智能反窃电装置设计

1、实用文档摘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. 在以上的根底上,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预防用户对系统进行 破坏.关键词：反窃电 系统电源 微处理器ABSTRACTIn this paper, a unit of intelligent system. The system bus from the high pressure system o

2、n 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 FaultTolerant Fault Tolerant detailedinf

3、ormation. On the basis of the above,the realization of the entiresystem structure of the integrationprogramme, is about the power system, the process ing circuitry in stalled in high-pressure curing together on the bus, this structure can effectively preve nt the destructi on of the system users.Key

4、 words: Anti-electricity-theft； Power System ； Microprocessor标准文案目录第一章绪论 -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 -第二章系统总体设计 -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-8 -2.4数据处理系统设计-10 -第三章用户窃电的判断 -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-21 -3.4用户窃电方法的判别 -2

5、3 -第四章总结 -29 -参考文献 -30 -致谢 -31 -第一章绪论1.1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 地提升反窃电技术水平,彻底堵塞窃电漏洞.电是商品.我国电力法的公布,明确了供用电双方的权利和义务,使电力 市场走上标准化、法制化的道路.用户用电必须根据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 行窃电以到达少缴纳电费甚至不缴纳电费的目的,国家

6、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,阻碍电力工业正常开展.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开展随着供电部 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

7、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图1-1是该装置的原理图.7匚2mCTgCT2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 CTg的窃电行为,但判断这种窃电行为有一个前提条件,就是在短路CTg次级输出的同时不短路CTh的次级输出.但是CTh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CTg的同时短路CTh,这样CTg和CTh的电流都

8、为零或者成比例减少,检流互感器CT2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.除此之 外,这种反窃电装置的自我保护功能也比拟差,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这种装置判断电流型窃电的根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,

9、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举措 ,经仔细分析,现存的反窃电装置主要存在着以下几方面的缺乏：1、在检测比拟手段上存在着“自己比自己的弱点,也就是说用作比拟基 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拟基准,不能进行正确判断,造成功 能上的缺陷.

10、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拟详细的依据.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,随着电力负荷限制系统的推广,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,以便做出反响.1.3系统总体设计思路图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

11、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局部提供+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拟,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拟,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,

12、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央发出的指令,将用户的 窃电信自、发送给手持机或负控中央.1.4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局部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、 开展现状,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 试以及微处理器局部设计,并从硬件和软件两方面介绍了微处理器局部的设计.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根底 上给出了电流型窃电和电压型窃电的判断方法.第

13、四章总结1.5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,二者进行比拟判断用户是否窃电.(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I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央进行通讯. 考虑到现场使用情况,I型机分为主机

14、与分机两局部,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,以降低单机平均本钱.II型机的通讯局部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.为了预防人为破坏和保证平安可靠, 将主机局部用 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.第二章系统总体设计2.1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电源设计整体概述系统的电源主要由两局部组成

15、：电源CT和电源变换电路.这两局部是和后 面的检测处理电路固化在一起,安装在高压母线侧,这样可以提升电源的自我 保护水平,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CT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

16、绝缘.在绝缘内有为通过一次绕组 母线的窗口通道.2.2.1电流互感器的根本电磁关系电流互感器的等效电路图如图2-2示其中R是初级线圈的铜阻,人是初级线圈的漏感,将初级线圈的铜阻和漏 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Rm和电感Xm表示；R2是折合到初级的次级铜阻,X2是折 合到初级的次级漏感,Zf是折合到初级的次级负载.稳态运行时电势平衡和磁 势平衡方程式为：E2=4+l 2但2乐2= 1 2Zf + I 2R2+jX2'1流过Xm的电流在铁芯内产生磁通,称此电流为励磁电流.电流互感器在正常运行时,其次级阻抗乙较小,绕组电势很小,磁

17、通密度较低.随着负载阻抗 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,铁芯耗损和温升提升,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.222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.

