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智能反窃电装置设计--毕业论文.doc
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1、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 ABSTRACTIn this paper, a unit of intelligent system. The system bus from the high pressure system on acc
2、ess to power, direct access from the bus users real power signal, and as a basis for accurate judgement whether the user Fault Tolerant. Application of the microprocessor system, once the user Fault Tolerant, the system will automatically record the user Fault Tolerant Fault Tolerant detailed inform
3、ation. On the basis of the above, the realization of the entire system structure of the integration programme, is about the power system, the processing circuitry installed in high-pressure curing together on the bus, this structure can effectively prevent the destruction of the system users.Key wor
4、ds: Anti-electricity-theft;Power System;Microprocessor目 录第一章 绪 论11.1 反窃电技术研究的意义11.2 反窃电技术研究的现状11.3 系统总体设计思路41.4 主要内容概述41.5 系统的技术要求5第二章 系统总体设计62.1系统电源设计62.2 电源CT的设计72.3 电源电路设计92.4 数据处理系统设计10第三章 用户窃电的判断193.1电能表的工作原理193.2 常见的窃电方法203.3 母线电流信号采样203.4 用户窃电方法的判别23第四章 总结29参考文献30致 谢31第一章 绪 论1.1 反窃电技术研究的意义长期以
5、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
6、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
7、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
8、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
9、。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
10、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 电源CT采样CT电源变换电路采样处理AD转换换换电压基准比较电路1电能表信号采样信号处理比较电路2通讯部分微处理器部分高压母线图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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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)=IZ+ 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
17、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
18、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, = BS为磁通量。对
19、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23A/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
20、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
21、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
22、随电流变化的测试电路图2-3中的R1, R2, R3, R4是四只5.1,5W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
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