智能電能表的開(kāi)蓋異常分析及優(yōu)化

王睿 趙長(zhǎng)樞 許文剛 楊東翰 / 國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司

0 引言

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的Q/GDW 365-2009《智能電能表信息交換安全認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》[1]，開(kāi)蓋記錄技術(shù)成為智能電能表（以下簡(jiǎn)稱電能表）計(jì)量的重要內(nèi)容。開(kāi)蓋記錄作為電能表所具備的基本功能，影響著偷竊電行為的認(rèn)定，與居民日常生活、企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著密切的關(guān)系。提高電能表開(kāi)蓋記錄的準(zhǔn)確性是保障用戶合法權(quán)益的重要體現(xiàn)，所以，當(dāng)電能表開(kāi)蓋記錄異常時(shí)，需要及時(shí)分析成因并加以處理。

1 開(kāi)蓋記錄的異常情況

當(dāng)電能表蓋被打開(kāi)后，電能表會(huì)產(chǎn)生開(kāi)蓋記錄。但實(shí)際工作中，開(kāi)蓋記錄異常的情況較多。主要異常情況整理如下：

1）開(kāi)蓋記錄的發(fā)生時(shí)間和結(jié)束時(shí)間間隔很短，大多數(shù)的間隔時(shí)間只有1 s左右。

2）開(kāi)蓋記錄異常增多，不符合實(shí)際情況。

2 開(kāi)蓋記錄異常情況的分析

選擇三個(gè)較為典型的開(kāi)蓋記錄異常的情況進(jìn)行故障分析。

故障分析一：抄讀編號(hào)3340201082000083247089樣表開(kāi)蓋記錄，次數(shù)為11次。最后7次的開(kāi)蓋記錄如表1所示。

表1 開(kāi)蓋記錄

從電能表的開(kāi)蓋記錄中可以看出，大部分開(kāi)蓋事件從發(fā)生到結(jié)束的過(guò)程很短，是非正常開(kāi)蓋事件。拆開(kāi)表蓋后，發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)殚_(kāi)蓋按鈕損壞脫落。

故障分析二：對(duì)編號(hào)3330001000100003126120樣表開(kāi)蓋記錄進(jìn)行分析。首先，開(kāi)蓋事件次數(shù)高達(dá)264次，明顯異常。另外，最近一次的開(kāi)蓋事件尚未結(jié)束，說(shuō)明故障電能表還處于開(kāi)蓋狀態(tài)。拆開(kāi)故障電能表，發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)槠鋲鹤￠_(kāi)蓋按鍵的開(kāi)蓋按鍵柱所采用的橡膠材質(zhì)已經(jīng)老化。

故障分析三：抄讀編號(hào)3340201020200094896058樣表開(kāi)蓋記錄，如表2所示。

表2 開(kāi)蓋記錄

從故障表的開(kāi)蓋記錄中可明顯發(fā)現(xiàn)，每次開(kāi)蓋發(fā)生的時(shí)間與結(jié)束的時(shí)間間隔只有1 s，間隔時(shí)間非常短，為非正常開(kāi)蓋事件。為了明確該故障表開(kāi)蓋記錄異常的具體原因，對(duì)開(kāi)蓋記錄的電路進(jìn)行分析，如圖1所示。通過(guò)分析可知，造成開(kāi)蓋記錄異常的原因：

圖1 開(kāi)蓋記錄電路

1）電能表開(kāi)蓋按鈕質(zhì)量問(wèn)題，如老化、損壞。

2）開(kāi)蓋按鍵柱問(wèn)題，如過(guò)短、材料老化、材質(zhì)問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)上的優(yōu)化建議

目前，傳統(tǒng)的智能電能表主要通過(guò)開(kāi)蓋按鈕的受力進(jìn)行開(kāi)蓋記錄，當(dāng)開(kāi)蓋按鈕長(zhǎng)期運(yùn)行后，容易老化，造成變形，使開(kāi)蓋產(chǎn)生異?，F(xiàn)象。為了減少異常開(kāi)蓋情況的發(fā)生，提出一種用光電檢測(cè)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)蓋記錄的優(yōu)化建議。

3.1 實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)表蓋蓋上時(shí)，微控制單元（microcontroller unit，MCU）[2-6]使用定時(shí)器控制輸出脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)通過(guò)LED發(fā)光管以光脈沖的形式輸出，由安裝在表蓋內(nèi)部特制的導(dǎo)光柱，將光脈沖信號(hào)傳導(dǎo)至信號(hào)接收端，即光源接收頭（光敏電阻），然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送回MCU。MCU內(nèi)部將發(fā)送和接收的信號(hào)進(jìn)行采樣并比較，判斷開(kāi)蓋狀態(tài)。

