針對(duì)各類竊電行為的防竊電技術(shù)進(jìn)行研究分析

當(dāng)前，電子式電能表的防竊電技術(shù)在電能表行業(yè)中的地位越來越重要，不同國(guó)家、地區(qū)的電能表市場(chǎng)都在不同程度上要求電能表的防竊電計(jì)量。人們所意識(shí)到的竊電現(xiàn)象和防竊電技術(shù)的類型在不斷增多，而且每年都會(huì)針對(duì)新的竊電行為，研究出相應(yīng)的防竊電技術(shù)。

在傳統(tǒng)的電子式電能表設(shè)計(jì)中，由于以下幾點(diǎn)原因，導(dǎo)致它們不能較完善的檢測(cè)或處理竊電行為：僅使用進(jìn)線端的電壓和火線的進(jìn)出端所流經(jīng)的電流作為電能計(jì)量的依據(jù)；絕大多數(shù)沒有使用很可靠的鉛封；一些竊電方式很容易操作，但是很難檢測(cè)。

MSP430FE42x系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司新推出的單相防竊電多功能電能表專用芯片，它是德州儀器MSP430系列產(chǎn)品的成員，是一款超低功耗的16位單片機(jī)。MSP430FE42x芯片內(nèi)部包含了單相防竊電多功能電能表計(jì)量模塊ESP430CE1，所以無需再擴(kuò)展計(jì)量芯片，僅用單個(gè)MSP430FE42x芯片就可以實(shí)現(xiàn)單相防竊電多功能電能表。下面本文將以MSP430FE42x單相防竊電多功能電能表為例，分析當(dāng)前的竊電行為以及相應(yīng)的防竊電技術(shù)。

竊電行為的類型

人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多防竊電行為，一些竊電行為是非常容易實(shí)施的，然而要檢測(cè)這些竊電行為卻是非常困難的；一些竊電行為不易實(shí)施，而且不太可能發(fā)生，但是供電部門還是希望有針對(duì)這些竊電行為的對(duì)策。

竊電行為的種類很多，這里我們把它們概括為以下幾種類型：由于表殼或電表箱的原因?qū)е赂`電者有機(jī)可乘而發(fā)生的竊電行為；磁場(chǎng)干擾的竊電行為；增加額外的導(dǎo)線、旁路部分電流的竊電行為；移動(dòng)或移除電能表接線的竊電行為；增加額外的器件，如二極管、電容、電阻及其組合，改變電壓回路的波形、相位，降低電壓回路電壓的竊電行為。

電能表防竊電技術(shù)

與三相電能表比較，單相電能表的市場(chǎng)更加注重于電能表的防竊電技術(shù)。圖1所示沒有設(shè)計(jì)防竊電測(cè)量的簡(jiǎn)單單相電能表，它僅能測(cè)量火線的電流信號(hào)和電能表進(jìn)線端的電壓信號(hào)，而對(duì)于即使是非常簡(jiǎn)單的竊電行為也是無能為力的。

接下來我們討論針對(duì)各類竊電行為的防竊電技術(shù)。

1. 表殼和電表箱的防竊電技術(shù)

表殼是對(duì)付竊電的第一道防線。一些供電部門要求采用聚碳酸酯的表殼，但是這樣表殼的費(fèi)用會(huì)占據(jù)整個(gè)電表成本的很大一部分，為此我們可以壓縮電表的體積，使用緊湊的表殼來節(jié)省材料，降低費(fèi)用。

很多供電部門對(duì)電能表表殼的鉛封和膠合都有詳細(xì)的要求，他們通常要求電表有出廠鉛封，有些供電部門甚至要求把電能表表殼通過焊接膠合，要打開電表就必須損壞它，以此來對(duì)抗一些竊電行為。

支持通過通信口自動(dòng)校表的電能表，在校表時(shí)，應(yīng)要求打開電表，短接內(nèi)部的跳線才能實(shí)現(xiàn)校表，以此降低非正常校表發(fā)生的可能性。

