电表及系统防窃电介绍.doc

北京华煜宏博科技有限公司公司简介北京华煜宏博科技有限公司，注册资金500万人民币，是北京市高新技术企业.是一家集技术研发、生产、销售和服务推广的技术型电子产品公司，服务于电力、水利、热能、石油、农业、冶金、塑料、橡胶、机械等部门和行业。 北京华煜宏博科技有限公司开发的电子产品主要涉及IC卡电表、手持设备、智能卡（接触式和非接触式)预付费计量控制系统设备、感应加热节能降耗控制装置、智能监控、自动化系统工程等。预付费控制装置、智能监控、自动化系统主要应用电力、水利、热能、石油资源管理等部门和行业。感应加热节能电气产品主要应用冶金、塑料、橡胶、机械等行业的焊接、淬火、熔炼、透热、保温等领域。从硬件到软件测试都通过了规范化的内部严格审核和客户的第三方认可,并取得相关国家相关认证。公司对研制、生产过程全面监控，确保每一个环节的高质量、高效率.北京华煜宏博科技有限公司拥有一批电力电子产品、仪器和软硬件开发领域有着丰富经验的工程师和高级技术人员，聘请知名院校专家、教授为公司的技术研发顾问,公司现有员工68人，全部为本科以上学历，其中硕士研究生16人，知名院校教授为技术研发顾问,立足于电力、水利智能控制管理、和节能电气市场,成功开发了多种高科技产品，在产品开发和“产品化”的过程中有着卓越的成就。高素质的企业团队，完善系统的管理机制，全面精湛的开发能力，精益求精的售后服务，是华煜宏博公司取得今日成就的关键所在，公司将以超前市场经济发展的眼光管理企业,以专业而敏锐的目光捕捉未来发展所需的痕迹，从此成就了公司不断创新的原动力!公司经营模式及产品：公司已形成了一套完整的服务于行业化的产品线。其中拥有全部独立知识产权。公司理念：质量第一 诚信经营公司宗旨:诚实稳健 求实创新公司精神：实事求是、高效进取、科技创新公司战略发展理念:质量定乾坤，品牌铸就未来公司文化：以人为本北京华煜宏博科技有限公司 地址:北京市朝阳区住邦2000大厦2座22层 联系人：王卫风 手机:[phone] 13810378392邮箱: momo1981163。com电话:[phone] 邮编:100025 传真:[phone] 网址：www.huayuhongbo。com基于HY238FE42x的防窃电电能表及其应用分析当前，电子式电能表的防窃电技术在电能表行业中的地位越来越重要，不同国家、地区的电能表市场都在不同程度上要求电能表的防窃电计量。人们所意识到的窃电现象和防窃电技术的类型在不断增多,而且每年都会针对新的窃电行为,研究出相应的防窃电技术。在传统的电子式电能表设计中，由于以下几点原因,导致它们不能较完善的检测或处理窃电行为：仅使用进线端的电压和火线的进出端所流经的电流作为电能计量的依据;绝大多数没有使用很可靠的铅封；一些窃电方式很容易操作，但是很难检测. HY238FE42x系列单片机是华煜公司新推出的防窃电电能表专用芯片，它是HY238系列产品的成员，是一款超低功耗的16位单片机。HY238FE42x芯片内部包含了防窃电电能表计量模块ESP430CE1，所以无需再扩展计量芯片,仅用单个HY238FE42x芯片就可以实现防窃电电能表。下面本文将以HY238FE42x防窃电多功能电能表为例，分析当前的窃电行为以及相应的防窃电技术.窃电行为的类型 人们已经发现了很多防窃电行为,一些窃电行为是非常容易实施的,然而要检测这些窃电行为却是非常困难的;一些窃电行为不易实施，而且不太可能发生，但是供电部门还是希望有针对这些窃电行为的对策。 窃电行为的种类很多，这里我们把它们概括为以下几种类型：由于表壳或电表箱的原因导致窃电者有机可乘而发生的窃电行为；磁场干扰的窃电行为；增加额外的导线、旁路部分电流的窃电行为；移动或移除电能表接线的窃电行为；增加额外的器件，如二极管、电容、电阻及其组合,改变电压回路的波形、相位，降低电压回路电压的窃电行为。电能表防窃电技术 与三相电能表比较,单相电能表的市场更加注重于电能表的防窃电技术.图1所示没有设计防窃电测量的简单单相电能表，它仅能测量火线的电流信号和电能表进线端的电压信号，而对于即使是非常简单的窃电行为也是无能为力的. 接下来我们讨论针对各类窃电行为的防窃电技术.1. 表壳和电表箱的防窃电技术 表壳是对付窃电的第一道防线.