CN105372466B

CN105372466B - 一种反遥控窃电的智能电表

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Publication number: CN105372466B
Application number: CN201510782526.4A
Authority: CN
Inventors: 程江洲; 方烜
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: Hubei Yidian Electric Co.,Ltd.
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: CN105372466A

Abstract

一种反遥控窃电的智能电表，包括MCU处理器模块、电源电路。所述MCU处理器模块分别连接时钟电路、通信模块、GPS模块。所述MCU处理器模块分别连接继电器电路、红外光检测电路、电表电流检测模块、电流电压采集电路。载波电路通过A/D转换器连接MCU处理器模块。本发明一种反遥控窃电的智能电表，在现有具有远程抄表功能的基础上，实现了反遥控窃电的功能。当窃电现象发生时，不但可以跳闸以保护电能，还能利用远程通信模块、载波模块向电力公司发出报警。

Description

一种反遥控窃电的智能电表

技术领域

本发明涉及一种智能电表，具体涉及一种反遥控窃电的智能电表。

背景技术

电能是人们日常生活中不可缺少的一种清洁能源。为了合理规划用电量和收取电费，电力公司在用户端通过安装电表以计量电能。在经济利益的驱使下，大量不法分子通过各种手段窃取电能，性质极其恶劣。窃电者在窃电时胡乱接线很有可能使线路烧毁，造成大面积停电、火灾以及其他民事纠纷、甚至刑事案件。另外，窃电现象还破坏了原本正常稳定的电力市场环境，给国家和社会带来了经济损失。随着科技的发展，窃电的手段也日趋变得多样化和高科技化，遥控窃电就是高科技窃电的一种典型形式。整套遥控器窃电装置分为接收部分和发射部分两部分。其工作原理是：将遥控信号接收部分放于电表箱内，当窃电不法分子发射遥控信号时，位于电表内的遥控信号接收部分接收到信号，然后控制电路中的继电器工作，使电表电流回路短接达到窃电的目的。遥控窃电多见于工厂、网吧、歌厅等大负荷用电单位。

发明内容

本发明提供一种反遥控窃电的智能电表，在现有具有远程抄表功能的基础上，实现了反遥控窃电的功能。当窃电现象发生时，不但可以跳闸以保护电能，还能利用远程通信模块、载波模块向电力公司发出报警。

本发明所采用的技术方案是：

一种反遥控窃电的智能电表，包括MCU处理器模块、电源电路。所述MCU处理器模块分别连接时钟电路、通信模块、GPS模块。所述MCU处理器模块分别连接继电器电路、红外光检测电路、电表电流检测模块、电流电压采集电路。载波电路通过A/D转换器连接MCU处理器模块。

所述电源电路包括串联于变压器回路中的热敏电阻R1、并联于变压器回路中的压敏电阻R2、降压变压器T1,降压变压器T1的二次侧连接整流桥D5，降压变压器T1用于将220V交流电压降压后输送至整流桥D5，整流桥D5输出端并联有：多组滤波电容C1～C6；以及多个稳压二极管D4、D6、D7、D9。

所述整流桥D5输出端并联有：单向导通二极管D1、D2、D3、D8，单向导通二极管D1、D2、D3、D8分别连接有直流电源V1、直流电源V2、直流电源V3、直流电源V4。

所述载波电路包括发射部分、接收部分、调制部分；

所述发射部分包括变压器T12，变压器T12连接电感L12、回路电容C22，电感L12、回路电容C22用于调整发射电流和波形；

所述调制部分包括调制解调器PL2102B，调制解调器PL2102B连接MCU处理器模块；

所述接收部分包括二极管D12、二极管D32，二极管D12、二极管D32正反并联，用于箝位；二极管D12、二极管D32两端并联有电容C62、电感L22，电容C62、电感L22构成谐振电路。

所述电流电压采集电路包括电压采集部分、电流采集部分；

所述电流采集部分包括锰铜分流器R53,锰铜分流器R53用于将电力线上的大电流信号转化为MCU处理器模块识别的差分电流信号，锰铜分流器R53的两端分别连接滤波电感L13一端、滤波电感L23一端，滤波电感L13另一端、滤波电感L23另一端分别连接正反并联的稳压二极管D13、稳压二极管D23，电流采集部分采集的电流信号通过限流电阻、滤波电容后，输入ESP430芯片；