圖1：簡(jiǎn)單的單相電能表。

另外，使用電表箱也能抑制一些竊電行為的發(fā)生。用某些形式鉛封電表箱，盡量減小導(dǎo)線周圍的間隙，增加旁路電流、反接電能表等竊電行為的難度。如果必要，還可以在電表箱內(nèi)添加檢測(cè)設(shè)備，以檢測(cè)竊電者對(duì)電表箱的非法操作。

2. 磁場(chǎng)干擾

永久磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)都會(huì)影響電表的正常計(jì)量。如圖2a所示，竊電者在電表附近放置強(qiáng)磁磁鐵或大線圈都能干擾電表的正確計(jì)量，達(dá)到竊電的目的。

強(qiáng)磁磁鐵靠近表殼將減小功率的測(cè)量值，甚至能將功率減小到0。由于磁鐵的影響范圍比較小，所以電流互感器在表殼內(nèi)的位置對(duì)抵御磁鐵的干擾是相當(dāng)有幫助的。大線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)影響電能表中大多數(shù)的元器件，例如，錳銅電阻、電流互感器、核心的電子器件等。

為防止磁場(chǎng)干擾，電能表內(nèi)部元器件的位置及其安裝位置是非常重要的。應(yīng)把易受磁場(chǎng)影響的敏感器件盡量放置在貼近電能表背面的地方，因?yàn)橥ǔ８`電者很難從電能表背后干預(yù)電表的正確計(jì)量；應(yīng)保持易受磁場(chǎng)影響的敏感器件遠(yuǎn)離電能表的頂部和兩邊，因?yàn)轫敳亢蛢蛇吺侨菀渍掣酱盆F的地方。

磁屏蔽是一種非常有效的防止磁場(chǎng)干擾的做法，首先我們可以使用金屬外殼的電流互感器，屏蔽磁場(chǎng)對(duì)它的影響。其次我們可以在表殼內(nèi)襯薄層金屬，以屏蔽整個(gè)電能表模塊。但是這種做法將增大原材料、生產(chǎn)及安裝的成本。

如果確實(shí)不能排除磁場(chǎng)的干擾，可以測(cè)量磁場(chǎng)，并補(bǔ)償相應(yīng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.5T或更大時(shí)，就很難有效地屏蔽它，此時(shí)可以用低成本的磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器來檢測(cè)磁場(chǎng)，并把這些用戶的收費(fèi)定得足夠高，以此來補(bǔ)償由于強(qiáng)磁干擾而產(chǎn)生的計(jì)量誤差。

3. 電流不平衡

通常電流不平衡體現(xiàn)為接地模式，實(shí)際上電流不平衡包括任何的火線和零線的測(cè)量所得到的負(fù)載電流不平衡的情況。竊電者可能旁路部分電流，導(dǎo)致電表的測(cè)量值小于真實(shí)值。如圖2b所示，竊電者可能用簡(jiǎn)單的金屬楔打進(jìn)電表的接線端，這種切電行為比較容易實(shí)施。如果要求讀表，竊電者可以在幾秒內(nèi)移除旁路電流的金屬楔，所以很難檢測(cè)這種竊電方式。

圖2：（a）磁場(chǎng)干擾影響電表的正常計(jì)量。（b）旁路電流竊電。（c）電流不平衡的防竊電測(cè)量。（d）電表反接竊電。

要檢測(cè)電流的不平衡就不可避免增加電表的成本，必須要額外增加一個(gè)電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)零線的電流檢測(cè)；由于隔離原因，可以在第一路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，但是另一路就必須使用成本相對(duì)較高的電流互感器。對(duì)于單相表，可以同時(shí)測(cè)量火線和零線的電流來檢測(cè)電流是否不平衡；對(duì)于三相表，可以監(jiān)控中線的電流來檢測(cè)三相的電流是否不平衡。

