智能反窃电装置设计.doc

长春理工大学毕业设计 摘摘 要要 本文介绍了一种智能反窃电装置系统 该系统从高压母线上获取系统电源 从母线直接获取用户真实用电信号 并以此为依据准确的判断用户是否窃电 系统应用微处理器 一旦用户窃电 系统将自动记录用户窃电的详细窃电信息 在以上的基础上 实现了整个系统结构的一体化方案 即将系统的电源 处理 电路固化在一起安装在高压母线上 这种结构可以有效地防止用户对系统进行 破坏 关键词关键词 反窃电反窃电 系统电源系统电源 微处理器微处理器 ABSTRACT In this paper a unit of intelligent system The system bus from the high pressure system on access to power direct access from the bus users real power signal and as a basis for accurate judgement whether the user Fault Tolerant Application of the microprocessor system once the user Fault Tolerant the system will automatically record the user Fault Tolerant Fault Tolerant detailed information On the basis of the above the realization of the entire system structure of the integration programme is about the power system the processing circuitry installed in high pressure curing together on the bus this structure can effectively prevent the destruction of the system users Key words Anti electricity theft Power System Microprocessor 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 反窃电技术研究的意义 1 1 2 反窃电技术研究的现状 1 1 3 系统总体设计思路 4 1 4 主要内容概述 4 1 5 系统的技术要求 5 第二章第二章 系系统统总体设计总体设计 6 2 1 系统电源设计 6 2 2 电源 CT 的设计 7 2 3 电源电路设计 9 2 4 数据处理系统设计 10 第三章第三章 用户窃电的判断用户窃电的判断 19 3 1 电能表的工作原理 19 3 2 常见的窃电方法 20 3 3 母线电流信号采样 20 3 4 用户窃电方法的判别 23 第四章第四章 总结总结 29 参考文献参考文献 30 致致 谢谢 31 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 反窃电技术研究的意义反窃电技术研究的意义 长期以来 窃电问题一直困扰着供电部门 由于窃电手段层出不穷 给反 窃电工作带来很大难度 我们很有必要对窃电的方式方法进行研究 以期更好 地提高反窃电技术水平 彻底堵塞窃电漏洞 电是商品 我国电力法的颁布 明确了供用电双方的权利和义务 使电力 市场走上规范化 法制化的道路 用户用电必须按照国家核准的电价和计量装 置的记录按时交纳电费 窃电是一种违法犯罪行为 禁止任何单位和个人非法 侵占 使用电能 但是在现实生活中一些企业和个人受非法获利思想的驱使进 行窃电以达到少缴纳电费甚至不缴纳电费的目的 国家和电力经营企业因此蒙 受了巨大的经济损失 窃电行为不仅损害了国家和电力经营企业的经济利益 还危及电网正常运行 阻碍电力工业正常发展 个别用户的私拉乱挂极易引发 电网事故 使合法用户的权益无辜受害 影响地区经济的健康发展随着供电部 门对窃电行为的严肃查处 窃电用户的窃电行为越来越隐蔽 而电力部门仅能 对一些具有窃电嫌疑的电力用户实行突击检查 不可能对所有用户进行全天监 察 查电者在明处 窃电者在暗处 一些用户在电力部门检查之前恢复正常计 量 在稽查人员离开之后又开始窃电 还有的用户的窃电行为非常隐蔽 稽查 人员无法发现 所以 要同窃电行为做斗争 就迫切需要一种功能齐全的反窃 电装置 1 2 反窃电技术研究的现状反窃电技术研究的现状 窃电行为给国家 社会造成了巨大的危害 许多研究部门开发了各种反窃 电装置 有的已经制成产品挂网使用 针对使用不同类型电能表的电力用户 有不同结构的反窃电装置 以下是两种典型的反窃电装置 是专门用于大型电 力用户的高压高供型电能表 1 2 1 三相防窃电器三相防窃电器 1 图 1 1 是该装置的原理图 图 1 1 三相防窃电器原理框图 经过分析 该装置能判断短路 CT 的窃电行为 但判断这种窃电行为有一 g 个前提条件 就是在短路 CT 