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1 引言 防竊電與計(jì)量單相電表是當(dāng)今智能化建筑領(lǐng)域中不可少的安全控制項(xiàng)目.如何用運(yùn)用微控制器技術(shù)的嵌入式解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)是工程技術(shù)人員與社區(qū)所關(guān)心的問題。為此,本文就防竊電及計(jì)量電表中微控制器嵌入式技術(shù)的應(yīng)用作研討。 2 面臨的挑戰(zhàn) 當(dāng)前，電子式電能表的防竊電與計(jì)量技術(shù)在電能表行業(yè)中的地位越來越重要，人們所意識到尤其是竊電現(xiàn)象和防竊電技術(shù)的類型在不斷增多，而且每年都會針對新的竊電行為研究出相應(yīng)的防竊電與計(jì)量技術(shù)。其特點(diǎn)是，無論在任何國家任何地區(qū)內(nèi)，都要求電能表有防竊電的計(jì)量。 以往，在傳統(tǒng)的電子式電能表設(shè)計(jì)中，由于以下原因，導(dǎo)致不能較完善地檢測或處理竊電行為：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；一些竊電方式很易操作，但卻很難檢測。 為此，如何運(yùn)用微控制器技術(shù)的嵌入式方案以解決當(dāng)前多種竊電行為或技術(shù)的研發(fā)己成為智能化建筑領(lǐng)域中不可少的安全控制項(xiàng)目。 2.1 當(dāng)今應(yīng)用微控制器嵌入式技術(shù)的計(jì)量與防竊電電表方案 2.1.1新型單片電能表微控制器 如今，用戶電表正逐漸朝著多費(fèi)率、多功能和高精度方向發(fā)展。該新型單片電表微控制器的功能和應(yīng)用性，使多功能、多費(fèi)率電表沒計(jì)更加簡單和可靠，實(shí)現(xiàn)更加高效的電能傳送，有效提高電表生產(chǎn)和制造效率。最基本的多費(fèi)率、多功能全電子電表的基本架構(gòu)為：采集輸入電壓和輸入電流信號的轉(zhuǎn)換器、顯示屏、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、非易失存儲器、電源及內(nèi)嵌程序的微控制器。將上述大部分功能電路與微控制器集成在一起。以Maxim的單片電表微控制器MAXQ2000為例，它在單一硅片上集成了雙路16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，分別用于電壓和電流信號的采樣和轉(zhuǎn)換；兩個全功能異步串行通信口(其中一個可以配置為紅外信號模式)；一個液晶顯示控制器和一個獨(dú)立的16X16乘法器；芯片上還集成了足夠的數(shù)據(jù)、程序存儲器，以滿足多費(fèi)率、多功能電表的復(fù)雜要求。圖1為以MAXQ2000微控制器為核心的單相電表基本架構(gòu)示意圖。 2,1,2 關(guān)于電壓輸入轉(zhuǎn)換 從圖1可知，方案中采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將電壓輸入轉(zhuǎn)換成微控制器內(nèi)部ADC可接受的－1V到+1V輸入。電流信號輸入端，采用一個并聯(lián)電流分流器將電表的電流輸入信號轉(zhuǎn)換為小信號電壓輸入。通過分流器的電壓信號必須足夠低，盡量降低功率損耗：一個0.5mΩ的分流器(假定輸入最大電流等于40A)只能提供0mV的滿擺幅電壓輸出，但其功耗接近1W。 2.1.3 關(guān)于架構(gòu)中串行通信口 從圖1可知，有2個外部串行通信口與微控制器相連。其一是基于RS-485標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信口。在EIA485通信網(wǎng)絡(luò)中，用PC作為網(wǎng)絡(luò)的主控制器。隨著PC輪詢這些電表，它們會進(jìn)行響應(yīng)，將表示所用電量的數(shù)據(jù)包上傳，PC匯總所有用戶數(shù)據(jù)之后再傳送至計(jì)費(fèi)中心；其二是紅外發(fā)送和接收系統(tǒng)，它基于簡單的異步通信協(xié)議。通過簡單的調(diào)制電路將串口輸出數(shù)據(jù)“o”調(diào)制為38kHz信號，數(shù)據(jù)“1”則不調(diào)制。 