电压采集部分采集的电压信号经过限压、限流、滤波后输入ESP430芯片。

所述继电器电路为正负电源供电的OCL放大器。

所述电表电流检测模块包括霍尔元件、信号调理电路、A/D转换器。

所述MCU处理器模块为MSP430FE427单片机。

所述通信模块包括RS-485接口、储存电路。

相比现有的智能电表或者防窃电装置，本发明一种反遥控窃电的智能电表，具有如下有益效果：

1：本发明在现有智能电表远程抄表技术的基础上添加了跳闸功能，使遥控窃电现象发生时能够自动切除用户端供电，并通过载波模块和通信模块两个模块向电力公司报警，确保该现象能被电力公司察觉。

2：本发明实现了由电力公司唯一控制电能表的开机和对用户供电的功能。一旦遥控窃电现象发生导致跳闸后，电能表只有在电力公司的允许下，才能重新投入工作计量电能，最大程度地保证了该现象被电力公司工作人员查获。

附图说明

图1为本发明智能电表模块连接示意图；

图2为本发明智能电表的电表电流检测模块连接示意图；

图3为本发明智能电表的通信模块连接示意图。

图4为本发明智能电表的电源电路图。

图5为本发明智能电表的载波电路图。

图6为本发明智能电表的电流电压采集电路图；

图7为本发明智能电表的继电器电路图。

图8为本发明智能电表的信号调理电路图。

图9为本发明智能电表的红外线接收电路。

具体实施方式

如图1～图3所示，一种反遥控窃电的智能电表，包括MCU处理器模块、电源电路。所述MCU处理器模块分别连接时钟电路、通信模块、GPS模块。所述MCU处理器模块分别连接继电器电路、红外光检测电路、电表电流检测模块、电流电压采集电路。载波电路连接MCU处理器模块。

智能电表需要不间断供电，为防止不法分子在电路做手脚使电能产生冲击导致电表不能正常工作的情况出现，需要对供电电路进行保护。另一方面，调制解调器和单片机等硬件单元的正常工作也依赖于正常稳定的工作电压。因此，保证电源的稳定性和可靠性是设计电源电路的基础。所以电源电路的设计着重在变压器的一次侧对电路进行了过电压和雷击保护。

如图4所示，R1为热敏电阻，串联于变压器回路中。当变压器回路出现过电压的时候，经过回路的电流会显著上升。电阻的温度也会随之上升，则热敏电阻R1的阻值上升反过来将一次侧的电压限定在合适的范围内。压敏电阻R2并联于回路中。平时，正常供电电压下压敏电阻R2处在不导通状态。当出现雷击时，压敏电阻R2两端电压急剧升高，根据压敏电阻的特性其阻值反而会急剧减小。从而使压敏电阻R2导通，有效保护了电路。变压器T1为降压变压器，将220V的交流电压降压后输送至D5整流桥。电容C1、C2，C3、C4，C5、C6分别为三组依次容量减少的滤波电容，其目的是有助于形成更好的直流包络线。D4，D6，D7,D9为稳压二极管，提供不同的工作电压电压给载波电路、主电路和继电器电路使用。D1，D2，D3，D8分别为单向导通的二极管，平时二极管保持截止状态，各电路的供电由整流电路提供。掉电时二极管导通，直流电源投入工作，V1，V2，V3，V4可使电表在掉电状态依然保持工作。

图4中各元件参数为：

C1＝0.1μF,C2＝0.1μF,C3＝0.05μF,C4＝0.05μF,C5＝0.22μF,C6＝0.22μF。

如图5所示，载波电路大致可分为发射部分、接收部分和调制部分。接收部分中的D12和D32为两个正反并联的稳压二极管用于箝位，以防止大电流；C62、C72和L22构成谐振电路，其具体参数并未给出。因为谐振频率视不同的要求可以改变，届时可自行调整。谐振电路以对电力公司所发出的开机信号进行选择，从而提高接收信号的质量。开机信号经谐振电路接收后输入半双工调制解调器转化为数字信号，最后输入单片机让其判断。发射部分中的发射回路电容C22、电感L12用于调整发射电流和波形，减小C22和增大L12将减小发射电流和改善波形；反之，将增大发射电流和波形失真情况。发生窃电时的报警信号由单片机发出经调制解调器调制为模拟信号，4个三极管将经调制后的模拟信号逐级放大，最后通过耦合电容C12耦合进入电力线。另外4个二极管起到保护电路的作用。调制部分中的调制解调器的型号为PL2102B，PL2102是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器，仅由单一的+5V电源供电，是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，并采用大规模数字/模拟混合0.35μm CMOS工艺制作，所以在抗干扰及抗衰落性能以及国内外同类产品性价比等方面有着出众的表现。

