王睿 趙長樞 許文剛 楊東翰 / 國網(wǎng)嘉興供電公司

0 引言

根據(jù)國家電網(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]，開蓋記錄技術(shù)成為智能電能表（以下簡稱電能表）計(jì)量的重要內(nèi)容。開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)電能表開蓋記錄異常時(shí)，需要及時(shí)分析成因并加以處理。

1 開蓋記錄的異常情況

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

1）開蓋記錄的發(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）開蓋記錄異常增多，不符合實(shí)際情況。

2 開蓋記錄異常情況的分析

選擇三個較為典型的開蓋記錄異常的情況進(jìn)行故障分析。

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

表1 開蓋記錄

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

故障分析二：對編號3330001000100003126120樣表開蓋記錄進(jìn)行分析。首先，開蓋事件次數(shù)高達(dá)264次，明顯異常。另外，最近一次的開蓋事件尚未結(jié)束，說明故障電能表還處于開蓋狀態(tài)。拆開故障電能表，發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)槠鋲鹤￠_蓋按鍵的開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3340201020200094896058樣表開蓋記錄，如表2所示。

表2 開蓋記錄

從故障表的開蓋記錄中可明顯發(fā)現(xiàn)，每次開蓋發(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，為非正常開蓋事件。為了明確該故障表開蓋記錄異常的具體原因，對開蓋記錄的電路進(jìn)行分析，如圖1所示。通過分析可知，造成開蓋記錄異常的原因：

圖1 開蓋記錄電路

1）電能表開蓋按鈕質(zhì)量問題，如老化、損壞。

2）開蓋按鍵柱問題，如過短、材料老化、材質(zhì)問題。

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開蓋按鈕的受力進(jìn)行開蓋記錄，當(dāng)開蓋按鈕長期運(yùn)行后，容易老化，造成變形，使開蓋產(chǎn)生異?，F(xiàn)象。為了減少異常開蓋情況的發(fā)生，提出一種用光電檢測裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式開關(guān)進(jìn)行開蓋記錄的優(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，當(dāng)信號通過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，將光脈沖信號傳導(dǎo)至信號接收端，即光源接收頭（光敏電阻），然后將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送回MCU。MCU內(nèi)部將發(fā)送和接收的信號進(jìn)行采樣并比較，判斷開蓋狀態(tài)。

光電檢測電路原理如圖2所示。

圖2 光電檢測電路原理

同時(shí)，為了增強(qiáng)信號的抗干擾能力，使用差分放大器[7-9]放大信號，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的能力。通過差分放大器，首先可以將模擬量經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行放大，其次可以減少環(huán)境溫度等因素對電路的干擾。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖4 光電檢測結(jié)構(gòu)

從圖4中可以看出，在光電檢測結(jié)構(gòu)中LED發(fā)光管的光束通過導(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)中沒有開關(guān)接觸，避免了機(jī)械損耗帶來開蓋檢測不靈敏的問題。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的損失要少得多。光電檢測的信號轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5 光電檢測信號轉(zhuǎn)換

3.3 實(shí)驗(yàn)檢測

對表蓋合上和表蓋開蓋兩種情況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測。

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)過光電檢測電路轉(zhuǎn)換，在接收端收到對應(yīng)的10 ms負(fù)脈沖信號。通過模擬外部環(huán)境和溫度，MCU在1 min內(nèi)對信號進(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)際過程中可以增加脈沖發(fā)出次數(shù)，防止人為開蓋使用導(dǎo)光柱的情況發(fā)生），采樣結(jié)果為011，循環(huán)往復(fù)。信號如圖6所示。

圖6 表蓋合上采樣信號

2）表蓋開蓋

由于表蓋未蓋緊，表蓋上的光柱無法同時(shí)對準(zhǔn)PCB板上的光信號發(fā)送端和接收端元件，系統(tǒng)中光信號傳輸通路阻斷，因此，MCU無法采集到011的循環(huán)編碼，判斷為開蓋狀態(tài)?？紤]到實(shí)際情況，選取了3個場景分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（1）在黑暗環(huán)境下開蓋，采樣信號如圖7所示。

圖7 黑暗環(huán)境下采樣信號

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

圖8 光線充足時(shí)采樣信號

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

圖9 干擾光源下采樣信號

以上分析可見改進(jìn)設(shè)計(jì)后的優(yōu)勢。由于MCU對開蓋狀態(tài)的判斷是通過采樣信號軟件內(nèi)部特定編碼比較，而非傳統(tǒng)開關(guān)只通過“0”和“1”兩種狀態(tài)來判斷。該改進(jìn)設(shè)計(jì)沒有物理方式的接觸，且只通過識別特定編碼（如“011”）來判斷開蓋情況，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，人為開蓋勢必就會產(chǎn)生開蓋記錄了。

3.4 軟件流程

具體的開蓋記錄判斷流程如圖10所示。

圖10 光電檢測開蓋記錄流程

4 結(jié)語

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題。其中，開蓋記錄異常是出現(xiàn)次數(shù)較多的一類故障。通過試驗(yàn)和分析，提出以光電檢測代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化的建議，加強(qiáng)防竊電功能。