新型智能防窃电与计量电表技术及其应用
2010-12-18 10:36:00
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
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防窃电与计量单相电表是当今智能化建筑领域中不可少的安全控制项目，如何用运用微控制器技术的嵌入式解决方案进行设计是工程技术人员与社区所关心的问题。为此，本文就新型智能防窃电与计量电表的嵌入式技术及其应用作介绍。
1 面临的挑战
当前，电子式电能表的防窃电与计量技术在电能表行业中的地位越来越重要，人们所意识到尤其是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与计量技术。其特点是，无论在何国家何地区内，都要求电能表有防窃电的计量。
以往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地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；一些窃电方式很易操作，但却很难检测。
为此如何运用微控制器技术的嵌入式方案以解决当前多种窃电行或技术的研发己成为智能化建筑领域中不可少的安全控制项目。
当今应用微控制器的嵌入式技术的计量与防窃电电表方案分别如下：
其一、新型单片电能表微控制器。如今用户电表正逐渐朝着多费率、多功能和高精度方向发展。该新型单片电表微控制器的功能和应用性，它使多功能、多费率电表没计更加简单和可靠，实更加高效的电能传送，有效提高电表生产和制造效率。它最基本的多费率、多功能全电子电表所需的基本架构为：采集输入电压和输入电流信号的转换器、显示屏、数据通信子系统、非易失存储器、电源及内嵌程序的微控制器。将上述大部分功能电路与微控制器集成在一起。以Maxim的单片电表微控制器MAXQ2000为例，它在单一硅片上集成了双路16位模/数转换器(ADC)，分别用于电压和电流信号的采样和转换；两个全功能异步串行通信口（其中一个可以配置为红外信模式）；一个液晶显示控制器和一个独立的16×16乘法器；另外，芯片上还集成了足够的数据、程序存储器，以满足多费率、多功能电表的复杂要求。图1为以MAXQ2000微控制器为核心的单相电表基本架构示意图。
关于电压输入转换
从图1中可知，方案中采用电阻分压网络将电压输入转换成微控制器内部ADC可接受的1V到+1V输入。电流信号输入端，采用一个并联电流分流器将电表的电流输入信号转换为小信号电压输入。通过分流器的电压信号必须足够低，尽量降低功率损耗：一个0.5mΩ的分流器（假定输入最大电流等于40A）只能提供0mV的满摆幅电压输出，但其功耗接近1W。
关于架构中串行通信口
从图1中可知，有2个两个外部的串行通信口与微控制器相连。其一是基于RS-485标准协议的通信口。在EIA485通信网络中，用PC作为网络的主控制器。随着PC轮询这些电表，它们会进行响应，将表示所用电量的数据包上传，PC汇总所有用户数据之后再传送至计费中心；其一是红外发送和接收系统，它基于简单的异步通信协议。通过简单的调制电路将串口输出数据“o”调制为38kHz信号，数据“1”则不调制。
其二、选择微控制器MSP430F2012或单芯片ADE7169的单相防窃电电表方案。
MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部，相当干把一个电计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。而单芯片ADE7169在单相防窃电电表也具有与MSP430F2012相同和独特之优势。
该单相防窃电电表方案的防窃电技术是智能化建筑领域中安全控制的重要项目，它具有两路电流输入采样和内部窃电判断；通过数字增益调节，两路电流增益可以保持一致；当检测到掉零线故障时，可以按照电流有效值计量；具有自动窃电检测，不需要额外的程序设计。
据此值此本文仅对基于微控制器MSP430F2012与ADE7169单芯片技术方案的单相防窃电电表方案进行分折研讨。
2 单相防窃电电表设计方案
为更好的分析，在此通过二种方案作比较说明。
2.1 基于微控制器MSP430F2012技术的防窃电电表方案
MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部，相当干把一个电计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。
MSP430FE42X不是将电能计量模块与MSP4301~CPU的简单结合，它还提供了对内部模块的控制。如果我们用在单相电表的设计，我们可以直接启动内部电能计量模块ESP430，如果我们用于一些其他的需要16位A/D的产品中时，可以禁止ESP430模块，直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制，因而这款单片机在产品设计中有很大的灵活性。图2为由MSP430FE42X单片机为核心的单相防窃电电表系统设计方案图。
MSP430FE42X多功能电能表电子模块有多种板型结构，可直接安装在单相电度表内。该产品可通过掌上电脑，以无线红外或有线方式进行参数设置和数据抄收；也可通过表上的四个按键进行设置和查询。此外，还配有RS485接口，可通过RS485进行参数设置和数据抄收。
主要功能
包括电量计量，需量、负荷计量（可选），费率管理，时间管理，事件记录，输出接口，显示，通讯接口，按键操作及掌上电脑操作等。
