电子式电能表的防窃电功能研究
摘要： 随着社会经济的发展和用电量的增大，社会上窃电问题变得越来越突出，据保守估算，全国每年因电能被盗损失达200亿元，这不单困扰供电企业的发展，也严重影响了国家的经济建设和社会的稳定。
随着社会经济的发展和用电量的增大，社会上窃电问题变得越来越突出，据保守估算，全国每年因电能被盗损失达200亿元，这不单困扰供电企业的发展，也严重影响了国家的经济建设和社会的稳定。
随着科学技术的发展，电子式电能表即将全面替代感应式机械电能表，针对电子式电能表的窃电手段日益高明，方法更加隐蔽，给查处带来了很大的难度。作者结合平时的工作实践体会，通过对目前社会的窃电的形式、手段等进行祥细的分析，有针对性地提出了如何改进电能表设计实现防窃电功能。
1窃电行为的类型
窃电行为的种类很多，主要有以下几种类型：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。
2常规电子式电能表在防窃电方面的缺陷
在传统的电子式电能表设计中，由于以下几种原因，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;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，对于即使是非常简单的窃电行为也无能为力。
3电子式电能表的防窃电功能研究
3.1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。在采购电能表时要求：采用聚碳酸酯的表壳或者金属的表壳，电表有出厂铅封，把电能表表壳通过焊接胶合，要打开电表就必须损坏它，以此来对抗窃电行为。
对于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。
设计电能表时，可以增加一个小开关，当打开表壳时，开关触点闭合，计量芯片纪录打开表壳的时间，为查处窃电提供依据。
另外，使用特制的电表箱也能抑制一些窃电行为的发生。如铅封电表箱，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箱门的非法打开。
3.2防磁场干扰窃电
永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。如图1a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。强磁磁铁还能使电源变换的变压器铁心饱和，导致电能表的工作直流电压降低或者消失。
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(如干簧管，霍尔器件)来检测磁场，并补偿由于强磁干扰而产生的计量误差，或者对磁场强度传感器的动作情况进行纪录，为用电检查人员追补电量提供依据。
对于强磁场使电源变换的变压器铁心饱和，导致电能表的工作直流电源降低或者消失的情况，可采用双电源变换模块安装在电能表内部的不同位置并进行屏蔽的方法，虽然增加了成本，却非常有效。此外，采用低功耗计量芯片或者电容降压供电方式，也可以避免强磁场影响。在工作电源设计时，应把负载分成两组，一组供计量、存储部分，另一组供显示、输出等。在检测到电源电压降低时，停止显示、输出等部分的工作，确保对计量、存储部分的供电，不至于对计量造成影响。
3.3防电流不平衡窃电
正常的电流不平衡体现为接地现象的存在，窃电时的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相等的情况，这是由于窃电者旁路部分电流，导致电表的测量值小于真实值。如图1b所示，窃电者可能用简单的短接进出电表的接线端，这种切电行为比较容易实施。窃电者可以在几秒内移除短路线，所以很难查处这种窃电。
图1：(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。
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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。此外，还要求电能表的计量芯片具有两个独立的ADC来进行两个电流通道(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1c为同时测量两个电流通道的模型。
在图1c中，计量芯片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计量芯片预置一个两电流通道的窃电比例因子RT，当电流通道1的电流I1>I2*RT或电流通道2的电流I2>I1*RT时，计量芯片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，当负载很小或者窃电者同时旁路两个电流通道进行窃电时，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计量芯片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。
3.4防电流反向窃电
调换进出线或者利用变压器施加低压反向大电流是窃电者经常采取的窃电行为。窃电者企图让电表负计量，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。图1d给出了电表反接窃电的模型。
电流反接时的防窃电，要求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。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。
3.5防移除电压窃电
3.5.1移除电压对工作电源的影响
移除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2a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。当负载电流大于1A-2A时应能实现电能表的防窃电测量，而当负载电流很小时，能从电流上窃取的电能将不能胜任电能表供电，因此，需要采用低功耗计量芯片。
图2：(a)移除电压窃电。(b)移除电压时的防窃电测量。(c)移除电压窃电补充。
图2b为移除电压时的防窃电测量方案。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2b中的供电CT。所以当移除电压时，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。
3.5.2移除电压对计量测量的影响
采用移除电压，CT供电进行防窃电测量时，测量的精度已难以保证。由于没有电压信号存在，功率因数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，功率因数0.9～0.95作为估计值进行计量。
此外窃电者还可能会附加电容、电感、电阻等器件及其组合来干扰对电压的正常检测，如图2c所示，此时体现为低电压、低功率因素，窃电者通过这些附加的元器件来改变电压的特性进行窃电。对于这种窃电行为，应设定低电压、低功率因数的门槛，越限给出报警，但要真正区分窃电行为造成的低电压、低功率因素还是正常的低电压、低功率因素是很困难的。
4结束语
通过改进电子式电能表的设计，可方便地实现防窃电功能，有效地防范窃电现象的发生。由于窃电给供电企业带来的损失巨大，虽然防窃电电能表价格相对偏高，但相对于窃电造成的损失还是微乎其微的，供电企业宁愿选择价格较高的防窃电电能表，因此，防窃电电能表的市场也较大。
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