2,2 選擇微控制器MSP430F2012或單芯片ADE7169的單相防竊電電表方案 MSP430FE42X系列單片機(jī)將電能計(jì)量模塊直接嵌入在MSP430十六位單片機(jī)內(nèi)部，相當(dāng)于把一個電計(jì)量芯片與一個MCU的結(jié)合，他使得單相電表的設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡化，成本也得到進(jìn)一步的降低。而單芯片ADE7169在單相防竊電電表也具有與MSP430F2012相同和獨(dú)特之優(yōu)勢。 該單相防竊電電表方案的防竊電技術(shù)是智能化建筑領(lǐng)域中安全控制的重要項(xiàng)目，它具有兩路電流輸入采樣和內(nèi)部竊電判斷；通過數(shù)字增益調(diào)節(jié)，兩路電流增益可以保持一致；當(dāng)檢測到掉零線故障時(shí)，可以按照電流有效值計(jì)量；具有自動竊電檢測，不需要額外的程序設(shè)計(jì)。 本文僅對基于微控制器MSP430F2012與ADE7169單芯片技術(shù)方案的單相防竊電電表方案進(jìn)行分折。 3 單相防竊電電表設(shè)計(jì)方案 為更好的分析，在此通過二種方案作比較說明。 3.1 基于微控制器MSP430F2012技術(shù)的防竊電電表方案 MSP430FE42X不是將電能計(jì)量模塊與MSP4301"CPU的簡單結(jié)合，它還提供了對內(nèi)部模塊的控制。如果用在單相電表的設(shè)計(jì)，可以直接啟動內(nèi)部電能計(jì)量模塊ESP430，如果用于一些其他的需要16位A/D的產(chǎn)品中時(shí)，可以禁止ESP430模塊，直接對前置可變增益放大器和A/D轉(zhuǎn)換器控制。因而，這款單片機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有很大的靈活性。圖2為由MSP430FE42X單片機(jī)為核心的單相防竊電電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖。 MSP430FE42X多功能電能表電子模塊有多種板型結(jié)構(gòu)，可直接安裝在單相電度表內(nèi)。該產(chǎn)品可通過掌上電腦，以無線紅外或有線方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)抄收；也可通過表上的四個按鍵進(jìn)行設(shè)置和查詢。此外，還配有RS485接口，可通過RS485進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)抄收。 ⑴主要功能 包括電量計(jì)量，需要量、負(fù)荷計(jì)量(可選)，費(fèi)率管理，時(shí)間管理，事件記錄，輸出接口，顯示，通訊接口，按鍵操作及掌上電腦操作等。 ⑵主要技術(shù)指標(biāo) 電量計(jì)量精度10年；環(huán)境條件包括工作溫度-20℃"十55℃、運(yùn)輸存儲溫度為-25℃"十70℃、相對濕度為⑶如何防竊電主要是對電流不平衡竊電行為的防竊電技術(shù) 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)致電表的測量值小于真實(shí)值。竊電者可能用簡單的金屬楔打進(jìn)電表的接線端，這種竊電行為比較容易實(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，所以很難檢測這種竊電方式。 要檢測電流的不平衡就不可避免地增加了電表的成本，必須額外增加一個電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)零線的電流檢測。由于隔離原因，可以在第一路的電流通道上迭用低成本的錳銅電阻，但另一路就必須使用成本相對較高的電流互感器。對于單相表，可以同時(shí)測量火線和零線的電流來檢測電流是否不平衡；對于三相表，可以監(jiān)控中線的電流來檢測三相的電流是否不平衡。 在圖2中，MSP430FE42x內(nèi)置有三個獨(dú)立的16位ADC及電能計(jì)量模塊ESP430。ESP430能自動控制三個獨(dú)立的16位ADC進(jìn)行兩個電流通道(火線和零線)及一個電壓通道的采樣，并自動比較兩個電流通道的電流大小，實(shí)現(xiàn)電流不平衡時(shí)的檢測和防竊電測量。 圖2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。