一些供电部门要求采用聚碳酸酯的表壳,但是这样表壳的费用会占据整个电表成本的很大一部分，为此我们可以压缩电表的体积,使用紧凑的表壳来节省材料，降低费用. 很多供电部门对电能表表壳的铅封和胶合都有详细的要求,他们通常要求电表有出厂铅封，有些供电部门甚至要求把电能表表壳通过焊接胶合，要打开电表就必须损坏它，以此来对抗一些窃电行为。 支持通过通信口自动校表的电能表，在校表时，应要求打开电表，短接内部的跳线才能实现校表，以此降低非正常校表发生的可能性。 图1:简单的单相电能表.另外，使用电表箱也能抑制一些窃电行为的发生。用某些形式铅封电表箱，尽量减小导线周围的间隙，增加旁路电流、反接电能表等窃电行为的难度。如果必要，还可以在电表箱内添加检测设备，以检测窃电者对电表箱的非法操作。 2。 磁场干扰 永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。如图2a所示,窃电者在电表附近放置强磁磁铁或大线圈都能干扰电表的正确计量，达到窃电的目的。 强磁磁铁靠近表壳将减小功率的测量值，甚至能将功率减小到0。由于磁铁的影响范围比较小，所以电流互感器在表壳内的位置对抵御磁铁的干扰是相当有帮助的。大线圈产生的电磁场会影响电能表中大多数的元器件，例如,锰铜电阻、电流互感器、核心的电子器件等。 为防止磁场干扰,电能表内部元器件的位置及其安装位置是非常重要的。应把易受磁场影响的敏感器件尽量放置在贴近电能表背面的地方，因为通常窃电者很难从电能表背后干预电表的正确计量;应保持易受磁场影响的敏感器件远离电能表的顶部和两边，因为顶部和两边是容易粘附磁铁的地方。 磁屏蔽是一种非常有效的防止磁场干扰的做法，首先我们可以使用金属外壳的电流互感器，屏蔽磁场对它的影响。其次我们可以在表壳内衬薄层金属，以屏蔽整个电能表模块。但是这种做法将增大原材料、生产及安装的成本。 如果确实不能排除磁场的干扰，可以测量磁场，并补偿相应的磁场产生的测量误差。当磁场强度达到0.5T或更大时,就很难有效地屏蔽它,此时可以用低成本的磁场强度传感器来检测磁场，并把这些用户的收费定得足够高，以此来补偿由于强磁干扰而产生的计量误差。 3. 电流不平衡 通常电流不平衡体现为接地模式，实际上电流不平衡包括任何的火线和零线的测量所得到的负载电流不平衡的情况。窃电者可能旁路部分电流,导致电表的测量值小于真实值.如图2b所示，窃电者可能用简单的金属楔打进电表的接线端，这种切电行为比较容易实施。如果要求读表，窃电者可以在几秒内移除旁路电流的金属楔，所以很难检测这种窃电方式。 图2：(a）磁场干扰影响电表的正常计量。（b)旁路电流窃电。（c）电流不平衡的防窃电测量。（d)电表反接窃电。要检测电流的不平衡就不可避免增加电表的成本，必须要额外增加一个电流传感器,以实现零线的电流检测;由于隔离原因，可以在第一路的电流通道上选用低成本的锰铜电阻，但是另一路就必须使用成本相对较高的电流互感器。对于单相表，可以同时测量火线和零线的电流来检测电流是否不平衡;对于三相表，可以监控中线的电流来检测三相的电流是否不平衡。 HY238FE42x内置有三个独立的16位ADC及电能计量模块ESP430.其中ESP430能够自动控制三个独立的16位ADC进行两个电流通道（火线、零线）和一个电压通道的采样,并自动比较两个电流通道的电流大小，实现电流不平衡时的检测和防窃电测量。图2c为同时测量两个电流通道的模型。 在图2c中，ESP430将同时计量经锰铜电阻取样的火线电流和经CT取样的零线电流。在正常情况下，漏电流是很小的,所以火线回路和零线回路的电流基本一致，可以给电能计量模块ESP430预置一个两电流通道的窃电比例因子RatioTamp，当电流通道1的电流I1I2*RatioTamp或电流通道2的电流I2I1*RatioTamp时,ESP430认为两个电流通道电流不平衡，表明有窃电行为发生。 有一点需要注意,当负载很小时，可能会发生电流不平衡的错误检测，这是应该避免的.应根据不同的应用给ESP430预置相应的电流不平衡检测开始电流ITamp，只有当负载电流大于ITamp时,电流不平衡的检测才起作用。窃电者可能会同时旁路两个电流通道进行窃电。要检测这种窃电行为，我们应该使用更小的电流不平衡检测开始电流ITamp，但是这个时候错误的防窃电检测必须要更加重视，应该根据负载电流的大小，动态地改变窃电比例因子RatioTamp.RatioTamp一般的标准为（11/8），大电流时可以用(11/16）或（11/32），在小电流时可以用更大的窃电比例因子。