MSP430FE42x內(nèi)置有三個(gè)獨(dú)立的16位ADC及電能計(jì)量模塊ESP430。其中ESP430能夠自動(dòng)控制三個(gè)獨(dú)立的16位ADC進(jìn)行兩個(gè)電流通道（火線、零線）和一個(gè)電壓通道的采樣，并自動(dòng)比較兩個(gè)電流通道的電流大小，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時(shí)的檢測(cè)和防竊電測(cè)量。圖2c為同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電流通道的模型。

在圖2c中，ESP430將同時(shí)計(jì)量經(jīng)錳銅電阻取樣的火線電流和經(jīng)CT取樣的零線電流。在正常情況下，漏電流是很小的，所以火線回路和零線回路的電流基本一致，可以給電能計(jì)量模塊ESP430預(yù)置一個(gè)兩電流通道的竊電比例因子RatioTamp，當(dāng)電流通道1的電流I1》I2*RatioTamp或電流通道2的電流I2》I1*RatioTamp時(shí)，ESP430認(rèn)為兩個(gè)電流通道電流不平衡，表明有竊電行為發(fā)生。

有一點(diǎn)需要注意，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電流不平衡的錯(cuò)誤檢測(cè)，這是應(yīng)該避免的。應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用給ESP430預(yù)置相應(yīng)的電流不平衡檢測(cè)開始電流ITamp，只有當(dāng)負(fù)載電流大于ITamp時(shí)，電流不平衡的檢測(cè)才起作用。

竊電者可能會(huì)同時(shí)旁路兩個(gè)電流通道進(jìn)行竊電。要檢測(cè)這種竊電行為，我們應(yīng)該使用更小的電流不平衡檢測(cè)開始電流ITamp，但是這個(gè)時(shí)候錯(cuò)誤的防竊電檢測(cè)必須要更加重視，應(yīng)該根據(jù)負(fù)載電流的大小，動(dòng)態(tài)地改變竊電比例因子RatioTamp。RatioTamp一般的標(biāo)準(zhǔn)為（1＋1/8），大電流時(shí)可以用（1＋1/16）或（1＋1/32），在小電流時(shí)可以用更大的竊電比例因子。

4. 電流反向

調(diào)換進(jìn)出線是竊電者經(jīng)常采取的竊電行為，他們企圖讓電表負(fù)計(jì)量，使計(jì)量值向后退，這種竊電行為比接地或旁路電流的竊電行為更具侵害性。竊電者需要對(duì)電表重新接線，一般他們不可能在幾秒內(nèi)完成整個(gè)過程，而且經(jīng)過一定時(shí)間后必須要恢復(fù)接線正常，否則電表的計(jì)量將小于0。由于電表一般被安裝在狹小的空間內(nèi)，很難看清導(dǎo)向的走向，分清進(jìn)線和出線，因此檢查這種竊電行為存在一定的難度。圖2d給出了電表反接竊電的模型。

MSP430FE42x的電能計(jì)量模塊有自動(dòng)檢測(cè)電流反向功能，不需要任何的輔助元器件就能實(shí)現(xiàn)電流反向的檢測(cè)。同時(shí)，可以給電能計(jì)量模塊預(yù)置電流反向時(shí)的處理方式，如電流反向時(shí)取功率或電能的絕對(duì)值為測(cè)量值等等。

對(duì)于電流反接時(shí)的防竊電，有一點(diǎn)需要注意，當(dāng)負(fù)載電流非常小的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的電流反向警告，這是需要避免的?？梢栽O(shè)定一個(gè)電流反向檢測(cè)的最小電流極限，當(dāng)小于這個(gè)最小電流極限時(shí)，關(guān)閉電流反向檢測(cè)功能，防止錯(cuò)誤的電流反向警告。