光電檢測(cè)電路原理如圖2所示。

圖2 光電檢測(cè)電路原理

同時(shí)，為了增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，使用差分放大器[7-9]放大信號(hào)，差分放大器的原理如圖3所示。

圖3 差分放大器原理

由于電流源具有恒流特性和高阻值的動(dòng)態(tài)電阻，所以，差分放大器具有穩(wěn)定的直流偏置和抑制共模信號(hào)的能力。通過(guò)差分放大器，首先可以將模擬量經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大，其次可以減少環(huán)境溫度等因素對(duì)電路的干擾。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)裝置通過(guò)光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件與電路元件無(wú)接觸的信號(hào)傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光電檢測(cè)結(jié)構(gòu)

從圖4中可以看出，在光電檢測(cè)結(jié)構(gòu)中LED發(fā)光管的光束通過(guò)導(dǎo)光柱以及經(jīng)表蓋反光板反射回光源接收頭，實(shí)現(xiàn)較為容易。該結(jié)構(gòu)中沒(méi)有開(kāi)關(guān)接觸，避免了機(jī)械損耗帶來(lái)開(kāi)蓋檢測(cè)不靈敏的問(wèn)題。另外，光敏發(fā)射原件、接收原件、導(dǎo)光柱和反光板是已經(jīng)廣泛應(yīng)用的電子產(chǎn)品，具備高度可靠性。如果推廣的話，單個(gè)電能表增加器件的成本相較竊電或者更換故障電能表帶來(lái)的損失要少得多。光電檢測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5 光電檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換

3.3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

對(duì)表蓋合上和表蓋開(kāi)蓋兩種情況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

1）表蓋合上

為了突出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)以1 min作為實(shí)驗(yàn)周期，發(fā)出脈寬10 ms的電脈沖，經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換，在接收端收到對(duì)應(yīng)的10 ms負(fù)脈沖信號(hào)。通過(guò)模擬外部環(huán)境和溫度，MCU在1 min內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行若干次采樣（圖6為3次采樣，1 min 3次方便統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際過(guò)程中可以增加脈沖發(fā)出次數(shù)，防止人為開(kāi)蓋使用導(dǎo)光柱的情況發(fā)生），采樣結(jié)果為011，循環(huán)往復(fù)。信號(hào)如圖6所示。

圖6 表蓋合上采樣信號(hào)

2）表蓋開(kāi)蓋

由于表蓋未蓋緊，表蓋上的光柱無(wú)法同時(shí)對(duì)準(zhǔn)PCB板上的光信號(hào)發(fā)送端和接收端元件，系統(tǒng)中光信號(hào)傳輸通路阻斷，因此，MCU無(wú)法采集到011的循環(huán)編碼，判斷為開(kāi)蓋狀態(tài)。考慮到實(shí)際情況，選取了3個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（1）在黑暗環(huán)境下開(kāi)蓋，采樣信號(hào)如圖7所示。

圖7 黑暗環(huán)境下采樣信號(hào)

（2）在普通室內(nèi)外光線充足的環(huán)境下開(kāi)蓋，采樣信號(hào)如圖8所示。

圖8 光線充足時(shí)采樣信號(hào)

（3）在外界環(huán)境有強(qiáng)干擾條件下開(kāi)蓋（如開(kāi)蓋后仍有類似光源以某頻率照射接收頭），采樣信號(hào)如圖9所示。

圖9 干擾光源下采樣信號(hào)

以上分析可見(jiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的優(yōu)勢(shì)。由于MCU對(duì)開(kāi)蓋狀態(tài)的判斷是通過(guò)采樣信號(hào)軟件內(nèi)部特定編碼比較，而非傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)只通過(guò)“0”和“1”兩種狀態(tài)來(lái)判斷。該改進(jìn)設(shè)計(jì)沒(méi)有物理方式的接觸，且只通過(guò)識(shí)別特定編碼（如“011”）來(lái)判斷開(kāi)蓋情況，即使在干擾環(huán)境下，也能正確判斷，增加了防暴力破解功能，杜絕了通過(guò)按住按鈕欺騙系統(tǒng)的可能性。

另外，當(dāng)有人故意將電能表開(kāi)蓋，然后人為使用導(dǎo)光柱，這操作中間必然有反應(yīng)時(shí)間，只要縮短MCU的脈沖周期，人為開(kāi)蓋勢(shì)必就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)蓋記錄了。

3.4 軟件流程

具體的開(kāi)蓋記錄判斷流程如圖10所示。

圖10 光電檢測(cè)開(kāi)蓋記錄流程

4 結(jié)語(yǔ)

智能電能表已經(jīng)得到普及，但是在使用中仍然暴露出一些問(wèn)題。其中，開(kāi)蓋記錄異常是出現(xiàn)次數(shù)較多的一類故障。通過(guò)試驗(yàn)和分析，提出以光電檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化的建議，加強(qiáng)防竊電功能。