4。 电流反向 调换进出线是窃电者经常采取的窃电行为，他们企图让电表负计量，使计量值向后退,这种窃电行为比接地或旁路电流的窃电行为更具侵害性。窃电者需要对电表重新接线，一般他们不可能在几秒内完成整个过程，而且经过一定时间后必须要恢复接线正常,否则电表的计量将小于0。由于电表一般被安装在狭小的空间内，很难看清导向的走向，分清进线和出线,因此检查这种窃电行为存在一定的难度。图2d给出了电表反接窃电的模型。 的电能计量模块有自动检测电流反向功能，不需要任何的辅助元器件就能实现电流反向的检测.同时，可以给电能计量模块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等。 对于电流反接时的防窃电，有一点需要注意，当负载电流非常小的时候,可能会出现错误的电流反向警告，这是需要避免的。可以设定一个电流反向检测的最小电流极限，当小于这个最小电流极限时,关闭电流反向检测功能，防止错误的电流反向警告. 5. 移除主电压 移除主电压表现为移除电表接线中的一路,通常窃电者移除零线，使得电表没有电网电压的进入,导致电表不能正常计量或不能工作，如图3a所示。 对付这种窃电行为，可用一个低成本的电流互感器CT，从其余的连接电表导线中流经的电流上窃取很小的电能给电能表供电，使电能表实现防窃电测量.由于受到电能表成本、电能表表壳的尺寸以及电子元器件能够承受的最大电流等诸多因素的影响，选择从电流上窃电的CT是受限制的，因此能从电流上窃电给电能表供电的电能也受限制。尤其当负载电流很小时，能从电流上窃取的电能将不能胜任电能表供电. 供电部门通常希望当负载电流大于1A2A时就能实现电能表的防窃电测量，而且这个能实现防窃电测量的负载最小电流极限值越小越好.基于以上的要求，我们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,以保证顺利完成防窃电的测量。 图3：（a）移除主电压窃电。(b）移除主电压时的防窃电测量。（c)移除主电压窃电补充。HY238FE42x系列单片机具有丰富的模拟前端和防窃电多功能电能表计量模块HY430,可以较为容易地实现移除主电压时的防窃电测量。图3b为移除主电压时的防窃电测量模型。 在这个方案中，除电池外，电能表的电源供给由两部分组成，一是火线和零线的主电压提供电源,另一部分是供电CT从电流上窃取提供电源，如图3b中的Supply CT。所以当移除主电压时，供电CT从电流上窃取的电源仍能保持电能表工作，进行防窃电测量. 供电CT要在小电流时也能够驱动电能表工作。通常当负载电流为1A时，一个小的CT提供等效于1mA/3V，这对于HY238FE42x单片机来说已经可以实现防窃电测量。当然如果选用更大的CT，能降低移除主电压防窃电测量负载的最小电流极限值,但是这一方面将增加供电CT的成本,另一方面,当负载电流很大时,电源管理相关的元器件将承受很大的压力,并有可能损坏,所以以选用大CT的方法是不可取的. 采用移除主电压，CT供电进行防窃电测量时，测量的精度不是最终要的指标。由于没有主电压信号存在，功率因素和外部电压的测量已经不可能实现。一般可以使用额定电压作为估计值进行计量。没有功率因素，最高的电流精度对于电能的计量都是没有意义的，而且主电压的估计值在不同地区,不同电网会有几个百分比的误差,即使在同一个城市误差也依然存在. 前面提到的移除主电压窃电行为是断开一根导线的连接，主电压为零。窃电者可能会附加二极管、电容、电阻等器件及其组合来干扰对主电压的正常检测。如图3c所示. 在图3c中,我们以附加二极管为例,实际上这个二极管可能被电容、电阻以及三者的组合所代替。窃电者企图通过这些附加的元器件改变主电压的特性，干扰电能表检测窃电行为的发生。对于这种窃电行为,首先要区分是真正的低电压还是窃电行为造成的低电压.如果附加的元器件组合使这个电源供给仍然是全波的波形，这将很难区分是低电压还是窃电行为；如果是半波的波形，则可以通过检测它的周期来区别是否有附加的元器件存在。 基于单片机的集中式智能控电系统设计本文介绍了一种基于HY238FE42x单片机的多功能单相电能表与计算机通过通信接口构成的集中式智能控电系统，给出了其系统硬件原理图，同时对系统的软件设计思想也作了介绍.