18、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：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主要是线圈匝数确实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

19、大,否那么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：(2-2)W= E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7.1cm2,假设E取9V,由3-2可得W=59匝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确实定主

20、要取决于热计算,铜导线长期工作的电流密度应限制在23A/mm之内.2.3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局部,在封装时D

21、与系统的线路板分开,单独散热,系统中的其它局部不受影响.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10J2秒,将两极之间的电压钳位于一个定值8,这个 器件在电路中的主要作用是预防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电流互感器的次级输出电流变化比拟大,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

22、 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 Q, 5W的电阻实验中调节电压源的 输出,限制回路中的电流变化的关系.2.4 数据处理系统设计微处理器局部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.包括两局部,首先是微处理器局部的硬件电路设计,第二部 分是软件设计.2.4.1硬件电路微处理器硬件电路

23、的设计原那么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.这局部电路包括单片机、存储器、A/D转换器、时钟芯片、红外收发电路等.电路中使用的大局部芯片为 CM0S5片,功耗比拟大的局部A/D转换、存 储器都使用了串行芯片.图2-4为这局部的电路框图,图2-5为电路原理图.存储器母线电流信立口汁口汁鈿微实时时钟处 理红外接收器红外发射图2-4微处理器局部电路框图5Q5L006Og Eg cns cn(*n Olri on曰ECHi寸S43严 口aaaaaoa w V V V; V P V WQ窝一4 n 4HEIslC.X

24、67;EIQLNIS4 sdSJsdIE§£ £ 壬 S Ud26<i-s1宦岸-HoH n o直樹acn才,4 d. 111I1舅：md nsbL亘+Hi图2-5微处理器局部电路图电路图主要由 AT87FS1,TLC549,DS12887A,X2504组成：1、AT87F51芯片简介AT87F51为系统的主处理器.AT87F51为CFIMOS5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；

25、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组通用工作存放器区,每组 8个通用存放器,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EEPRO器件,把微处理器外围器件最根本的 三种功能：看门狗定时器、复位限制和E

26、EPRO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.其存储器局部是4096位串行EEPRO,M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转换器为根底而构造的CMOSA/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)输入做数据限制.其I/O CLOCK输入频率最 高可达1.1MHz= TLC549提

27、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土 0.5LSB,是较理想的低本钱、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MO脚的电平选择可以选择与51系列单

28、片机兼容的总线方式. 当外部输入电压高于4.25V时,DS12887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上下,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1、系统软件的总体结构系统的软件局部由系统初始化模块、系统监控模块和系统动作模块三个部 分组成.根据作用的不同,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.图2-6系统软件整体结构框图图2-6中的监控程序为治理

29、层,作为系统的治理核心,用来调度和治理各 项任务.ACT1ACT8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、去除记录模块,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限制模块红外 (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

30、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.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

31、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,是为了更方便确实定系 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,能提升单片机运行的可 靠性.流程图中没有给出系统响应外部命令的流程,由于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

32、当前用电状态、读系统当前时间、 修改系统时间、去除记录.3、窃电信息的记录图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,手持机或负控中央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

33、.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.无窃电继续模块比拟简单,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 将当前的窃电方式参加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

34、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缺乏或干扰导致RAM数据丧失的情况下,系统不会误记窃电结束时间,也不会丧失过多的窃电量,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拟频繁,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,仆0H,通过三一二表决方式 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,这样预防了 X25045的同一个位置被频繁改写. 由于三个指针在X25045

35、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中的存储方式地址存放内容说明1FFH1F8H1F0H存放 记录 指针XX窃电标志AA表示有窃电55 表示无窃电X+3X+6X窃电记录数存放的记录取多为32条X+2X+5X+4ROM标志检验ROM是否有效X+7第一条记录开始顺序放置,每条15个字节向X25045中写入一个字节,应首先向 X25045发出 WRE指令将X25045的“

36、写使能锁存器置位.在发送 WREN旨令过程中,CS首先被拉至低电平,然 后WRE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 WRE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

37、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局部,首先是在发现用户窃电时, 单片机从DS12887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.这局部软件编写的根底是对 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央象进行操作.在修改系统时间时,为了预防出错,应将 DS12887中存放器B的SET位置 位；而在读系统时钟时,为了预防读出的时间上下字节不一致,要利用存放器 A中的UIP位.在UIP位变高以后,至少有24

