智能电能表的开盖异常分析及优化

王睿 赵长枢 许文刚 杨东翰 / 国网嘉兴供电公司

0 引言

根据国家电网的Q/GDW 365-2009《智能电能表信息交换安全认证技术规范》[1]，开盖记录技术成为智能电能表（以下简称电能表）计量的重要内容。开盖记录作为电能表所具备的基本功能，影响着偷窃电行为的认定，与居民日常生活、企业正常运转有着密切的关系。提高电能表开盖记录的准确性是保障用户合法权益的重要体现，所以，当电能表开盖记录异常时，需要及时分析成因并加以处理。

1 开盖记录的异常情况

当电能表盖被打开后，电能表会产生开盖记录。但实际工作中，开盖记录异常的情况较多。主要异常情况整理如下：

1）开盖记录的发生时间和结束时间间隔很短，大多数的间隔时间只有1 s左右。

2）开盖记录异常增多，不符合实际情况。

2 开盖记录异常情况的分析

选择三个较为典型的开盖记录异常的情况进行故障分析。

故障分析一：抄读编号3340201082000083247089样表开盖记录，次数为11次。最后7次的开盖记录如表1所示。

表1 开盖记录

从电能表的开盖记录中可以看出，大部分开盖事件从发生到结束的过程很短，是非正常开盖事件。拆开表盖后，发现故障原因为开盖按钮损坏脱落。

故障分析二：对编号3330001000100003126120样表开盖记录进行分析。首先，开盖事件次数高达264次，明显异常。另外，最近一次的开盖事件尚未结束，说明故障电能表还处于开盖状态。拆开故障电能表，发现故障原因为其压住开盖按键的开盖按键柱所采用的橡胶材质已经老化。

故障分析三：抄读编号3340201020200094896058样表开盖记录，如表2所示。

表2 开盖记录

从故障表的开盖记录中可明显发现，每次开盖发生的时间与结束的时间间隔只有1 s，间隔时间非常短，为非正常开盖事件。为了明确该故障表开盖记录异常的具体原因，对开盖记录的电路进行分析，如图1所示。通过分析可知，造成开盖记录异常的原因：

图1 开盖记录电路

1）电能表开盖按钮质量问题，如老化、损坏。

2）开盖按键柱问题，如过短、材料老化、材质问题。

3 设计上的优化建议

目前，传统的智能电能表主要通过开盖按钮的受力进行开盖记录，当开盖按钮长期运行后，容易老化，造成变形，使开盖产生异常现象。为了减少异常开盖情况的发生，提出一种用光电检测装置代替传统接触式开关进行开盖记录的优化建议。

3.1 实现原理

当表盖盖上时，微控制单元（microcontroller unit，MCU）[2-6]使用定时器控制输出脉冲信号，当信号通过LED发光管以光脉冲的形式输出，由安装在表盖内部特制的导光柱，将光脉冲信号传导至信号接收端，即光源接收头（光敏电阻），然后将光信号转换成电信号传送回MCU。MCU内部将发送和接收的信号进行采样并比较，判断开盖状态。

光电检测电路原理如图2所示。

图2 光电检测电路原理

同时，为了增强信号的抗干扰能力，使用差分放大器[7-9]放大信号，差分放大器的原理如图3所示。

图3 差分放大器原理

由于电流源具有恒流特性和高阻值的动态电阻，所以，差分放大器具有稳定的直流偏置和抑制共模信号的能力。通过差分放大器，首先可以将模拟量经转换器转换的电信号进行放大，其次可以减少环境温度等因素对电路的干扰。

3.2 结构设计

光电检测装置通过光电转换实现机械部件与电路元件无接触的信号传输，其结构如图4所示。

图4 光电检测结构

从图4中可以看出，在光电检测结构中LED发光管的光束通过导光柱以及经表盖反光板反射回光源接收头，实现较为容易。该结构中没有开关接触，避免了机械损耗带来开盖检测不灵敏的问题。另外，光敏发射原件、接收原件、导光柱和反光板是已经广泛应用的电子产品，具备高度可靠性。如果推广的话，单个电能表增加器件的成本相较窃电或者更换故障电能表带来的损失要少得多。光电检测的信号转换如图5所示。

图5 光电检测信号转换

3.3 实验检测

对表盖合上和表盖开盖两种情况分别进行实验检测。

1）表盖合上

为了突出实验结果，现以1 min作为实验周期，发出脉宽10 ms的电脉冲，经过光电检测电路转换，在接收端收到对应的10 ms负脉冲信号。通过模拟外部环境和温度，MCU在1 min内对信号进行若干次采样（图6为3次采样，1 min 3次方便统计，在实际过程中可以增加脉冲发出次数，防止人为开盖使用导光柱的情况发生），采样结果为011，循环往复。信号如图6所示。

图6 表盖合上采样信号

2）表盖开盖

由于表盖未盖紧，表盖上的光柱无法同时对准PCB板上的光信号发送端和接收端元件，系统中光信号传输通路阻断，因此，MCU无法采集到011的循环编码，判断为开盖状态。考虑到实际情况，选取了3个场景分别进行实验验证。

（1）在黑暗环境下开盖，采样信号如图7所示。

图7 黑暗环境下采样信号

（2）在普通室内外光线充足的环境下开盖，采样信号如图8所示。

图8 光线充足时采样信号

（3）在外界环境有强干扰条件下开盖（如开盖后仍有类似光源以某频率照射接收头），采样信号如图9所示。

图9 干扰光源下采样信号

以上分析可见改进设计后的优势。由于MCU对开盖状态的判断是通过采样信号软件内部特定编码比较，而非传统开关只通过“0”和“1”两种状态来判断。该改进设计没有物理方式的接触，且只通过识别特定编码（如“011”）来判断开盖情况，即使在干扰环境下，也能正确判断，增加了防暴力破解功能，杜绝了通过按住按钮欺骗系统的可能性。

另外，当有人故意将电能表开盖，然后人为使用导光柱，这操作中间必然有反应时间，只要缩短MCU的脉冲周期，人为开盖势必就会产生开盖记录了。

3.4 软件流程

具体的开盖记录判断流程如图10所示。

图10 光电检测开盖记录流程

4 结语

智能电能表已经得到普及，但是在使用中仍然暴露出一些问题。其中，开盖记录异常是出现次数较多的一类故障。通过试验和分析，提出以光电检测代替传统接触式开关进行优化的建议，加强防窃电功能。