次级输出的同时不短路 CT 的次级输出 但是 gh CT 的次级输出直接暴露在低压侧 容易被用户做手脚 如果用户在短路 CT h 的同时短路 CT 这样 CT 和 CT 的电流都为零或者成比例减少 检流互感 ghgh 器 CT 次级没有信号输出 装置判断不出窃电 不能起到记录窃电行为的作用 2 除此之外 这种反窃电装置的自我保护功能也比较差 其判断机构裸露在外 容易被用户做手脚 并且整个系统的电源直接采自低压 220V 电网 很容易被用 户切断电源使整个装置无法工作 1 2 2 电能表电压 电流回路实时检测器电能表电压 电流回路实时检测器 2 这种装置判断电流型窃电的基本原理是检测电能表的电流线圈所流过的三 相电流之和 当电流线圈上的三相电流之和不为零时 认为用户存在着电流型 窃电 分析这种防窃电装置 在用户断路或短路三相电流中的一相或两相时 由于穿过检测电流互感器的三相电流出现不平衡 检测电流互感器将有信号输 出 此时系统能正常工作记录用户的窃电行为 但是当用户同时全部短路三相 电流 会使穿过检测 CT 的三相电流消失或仍然会维持穿过检测 CT 的三相电流 相等 此时由于 CT 没有信号输出系统不能识别这种窃电手段 同样 这种装 置的执行机构也裸露在低压空间中 电源取自低压 220V 电网 容易受人为破坏 综合以上两种反窃电装置和其它反窃电措施 经仔细分析 现存的反 4 3 窃电装置主要存在着以下几方面的不足 1 在检测比较手段上存在着 自己比自己 的弱点 也就是说用作比较基 准的信号或者是直接是要检测的信号 或者是通过相同位置上的 CT 取过来的 信号 在用户的某些窃电方式下容易失去比较基准 不能进行正确判断 造成 功能上的缺陷 2 检测仪安装在低压侧 这无疑给电力部门带来了保护反窃电装置的新课 题 并且其电源取自低压电网或电能表的测量 PT 容易受到人为破坏或者在用 户断路 PT 时失去工作电源 3 功能单一 仅能记录用户的总窃电次数和总窃电时间 无法记录用户每 次窃电的具体窃电情况 包括起始时间 窃电方式 结束时间等 不能给电力 部门进行处理时提供比较详细的依据 可见 开发具有自动进行窃电信息抄录的反窃电装置是十分必要的 并且 随着电力负荷控制系统的推广 要求有一种带有实时总线的反窃电装置 使电 力部门能及时了解用户的用电状态 以便做出反应 1 3 系统总体设计系统总体设计思路思路 电源 CT 采样 CT 电源变换电路 采样处理AD 转换 换换 电压基准比较电路 1 电能表信号采样信号处理比较电路 2通讯部分 微 处 理 器 部 分 高压母线 图 1 2 是反窃电系统主机的原理结构框图 系统的工作原理可以简述为 利用电源 CT 从高压母线感应出电流 通过电 源变换电路为系统的其余部分提供 5V 的工作电源 同时通过采样 CT 从高压 母线上获取用户用电的真实电流信号 以这个信号作为基准 与从用户电能表 侧取得的电能表记录的用户的电流信号进行比较 当从电能表侧取得的信号小 于从母线上取得的信号时 认为用户正在进行电流型窃电 系统对用户是否进行 电压型窃电的判别是通过从用户电能表侧取得的电压信号与基准电压比较 当 用户电能表侧的信号小于基准电压时 认为用户正在电压型窃电 当判断用户 有窃电时 微处理器根据系统的实时时钟的时间记录用户的窃电开始时间和窃 电方式 根据采样 CT 的信号计算用户窃电时的参考用电量 在用户窃电结束 时记录用户窃电的结束时间 并随时响应手持机或负控中心发出的指令 将用 户的窃电信自 发送给手持机或负控中心 1 4 主要内容概述主要内容概述 论文中的主要工作是大型电力用户反窃电系统主机的设计 在论文中分 4 部分对反窃电装置的研制做详细阐述 第一章 绪论介绍了反窃电技术研究的重要性 发展现状 提出了论文的技 术路线和装置的总体结构及系统的总体概述 第二章 电源设计的主要内容是电源 CT 电源电路的设计和电源性能的测 试以及微处理器部分设计 并从硬件和软件两方面介绍了微处理器部分的设计 第三章用户窃电的判断在简述电能表工作原理 介绍常见窃电手法的基础 上给出了电流型窃电和电压型窃电的判断方法 第四章 总结 1 5 系统的技术要求系统的技术要求 1 同时在高压侧和低压电表侧采集用户用电的真实信号和电表记录的用户 用电信号 二者进行比较判断用户是否窃电 2 供电电源从高压母线获取 只要用户用电 母线中有电流 系统电源便 可为系统供电使系统正常工作 用户不用电 系统失去电源 此时用户也不存 在窃电情况 3 窃电仪使用两种数据通讯方式 一种是红外数据传送方式 使用这种方式 进行通讯的反窃电仪为 型机 安装在没有负控终端的配电室内 另外一种是 RS485 通讯方式 采用这种通讯的反窃电仪为 II 型机 安装在已经配备负控终 端的配电室内 可以通过负控终端与负控中心进行通讯 考虑到现场使用情况 I 型机分为主机与分机两部分 主机挂在用户高压侧用于检测记录用户的窃电情 况 分机为手持式 汉字显示 主机和分机可以通过红外进行数据传输 通过 地址编码 一台分机可以读取多台主机的数据 以降低单机平均成本 II 型机 的通讯部分和监测用户用电情况的主机固化在一起 通过双绞线与负控终端连 