主要技术指标
电量计量精度<1%；计时精度，时钟记时误差为<±0.5 s/d，时段切换误差为<0.1 S；电气性能包括电子模块功耗为<3VA和工作电压范围为0.8~1.2额定电压及电池寿命>10年；环境条件包括工作温度-20℃~+55℃和运输存储温度为-25℃~+70℃及相对湿度为<95%；电磁兼容性包括静电放电抗扰性≥8kV、射频辐射电磁场抗扰性10V/M、电快速瞬变脉冲群抗扰性≥4kV及浪涌抗扰性≥4kV；红外通讯距离为≥4m。
如何防窃电？主要是对电流不平衡窃电行为的防窃电技术的说明。
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。窃电者可能用简单的金属楔打进电表的接线端，这种窃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。
要检测电流的不平衡就不可避免地增加了电表的成本，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迭用低成本的锰铜电阻，但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。
在图2中，MSP430FE42x内置有三个独立的16位ADC及电能计量模块ESP430。ESP430能自动控制三个独立的16位ADC进行两个电流通道（火线和零线）及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2中ESP430将同时计量经锰钢电阻取样的火线电流和经CT（电流互感器）取样的零线电流。正常情况下，漏电流很小，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2电流通道的窃电比例因子Ratio Tamp（比率砸紧），当电流通道1的电流I1>I2×Ratio Tamp或电流通道2的电流I2>I1×RatioTamp时，ESP430认为2个电流通道电流不平衡，表明有窃电行为发生。
如何实现对移除主电压窃电行为时的防窃电测量
何谓移除主电压窃电行为？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，见图3所示。
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。
MSP430FE42x系列版微控制器具有丰富的模拟前端和防窃电多功能电能表计量模块ESP430，可以较容易地实现移除主电压时的防窃电测量。
在这个方案中，除电池以外，电能表的电源供给由两部分组成：其一、火线和零线的主电压提供电源；其二、供电CT从电流上窃取提供电源，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。
2.2 基于ADE7169的防窃电单相表的设计
2.2.1 设计要求
为单相1级，其电压为~220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200；
有LCD显示；具备RS485及红外通讯接口；具备防窃电功能，即零/火线调换窃电及掉零窃电；具备事件记录功能，能够准确记录每次窃电事件发生的具体时间；具备停电显示功能。
2.2.2 实现技术
实现技术分别为：LCD驱动+MCU；UART+红外调制；需要同时计量零线和火线电流；需要掉零防窃电功能；电池供电管理；有实时时钟。
ADE7169单芯片方案见图3所示。
该单芯片方案集成度高；高可靠性故障率/低故障率/；软件校表；单芯片采购容易；计量功能丰富，性能高；整体成本低。从中看出ADE7169单芯片防窃电单相表的设计方案比常用方案优越得多。因为常用方案多芯片方案集成度低，高故障率/低可靠性，需要硬件校表，而多芯片采购难度大，计量功能单—整体成本高。
2.2.3 关于ADE7169单芯片方案的核心部分的构建
图4所示为构建示意图。
上述单相防窃电电表设计方案，不是传统的没有设计防窃电测量的简单单相电能表，也不再是仅能测量火线的电流信号和电能表进线端的电压信号，它具备对各类窃电行为的防窃电技术。不会再象传统简单单相电能表对那样，出现即使是非常简单的窃电行为也是无能为力的现象。那末它具备哪些对各类窃电行为有防窃电技术呐？
3 拓宽基于单芯片与微控制器技术的防窃电单相表的应用
应该说基于单芯片与微控制器防窃电单相表具备对用磁场干扰与电流不平衡的窃电行为及对移除主电压窃电行为等多种防窃电测量技术。由于电流不平衡的窃电行为与对移除主电压窃电行的防窃电技术在上面己分析，故本节只仅对需对用磁场干扰的防窃电技术作说明。
独特的对于磁场干扰窃电行为的防窃电技术分析。
何谓永久磁场和电磁场干扰是一种窃电行为？
众所用知，永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。窃电者在电表附近放置强磁磁铁或大线圈都能于扰电表的正确计量，达到窃电的目的。见图5所示的红曲线所示。
如何防窃电呐？
方法一、因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较小，所以电流互感器在表壳内的位置对抵御磁铁的干扰相当有帮助。大线圈产生的电磁场会影响电能表中大多数的元器件和核心的电子器件等。为了防止磁场干扰，电能表内部元器件的位置及其安装位置非常重要。应把易受磁场影响的敏感器件尽量放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。
