單相電子式防竊電電能表的設計與應用

譚先鋒

摘 要：目前，許多用戶受利益的驅使，使用非法手段破壞電表，以期達到其不計費或者少計費的目的，給電力市場造成了極大的損失，造成市場失衡。該文闡述了目前電能表的防竊電方式，分析了單相電子式防竊電電表的設計，讓人們對這種防竊電裝置有所了解。

關鍵詞：電能表;單片機硬件電路;精度參數調試

中圖分類號：TM933.4? ? 文獻標志碼：A

1 電能表的防竊電方式

1.1 防電流反向竊電

最常見典型的竊電行為是竊電者把電能表火線端口的進線和出線進行交換，用這種方式可以很快地達到竊電的目的。然而V9821S不需要添加任何外圍輔助器，僅憑系統本身就可以達到監控的效果。系統通過監測功率的方向，能夠迅速判斷出電流是否有反向流動的行為，并進行事件記錄。當然，V9821S也可以設置為正向反向都累加的模式，這樣無論功率是正是反都能夠將能量進行累加。

1.2 防電流分流竊電

最常見的是竊電者在將火線零線對換后，直接將零線接到大地上，或者將火線進行短接。但是這種竊電行為運用V9821S很容易就可以檢測出來，只需要增加一個電流互感器就可以有效防止。這是因為V9821S具有雙回路同時計量的功能，系統總是可以依據電流較大的一路進行計量。

1.3 防移除電壓竊電

這種方式通常都是由竊電者將電表的火電或者零線進行移除，從而使電表沒有供電，所以電表無法工作，以此來達到竊電的目的。對于這樣的竊電行為，只需要增加一個低成本的功率CT，就可以進行有效防范。這是因為V9821S具有低功耗的計量模式，只需提供相當于1mA、3.3V的功率，CT就能夠持續維持電表工作，不受移除電流的限制。

1.4 串可控硅竊電

最常見的竊電方法是在電表零線進線端處串一個吊扇調速開關，可能會影響到采樣電壓的波形以達到竊電者少計電量的目的。對于這樣的竊電行為，V9821S依然可以做出準確的判斷。由于V9821S可以提供電壓每個采樣點的實時數據，精確到每分每秒，這樣就能夠方便快速地還原電壓波形，從而對電壓進行準確分析。V9821S利用軟件對波形進行還原分析，就可以判斷出是否產生了竊電行為，之后再采取額定電壓和實際測試的電流進行計量，從而保證電表的穩定和安全。

2 單相電子式防竊電電能表設計方案

2.1 工作原理圖

通過對圖1的分析研究可知，該工作原理圖的主要框架是由V9821S計量芯片、LED顯示、一路電壓采樣與兩路電流采樣電路、存儲器24CO1以及單片機控制器組合而成的。

2.2 硬件電路設計

硬件電路設計包括電量精度設計、5 V電源供給、單片機電量計量、采樣電路等，在該文中將進行詳細介紹。

2.2.1 采樣輸入電路設計

作為電量計量信號的輸入部分，采樣電路大致是由兩路電流采樣與一路電壓采樣組合而成，屬于模擬輸入。其中電壓采樣電路選用的是電阻分壓采樣。V1N與V1P輸入端都屬于全差分電壓輸入，此類電流采樣電路使用的是電阻阻值為400 Ω的錳銅分流器，與V1N腳相比，最大的電平信號設置了一個增益可編的放大器，此類放大器可結合相關設置，采用不同的增益量，由此計算出最大差分的信號。另一路竊電采樣電路是V2N與V2P，此類電路使用的是穿心互感器，與V2N腳對應的最大電平信號是500 mvl。一旦V9821S回路判斷至竊電電流電壓遠遠超出正常電流電壓的12.5 %，就說明探測到了有竊電行為，這時儀器會發出警報，從而防止竊電并且對竊電電量做出計量。

2.2.2 電源供給設計

電源供給大部分使用密封雙路變壓進行供電，同時采取濾波、整流、78LOS穩壓的方式，其中有一路是數字電路、數碼管與供單片機控制電路，另一路是模擬電路與供電量計量電路。這兩路供電電源互不影響，充分防止了不同信號相互干擾的可能性，并且有效提高了計量芯片的穩定性。

2.2.3 V9821S計量精度硬件設計

V9821S計量精度硬件設計主要是對從內部乘法器處理采樣獲取到的電壓信號與電流信號進行處理，各電路完成采樣后，再向內部乘法器傳送信息，予以處理與研究，緊接著輸出與電量呈正比的脈沖信號，然后由廣電耦合器送至單片機，讓單片機結合獲取的脈沖信號予以處理，最后會顯示出用戶當前的電量。

3 精度參數調試方法

精度參數調試重點采取兩點觀察法與粗調兩點調整法，其中粗調兩點即阻性100 % Ib調整，感性100 % Ib相位調整，兩點觀察是指對輕載的10 % Ib與5 % Ib這2點進行觀察，應把此類數值的誤差控制在0.4以內。

3.1 正?；芈肪日{試

通常而言，精度調試有要求，誤差應在0.4內，但如果用戶有特殊的要求，那么應按照用戶的具體要求執行。若達到100 % Ib，調整0.1～10，使得誤差符合要求。然后觀察100 % Ib點誤差，若誤差大于100 % Ib誤差為0.3，在C8的位置進行-4.7nF相位調整電容焊接，此時要確保前文提及的兩點誤差相差的絕對值低于0.3，緊接著不斷觀察輕載5 % Ib和10% Ib誤差是否符合要求，若不符合要求，應重新調整0.1～10，最終確保達到要求。

3.2 竊電回路誤差調試

竊電回路的調試方式與正?；芈返恼{試方式一般是一致的，唯一的區別就在于精度調試需控制在±0.5的范圍中，相位調整電容，調整點是0.2～0.5。

4 單片機電量處理系統設計

當V9821S輸出脈沖信號時，單片機接收到信號后作為數據進行運算并顯示，之后進行實時的電量處理，這種工作原理即數據采集。脈沖常數的設置有3種不同數值，分別為1600、3200和6400。同時，單片機的處理系統在設計時應注意常見的幾點問題，象非法開殼報警指示燈、電表在調試后，一定要把出廠電表的底數改為0，將看門狗設置在電表外部，對單片機的運轉狀況等進行控制與監督，保證整個系統運用的科學合理性。

4.1 單片機硬件電路設計

在進行單片機硬件電路設計時，硬件的選擇是關鍵，單片機應選擇V9821S，存儲器選擇24 CO1，硬件看門狗中采用計數器4060形成1.4 s的脈沖，選擇完基礎硬件后，要結合I/O端口的概念與系統相關的規范要求，做好硬件電路設計工作。當選用4060計數器時，會形成周期是1.4 s左右的脈沖，此時必須要對單片機程序的運行情況進行控制與監督，結果為正常和異常2種形式，如果單片機程序運行順暢，那么就會發出喂狗脈沖信號，看門狗會因此喪失效果;如果單片機程序出現異常問題，那么發出無喂狗信號脈沖，這時看門狗才會發揮效用，促使單片機強制復位，這時單片機程序將恢復正常。

4.2 單片機軟件設計

單片機軟件設計大致包括讀出流程圖、主程序流程圖、顯示流程圖、數據寫入流程圖以及中斷流程圖等，其中，在進行應用軟件編制之前，應先行繪制出程序流程圖，因為程序流程圖的編制十分關鍵，它直接關系到了軟件的成敗，是整個系統的決定因素。

參考文獻

[1]江嵐.電子式電能表的可靠性及改善措施研究[D].北京：華北電力大學，2014.