掉零線防竊電計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要:針對(duì)目前市場(chǎng)上大多數(shù)防竊電電能表，在竊電過程中系統(tǒng)無法準(zhǔn)確記錄所竊取的電量問題，提出一種基于單相電能計(jì)量芯片的防竊電電能表設(shè)計(jì)方案。該方案包括掉零線防竊電電能表硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和計(jì)量誤差測(cè)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:在掉零線狀態(tài)下，電流在不同擋位的測(cè)試誤差滿足計(jì)量測(cè)試的要求。該方案解決了電壓互感器PT耦合出來的電壓處在臨界點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)因功耗不足而使系統(tǒng)不斷復(fù)位重啟的問題，保證系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)下都能正常計(jì)量。

關(guān)鍵詞:掉零線;防竊電;計(jì)量芯片;電能表

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)正逐步向人工智能電網(wǎng)系統(tǒng)過渡。電能表作為智能電網(wǎng)系統(tǒng)的終端設(shè)備［1］，其需求量隨著智能生活的需求正逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)。但是由于各種原因，目前竊電行為仍然普遍存在［2］，給國(guó)家電力局財(cái)務(wù)收入造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。目前常見的竊電方式有:電流分流式竊電、電流反向式竊電、掉零線竊電、串dimmer竊電等［3－4］。單相電能表廣泛應(yīng)用于家庭用戶［5］，竊電者往往通過移除電能表的零線進(jìn)行竊電，電能表中沒有零線就等于沒有電壓，也就無法進(jìn)行計(jì)費(fèi)。為了防止這種竊電行為發(fā)生，目前市場(chǎng)上通常采用掉零線方案進(jìn)行竊電計(jì)量，其原理為:系統(tǒng)電源電路中利用電壓互感器PT從電流回路中耦合獲取相應(yīng)的系統(tǒng)電壓，讀取主電源芯片計(jì)量模塊相應(yīng)的電流有效值，以便在竊電行為發(fā)生時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的竊電計(jì)量。這種方法雖然能基本上解決竊電時(shí)不能計(jì)量的問題，但是當(dāng)用電設(shè)備所提供的電流處在臨界點(diǎn)時(shí)，比如電流值為1A左右，PT耦合出來的電壓會(huì)隨著防竊電硬件供電系統(tǒng)功耗地增加導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)供電不足，從而引起系統(tǒng)進(jìn)入休眠，系統(tǒng)休眠后功耗反而會(huì)降低，這時(shí)候PT耦合的電壓又會(huì)上升使系統(tǒng)重新從休眠狀態(tài)下喚醒，這種不斷重啟系統(tǒng)的現(xiàn)象會(huì)使電能表不能進(jìn)行正常的掉零線計(jì)量［6］，使得計(jì)量減少或不計(jì)量，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)這種情況，本文提出基于防復(fù)位裝置的掉零線防竊電電能表系統(tǒng)方案，硬件電路模塊中增加模擬比較器電路，這種方法解決了系統(tǒng)在掉零線狀態(tài)下，因系統(tǒng)不斷重啟導(dǎo)致的電量損失。

1硬件電路設(shè)計(jì)

V9911是杭州萬高科技股份有限公司推出的高性能、低功耗單相電能計(jì)量SoC芯片。該芯片的主要特點(diǎn)如下:1)芯片休眠時(shí)，RAM保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)的功耗僅為6．8μA;2)支持靈活的防竊電應(yīng)用;3)支持兩路電流同時(shí)進(jìn)行有功電能計(jì)量;4)支持快速電流檢測(cè)和快速有效值檢測(cè)。因此，該電能表計(jì)量芯片能滿足掉零線防竊電電能表計(jì)量高精度的應(yīng)用需求。

1．1硬件結(jié)構(gòu)圖

基于電能計(jì)量芯片的掉零線防竊表，硬件系統(tǒng)電路方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要模塊包括［7］:A路錳銅采樣電流、B路CT采樣電流、電壓采樣、PT采樣、掉電檢查電路、232通信電路、紅外通信電路、液晶顯示電路、開表蓋檢測(cè)按鍵電路、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、晶振電路等。