5. 移除主電壓

移除主電壓表現(xiàn)為移除電表接線中的一路，通常竊電者移除零線，使得電表沒有電網(wǎng)電壓的進(jìn)入，導(dǎo)致電表不能正常計(jì)量或不能工作，如圖3a所示。

對(duì)付這種竊電行為，可用一個(gè)低成本的電流互感器CT，從其余的連接電表導(dǎo)線中流經(jīng)的電流上竊取很小的電能給電能表供電，使電能表實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量。由于受到電能表成本、電能表表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流等諸多因素的影響，選擇從電流上竊電的CT是受限制的，因此能從電流上竊電給電能表供電的電能也受限制。尤其當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，能從電流上竊取的電能將不能勝任電能表供電。

供電部門通常希望當(dāng)負(fù)載電流大于1A－2A時(shí)就能實(shí)現(xiàn)電能表的防竊電測(cè)量，而且這個(gè)能實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量的負(fù)載最小電流極限值越小越好?；谝陨系囊?，我們需要選擇一個(gè)在移除主電壓防竊電測(cè)量時(shí)功耗很小的方案，以保證順利完成防竊電的測(cè)量。

圖3：（a）移除主電壓竊電。（b）移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量。（c）移除主電壓竊電補(bǔ)充。

TI的MSP430FE42x系列單片機(jī)具有豐富的模擬前端和防竊電多功能電能表計(jì)量模塊ESP430，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量。圖3b為移除主電壓時(shí)的防竊電測(cè)量模型。

在這個(gè)方案中，除電池外，電能表的電源供給由兩部分組成，一是火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上竊取提供電源，如圖3b中的Supply CT。所以當(dāng)移除主電壓時(shí)，供電CT從電流上竊取的電源仍能保持電能表工作，進(jìn)行防竊電測(cè)量。

供電CT要在小電流時(shí)也能夠驅(qū)動(dòng)電能表工作。通常當(dāng)負(fù)載電流為1A時(shí)，一個(gè)小的CT提供等效于1mA/3V，這對(duì)于MSP430FE42x單片機(jī)來說已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)防竊電測(cè)量。當(dāng)然如果選用更大的CT，能降低移除主電壓防竊電測(cè)量負(fù)載的最小電流極限值，但是這一方面將增加供電CT的成本，另一方面，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)，電源管理相關(guān)的元器件將承受很大的壓力，并有可能損壞，所以以選用大CT的方法是不可取的。

采用移除主電壓，CT供電進(jìn)行防竊電測(cè)量時(shí)，測(cè)量的精度不是最終要的指標(biāo)。由于沒有主電壓信號(hào)存在，功率因素和外部電壓的測(cè)量已經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)。一般可以使用額定電壓作為估計(jì)值進(jìn)行計(jì)量。沒有功率因素，最高的電流精度對(duì)于電能的計(jì)量都是沒有意義的，而且主電壓的估計(jì)值在不同地區(qū)，不同電網(wǎng)會(huì)有幾個(gè)百分比的誤差，即使在同一個(gè)城市誤差也依然存在。

前面提到的移除主電壓竊電行為是斷開一根導(dǎo)線的連接，主電壓為零。竊電者可能會(huì)附加二極管、電容、電阻等器件及其組合來干擾對(duì)主電壓的正常檢測(cè)。如圖3c所示。

在圖3c中，我們以附加二極管為例，實(shí)際上這個(gè)二極管可能被電容、電阻以及三者的組合所代替。竊電者企圖通過這些附加的元器件改變主電壓的特性，干擾電能表檢測(cè)竊電行為的發(fā)生。對(duì)于這種竊電行為，首先要區(qū)分是真正的低電壓還是竊電行為造成的低電壓。如果附加的元器件組合使這個(gè)電源供給仍然是全波的波形，這將很難區(qū)分是低電壓還是竊電行為；如果是半波的波形，則可以通過檢測(cè)它的周期來區(qū)別是否有附加的元器件存在。

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