基于MSP430FE42x的防窃电电能表及其应用分析

当前，电子式电能表的防窃电技术在电能表行业中的地位越来越重要，不同国家、地区的电能表市场都在不同程度上要求电能表的防窃电计量。人们所意识到的窃电现象和防窃电技术的类型在不断增多，而且每年都会针对新的窃电行为，研究出相应的防窃电技术。

在传统的电子式电能表设计中，由于以下几点原因，导致它们不能较完善的检测或处理窃电行为：仅使用进线端的电压和火线的进出端所流经的电流作为电能计量的依据；绝大多数没有使用很可靠的铅封；一些窃电方式很容易操作，但是很难检测。

MSP430FE42x系列单片机是美国德州仪器公司新推出的单相防窃电多功能电能表专用芯片，它是德州仪器MSP430系列产品的成员，是一款超低功耗的16位单片机。MSP430FE42x芯片内部包含了单相防窃电多功能电能表计量模块ESP430CE1，所以无需再扩展计量芯片，仅用单个MSP430FE42x芯片就可以实现单相防窃电多功能电能表。下面本文将以MSP430FE42x单相防窃电多功能电能表为例，分析当前的窃电行为以及相应的防窃电技术。

窃电行为的类型

人们已经发现了很多防窃电行为，一些窃电行为是非常容易实施的，然而要检测这些窃电行为却是非常困难的；一些窃电行为不易实施，而且不太可能发生，但是供电部门还是希望有针对这些窃电行为的对策。

窃电行为的种类很多，这里我们把它们概括为以下几种类型：由于表壳或电表箱的原因导致窃电者有机可乘而发生的窃电行为；磁场干扰的窃电行为；增加额外的导线、旁路部分电流的窃电行为；移动或移除电能表接线的窃电行为；增加额外的器件，如二极管、电容、电阻及其组合，改变电压回路的波形、相位，降低电压回路电压的窃电行为。

电能表防窃电技术

与三相电能表比较，单相电能表的市场更加注重于电能表的防窃电技术。图1所示没有设计防窃电测量的简单单相电能表，它仅能测量火线的电流信号和电能表进线端的电压信号，而对于即使是非常简单的窃电行为也是无能为力的。

接下来我们讨论针对各类窃电行为的防窃电技术。

1. 表壳和电表箱的防窃电技术

表壳是对付窃电的第一道防线。一些供电部门要求采用聚碳酸酯的表壳，但是这样表壳的费用会占据整个电表成本的很大一部分，为此我们可以压缩电表的体积，使用紧凑的表壳来节省材料，降低费用。

很多供电部门对电能表表壳的铅封和胶合都有详细的要求，他们通常要求电表有出厂铅封，有些供电部门甚至要求把电能表表壳通过焊接胶合，要打开电表就必须损坏它，以此来对抗一些窃电行为。

支持通过通信口自动校表的电能表，在校表时，应要求打开电表，短接内部的跳线才能实现校表，以此降低非正常校表发生的可能性。

图1：简单的单相电能表。

另外，使用电表箱也能抑制一些窃电行为的发生。用某些形式铅封电表箱，尽量减小导线周围的间隙，增加旁路电流、反接电能表等窃电行为的难度。如果必要，还可以在电表箱内添加检测设备，以检测窃电者对电表箱的非法操作。

2. 磁场干扰

永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。如图2a所示，窃电者在电表附近放置强磁磁铁或大线圈都能干扰电表的正确计量，达到窃电的目的。

强磁磁铁靠近表壳将减小功率的测量值，甚至能将功率减小到0。由于磁铁的影响范围比较小，所以电流互感器在表壳内的位置对抵御磁铁的干扰是相当有帮助的。大线圈产生的电磁场会影响电能表中大多数的元器件，例如，锰铜电阻、电流互感器、核心的电子器件等。