方法二、磁屏蔽是一种非常有效的防止磁场干扰的做法，首先可使用金属外壳的电流互感器，屏蔽磁场对它的影响。其次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。
1 面临的挑战
当前，电子式电能表的防窃电与计量技术在电能表行业中的地位越来越重要，人们所意识到尤其是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与计量技术。其特点是，无论在何国家何地区内，都要求电能表有防窃电的计量。
以往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地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；一些窃电方式很易操作，但却很难检测。
为此如何运用微控制器技术的嵌入式方案以解决当前多种窃电行或技术的研发己成为智能化建筑领域中不可少的安全控制项目。
当今应用微控制器的嵌入式技术的计量与防窃电电表方案分别如下：
其一、新型单片电能表微控制器。如今用户电表正逐渐朝着多费率、多功能和高精度方向发展。该新型单片电表微控制器的功能和应用性，它使多功能、多费率电表没计更加简单和可靠，实更加高效的电能传送，有效提高电表生产和制造效率。它最基本的多费率、多功能全电子电表所需的基本架构为：采集输入电压和输入电流信号的转换器、显示屏、数据通信子系统、非易失存储器、电源及内嵌程序的微控制器。将上述大部分功能电路与微控制器集成在一起。以Maxim的单片电表微控制器MAXQ2000为例，它在单一硅片上集成了双路16位模/数转换器(ADC)，分别用于电压和电流信号的采样和转换；两个全功能异步串行通信口（其中一个可以配置为红外信模式）；一个液晶显示控制器和一个独立的16×16乘法器；另外，芯片上还集成了足够的数据、程序存储器，以满足多费率、多功能电表的复杂要求。图1为以MAXQ2000微控制器为核心的单相电表基本架构示意图。
关于电压输入转换
从图1中可知，方案中采用电阻分压网络将电压输入转换成微控制器内部ADC可接受的1V到+1V输入。电流信号输入端，采用一个并联电流分流器将电表的电流输入信号转换为小信号电压输入。通过分流器的电压信号必须足够低，尽量降低功率损耗：一个0.5mΩ的分流器（假定输入最大电流等于40A）只能提供0mV的满摆幅电压输出，但其功耗接近1W。
关于架构中串行通信口
从图1中可知，有2个两个外部的串行通信口与微控制器相连。其一是基于RS-485标准协议的通信口。在EIA485通信网络中，用PC作为网络的主控制器。随着PC轮询这些电表，它们会进行响应，将表示所用电量的数据包上传，PC汇总所有用户数据之后再传送至计费中心；其一是红外发送和接收系统，它基于简单的异步通信协议。通过简单的调制电路将串口输出数据“o”调制为38kHz信号，数据“1”则不调制。
其二、选择微控制器MSP430F2012或单芯片ADE7169的单相防窃电电表方案。
MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部，相当干把一个电计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。而单芯片ADE7169在单相防窃电电表也具有与MSP430F2012相同和独特之优势。
该单相防窃电电表方案的防窃电技术是智能化建筑领域中安全控制的重要项目，它具有两路电流输入采样和内部窃电判断；通过数字增益调节，两路电流增益可以保持一致；当检测到掉零线故障时，可以按照电流有效值计量；具有自动窃电检测，不需要额外的程序设计。
据此值此本文仅对基于微控制器MSP430F2012与ADE7169单芯片技术方案的单相防窃电电表方案进行分折研讨。
2 单相防窃电电表设计方案
为更好的分析，在此通过二种方案作比较说明。
2.1 基于微控制器MSP430F2012技术的防窃电电表方案
MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部，相当干把一个电计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。
MSP430FE42X不是将电能计量模块与MSP4301~CPU的简单结合，它还提供了对内部模块的控制。如果我们用在单相电表的设计，我们可以直接启动内部电能计量模块ESP430，如果我们用于一些其他的需要16位A/D的产品中时，可以禁止ESP430模块，直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制，因而这款单片机在产品设计中有很大的灵活性。图2为由MSP430FE42X单片机为核心的单相防窃电电表系统设计方案图。
MSP430FE42X多功能电能表电子模块有多种板型结构，可直接安装在单相电度表内。该产品可通过掌上电脑，以无线红外或有线方式进行参数设置和数据抄收；也可通过表上的四个按键进行设置和查询。此外，还配有RS485接口，可通过RS485进行参数设置和数据抄收。
主要功能
包括电量计量，需量、负荷计量（可选），费率管理，时间管理，事件记录，输出接口，显示，通讯接口，按键操作及掌上电脑操作等。
主要技术指标
电量计量精度<1%；计时精度，时钟记时误差为<±0.5 s/d，时段切换误差为<0.1 S；电气性能包括电子模块功耗为<3VA和工作电压范围为0.8~1.2额定电压及电池寿命>10年；环境条件包括工作温度-20℃~+55℃和运输存储温度为-25℃~+70℃及相对湿度为<95%；电磁兼容性包括静电放电抗扰性≥8kV、射频辐射电磁场抗扰性10V/M、电快速瞬变脉冲群抗扰性≥4kV及浪涌抗扰性≥4kV；红外通讯距离为≥4m。
