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智能反窃电装置设计大学论文
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:
反窃电系统电源微处理器
ABSTRACT
Inthispaper,aunitofintelligentsystem.Thesystembusfromthehighpressuresystemonaccesstopower,directaccessfromthebususersrealpowersignal,andasabasisforaccuratejudgementwhethertheuserFaultTolerant.Applicationofthemicroprocessorsystem,oncetheuserFaultTolerant,thesystemwillautomaticallyrecordtheuserFaultTolerantFaultTolerantdetailedinformation.Onthebasisoftheabove,therealizationoftheentiresystemstructureoftheintegrationprogramme,isaboutthepowersystem,theprocessingcircuitryinstalledinhigh-pressurecuringtogetheronthebus,thisstructurecaneffectivelypreventthedestructionofthesystemusers.
Keywords:
Anti-electricity-theft；PowerSystem；Microprocessor
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
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。
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
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。
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
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
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
（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势平衡方程式为:
E
=U
+I
（R
+jX
）=I
Z
+I
（R
+jX
）（2-1）
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
：
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=
（2-2）
式2-2中，f为工频50Hz,Φ=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。
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。
2.3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
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5.1Ω，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
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
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。
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（5V12MHz）降低为3.7mA，中断及硬件复位均可终止等待方式
。
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/OCLOCK）和芯片选择（CS）输入做数据控制。
其I/OCLOCK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/OCLOCK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，DS12887正常工作;当外部输入电压低于4.25V时，无论外部片选信号的高低，DS12887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
。
2.4.2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。
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①X25045读写模块②电量采集模块③系统时钟控制模块④红外（RS-485）指令接收模块⑤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。
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
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EEPROMX25045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。
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