正常情況下，漏電流很小，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2電流通道的竊電比例因子Ratio Tamp(比率砸緊)，當(dāng)電流通道1的電流I1>I2×Ratio Tamp或電流通道2的電流I2>I1×RatioTamp時(shí)，ESP430認(rèn)為2個電流通道電流不平衡，表明有竊電行為發(fā)生。 ⑷如何實(shí)現(xiàn)對移除主電壓竊電行為時(shí)的防竊電測量 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。竊電者可能會附加二極管、電容、電阻等器件及其組合來干擾對主電壓的正常檢測，見圖3所示。 竊電者企圖通過這些附加的元器件改變主電壓的特性，干擾電能表檢測竊電行為的發(fā)生。 MSP430FE42x系列微控制器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，可以較容易地實(shí)現(xiàn)移除主電壓時(shí)的防竊電測量。 在這個方案中，除電池以外，電能表的電源供給由兩部分組成：其一、火線和零線的主電壓提供電源；其二、供電CT從電流上竊取提供電源，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)行防竊電測量。 3.2 基于ADE7169的防竊電單相表的設(shè)計(jì) 3.2.1 設(shè)計(jì)要求 為單相1級,其電壓為"220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200;有LCD顯示;具備RS485及紅外通訊接口;具備防竊電功能,即零／火線調(diào)換竊電及掉零竊電;具備事件記錄功能，能夠準(zhǔn)確記錄每次竊電事件發(fā)生的具體時(shí)間;具備停電顯示功能。 3.2.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)技術(shù)分別為：LCD驅(qū)動+MCU;UART+紅外調(diào)制；需要同時(shí)計(jì)量零線和火線電流；需要掉零防竊電功能；電池供電管理；有實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 ADE7169單芯片方案見圖4所示。 該單芯片方案集成度高；高可靠性故障率/低故障率/；軟件校表；單芯片采購容易；計(jì)量功能豐富，性能高；整體成本低。從中看出ADE7169單芯片防竊電單相表的設(shè)計(jì)方案比常用方案優(yōu)越得多。因?yàn)槌Ｓ梅桨付嘈酒桨讣啥鹊停吖收下?低可靠性，需要硬件校表，而多芯片采購難度大，計(jì)量功能單—整體成本高。 ADE7169單芯片方案的核心部分的構(gòu)建 圖5所示為構(gòu)建示意圖。 上述單相防竊電電表設(shè)計(jì)方案，不是傳統(tǒng)的沒有防竊電測量的簡單單相電能表，也不再是僅能測量火線的電流信號和電能表進(jìn)線端的電壓信號，它具備對各類竊電行為的防竊電技術(shù)。不會再象傳統(tǒng)簡單單相電能表那樣，出現(xiàn)即使是非常簡單的竊電行為也是無能為力的現(xiàn)象。 4 拓寬基于單芯片與微控制器技術(shù)的防竊電單相表的應(yīng)用 基于單芯片與微控制器的防竊電單相表具備對用磁場干擾與電流不平衡的竊電行為及對移除主電壓竊電行為等多種防竊電測量技術(shù)。本節(jié)僅對用磁場干擾的防竊電技術(shù)作說明。 4.1 永久磁場和電磁場干擾是一種竊電行為 眾所用知，永久磁場和電磁場都會影響電表的正常計(jì)量。竊電者在電表附近放置強(qiáng)磁磁鐵或大線圈都能于擾電表的正確計(jì)量，達(dá)到竊電的目的。見圖6中的紅曲線所示。 圖6 在電表附近放置強(qiáng)磁磁鐵或大線圈干擾電表的正確計(jì)量以達(dá)到竊電目的示意圖 4.2防竊電方案 方法一：因強(qiáng)磁磁鐵靠近表殼將減小功率的測量值，甚至能將功率減小到0。由于磁鐵的影響范圍較小，所以電流互感器在表殼內(nèi)的位置對抵御磁鐵的干擾相當(dāng)有幫助。大線圈產(chǎn)生的電磁場會影響電能表中大多數(shù)的元器件和核心電子器件等。為了防止磁場干擾，電能表內(nèi)部元器件的位置及其安裝位置非常重要。應(yīng)把易受磁場影響的敏感器件盡量放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。 方法二：磁屏蔽是一種非常有效的防止磁場干擾的方法。首先，可使用金屬外殼的電流互感器，屏蔽磁場對它的影響。其次可以在表殼內(nèi)襯薄層金屬，以屏蔽整個電能表模塊。但是這種做法將增大原材料、生產(chǎn)及安裝的成本。 |