1．2防復(fù)位裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示是防竊電電能表竊電狀態(tài)下防復(fù)位裝置的總體示意圖［8］。具體內(nèi)容如下:1、電阻分壓式電壓采樣電路;2、A路錳銅電流采樣電路;3、B路CT電流采樣電路;4、電阻分壓式電壓采樣管腳;5、A路電流通道ADC采樣管腳;6、B路電流通道ADC采樣管腳;7、掉電檢測(cè)VDCIN管腳;8、系統(tǒng)掉電檢測(cè)電路;9、模擬比較器檢測(cè)管腳;10、模擬比較器檢測(cè)電路;11、交流轉(zhuǎn)換為直流電路;12、直流轉(zhuǎn)換為直流電路;13、電壓互感器PT電路;14、主控電能表計(jì)量芯片?；诜缽?fù)位裝置的掉零線防竊電電能表在竊電狀態(tài)時(shí)的實(shí)現(xiàn)原理如下:當(dāng)電能表移除零線處在掉零線狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)不到電源前端的交流電，交流轉(zhuǎn)換為直流的電路就無法正常工作，但用電設(shè)備產(chǎn)生的電流經(jīng)電壓互感器耦合產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換為主控芯片供電的電壓能正常工作。因此，當(dāng)發(fā)生掉零線時(shí)，電壓采樣電路采集不到電壓信號(hào)，電能計(jì)量芯片對(duì)應(yīng)的UP采樣管腳也無法檢測(cè)到電壓信號(hào)。由于竊電只是移除了零線，用電設(shè)備的電流采樣線還是接入在電能表中，A路錳銅和B路CT電流通道IAP、IBP采樣管腳都能正常采集到電流信號(hào)。竊電發(fā)生時(shí)，電能表計(jì)量芯片的掉電檢測(cè)管腳VDCIN和模擬比較器管腳CMPBP或CMPBN都能正常檢測(cè)到信號(hào)。當(dāng)VDCIN掉電檢測(cè)的輸出信號(hào)為低電平，且模擬比較器電路的輸出信號(hào)為高電平時(shí)，程序判斷到電能表發(fā)生竊電，系統(tǒng)進(jìn)入竊電計(jì)量，而不會(huì)進(jìn)入休眠計(jì)量，避免系統(tǒng)從休眠狀態(tài)下喚醒重啟系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)在喚醒時(shí)間段內(nèi)無法計(jì)量。

1．3模擬比較器檢測(cè)電路

圖3所示為電能計(jì)量芯片內(nèi)部的模擬比較器檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過模擬比較器寄存器CtrlADC6的BIT5位或BIT4位來開啟模擬比較器CB或CA開關(guān);模擬比較器寄存器CtrlCry2中的bit［3:2］用來選擇模擬比較器CB的輸入信號(hào)源，當(dāng)bit［3:2］為0時(shí)，管腳M2輸入電壓正信號(hào)和低功耗電壓基準(zhǔn)源REF_LP負(fù)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)bit［3:2］為1時(shí)，管腳M1輸入電壓正信號(hào)和低功耗電壓基準(zhǔn)源REF_LP負(fù)信號(hào)進(jìn)行比較;然后通過讀取模擬比較器AN-State寄存器的BIT6位值來確定模擬比較器CB的輸出狀態(tài)。圖4所示為模擬比較器原理圖，ZPW信號(hào)是電壓互感器PT通過電流信號(hào)耦合出來的電壓信號(hào)，選擇打開模擬比較器CB的工作開關(guān)。其中CMPBP或CMPBN代表模擬比較器CB的輸入信號(hào)源，通過Ctrl-Cry2寄存器選擇模擬比較器CB的輸入信號(hào)源，設(shè)定CtrlCry2寄存器的bit［3:2］為1，管腳CMPBP輸入電壓正信號(hào)和電能表計(jì)量芯片第9管腳REF負(fù)信號(hào)進(jìn)行比較。