接 4 一体化模块式结构 为了防止人为破坏和确保安全可靠 将主机部分用 高绝缘性能的树脂 30kV mm 固化为一体安装在用户的高压侧 使用户无法对主 机做手脚 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 2 1 系统电源设计系统电源设计 系统电源要保证在母线电流变化时 能正常提供后续电路工作所需要的 5V 电源 2 1 1 电源设计整体概述电源设计整体概述 系统的电源主要由两部分组成 电源 CT 和电源变换电路 这两部分是和后 面的检测处理电路固化在一起 安装在高压母线侧 这样可以提高电源的自我 保护能力 使用户难以对电源进行破坏 电路原理图如图 2 1 示 图 2 1 电源电路图 系统电源设计中要解决两个问题 一是在母线电流较低的情况下保证电源 能够提供系统工作所需要的最低电压 电流 这要求电源 CT 的变比要小 损 耗要小 但是满足了这个条件 母线电流增大时 电流互感器的次级输出电流 成比例增大 对于同样的二次负载 功耗将增大很多 这就要求解决母线电流 较大时能量的旁路和散热等问题 2 2 电源电源 CTCT 的设计的设计 电源 CT 为母线式电流互感器 在结构上包括带二次绕组的铁芯及一次与 二次绕组之间的绝缘 在绝缘内有为通过一次绕组 母线 的窗口 通道 5 2 2 1 电流互感器的基本电磁关系电流互感器的基本电磁关系 电流互感器的等效电路图如图 2 2 示 图 2 2 电源互感器的等效电路 其中 R 是初级线圈的铜阻 X 是初级线圈的漏感 将初级线圈的铜阻和漏 11 感划出之后 就剩下一个理想铁芯线圈电路 但铁芯中仍然有能量的损耗和储 放 可用等效的电阻 R 和电感 X 表示 R 是折合到初级的次级铜阻 X 是折 mm22 合到初级的次级漏感 Z 是折合到初级的次级负载 稳态运行时电势平衡和磁 f 势平衡方程式为 E U I R jX I Z I R jX 2 1 222222f222 流过 X 的电流在铁芯内产生磁通 称此电流为励磁电流 电流互感器在正 m 常运行时 其次级阻抗 Z 较小 绕组电势很小 磁通密度较低 随着负载阻抗 f 增加 感应铁芯磁通密度相应增大 增大到一定程度 铁芯出现饱和 此时电 流互感器的次级输出电流除了基波外有一系列的奇次谐波 电流互感器饱和后 铁芯耗损和温升提高 影响铁芯的正常工作 甚至有可能破坏高压绝缘 同时 谐波的产生也对电子器件的正常工作产生影响 在高饱和后铁芯会残留较大的 剩磁 使测量用互感器的精度降低 2 2 2 电流互感器铁芯的选择电流互感器铁芯的选择 电源的设计是要保证反窃电主机能适应母线电流变化较大的情况 当母线 电流较低时 要保证系统能正常工作 互感器的次级必须要有足够的输出 根 据式 2 1 互感器铁芯的损耗应该越小越好 系统中的电流互感器铁芯是选用 R Round 型铁芯 R 型铁芯是由一条硅钢带连续卷绕成梯形截面的二柱式铁芯 无切割 圆形截面 具有以下特点 6 1 铁芯体积小 重量轻 体积比同等功率的 E I 型铁芯小 30 重量低 40 2 铁芯无气隙 漏磁低 低于 E I 型铁芯的十分之一 3 铁芯无切割 损耗低 效率高 产热小于 E I 型铁芯的一半 4 无切割结构和圆形截面使得铁芯噪声极低 2 2 3 互感器二次线圈的设计互感器二次线圈的设计 互感器二次线圈的设计主要是线圈匝数的确定和绕线类型的选择 系统在 正常工作时需要的是 5V 电压提供 30mA 电流 这要求互感器的输出电流不能低 于 30mA 考虑到集成稳压器的输入输出压差 互感器的输出电压不能低于 9V 同时 互感器得输出电流 电压不能过大 否则后继处理电路功耗增加 影响电路的正常工作 线圈匝数的计算公式为 W 2 f E 2 2 式 2 2 中 f 为工频 50Hz BS 为磁通量 对于冷轧硅钢片 其铁芯磁通密 度可以取 1 0T 铁芯的截面积为 7 1cm 若 E 取 9V 由 3 2 可得 W 59 匝 7 2 这说明要在次级产生 9V 电压 互感器的次级线圈不能低于 59 匝 对于输出电 流 假设要求互感器在初级电流为 5A 时输出 30mA 电流 根据互感器的初级 次级电流之比可以算出互感器的次级线圈最多为 166 匝 考虑到互感器的漏感 利用效率等因素 实际匝数要比这个匝数少 系统中选用的电流互感器二次线 圈的匝数为 140 匝 电源互感器的二次线圈铜芯截面积的确定主要取决于热计算 铜导线长期 工作的电流密度应限制在 2 3A mm 之内 2 2 3 电源电路设计电源电路设计 电源电路要保证在互感器电流变化时 特别是在互感器二次电流较大时 电源能为系统提供稳定的 5V 电压 电源电路图己经在图 2 1 中给出 电流互感 器 CT 的二次电流经过整流桥 B1 整流 电容 C1 C2 C3 滤波后送入后面的稳压 电路 主机在与手持机或负控终端进行通讯时 瞬时功耗将增加一倍多 电容 C1 C2 主要起储能作用 使系统在母线电流较低时 5A 左右 主机能正常进行与 手持机或负控终端进行通讯 D 是多个二极管串联 可以起到限压的作用 在 母线上的电流较大时保护整个电路 此时 D 