图5中各元件参数为：

R12＝3.3kΩ，R52＝4.7kΩ，R62＝4.7kΩ

C12＝0.22μF，C22＝0.22μF

C32＝0.01μF,C42＝0.01μF，C52＝0.01μF

L12＝18μF,VCC2＝5V，VEE2＝12V。

如图6所示，电流电压采集电路大致分为两个部分：电压采集部分和电流采集部分。电流采集部分中的R53是一个锰铜分流器，将电力线上的大电流信号转化为单片机易识别的差分电流信号，再经两个滤波电感L13、L23进行滤波处理。D13、D23为两个正反并联的稳压二极管形成门限电路锁定电压范围以防止高压烧毁单片机。采集的信号经过限流电阻再经滤波电容输入ESP430电能计量芯片。电压采集部分同样将采集到的电压信号经限压、限流、滤波最后输入ESP430电能计量芯片。电压电流采集电路和ESP430电能计量芯片实现了本发明中智能电表的基本功能，也就是电能计量功能。

图6中各元件参数为：

R13＝20Ω,R23＝1kΩ，R33＝1kΩ,R53＝300uΩ,R63＝330kΩ,R73＝330kΩ,

R83＝330kΩ,R93＝11kΩ,R103＝11kΩ,R113＝11kΩ,

C13＝33nF，C23＝33nF,

C33＝33nF，C43＝33nF。

如图7所示为继电器电路图。A、B是单片机的两个I/O分别输出开机和跳闸信号。整个电路是正负电源双供电的OCL放大器。开机信号经过Q14,Q24后从Q24的集电极出来使继电器K得电，由于选用的是磁饱和继电器，其控制的常开触点K11闭合，电路得以正常工作并将长期保持此工作状态。跳闸信号同样经过放大后使得Q44导通，-VCC加到磁饱和继电器K上使得K11跳开。电路进入不供电状态。

图7中各元件参数为：R14＝472Ω，R24＝472Ω，±VCC＝12V。

如图8所示为信号调理电路。它的功能是将上级霍尔元件所检测的电流信号进行处理后输入AD转换器最终再输入单片机。信号调理的目的是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路来改变输入的讯号类型并输出，常用的信号调理电路有滤波器电路、放大器电路和转化器电路等。

A1为AD620放大器，其特征为具有较高的共模抑制比可以抑制共模干扰以提高信噪比另外采用滤波的方法来提高信号质量采用差动输入以减少零漂。A2是由AD705构成的电压跟随器，作为缓冲级起阻抗变换的作用，为高品质的工作提供保证。A2是由AD705构成的滤波电路，用来保证输出高质量的信号，以满足后续信号采集的要求。

图8中各元件参数为：

R₁₅＝160kΩ，R₂₅＝160kΩ，R₃₅＝2.5kΩ，R₄₅＝160kΩ，R₅₅＝160kΩ，R₆₅＝499Ω，C₁₅＝0.1uF,C₂₅＝0.1uF,C₃₅＝0.1uF,C₄₅＝0.1uF,C₅₅＝0.1uF；

LM336为基准电压芯片，A₂和A₃均为AD750放大器。

如图9所示，为红外线接收电路。首先是由三极管及其周边元件所组成的前置放大器，其中为滤波电容，为反馈电阻。电压并联负反馈的加入会使信号的失真度减小。红外线接收二极管型号为PH320以反向偏压状态工作，其反向偏压由提供。PH320可以将空气中不法分子利用遥控窃电装置所发出的红外脉冲接收并经过耦合电容C2进入前置放大器。放大后脉冲信号可使三极管导通。R₇₆上端的电位上升使电流大小约为4-20mA的灌电流进入单片机。

图9中各元件参数为：

R16＝22kΩ，R36＝150kΩ，R26＝10Ω，R46＝6.8kΩ，R56＝220Ω，R66＝4.7kΩ，

R76＝250Ω，R86＝1kΩ，R126＝1000kΩ

C16＝100μF，C26＝0.2μF，C36＝0.2μF，C46＝2.2μF，C56＝1μF

VCC＝3.3V。

本发明一种反遥控窃电的智能电表，

霍尔元件采用HW302C型号，具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀等特点。

A/D转换器采用ADC0809型号，具有转换起停控制端，模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准，低功耗等特点。

MCU处理器模块采用MSP430FE427单片机芯片，具有低功耗，处理能力强，片内资源丰富，方便扩展，使用灵活方便等特点。

RS485是一种基于GPRS的通信协议，本发明中采用了MAX485通信芯片。它具有较高的灵敏度，以差分平衡的方式传输信号，具有抑制共模干扰的能力使其传输距离和抗干扰能力都较其前期产品有着大幅提升。

