隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電量的增大，社會(huì)上竊電問題變得越來越突出，據(jù)保守估算，全國(guó)每年因電能被盜損失達(dá)200億元，這不單困擾供電企業(yè)的發(fā)展，也嚴(yán)重影響了國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子式電能表即將全面替代感應(yīng)式機(jī)械電能表，針對(duì)電子式電能表的竊電手段日益高明，方法更加隱蔽，給查處帶來了很大的難度。通過對(duì)目前社會(huì)的竊電的形式、手段等進(jìn)行祥細(xì)的分析，有針對(duì)性地提出了如何改進(jìn)電能表設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防竊電功能。

　　電能表計(jì)量電量，取決于電壓、電流、功率因數(shù)三要素與時(shí)間的乘積，因此，只要改變?nèi)刂械娜魏?個(gè)就能達(dá)到竊電的目的。電子式電能表與機(jī)械式電能表相比有明顯優(yōu)勢(shì)。例如防竊電能力強(qiáng)，計(jì)量精度高、負(fù)荷特性較好、誤差曲線平直、功率因數(shù)補(bǔ)償性能較強(qiáng)、自身功耗低，特別是其計(jì)量參數(shù)靈活性好、派生功能多。由于單片機(jī)的應(yīng)用給電能表注入了新的活力，這些都是一般機(jī)械表難以做到的。但是早期的電子式電能表也有一些明顯的不足，如工作壽命較短、易受外界干擾、工作可靠性不及機(jī)械式電能表等。

　　1 單相防竊電電子式電能表的工作原理

　　1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司的一款超低功耗，16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有豐富的外圍模塊和靈活的時(shí)鐘源，其中數(shù)字控制振蕩器DC0可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16位計(jì)數(shù)器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430系列微控制器能達(dá)到zui高的代碼效率。這些特性特別適合電池供電，可大大延長(zhǎng)電池壽命。MSP430F42x系列單片機(jī)配置有3個(gè)獨(dú)立的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是適用于測(cè)量和計(jì)算二線或三線制的單相電能表的微控制器[4],其構(gòu)成的單相防竊電電子式電能表的功能框圖如圖1所示。

　　1.1.1 電源管理

　　圖1中，除電池外，電源表的電源供給由兩部分組成：一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上取得提供電源，當(dāng)進(jìn)行移除主電壓竊電時(shí)，電能表仍進(jìn)行正常計(jì)量。電源管理的電路圖如圖2所示。

　　1.1.2 LCD顯示

　　MSP430F42x內(nèi)部具有LCD驅(qū)動(dòng)器，zui多可驅(qū)動(dòng)顯示128段碼，能很好地完成LCD顯示功能，無(wú)需再擴(kuò)展LCD驅(qū)動(dòng)器，只要直接將液晶的各個(gè)腳與MSP430F42x對(duì)應(yīng)的LCD驅(qū)動(dòng)輸出腳相連即可。

　　1.1.3 通信接口

　　MSP430F42x具有1個(gè)硬件通用異步/同步接收發(fā)送外圍模塊（USART0），用于串行數(shù)據(jù)通信。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可選擇光學(xué)通信接口、RS-232/RS485接口或者兩者兼有。

　　1.1.4 脈沖輸出

　　脈沖輸出用來校表及計(jì)量，脈沖輸出的電路由普通I/O加光耦隔離實(shí)現(xiàn)。

　　1.1.5 帶溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘RTC

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC可由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部的溫度傳感器可方便地實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的溫度補(bǔ)償。

　　1.2 總體工作原理

　　MSP430F42x單相防竊電電子式電能表的工作過程程中有2個(gè)關(guān)鍵值：外部電壓（電網(wǎng)電壓、供電CT產(chǎn)生或者兩者共同起作用的電壓）和電壓有效值。當(dāng)外部電壓不存在時(shí)，電表在睡眠狀態(tài)，僅保持RTC 運(yùn)行和LCD顯示。在外部電壓存在的情況下，若電壓有效值大于電網(wǎng)電壓的zui小極限值（80 V），則認(rèn)為電網(wǎng)電壓存在，電能表在正常計(jì)量狀態(tài)，通過電流回路和電壓回路的實(shí)際測(cè)量值計(jì)量；若電壓有效值小于電網(wǎng)電壓的zui小極限值（80 V），則認(rèn)為電網(wǎng)電壓不存在，此時(shí)進(jìn)入移除主電壓防竊電測(cè)量狀態(tài)。電壓以這個(gè)地區(qū)的額定電壓為準(zhǔn)，電流以電流回路的實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量。