本系统可以有效地解决集中供电场所用电管理难和安全隐患等急需解决的问题。目前集中供电场所如高校发展十分迅速，用户对管理质量要求越来越来高，然而用电安全管理和智能化管理依旧是管理单位的薄弱环节。集中供电管理方式总体上经过了以下三个阶段：第一阶段是老式刀闸和断路开关阶段；第二阶段是老式电度表和IC卡电表阶段；第三阶段是配电柜和智能控电系统，智能控电系统是采用成熟的单片机作为控电系统终端和上位管理系统通过网络构成的智能型电能联网管理系统，实现科学地计量、计费和控制、管理，是目前集中供电管理发展的新趋势。这里给出了基于超低功耗HY238FE42x单片机的集中式供电智能控电系统的硬件实现方案和软件设计思想。1 硬件电路设计1。1 控电系统总体方案每个用电单元由一个控电系统终端完成用电计量计费和管理,上位计算机将相关用电控制参数传送到控电系统终端，终端系统则根据管理中心人员设定的参数对用电情况进行实时监控，完成例如恶性负载判别和断电、恢复供电等多功能管理,并将数据通过串行总线传送到管理中心计算机。管理中心计算机完成各终端电量统计、报表生成和打印，还可以通过读卡器完成预交费等功能，从而构成整个供电场所柔性智能管理系统。智能控电系统总体方案如图1所示. 图1 智能控电系统总体方案1。2 控电系统终端总体结构由于终端系统功能较多，系统较复杂,本方案中采用TI公司高性能的HY238FE42x单片机作为控电系统终端主芯片有利于减少系统复杂度，提高可靠性。该单片机是MSP430系列的一新的品种,有如下特点：（1)HY238FE42x单片机采用16位RISC结构体系，125ns指令周期，处理速度快；（2)超低功耗,在1MHz时钟和3v的条件下，其工作电流根据工作模式不同在0.1400A之间，其工作电压范围2.7v3。6v。（3）它具有16Kflash和512RAM大容量存储器，16个寄存器和常数发生器程序编制高效；(4)片上外围模块丰富，具有FLL+时钟系统，有128段LCD驱动器，串行通信接口(USART），带3个捕获/比较寄存器的16位定时器,实时时钟，通用端口P1和P2具有中断功能。(5）芯片最主要的特点是将电能计量模块ESP430-处理器直接嵌入到MSP430单片机内部，且提供内部模块的通信机制。由于该芯片的丰富资源，使得该系统无需电量计量专用芯片等外部芯片，电表硬件部分大为简化，而且很方便实现计量和智能控制。控电系统终端总体结构如图2所示。 图2 控电系统终端总体结构本硬件电路包括按键接口电路，用于校表和一些参数设定；继电器控制模块实现对用户断电和供电;液晶显示屏模块用来显示各种用电信息和日期,可根据情况控制显示的内容；RS485通信接口用来与上位计算机进行通信,传送控电参数和用电参数等；电流电压采样电路实现电信号的等效变换,供单片机检测；电源模块主要是用于正常供电和备用电池之间的切换。1.3 电能计量模块ESP及计量原理ESP430处理器为一个独立的具有MCU特征的模块，具体硬件包括前置增益放大、16位AD转换器、内部参考发生器、寄存器和数字信号处理器DSP等，用于采样和电量计量，且可实现防窃电功能。该模块与MSP403CPU的数据交换是通过一个邮箱中断机制相互通信来完成的，ESP430将计量结果存入结果返回寄存器RETx，MSP430CPU则从RETx中获取数据进行相应的处理。 ESP模块硬件结构及测量原理图如图3所示。 电阻Rf后就可接入I1正负引脚,用作测量有功功率等参数，电流通道I2的设计可与电流通道I1电路相同，与通道I1配合用作窃电检测，电压通道V1采用多个电阻分压得到后可接入V1正负引脚。这三个通道电路形式决定了电路常数，分别为KI1、KI2和KV1，这三个常数是电表参数的修正系数，这里不做具体计算，在电表校准中可比较精确确定。测量时，先进行ESP模块初始化，然后启动测量进入测量状态，当一次测量完成后，ESP把各个测量的结果存入结果返回寄存器组，并通过邮箱向HY238FE42x发送消息，通知MCU读取这些数据。ESP模块可以测量的各电表参数包括有功电能、无功电能、电流、电压、频率和功率因子等,例如实际有功功率P和电量W的计算如公式(1）、（2）,计量原理流程图见图6。 