存储电路采用了AT24LC08存储器，其作用是方便单片机随时访问或定时访问存储器中的采集数据。既保护了数据也可以大大减少抄表中心的抄收时间。

时钟电路采用DS1302芯片，具有接口简单、性价比高等特点，还可以自动按照对闰年进行日期补充。

单片机选用MSP430FE427芯片，它为MSP430系列的16位芯片。内部包括多个FLASH信息储存器保证掉电时信息不会丢失，内部独立的ESP430芯片具有两路电流采集通道和一路电压采集通道，这三路通道均有16位的AD转换器，只需通过简单的编程就可以实现对电能的采集。ESP430是MSP430FE427内部独立的信号处理器，用于对电能进行采集。

GPS模块采用MAX-7Q芯片适合低成本应用，而且先进的RF架构和干扰抑制确保在GPS信号微弱的环境下也能实现最佳性能。

实施步骤：

载波电路工作过程如下：电力公司发出的开机信号通过滤波电容进入耦合变压器T12，经过稳压管限幅后进入半双工异步调制解调器PL2102B，解调成数字信号。谐振电路会增加开机信号的接收质量。解调后的开机信号由Sigin口进入单片机判断，再由单片机输出到继电器电路的A端口。该信号经OCL正负双电源放大器放大后，使正12V电压加在继电器K使K11闭合，电表正常计量电能，用户正常供电。当单片机判断窃电现象发生时，报警信号从PSKOUT口输出进入调制解调器变成模拟信号，该信号被三极管组成的放大电路放大，再经发射回路电容C22、电感L12用于调整发射电流和波形。最后由耦合变压器和滤波电容进入电力线传送到电力公司。

电流电压采集电路工作过程为：电压采集和电流采集部分分别采集电力线路上的电压电流信号输入ESP430芯片进行电能计算。值得注意的是，电流采集电路需要加装一个锰铜分流器将电力线上流过的大电流信号变成单片机可以识别的差分电流信号。单片机可从指定寄存器上读出原始电能的计算结果。

信号调理电路将上级霍尔传感器HW302C检测的电流大小进行滤波和放大后，经AD转换输入单片机。

红外线接收电路探测空气中不法分子用遥控窃电装置所发出的红外光，并将其滤波和经由三极管组成的两级放大器放大后输入单片机。

基于电表电流采集模块和红外光检测电路输入单片机的信号，单片机作出判断是否发生窃电现象。若检测到可疑红外光但是电表电流未发生大幅变小的情况下，单片机判断为无关红外光，不为窃电现象；若未检测到可疑红外光但电表电流发生大幅变小的情况下，单片机判断为发生大负荷启停，不为窃电现象；若检测到可疑红外光且电表电流发生大幅变小，单片机判断为窃电现象，输出跳闸信号至继电器电路的B端口，该信号同样经OCL正负双电源放大器放大后使负12V电压加在继电器K使K11打开，线路跳闸用户端供电中断。同时，单片机通过载波线路向电力公司报警。另外，将窃电时间(DS1302时钟电路提供)、地点(GPS模块提供)通过通信模块利用GPRS网络向电力公司报警。

Claims

1.一种反遥控窃电的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：电力局的开机信号通过载波电路接收，滤波放大后进入半双工异步调制解调器解调，再输入MCU处理器模块，MCU处理器模块发出开机指令后，电能表、供电线路开始正常工作；

步骤二：电表电流检测模块通过霍尔元件检测流经电能表的电流大小变化情况，再经过信号调理电路后放大，然后经过A/D转换器转化输入MCU处理器模块；

步骤三：电流电压采集电路将流经电能表的大电流、高电压，通过锰铜分流器转化为适合MCU处理器模块采样的差分信号后，输入ESP430芯片进行电能计算；

步骤四：红外光检测电路中的红外光接收二极管，将作案人员用遥控窃电装置发射器所发射的红外脉冲，进行放大滤波后输入MCU处理器模块；

步骤五：MCU处理器模块判断出存在红外光，且在极短时间内电流信号发生突减，为窃电现象；

步骤六：窃电现象发生后，MCU处理器模块发出跳闸指令，继电器电路跳闸停止供电；同时通过载波模块向电力局工作人员发出窃电报警，另外MCU处理器模块调用时钟电路、GPS模块和存储电路的信息，通过通信模块、GPRS网络向电力局发送窃电报警信息，确保窃电信息能被电力局工作人员查获。