为电路中的主要耗能部分 在封装 时 D 与系统的线路板分开 单独散热 系统中的其它部分不受影响 电容 C3 C4 C5 的作用是抑制电源的纹波 在大电容 C5 存在的情况下 必须使用二极 管 D2 以保护稳压块 7085 TVSS 为瞬时电压浪涌抑制器 当受到瞬态高能量冲击时 能吸收能量高达 数千瓦的浪涌 响应时间 10秒 将两极之间的电压钳位于一个定值 这个 12 8 器件在电路中的主要作用是防止电网瞬间过压或受到雷击对后面电路的危害 2 3 1 串联二极管的保护作用串联二极管的保护作用 电流互感器的次级输出电流变化比较大 在电源 CT 大电流输出时必须能 消耗掉多余的能量 提供给后面电路正常工作所需的电压 图 2 3 的实验电路是为了验证二极管的作用而设计的 由于实验室中很难 得到 200A 的电流 所以在验证二极管的保护作用时没有使用电流互感器 而是 直接使用稳压电源给二极管供电 这样也可以得到与主机挂网运行时同样的效 果 图 2 3 串联二极管的输出电压 随电流变化的测试电路 图 2 3 中的 R1 R2 R3 R4 是四只 5 1 5W 的电阻实验中调节电压源的输 出 控制回路中的电流变化的关系 2 4 数据处理系统设计数据处理系统设计 微处理器部分的主要功能是记录用户每次窃电的起始时间 窃电方式 结 束时间 计算用户在这段时间的参考用电量 并能通过红外或 RS485 总线响应 手持机或负控中 包括两部分 首先是微处理器部分的硬件电路设计 第二部 分是软件设计 2 4 1 硬件电路硬件电路 微处理器硬件电路的设计原则是在保证系统功能和可靠性的前提下 尽量 降低整个系统的功耗 减少元器件的数量 减少电路板的面积以利于最后的固 化 这部分电路包括单片机 存储器 A D 转换器 时钟芯片 红外收发电路 等 电路中使用的大部分芯片为 CMOS 芯片 功耗比较大的部分 A D 转换 存 储器 都使用了串行芯片 图 2 4 为这部分的电路框图 图 2 5 为电路原理图 存储器 AD 转换器 母线电流信 号 基准源 微 处 理 器 用户窃电信号 实时时钟 红外接收 红外发射 图 2 4 微处理器部分电路框图 图 2 5 微处理器部分电路图 电路图主要由 AT87FS1 TLC549 DS12887A X25045 组成 1 AT87F51 芯片简介 AT87F51 为系统的主处理器 AT87F51 为 CFIMOS 芯片 允许电压的波动 范围为 5V 20 内部带有 4K 程序存储器 ROM 和 128B 数据存储器 RAM 通 过编程选定 最多可有 32 根 I O 口线 有两根口线可作为全双工串行口 可通过 编程选择四种通讯方式 有两个 16 位定时计数器 每个定时器具有四种工作方 式 有五个中断源 可分为两个优先级 每个中断的优先级是可以编程选定的 内 部 RAM 中开辟了 4 组通用工作寄存器区 每组 8 个通用寄存器 能适应多个 中断和子程序嵌套的情况 有功能强大的布尔处理器 有丰富的寻址方式和指令系 统 使用方便 最重要的是 87F51 支持等待工作方式 在等待工作方式下 单 片机本身消耗的电流由正常的 16mA 5V 12MHz 降低为 3 7mA 中断及硬件复 位均可终止等待方式 11 2 X25045 芯片简介 X25045 是 Xicor 公司生产的 EEPROM 器件 把微处理器外围器件最基本 的三种功能 看门狗定时器 复位控制和 EEPROM 集成在单个 8 引脚封装的 CMOS 器件内 将电源监控和看门狗定时功能与高速 三线 非易失性存储器 组合在一起 降低了系统对电路板空间的要求 其存储器部分是 4096 位串行 EEPROM 具有简单的三总线工作的串行外设接口 SPI 提供了不小于 100 000 次的使用期限和最少 100 年的数据保存期 3 TLC549 芯片简介 TLC549 是以 8 位电容逐次逼近 A D 转换器为基础而构造的 CMOSA D 转 换器 能通过 3 态数据输出与微处理器或外围设备串行接口 TLC549 仅用输入 输出时钟 I O CLOCK 和芯片选择 CS 输入做数据控制 其 I O CLOCK 输入 频率最高可达 1 1MHz TLC549 提供了内部系统时钟 它通常工作在 4MHz 而 不需要任何外部元件 I O CLOCK 和内部时钟一起可以实现高速数据传送和每 秒 40 000 次转换的转换速度 TLC549 能在 3V 至 6V 的宽电压范围下工作 最 大消耗电流为 3mA 不可调整误差最大为 0 5LSB 是较理想的低成本 高性 能的 A D 转换器件 TLC549 只需要片选信号 CS 时钟 CLK 数据输出 OUT 三根口线与单片 机相连 4 DS12887A 芯片简介 DS12887A 是一个双列 24 脚实时时钟芯片 内部带有锂电池 振荡晶体 写保护电路 非易失性记时时钟 静态 RAM 报警时钟 百年日历 可编程方 波发生器 通过 MOT 脚的电平选择可以选择与 51 系列单片机兼容的总线方式 当外部输入电压高于 4 25V 时 DS 12887 正常工作 当外部输入电压低于 4 25 V 时 无论外部片选信号的高低 