为防止磁场干扰，电能表内部元器件的位置及其安装位置是非常重要的。应把易受磁场影响的敏感器件尽量放置在贴近电能表背面的地方，因为通常窃电者很难从电能表背后干预电表的正确计量；应保持易受磁场影响的敏感器件远离电能表的顶部和两边，因为顶部和两边是容易粘附磁铁的地方。

磁屏蔽是一种非常有效的防止磁场干扰的做法，首先我们可以使用金属外壳的电流互感器，屏蔽磁场对它的影响。其次我们可以在表壳内衬薄层金属，以屏蔽整个电能表模块。但是这种做法将增大原材料、生产及安装的成本。

如果确实不能排除磁场的干扰，可以测量磁场，并补偿相应的磁场产生的测量误差。当磁场强度达到0.5T或更大时，就很难有效地屏蔽它，此时可以用低成本的磁场强度传感器来检测磁场，并把这些用户的收费定得足够高，以此来补偿由于强磁干扰而产生的计量误差。

3. 电流不平衡

通常电流不平衡体现为接地模式，实际上电流不平衡包括任何的火线和零线的测量所得到的负载电流不平衡的情况。窃电者可能旁路部分电流，导致电表的测量值小于真实值。如图2b所示，窃电者可能用简单的金属楔打进电表的接线端，这种切电行为比较容易实施。如果要求读表，窃电者可以在几秒内移除旁路电流的金属楔，所以很难检测这种窃电方式。

图2：(a)磁场干扰影响电表的正常计量。(b)旁路电流窃电。(c)电流不平衡的防窃电测量。(d)电表反接窃电。

要检测电流的不平衡就不可避免增加电表的成本，必须要额外增加一个电流传感器，以实现零线的电流检测；由于隔离原因，可以在第一路的电流通道上选用低成本的锰铜电阻，但是另一路就必须使用成本相对较高的电流互感器。对于单相表，可以同时测量火线和零线的电流来检测电流是否不平衡；对于三相表，可以监控中线的电流来检测三相的电流是否不平衡。

MSP430FE42x内置有三个独立的16位ADC及电能计量模块ESP430。其中ESP430能够自动控制三个独立的16位ADC进行两个电流通道(火线、零线)和一个电压通道的采样，并自动比较两个电流通道的电流大小，实现电流不平衡时的检测和防窃电测量。图2c为同时测量两个电流通道的模型。

在图2c中，ESP430将同时计量经锰铜电阻取样的火线电流和经CT取样的零线电流。在正常情况下，漏电流是很小的，所以火线回路和零线回路的电流基本一致，可以给电能计量模块ESP430预置一个两电流通道的窃电比例因子RatioTamp，当电流通道1的电流I1>I2*RatioTamp或电流通道2的电流I2>I1*RatioTamp时，ESP430认为两个电流通道电流不平衡，表明有窃电行为发生。

有一点需要注意，当负载很小时，可能会发生电流不平衡的错误检测，这是应该避免的。应根据不同的应用给ESP430预置相应的电流不平衡检测开始电流I_Tamp，只有当负载电流大于I_Tamp时，电流不平衡的检测才起作用。

窃电者可能会同时旁路两个电流通道进行窃电。要检测这种窃电行为，我们应该使用更小的电流不平衡检测开始电流I_Tamp，但是这个时候错误的防窃电检测必须要更加重视，应该根据负载电流的大小，动态地改变窃电比例因子RatioTamp。RatioTamp一般的标准为(1＋1/8)，大电流时可以用(1＋1/16)或(1＋1/32)，在小电流时可以用更大的窃电比例因子。

4. 电流反向

调换进出线是窃电者经常采取的窃电行为，他们企图让电表负计量，使计量值向后退，这种窃电行为比接地或旁路电流的窃电行为更具侵害性。窃电者需要对电表重新接线，一般他们不可能在几秒内完成整个过程，而且经过一定时间后必须要恢复接线正常，否则电表的计量将小于0。由于电表一般被安装在狭小的空间内，很难看清导向的走向，分清进线和出线，因此检查这种窃电行为存在一定的难度。图2d给出了电表反接窃电的模型。