38、4s的时间读取数据.经计算,程序中从DS12887卖取完整的系统时间为805、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分提供 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：TNW=0 u(t)i(t)dt =瓦 Ujij(2-3)0j=0根据上面公式,要想比拟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

39、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分的参考,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、本钱. 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= 3UI(2-4)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,上式假设要成立,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,在电网运行的大局部时间内,上述两个条件不能得到满足,但考虑一下

40、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,以预防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根本平 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 电用户进行处分时的参考.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

41、个比例值.第三章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根底上给 出了常见各种窃电手段的判别方法.整章共分为4局部,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,第三局部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拟普遍.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

42、边)的电流线圈在C相上,电压线圈跨接CB相.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 1=Uabia=(ua-Ub )i(3-1 )第二元件所测得的功率瞬时值为：P 2= u cb i c = (u c - u b )(3-2)电能表测得的总功率为二元件所测得的功率之和：P = P 1 +P 2 =U a i a + U.i c - U b (i a + i c )(3-3)由于三相三线制各相电流瞬时值之和为0,即ia+ib+ic=0(3-4)3.2常见的窃电方法窃电行为包括：1. 在供电企业

43、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. 成心损坏供电企业的供电计量装置；5. 成心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

44、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.TDD+T1-AVDD+U2VDD-VDD-DU匚10C9RIrqh<g£O2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 TI-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用作比拟器.电流互感器CT2挂在高压 母线侧,其次级电流通过取样电阻 尺转变成电压,再经过放大电路进行放大, 由于运放为单电源供电,所以它的输出是半波正弦,这个信号通过

45、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Ef是用来判断是否有电流型窃电的基准.图中的TI-D局部是用来预防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.这局部电路采集的信号用作比拟基准和进行 AD转换计算电量,要求的精度比拟高,互感器 CT2属于测量用互感器.在式2-2中,Bn的取值只 能取0.2T.这样,通过3-2可以得到以下关系式：I 2nZ2

46、 =0.077 X W(3-5)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0300A变化时,互感器的次级输出电流将在 05A之间变化,这样取样电 阻的输出电压将在00.5V之间变化,取样电阻的功率将在02.5 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

47、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,可以到达满电压幅度输出；2、噪声低,输入阻抗大；3、功耗低,典型值为35uA ;4、单电源和别离电源都能到达全部的技术指标.电路中的TI-B局部是一个峰值跟随器.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Dn给储能电 容Go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Go将通过R20进行放电.由于二极管的反相漏电流I D、运放的T1-B, T1-C的输入电流I A、电容器G.

48、的漏电流、R20的放电电流I R的存在,峰值跟随器的输 出不能绝对等于运放同相输入端的峰值电压.但通过选择适宜的器件,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.R20是为了在输入端电压降低时,给电容器Go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 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,提顶峰值保持的精度.峰值跟随器的输出经过电压跟随器之后,

49、经过可调电阻W1分压后,输出的电压作为判断用户是否有电流型窃电的比拟基准.3.4用户窃电方法的判别本节可以分为三局部,第一局部是电压型窃电的判断,第二局部是电流型 窃电的判断,第三局部是用户窃电信号的产生.3.4.1 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,是现场发现的比拟常见的窃电方法.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 Uab =0 ,根据公式(3-1),电能表的 记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 丄匕=0,根据公式

50、(3-1),电能表的 记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： Uab =Ucb =0.5U ac.根据公式(3-3), 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Uab=Ucb=0,使电能表的计量为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Uab,在用户正常用电的情况下这个电压应该为100V 0 4N2

51、5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 与基准电压进行比拟,适中选取 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,比拟器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,Uab由100V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

52、路L 丨匸BJCklFIxD3D4342 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拟特殊的窃电方法,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局部从短路导线通 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

53、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 f)进行比拟,当用户正常用电时,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Ef；当用户短接电能表的 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Ef,可以使T2-D , (T3-D)输出高电平,表示用户正在窃电.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窃电信号的产生这局部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.另外这局部电路设计中还要考虑用户母线电流缺乏的情况下使微处理器不要发生 误记.电路原理图如图3-8.图3-8总窃电信号产生电路图中的A1, B1 一直到C11等点是前面的电压型、电流型窃电的窃电信号经 过二极管的输出.在用