DS 12887 的片选被强制置成无效 内部 RAM 被写保护 此时所有输入无效 外部电压降到 3V 以下时 外部电压被断 开 由内部锂电池给实时时钟和内部 RAM 供电 以保证时钟的正确性 12 2 4 2 软件设计软件设计 1 系统软件的总体结构 系统的软件部分由系统初始化模块 系统监控模块和系统动作模块三个部 分组成 按照作用的不同 系统的监控模块和动作模块可以分为三个层次 图 2 6 是系统的监控软件和动作程序的结构框图 监控程序 ACT1ACT2ACT3ACT4ACT5ACT6ACT7ACT8 X25045 读写模块 电量采 集模块 系统时钟 控制模块 红外 485 指令接受模块 红外 485 数据发送模块 图 2 6 系统软件整体结构框图 图 2 6 中的监控程序为管理层 作为系统的管理核心 用来调度和管理各 项任务 ACT1 ACT8 是系统的 8 个主要动作模块 包括窃电开始处理模块 窃电继续处理模块 窃电结束处理模块 读系统时间模块 修改系统时钟模块 读窃电记录模块 读窃电状态模块 清除记录模块 这些模块作为系统的任务 层 程序运行过程中 监控程序根据运行状态或外部的命令执行相应的动作模 块 上述的动作模块由支撑层的 5 个主要任务模块提供各种功能支持 这 5 个 任务模块有 X25045 读写模块 电量采集模块 系统时钟控制模块 红外 RS 485 指令接收模块 红外 RS 485 数据发送模块 其中每个模块还可以分为几 个更小的模块 这种程序结构不但能增加程序的可读性 便于系统维护和功能 的扩充 而且对系统的抗干扰设计有重要的意义 2 单片机的软件流程 单片机在复位后 根据用户现在的用电状态 有无窃电 和从 X25045 读出的 用户以前的用电状态 判断执行下面四种主要动作模块中的一个 窃电开始 窃 电结束 继续窃电 继续无窃电 相应的动作模块处理结束以后 根据当时的 内部情况和外部状态 设置相应的唤醒方式 通过软件设置使微处理器进入节 电运行状态 等待相应时间后 由定时中断或 X25045 将单片机唤醒 重复执行 下一个周期 图 2 7 是系统软件的流程图 用户以前 窃电 用户当前 有窃电 窃电继续 模 块 模块 进入节电运行状态 定 时 中 断 唤 醒 Y Y 窃电结束 模 块 N 用户当前 有窃电 窃电开始 模 块 Y 无窃电 继续模块 N 进入节电运行状态 N X25045 唤醒 初始化 图 2 7 系统软件流程图 单片机进入等待工作方式后 内部时钟信号仍然供给中断系统 定时 计数 器和串行口 系统在有窃电时的定时中断唤醒就是利用了单片机的这一特点 在用户无窃电时使用的 X25045 唤醒是利用了 X25045 的定时复位功能 通过复 位将单片机唤醒 之所以在不同场合用两种唤醒方式 是为了更方便的确定系 统当时的运行状态 并且 X25045 的唤醒时间有一定的误差 不能用在有窃电时 参考窃电量的计算 在用户无窃电时单片机定时复位 能提高单片机运行的可 靠性 流程图中没有给出系统响应外部命令的流程 因为外部命令输入是作为系 统的串行中断 当系统工作在节电运行状态时 这个中断能随时唤醒单片机进 行中断处理 而在正常的运行过程中 系统也是随时响应这个中断 单片机能 响应的外部命令有 读用户窃电记录 读用户当前用电状态 读系统当前时间 修改系统时间 清除记录 3 窃电信息的记录 模块开始 置窃电开始时间 置窃电结束时间 窃电开始时间 置参考窃电量 0 窃电记录数加 1 设置窃电标志 模块结束 模块开始 累加参考窃电量 修改窃电结束时间 窃电方式发 生改变 修改窃电方式 模块结束 Y N 模块开始 累加参考窃电量 修改窃电结束时间 置无窃电标志 模块结束 图 2 8 窃电开始 图 2 9 窃电继续 图 2 10 窃电结束 模块流程图 模块流程图 模块流程图 系统记录的用户窃电信息主要是指用户的总窃电次数 用户当前的窃电状 态 有无窃电 和用户每一次窃电的起始时间 5 字节 参考窃电量 4 字节 窃电 方式 1 字节 结束时间 5 字节 其中用户的窃电起始时间和结束时间精确到 分 参考窃电量的值为一个比例量 手持机或负控中心读得这一数据后乘一个 系数后能得到用户的参考窃电量 千瓦时 这些信息全部存储在串行 EEPROM X25045 中 与用户窃电信息记录有关的有 3 个动作模块 窃电开始模块 继续窃电模块 和窃电结束模块 监控模块可以根据当时的具体情况 调用这 3 个模块中的一 个 图 2 8 2 9 2 10 是这三个模块的流程图 这三个模块再加上无窃电继续模 块就构成了系统软件的主干 无窃电继续模块比较简单 这里不再赘述 当单片机检测到用户开始窃电时 生成一条窃电记录 写入 X25045 中 这 条窃电记录中的窃电开始时间和窃电结束时间相等 参考窃电量为 0 此后 只要用户继续窃电 单片机将对母线上的电流进行累加 并在每三分钟结束时 刷新一次参考窃电量和窃电结束时间 如果此时用户的窃电方式发生改变 也 将当前的窃电方式加入到以前的窃电方式中 在用户窃电结束时的主要工作是 修改用户的用电状态标记为无窃电 在继续窃电模块中 窃电结束时间 