如何防窃电？主要是对电流不平衡窃电行为的防窃电技术的说明。
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。窃电者可能用简单的金属楔打进电表的接线端，这种窃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。
要检测电流的不平衡就不可避免地增加了电表的成本，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迭用低成本的锰铜电阻，但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。
在图2中，MSP430FE42x内置有三个独立的16位ADC及电能计量模块ESP430。ESP430能自动控制三个独立的16位ADC进行两个电流通道（火线和零线）及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2中ESP430将同时计量经锰钢电阻取样的火线电流和经CT（电流互感器）取样的零线电流。正常情况下，漏电流很小，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2电流通道的窃电比例因子Ratio Tamp（比率砸紧），当电流通道1的电流I1>I2×Ratio Tamp或电流通道2的电流I2>I1×RatioTamp时，ESP430认为2个电流通道电流不平衡，表明有窃电行为发生。
如何实现对移除主电压窃电行为时的防窃电测量
何谓移除主电压窃电行为？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，见图3所示。
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。
MSP430FE42x系列版微控制器具有丰富的模拟前端和防窃电多功能电能表计量模块ESP430，可以较容易地实现移除主电压时的防窃电测量。
在这个方案中，除电池以外，电能表的电源供给由两部分组成：其一、火线和零线的主电压提供电源；其二、供电CT从电流上窃取提供电源，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。
2.2 基于ADE7169的防窃电单相表的设计
2.2.1 设计要求
为单相1级，其电压为~220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200；
有LCD显示；具备RS485及红外通讯接口；具备防窃电功能，即零/火线调换窃电及掉零窃电；具备事件记录功能，能够准确记录每次窃电事件发生的具体时间；具备停电显示功能。
2.2.2 实现技术
实现技术分别为：LCD驱动+MCU；UART+红外调制；需要同时计量零线和火线电流；需要掉零防窃电功能；电池供电管理；有实时时钟。
ADE7169单芯片方案见图3所示。
该单芯片方案集成度高；高可靠性故障率/低故障率/；软件校表；单芯片采购容易；计量功能丰富，性能高；整体成本低。从中看出ADE7169单芯片防窃电单相表的设计方案比常用方案优越得多。因为常用方案多芯片方案集成度低，高故障率/低可靠性，需要硬件校表，而多芯片采购难度大，计量功能单—整体成本高。
2.2.3 关于ADE7169单芯片方案的核心部分的构建
图4所示为构建示意图。
上述单相防窃电电表设计方案，不是传统的没有设计防窃电测量的简单单相电能表，也不再是仅能测量火线的电流信号和电能表进线端的电压信号，它具备对各类窃电行为的防窃电技术。不会再象传统简单单相电能表对那样，出现即使是非常简单的窃电行为也是无能为力的现象。那末它具备哪些对各类窃电行为有防窃电技术呐？
3 拓宽基于单芯片与微控制器技术的防窃电单相表的应用
应该说基于单芯片与微控制器防窃电单相表具备对用磁场干扰与电流不平衡的窃电行为及对移除主电压窃电行为等多种防窃电测量技术。由于电流不平衡的窃电行为与对移除主电压窃电行的防窃电技术在上面己分析，故本节只仅对需对用磁场干扰的防窃电技术作说明。
独特的对于磁场干扰窃电行为的防窃电技术分析。
何谓永久磁场和电磁场干扰是一种窃电行为？
众所用知，永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。窃电者在电表附近放置强磁磁铁或大线圈都能于扰电表的正确计量，达到窃电的目的。见图5所示的红曲线所示。
如何防窃电呐？
方法一、因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较小，所以电流互感器在表壳内的位置对抵御磁铁的干扰相当有帮助。大线圈产生的电磁场会影响电能表中大多数的元器件和核心的电子器件等。为了防止磁场干扰，电能表内部元器件的位置及其安装位置非常重要。应把易受磁场影响的敏感器件尽量放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。
方法二、磁屏蔽是一种非常有效的防止磁场干扰的做法，首先可使用金属外壳的电流互感器，屏蔽磁场对它的影响。其次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。
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