火线上使用电流互感器,与I1+、I1-相连接，零线上使用锰铜电阻,与I2+、I2-相连接。内置3个独立24位的Σ-Δ ADC的MSP430F42x进行2个通道（火线、零线）和1个电压通道的采样，并在单片机内部处理、比较2个电流通道上的电流，实现电流不平衡时的检测。2个电流通道的传感器分别选用了锰铜电阻和电流互感器，电压通道采用电阻分压实现。
2.2 电流反向时的防窃电测量
　 电流反向的典型情况为火线的进出端口连接对换。通过在单片机内部判断测量的功率正负来检测电流是否反向，不需要任何的辅助元件就能实现电流的反向检测。同时可以预置电流反向时的处理方式，如电流反向时取功率或电能的绝对值为测量值等，实现电流反向的防窃电测量。
2.3 移除主电压时的防窃电测量
　 典型的移除主电压为拆除电表的零线或火线连接，使得无电压信号进入电表。
　 对这种窃电行为，可用1个低成本的电流互感器CT（图1中的供电CT）从剩下的连接电表导线中流经的电流上获取很小的电能，经过电源管理模块处理，给电能表供电，使电能表实现防窃电测量。由于电能表成本、表壳的尺寸以及电子元器件能够承受的最大电流的影响，选择从电流上取电的CT是受限制的，因此，能从电流上获取给电能表供电的电能也是受限制的，特别是当负载电流很小时，从电流上取得的电能将不能胜任电能表的供电电源。供电部门通常希望当负载电流大于1 A时就能实现电能表的防窃电测量,而且希望这个值越小越好。基于以上要求，需要选择一个在移除主电压防窃电测量时功耗很小的方案以保证能顺利完成防窃电的测量。因此本设计采用MSP430F42x系列单片机，利用其超低功耗特性和丰富的模拟前端,较为容易地实现了移除主电压时的防窃电测量。模拟前端的具体电路如图3所示。

    本文介绍的单相防窃电电子式电能表实际是在正常的单相多功能、多费率电能表上加防窃电功能，所以MSP430F42x单相防窃电电子式电能表可以是单相多功能表的形式，也可以是单相多费率的形式以及其他电能表形式。该表投入市场以来，产生了巨大的经济效益和社会效益，也为电力管理部门打击窃电行为提供了更强有力的武器。