参考窃电量是被不断刷写而不是在窃 电结束时一次性写入 这种做法的优点是能保证在电压不足或干扰导致 RAM 数据丢失的情况下 系统不会误记窃电结束时间 也不会丢失过多的窃电量 缺点是每一条记录的窃电结束时间 参考窃电量被重新刷写的频率比较频繁 但 X25045 的每一字节的写入次数有一定的限度 为了延长 X25045 的寿命 在 X25045 中使用三个地址做为指针 1FFH 1F8H 1FOH 通过三 二表决方 式确定一个记录指针来标记记录信息在 X25045 中的起始位置 每一次删除记录 后 这三个指针同时加 5 这样避免了 X25045 的同一个位置被频繁改写 由于三个指针在 X25045 中的位置不连续 同时有两位数据被破坏的概率很小 这样对系统可靠性的影响不大 但却极大的延长系统的寿命 表 2 1 是记录信 息在 X25045 中的存储方式 X25045 的 ROM 为 512 字节 除去必需的数据和 标志外 可以存储 32 条窃电记录 表 2 1 窃电信息在 X25045 中的存储方式 1FFH 1F8H 1F0H 存放 记录 指针 X 地址 X X 3 X 6 X X 2 X 5 X 4 X 7 存放内容 窃电标志 窃电记录数 ROM 标志 第一条记录开始 说明 AA 表示有窃电 55 表示无窃电 存放的记录最多为 32 条 检验 ROM 是否有效 顺序放置 每条 15 个字 节 向 X25045 中写入一个字节 应首先向 X25045 发出 WREN 指令将 X25045 的 写使能 锁存器置位 在发送 WREN 指令过程中 CS 首先被拉至低电平 然后 WREN 指令由时钟同步送入 X25045 在指令的所有 8 位被发送之后 将 CS 变为高电平 如果在 WREN 指令后不把 CS 拉为高电平 那么写操作将被忽 略 接着将 CS 变低 随同步时钟发出 WRITE 指令 之后保持 CS 为低电平 继续提供时钟 将 1 至 4 个字节随时钟发出 在程序中完成一个字节的读写约 为 400s 如果一次写入一页 4 个字节 平均每一位的写入时间约为 250s 从 X25045 读出一个字节 只要将 CS 变低 随时钟发出读命令和要读出字节的 地址 继续保持 CS 并提供时钟 要读出字节的内容将随时钟出现在 X25045 的 SO 引脚上 4 系统时钟的操作 在用户的窃电信息中 窃电开始时间 窃电结束时间是一条窃电记录中比 较重要的数据 系统时间的操作有两个主要部分 首先是在发现用户窃电时 单片机从 DS 12887 中读取系统时间 其次就是能根据外部指令读取和校正系统 当前时间 这部分软件编写的基础是对 DS12887 的操作 DS12887 自身有地址 数据复用总线 单片机对时间的操作实际上是对 DS12887 内的 RAM 映象进行 操作 在修改系统时间时 为了避免出错 应将 DS 12887 中寄存器 B 的 SET 位置位 而在读系统时钟时 为了避免读出的时间高低字节不一致 要利用寄 存器 A 中的 UIP 位 在 UIP 位变高以后 至少有 244s 的时间读取数据 经 计算 程序中从 DS12887 读取完整的系统时间为 80s 5 参考窃电量的计算 电力法第 71 条规定 盗窃电能的 由电力部门责令其停止违法行为 追 缴电费 并处以应缴电费五倍以下罚款 系统记录用户的参考窃电量 实际上 是记录用户在窃电时间内的参考用电量 以给电力部门的追缴电费和处罚提供 客观的依据 无论负载是星型连接还是三角形连接 三相总功率必定等于各相有功功率 之和 而单相电路在时间 T 内的功耗可以由下式得出 W 2 T dttitu 0 j N j ji u 0 3 根据上面公式 要想比较精确的计算用户的窃电量 必须同时对母线上的 电压和电流进行采样 精度越高 单位时间的采样点就必须越多 在实际应用 中 由于系统所给出的窃电量只是电力部门对窃电用户进行处罚的参考 而精 确测量用户的窃电量必须增加大量的硬件 三个 PT 测量电压 一个 CT 测量电 流和相应的处理电路 这样大大增加了系统的体积 成本 所以在实际计算用 户窃电时的参考用电量 是用下面的公式 W UI 2 3 4 其中 U 为母线的相电压 10kV I 为 C 相上的相电流 在三相三线制系统 时 上式若要成立 必须满足以下 2 个条件 1 母线上的电压电流波形必须是标准的正弦波 2 母线上三相电压都为一个定值并保持不变 三相电流平衡 显然 在电网运行的大部分时间内 上述两个条件不能得到满足 但考虑一下 三个因素 1 10kV 电压的总谐波畸变率的最大值规定为 4 14 2 10kV 电网的供电电压的允许偏差值最大为额定电压的士 7 15 3 电网运行过程中严禁三相用户单相用电 以避免电网中三相电流出现严 重的不平衡现象 从现场的观测情况来看 配电室内一次变侧三相电流基本平衡 虽然公式 2 4 不能用来精确计算用户的用电量 但可以用做电力部门对窃 电用户进行处罚时的参考 母线电流信号在第三章中已经得到 是一条脉动非 常小的曲线 单片机在记录用户的窃电量时 就是每 20ms 中对这条曲线采样 2 次 然后取平均值 再将每次的平均值累加 从严格意义上来说 