repowerMCU从ESP结果返回寄存器中读出的有功功率数字； KI1 电流修正系数； KV1 电压修正系数； N 单位时间(秒）内测量次数，一般为12; M 电能积分时间1.4 通信接口设计数据通信方式主要有并行数据通信与串行数据通信两种。考虑到串行数据通信只需要一对数据传送线进行信息的传送，所需传输线条数极少，传送成本较低，特别适用于分级、分层和分布式控制系统以及远距离通信之中，故本设计选择串行数据通信。RS232C接口电路是最常用的接口之一，缺点是只能用于短距离的数据通信。RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器，具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点,在此我们选用RS485接口作为控电终端的通信接口。由于普通个人计算机一般配的是RS232接口，因此需要通过RS485/RS232转换器来实现串行数据变换，所选转换器内部使用的RS485接口芯片是MAX3491，为了完全配套，在本系统中亦采用MAX3491芯片作为通信收发器.单片机可以通过RS485总线方式与主控计算机相连，主控计算机可以向智能电表发出遥控指令，采集到当前的电量数据和历史数据,构成了主从式的RS485通信应用系统。MAX3491主要指标为+3V 至+3。6V ，电源工作工作电流1mA，驱动60负载时，值峰值电流可达I3=3V/60 =50mA。 MAX3491与FE425接口电路如图4所示.图中DE为发送器使能端，DE为1时发送器可以工作。DI为输入端，A、B为输出端。当DE为0时,发送器停止工作，且输出端为高阻。 为输入使能端，为0时允许接收器工作,A、B为输入端,RO为输出端； 为1时接收器被禁止，RO为高阻状态。MSP430通过P1。0和P1。1来控制收发器的工作状态，从而达到与主机通信的目的。 2软件程序设计2。1软件设计思想控电终端的软件主要是实现电量数据采集和处理，并通过RS485接口实现与宿舍管理中心系统软件的数据交换，MSP430系列是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等技术特点的16位单片机，它可用C语言来完成程序设计，大大提高了开发调试的工作效率；同时用C语言所产生的文档资料也容易理解,便于移植;适用于MSP430系列的C语言，与标准C语言兼容程度高,本例中采用AQ430软件开发。在系统的软件设计中，采用模块化设计方法,使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。宿舍中心计算机的软件由开发工具Visual Basic语言和Access数据库开发，基本功能有设置电量、查询、统计、打印、电表参数设置和报警等，如配置读卡器，则可增加预缴费和余量退费功能.2.2 控电终端系统设计控电终端主程序框图如图5所示,其中主要模块功能说明如下。通信模块的功能是按照通讯规约实现与宿舍管理中心计算机可靠通信，由中心计算机系统读取用户电量数据和设置时段、费率、恶性负载和限电等电表参数。显示模块的功能是显示用户的峰、平、谷、总电量及时间、上月电量等信息.恶性负载识别、限电程序的功能是对用户用电状况分时、限量进行监控，当发现电流激增量或总电流超过设定参数的时候，进行短时断电处理，然后送电，如果连续N次（N为设定参数）还没有撤销恶性负载则报告宿舍中心计算机并停电;另外根据时段特别供电，比如夏天晚上供电只能达到电风扇用电的电量,时段根据作息时间表来划分，每个时段都可以设定不同的用电参数。 图6 ESP一次测量流程 电量处理程序的功能是初始化化并启动ESP进行测量，由当ESP模块产生中断时，MCU转入到此电量中断处理程序，读出ESP状态寄存器和各电表参数,然后利用电路常数对相应的电表参数进行修正，得到真实的测量值，结合当前时段和费率，累计用户峰、平、谷各时段的实际用电量，电量可直接存入Flash存储器，也可以存入计算机中心。ESP测量流程如下图5所示.3 结束语智能控电系统作为一个智能型用电管理系统，十分适用于例如高校宿舍的集中式管理，配合适当的通讯规约,可以方便的与管理中心计算机接口构成监控管理网络。本设计方案采用低功耗器件,成本较低，便于集成,可靠性高。经过试验,本文所设计的电能表的各项技术指标均达到国家电能表的技术标准,具有一定的推广价值