MSP430FE42x的电能计量模块有自动检测电流反向功能，不需要任何的辅助元器件就能实现电流反向的检测。同时，可以给电能计量模块预置电流反向时的处理方式，如电流反向时取功率或电能的绝对值为测量值等等。

对于电流反接时的防窃电，有一点需要注意，当负载电流非常小的时候，可能会出现错误的电流反向警告，这是需要避免的。可以设定一个电流反向检测的最小电流极限，当小于这个最小电流极限时，关闭电流反向检测功能，防止错误的电流反向警告。

5. 移除主电压

移除主电压表现为移除电表接线中的一路，通常窃电者移除零线，使得电表没有电网电压的进入，导致电表不能正常计量或不能工作，如图3a所示。

对付这种窃电行为，可用一个低成本的电流互感器CT，从其余的连接电表导线中流经的电流上窃取很小的电能给电能表供电，使电能表实现防窃电测量。由于受到电能表成本、电能表表壳的尺寸以及电子元器件能够承受的最大电流等诸多因素的影响，选择从电流上窃电的CT是受限制的，因此能从电流上窃电给电能表供电的电能也受限制。尤其当负载电流很小时，能从电流上窃取的电能将不能胜任电能表供电。

供电部门通常希望当负载电流大于1A－2A时就能实现电能表的防窃电测量，而且这个能实现防窃电测量的负载最小电流极限值越小越好。基于以上的要求，我们需要选择一个在移除主电压防窃电测量时功耗很小的方案，以保证顺利完成防窃电的测量。

图3：(a)移除主电压窃电。(b)移除主电压时的防窃电测量。(c)移除主电压窃电补充。

TI的MSP430FE42x系列单片机具有丰富的模拟前端和防窃电多功能电能表计量模块ESP430，可以较为容易地实现移除主电压时的防窃电测量。图3b为移除主电压时的防窃电测量模型。

在这个方案中，除电池外，电能表的电源供给由两部分组成，一是火线和零线的主电压提供电源，另一部分是供电CT从电流上窃取提供电源，如图3b中的Supply CT。所以当移除主电压时，供电CT从电流上窃取的电源仍能保持电能表工作，进行防窃电测量。

供电CT要在小电流时也能够驱动电能表工作。通常当负载电流为1A时，一个小的CT提供等效于1mA/3V，这对于MSP430FE42x单片机来说已经可以实现防窃电测量。当然如果选用更大的CT，能降低移除主电压防窃电测量负载的最小电流极限值，但是这一方面将增加供电CT的成本，另一方面，当负载电流很大时，电源管理相关的元器件将承受很大的压力，并有可能损坏，所以以选用大CT的方法是不可取的。

采用移除主电压，CT供电进行防窃电测量时，测量的精度不是最终要的指标。由于没有主电压信号存在，功率因素和外部电压的测量已经不可能实现。一般可以使用额定电压作为估计值进行计量。没有功率因素，最高的电流精度对于电能的计量都是没有意义的，而且主电压的估计值在不同地区，不同电网会有几个百分比的误差，即使在同一个城市误差也依然存在。

前面提到的移除主电压窃电行为是断开一根导线的连接，主电压为零。窃电者可能会附加二极管、电容、电阻等器件及其组合来干扰对主电压的正常检测。如图3c所示。

在图3c中，我们以附加二极管为例，实际上这个二极管可能被电容、电阻以及三者的组合所代替。窃电者企图通过这些附加的元器件改变主电压的特性，干扰电能表检测窃电行为的发生。对于这种窃电行为，首先要区分是真正的低电压还是窃电行为造成的低电压。如果附加的元器件组合使这个电源供给仍然是全波的波形，这将很难区分是低电压还是窃电行为；如果是半波的波形，则可以通过检测它的周期来区别是否有附加的元器件存在。