系统给出的 用户参考窃电量实际上是母线上电流累加量的一个比例值 第三章第三章 用户窃电的判断用户窃电的判断 本章在分析了电能表结构 工作原理和电力用户常见窃电方法的基础上给 出了常见各种窃电手段的判别方法 整章共分为 4 部分 首先是电能表的工作 原理 接着是电力用户的常见窃电手法 第三部分是母线电流信号的采集 最 后是各种常见窃电手段的分析和判断 3 1 电能表的工作原理电能表的工作原理 从结构上看 目前电力用户用电的计量装置广泛使用的是感应式电能表 三相三线制电路 可以用两只单相电能表测量其消耗的电能 也可以用一只三 相二元件电能表进行测量 其中以用三相二元件电能表比较普遍 图 3 1 为三 相二元件电能表的接线原理图 图中第一元件 左边 电流线圈在 A 相上 电压 线圈跨接在 AB 相 第二元件 右边 的电流线圈在 C 相上 电压线圈跨接 CB 相 电压线圈 电 流 线 圈 A B C 电 流 线 圈 电压线圈 图 3 1 三相三线二元件电能表接线原理图 三相三线二元件电能表实际上是两只单相电能表的组合 将两个元件单独 考虑 第一元件所测得的功率瞬时值为 P ui u u i 3 1abaaba 1 第二元件所测得的功率瞬时值为 P ui u u 3 2cbccb 2 电能表测得的总功率为二元件所测得的功率之和 P P P u i u i u i i 3 12aaccbac 3 因为三相三线制各相电流瞬时值之和为 0 即 i i i 0 3 abc 4 3 2 常见的窃电方法常见的窃电方法 窃电行为包括 9 1 在供电企业的供电设施上 擅自接线用电 2 绕越供电企业的供电装置用电 3 伪造或开启法定的或者授权的计量检定 4 故意损坏供电企业的供电计量装置 5 故意使供电企业的用电装置失效 据电能计量部门统计 现场常见的窃电方法有以下两类 3 2 1 电压型窃电电压型窃电 常见的是将 PT 断路 这包括断 A B C 三相电压中的一相 两相甚至三相 最简单的做法是将电压引入端子排上的端子松动 或者暗中将引入电能表的引 线折断 3 2 2 电流型窃电电流型窃电 常见的是将 CT 短路或将 CT 与电能表的连线暗中折断 使电流互感器二次 输出电流不经过电能表造成电能计量的损失 在这种窃电手法中 还有一种特 殊的 B 相电流窃电 是断开 A C 两相电流互感器公共端与地线的连接 本论文 设计的反窃电装置就是针对这两种类型的窃电方法 3 3 母线电流信号采样母线电流信号采样 母线电流信号的采集为后面判断是否有电流型窃电提供基准 并且是系统 计算用户参考窃电量的依据 图 3 2 母线电流采样电路 图 3 2 是母线电流采样电路 图中的运放 Tl A 是用作放大 T1 B 用作峰值 保持器 T1 C 用作电压跟随器 T1 D 用作比较器 电流互感器 CT 挂在高压 2 母线侧 其次级电流通过取样电阻 R 转变成电压 再经过放大电路进行放大 1 因为运放为单电源供电 所以它的输出是半波正弦 这个信号通过峰值保持电 路 转换成峰值 如果不考虑漏电流对峰值保持电路的影响 在母线电流不变 的情况下 峰值保持电路的输出电压应该为一条直线 系统中用这个信号来计 算参考窃电量 这个电压经过分压后得到的参考电压 E 是用来判断是否有电流 f 型窃电的基准 图中的 Tl D 部分是用来防止母线电流过低时系统产生误动作 3 3 1 电流互感器的设计电流互感器的设计 为了固化 安装的方便 电流互感器 CT2 的铁芯仍选用和电源电流互感器 相同的铁芯 这部分电路采集的信号用作比较基准和进行 AD 转换计算电量 要求的精度比较高 互感器 CT2 属于测量用互感器 在式 2 2 中 B的取值只 N 能取 0 2T 这样 通过 3 2 可以得到以下关系式 IZ 0 077 W 3 N222 5 式 3 5 说明 为了保证互感器的精度 互感器次级的输出电压最大值受到 次级线圈匝数的限制 考虑到采样 放大的精度 当然互感器的输出电压稍高 一些好 这样需要增加次级线圈的匝数 但同时次级电流下降 导致取样电阻 增大 这样抗干扰性同样降低 综合考虑上述两种因素 取次级匝数为 60 匝 取样电阻为 0 1 5W 这样次级线圈允许输出的电压为 0 6 伏 而在母线电流 在 0 300A 变化时 互感器的次级输出电流将在 0 5A 之间变化 这样取样电 阻的输出电压将在 0 0 5V 之间变化 取样电阻的功率将在 0 2 5 W 之间变化 如果要适应额定电流更大的配电所 可以增加次级线圈的匝数或减小取样电阻 的阻值 图 3 2 中运放选用的是 TLC2254 TLC2254 是 TI 公司的制造的四路运算放 大器 具有以下特点 10 1 输出幅度大 可以达到满电压幅度输出 2 噪声低 输入阻抗大 3 功耗低 典型值为 35uA 4 单电源和分离电源都能达到全部的技术指标 电路中的 TI B 部分是一个峰值跟随器 在电路运行过程中 如果同相输入 端的电压高于反相输入端电压 运放的输出为高电平 经过二极管 D给储能 11 电容 C充电 如果运放同相输入低于反相输入 运放的输出为低电平 这时 C 10 将通过 R进行放电 