单相电子式防窃电电能表的设计与应用

谭先锋

摘 要：目前，许多用户受利益的驱使，使用非法手段破坏电表，以期达到其不计费或者少计费的目的，给电力市场造成了极大的损失，造成市场失衡。该文阐述了目前电能表的防窃电方式，分析了单相电子式防窃电电表的设计，让人们对这种防窃电装置有所了解。

关键词：电能表;单片机硬件电路;精度参数调试

中图分类号：TM933.4    文献标志码：A

1 电能表的防窃电方式

1.1 防电流反向窃电

最常见典型的窃电行为是窃电者把电能表火线端口的进线和出线进行交换，用这种方式可以很快地达到窃电的目的。然而V9821S不需要添加任何外围辅助器，仅凭系统本身就可以达到监控的效果。系统通过监测功率的方向，能够迅速判断出电流是否有反向流动的行为，并进行事件记录。当然，V9821S也可以设置为正向反向都累加的模式，这样无论功率是正是反都能够将能量进行累加。

1.2 防电流分流窃电

最常见的是窃电者在将火线零线对换后，直接将零线接到大地上，或者将火线进行短接。但是这种窃电行为运用V9821S很容易就可以检测出来，只需要增加一个电流互感器就可以有效防止。这是因为V9821S具有双回路同时计量的功能，系统总是可以依据电流较大的一路进行计量。

1.3 防移除电压窃电

这种方式通常都是由窃电者将电表的火电或者零线进行移除，从而使电表没有供电，所以电表无法工作，以此来达到窃电的目的。对于这样的窃电行为，只需要增加一个低成本的功率CT，就可以进行有效防范。这是因为V9821S具有低功耗的计量模式，只需提供相当于1mA、3.3V的功率，CT就能够持续维持电表工作，不受移除电流的限制。

1.4 串可控硅窃电

最常见的窃电方法是在电表零线进线端处串一个吊扇调速开关，可能会影响到采样电压的波形以达到窃电者少计电量的目的。对于这样的窃电行为，V9821S依然可以做出准确的判断。由于V9821S可以提供电压每个采样点的实时数据，精确到每分每秒，这样就能够方便快速地还原电压波形，从而对电压进行准确分析。V9821S利用软件对波形进行还原分析，就可以判断出是否产生了窃电行为，之后再采取额定电压和实际测试的电流进行计量，从而保证电表的稳定和安全。

2 单相电子式防窃电电能表设计方案

2.1 工作原理图

通过对图1的分析研究可知，该工作原理图的主要框架是由V9821S计量芯片、LED显示、一路电压采样与两路电流采样电路、存储器24CO1以及单片机控制器组合而成的。

2.2 硬件电路设计

硬件电路设计包括电量精度设计、5 V电源供给、单片机电量计量、采样电路等，在该文中将进行详细介绍。

2.2.1 采样输入电路设计

作为电量计量信号的输入部分，采样电路大致是由两路电流采样与一路电压采样组合而成，属于模拟输入。其中电压采样电路选用的是电阻分压采样。V1N与V1P输入端都属于全差分电压输入，此类电流采样电路使用的是电阻阻值为400 Ω的锰铜分流器，与V1N脚相比，最大的电平信号设置了一个增益可编的放大器，此类放大器可结合相关设置，采用不同的增益量，由此计算出最大差分的信号。另一路窃电采样电路是V2N与V2P，此类电路使用的是穿心互感器，与V2N脚对应的最大电平信号是500 mvl。一旦V9821S回路判断至窃电电流电压远远超出正常电流电压的12.5 %，就说明探測到了有窃电行为，这时仪器会发出警报，从而防止窃电并且对窃电电量做出计量。

2.2.2 电源供给设计

电源供给大部分使用密封双路变压进行供电，同时采取滤波、整流、78LOS稳压的方式，其中有一路是数字电路、数码管与供单片机控制电路，另一路是模拟电路与供电量计量电路。这两路供电电源互不影响，充分防止了不同信号相互干扰的可能性，并且有效提高了计量芯片的稳定性。

2.2.3 V9821S计量精度硬件设计

V9821S计量精度硬件设计主要是对从内部乘法器处理采样获取到的电压信号与电流信号进行处理，各电路完成采样后，再向内部乘法器传送信息，予以处理与研究，紧接着输出与电量呈正比的脉冲信号，然后由广电耦合器送至单片机，让单片机结合获取的脉冲信号予以处理，最后会显示出用户当前的电量。

3 精度参数调试方法

精度参数调试重点采取两点观察法与粗调两点调整法，其中粗调两点即阻性100 % Ib调整，感性100 % Ib相位调整，两点观察是指对轻载的10 % Ib与5 % Ib这2点进行观察，应把此类数值的误差控制在0.4以内。

3.1 正常回路精度调试

通常而言，精度调试有要求，误差应在0.4内，但如果用户有特殊的要求，那么应按照用户的具体要求执行。若达到100 % Ib，调整0.1～10，使得误差符合要求。然后观察100 % Ib点误差，若误差大于100 % Ib误差为0.3，在C8的位置进行-4.7nF相位调整电容焊接，此时要确保前文提及的两点误差相差的绝对值低于0.3，紧接着不断观察轻载5 % Ib和10% Ib误差是否符合要求，若不符合要求，应重新调整0.1～10，最终确保达到要求。

3.2 窃电回路误差调试

窃电回路的调试方式与正常回路的调试方式一般是一致的，唯一的区别就在于精度调试需控制在±0.5的范围中，相位调整电容，调整点是0.2～0.5。

4 单片机电量处理系统设计

当V9821S输出脉冲信号时，单片机接收到信号后作为数据进行运算并显示，之后进行实时的电量处理，这种工作原理即数据采集。脉冲常数的设置有3种不同数值，分别为1600、3200和6400。同时，单片机的处理系统在设计时应注意常见的几点问题，象非法开壳报警指示灯、电表在调试后，一定要把出厂电表的底数改为0，将看门狗设置在电表外部，对单片机的运转状况等进行控制与监督，保证整个系统运用的科学合理性。

4.1 单片机硬件电路设计

在进行单片机硬件电路设计时，硬件的选择是关键，单片机应选择V9821S，存储器选择24 CO1，硬件看门狗中采用计数器4060形成1.4 s的脉冲，选择完基础硬件后，要结合I/O端口的概念与系统相关的规范要求，做好硬件电路设计工作。当选用4060计数器时，会形成周期是1.4 s左右的脉冲，此时必须要对单片机程序的运行情况进行控制与监督，结果为正常和异常2种形式，如果单片机程序运行顺畅，那么就会发出喂狗脉冲信号，看门狗会因此丧失效果;如果单片机程序出现异常问题，那么发出无喂狗信号脉冲，这时看门狗才会发挥效用，促使单片机强制复位，这时单片机程序将恢复正常。

4.2 单片机软件设计

单片机软件设计大致包括读出流程图、主程序流程图、显示流程图、数据写入流程图以及中断流程图等，其中，在进行应用软件编制之前，应先行绘制出程序流程图，因为程序流程图的编制十分关键，它直接关系到了软件的成败，是整个系统的决定因素。

参考文献

[1]江岚.电子式电能表的可靠性及改善措施研究[D].北京：华北电力大学，2014.