　　1.3 工作流程

　　電表進(jìn)入工作狀態(tài)后，在主程序中，程序循環(huán)查詢標(biāo)志，主要進(jìn)行各種判斷，判斷操作模式是否異常模式、是否等于掉電模式、是否有新的能量產(chǎn)生標(biāo)志、是否等于掉零線模式等，當(dāng)有相應(yīng)的標(biāo)志位置出現(xiàn)時(shí)，則進(jìn)行相應(yīng)的處理或進(jìn)入中斷程序。在中斷程序中，完成主要的計(jì)量工作。

　　2 多功能防竊電計(jì)量

　　多功能計(jì)量體現(xiàn)在電能表能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功、視在功率、功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、頻率、相位等的測(cè)量。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表很容易實(shí)現(xiàn)單相電能表以下防竊電的測(cè)量。

　　2.1 電流不平衡時(shí)的防竊電測(cè)量

　　電流不平衡的典型情況為零線接地或火線短接。為了檢測(cè)電流的不平衡，除了檢測(cè)火線的電流外，還要檢測(cè)零線的電流，因此需要2個(gè)電流傳感器；由于隔離的原因，可以在1路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，而另1路就必須使用成本相對(duì)較高的電流互感器。圖1即為以火線上使用電流互感器，與I1+、I1-相連接，零線上使用錳銅電阻，與I2+、I2-相連接。內(nèi)置3個(gè)獨(dú)立24位的Σ-Δ ADC的MSP430F42x進(jìn)行2個(gè)通道（火線、零線）和1個(gè)電壓通道的采樣，并在單片機(jī)內(nèi)部處理、比較2個(gè)電流通道上的電流，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時(shí)的檢測(cè)。2個(gè)電流通道的傳感器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)。

　　2.2 電流反向時(shí)的防竊電測(cè)量

　　電流反向的典型情況為火線的進(jìn)出端口連接對(duì)換。通過在單片機(jī)內(nèi)部判斷測(cè)量的功率正負(fù)來檢測(cè)電流是否反向，不需要任何的輔助元件就能實(shí)現(xiàn)電流的反向檢測(cè)。同時(shí)可以預(yù)置電流反向時(shí)的處理方式，如電流反向時(shí)取功率或電能的值為測(cè)量值等，實(shí)現(xiàn)電流反向的防竊電測(cè)量。

　　2.3 移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量

　　典型的移除主電壓為拆除電表的零線或火線連接，使得無(wú)電壓信號(hào)進(jìn)入電表。

　　對(duì)這種竊電行為，可用1個(gè)低成本的電流互感器CT（圖1中的供電CT）從剩下的連接電表導(dǎo)線中流經(jīng)的電流上獲取很小的電能，經(jīng)過電源管理模塊處理，給電能表供電，使電能表實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量。由于電能表成本、表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的zui大電流的影響，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此，能從電流上獲取給電能表供電的電能也是受限制的，特別是當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，從電流上取得的電能將不能勝任電能表的供電電源。供電部門通常希望當(dāng)負(fù)載電流大于1 A時(shí)就能實(shí)現(xiàn)電能表的防竊電測(cè)量，而且希望這個(gè)值越小越好?；谝陨弦?，需要選擇一個(gè)在移除主電壓防竊電測(cè)量時(shí)功耗很小的方案以保證能順利完成防竊電的測(cè)量。因此本設(shè)計(jì)采用MSP430F42x系列單片機(jī)，利用其超低功耗特性和豐富的模擬前端，較為容易地實(shí)現(xiàn)了移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量。模擬前端的具體電路如圖3所示。

　　通過改進(jìn)電子式電能表的設(shè)計(jì)，可方便地實(shí)現(xiàn)防竊電功能，有效地防范竊電現(xiàn)象的發(fā)生。由于竊電給供電企業(yè)帶來的損失巨大，雖然防竊電電能表價(jià)格相對(duì)偏高，但相對(duì)于竊電造成的損失還是微乎其微的，供電企業(yè)寧愿選擇價(jià)格較高的防竊電電能表，因此，防竊電電能表的市場(chǎng)也較大。