由于二极管的反相漏电流 I 运放的 T1 B T1 C 的输 1020D 入电流 I 电容器 C的漏电流 R的放电电流 I 的存在 峰值跟随器的输 A1020R 出不能绝对等于运放同相输入端的峰值电压 但通过选择合适的器件 二极管 选开关二极管 电容器选聚四氟乙烯电容器可以使二极管和电容的漏电降到很 低 几个 uA 而运放 TLC2254 的输入端电流只有 1pA 可以使二极管 电容器 运放对峰值跟随的影响降到很低 R是为了在输入端电压降低时 给电容器 C 20 提供一个放电回路 由于电网上的电流属于缓慢变化信号 并且系统对峰值 10 保持的响应速度的要求也不苛刻 这个电阻选择阻值较大的电阻 实际选择这 个电阻的阻值为 200K 这样可以减少电容器的放电电流 提高峰值保持的精度 峰值跟随器的输出经过电压跟随器之后 经过可调电阻 W 分压后 输出的 1 电压作为判断用户是否有电流型窃电的比较基准 3 4 用户窃电方法的判别用户窃电方法的判别 本节可以分为三部分 第一部分是电压型窃电的判断 第二部分是电流型 窃电的判断 第三部分是用户窃电信号的产生 3 4 1 电压型窃电电压型窃电 断开电能表的电压接线的窃电方法操作起来最简单 是现场发现的比较常 见的窃电方法 1 电压型窃电对电能计量的影响 电压型窃电包括断开 A 相电压 B 相电压和 C 相电压的一相或者两相 下 面的分析都是假设电网中砚相电压平衡 如果断开 A 相电压 将使电能表测得的 U 0 根据公式 3 1 电能表的记 ab 录将比正常减少一半 如果断开 C 相电压 将使电能表测得的 U 0 根据公式 3 1 电能表的记 cb 录将比正常减少一半 实际上断开 A 相电压和断开 C 相电压窃电操作手法相同 给电能表计量带来的影响也相当 B 相为电能表两个元件电压输入的公共端 如果断开 B 相电压将使电能表 两个元件的电压线圈串联 这样的结果是 U U 0 5U 根据公式 3 3 abcbac 电能表的计最损失一半 如果断开三相电压中的任意两相 都会造成 U U 0 使电能表的计量 abcb 为 0 相当于三相电压同时取下 2 电压型窃电的判断 图 3 3 为判断是否有 A 相窃电的电路 图 3 3 A 相电压窃电判断电路 从电能表 Av Bv 取出的线电压 U 在用户正常用电的情况下这个电压应 ab 该为 100V 4N25 为光耦 除了隔离作用之外 还起到电平转换的作用 R9 R10 组成一个分压电路 通过对电源电压分压得到一个基准电压 光耦的输出 电压与基准电压进行比较 适当选取 R7 R8 R9 R10 的值 可以使电路在用户 正常用电情况下 R8 两端的电压高于 R10 两端电压 比较器 LM339 的输出为低 电平 如果用户采用 A 相电压窃电方式 断开电能表的 A 相电压 U由 100V ab 下降为 0V 而使 R8 两端电压降低 低于 R10 两端电压 LM339 输出高电平 这个信号将通过一个或门通知单片机用户正在窃电 C 相电压窃电判断的电路图如 3 4 示 其原理和图 3 4 完全相同 这里不 再赘述 图 3 4 C 相电压窃电判断电路 图 3 5 B 相电压窃电判断电路 3 4 2 电流型窃电电流型窃电 1 电流型窃电对电能表计量的影响 电流型窃电包括短路或断路 A 相电流 C 相电流中的一相或者两相 B 相 电流窃电的手法是电流型窃电中比较特殊的窃电方法 它采用的手段是将电能 表电流互感器的公共端子同大地的连接断开 如果用户短路 A 相电流 测量 CT 的次级电流将全部或大部分从短路导线 通过 根据公式 3 1 如果这时用户全部将 A 相的电流互感器短路 会使电能 表的计量减少一半 如果断路 A 相电流 电能表第一元件的电流线圈无电流通 过 电能表的计量损失一半 如果用户短路 C 相电流互感器或断路 C 相电流互感器进入电能表的连线 电能表的计量也将减少一半 如果用户将电能表的公共端子同大地的连接断开 造成了电能表的两个元 件的电流线圈串联 这不但造成电能计量上的误差 也容易损坏两个电流互感 器 2 电流型窃电的判断 图 3 6 为 A 相电流型窃电的判断电路 3 7 为 C 相电流型窃电的判断电路 这两个电路完全相同 都是从电能表的电流端子上直接取来电流线圈上的电压 将这个电压放大后 利用其峰值与从母线上取来的参考电压 E 进行比较 当 f 用户正常用电时 电能表的 CT 的电流全部流过电能表的电流线圈 通过选择 电路中元件的值 可以使 T2 B T3 B 的输出电压大于 E 当用户短接电能表的 f 电流端子时 电能表电流端子两端电压降低 这时可以使 T2 C T3 C 的输出电 压小于 E 可以使 T2 D T3 D 输出高电平 表示用户正在窃电 f 图 3 6 判断 A 相电流型窃电电路图 图 3 7 判断 C 相电流型窃电电路图 3 4 3 窃电信号的产生窃电信号的产生 这部分从整体上来看是一个由二极管组成的或门 见图 3 8 它根据前面得 到的电流窃电和电压窃电信号 向微处理器提供一个用户窃电信号 只要前面的窃电判断电路有一路输出高电平 这个电路将输出高电平 另 外这部分电路设计中还要考虑用户母线电流不足