2軟件設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)主流程

掉零線防竊電能表運(yùn)行的主要流程如圖5所示。系統(tǒng)主流程包括:上電掉電處理、系統(tǒng)事件、時(shí)間事件、刷新事件、按鍵事件。上電掉電處理主要是上電過程中首先將系統(tǒng)時(shí)鐘PLL切換為800kHz，然后根據(jù)VDCIN來判斷系統(tǒng)是否有電，若系統(tǒng)有電，則對(duì)底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用層數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，掉電計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù);若系統(tǒng)沒電，則計(jì)量時(shí)鐘切換為32kHz，進(jìn)行休眠計(jì)量。系統(tǒng)事件包括:系統(tǒng)上下電處理、顯示處理、通信處理、能量處理、需量處理、清零處理。時(shí)間事件包括:秒處理、分處理和時(shí)處理。其中秒處理包括:開CF脈沖處理、斷零線處理、正常處理、液晶顯示標(biāo)志處理以及背光處理;分處理包括:校表參數(shù)刷新、EEPROM存儲(chǔ)處理等。

2．2竊電計(jì)量流程

竊電計(jì)量操作流程如圖6所示。系統(tǒng)在掉零線狀態(tài)下進(jìn)行竊電計(jì)量時(shí)，若檢測(cè)到掉電檢測(cè)信號(hào)VDCIN為高電平，則系統(tǒng)電源有交流電，程序退出竊電計(jì)量模式，恢復(fù)到正常計(jì)量模式。若系統(tǒng)檢測(cè)到掉電檢測(cè)信號(hào)VDCIN為低電平，且讀取ANState寄存器BIT6的數(shù)據(jù)為0，則判斷系統(tǒng)進(jìn)入休眠計(jì)量模式;若讀取AN-State寄存器BIT6的數(shù)據(jù)為1，則判斷系統(tǒng)進(jìn)入竊電計(jì)量模式。系統(tǒng)在正常計(jì)量時(shí)，PLL切換為3．2MHz，AD通道一直保持為開啟狀態(tài)，根據(jù)A、B兩路電流有效值的大小來判斷是哪一路進(jìn)行計(jì)量，能量進(jìn)行自動(dòng)累加計(jì)量。系統(tǒng)處在斷零線計(jì)量時(shí)，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)時(shí)鐘PLL由3．2MHz切換為800kHz，只開啟計(jì)量對(duì)應(yīng)的AD通道，更新電流有效值填入到常數(shù)計(jì)量寄存器進(jìn)行能量的累加計(jì)量。休眠計(jì)量系統(tǒng)時(shí)鐘切換為32kHz，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，RTC喚醒時(shí)間間隔設(shè)置為1h。這種通過VDCIN和電壓互感器耦合出的電壓來檢測(cè)模擬比較器電路中的相應(yīng)信號(hào)，可以有效區(qū)分系統(tǒng)運(yùn)行的三種狀態(tài)，防止小電流狀態(tài)下PT耦合的電壓供給不足導(dǎo)致系統(tǒng)不斷復(fù)位的情況發(fā)生，解決了系統(tǒng)復(fù)位帶來的電能表不計(jì)量或少計(jì)量的問題。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于防復(fù)位裝置的掉零線防竊電計(jì)量方面的測(cè)試精度，本文在掉零線狀態(tài)下，基于不同的電流擋位對(duì)電能表進(jìn)行計(jì)量誤差測(cè)量。臺(tái)體輸入額定電流為5A，啟動(dòng)電流為0．1A，測(cè)試環(huán)境溫度:25℃，濕度:85%，精度等級(jí):1．0。分別對(duì)表號(hào)1和表號(hào)2的電能表在不同電流擋位下進(jìn)行掉零線計(jì)量誤差值測(cè)量，記錄10次誤差取平均誤差測(cè)量值和10次計(jì)量誤差的跳差。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

4結(jié)束語

電能表的計(jì)量誤差是電能表性能的重要指標(biāo)之一。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文基于防復(fù)位裝置的掉零線防竊電計(jì)量系統(tǒng)方案，在掉零線狀態(tài)下，電流在不同擋位的測(cè)試誤差滿足計(jì)量測(cè)試的要求。該方案解決了在小電流下，電壓互感器PT耦合出來的電壓處在臨界點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)因功耗不足而使系統(tǒng)不斷復(fù)位重啟的問題，保證掉零線防竊電電能表的計(jì)量系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)下都能正常計(jì)量。

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作者：陳培余 汪嬋嬋 金恩曼 李雨 朱莉莉 單位：浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院