當前，電子式電能表的防竊電技術在電能表行業中的地位越來越重要，不同國家、地區的電能表市場都在不同程度上要求電能表的防竊電計量。人們所意識到的竊電現象和防竊電技術的類型在不斷增多，而且每年都會針對新的竊電行為，研究出相應的防竊電技術。

在傳統的電子式電能表設計中，由于以下幾點原因，導致它們不能較完善的檢測或處理竊電行為：僅使用進線端的電壓和火線的進出端所流經的電流作為電能計量的依據；絕大多數沒有使用很可靠的鉛封；一些竊電方式很容易操作，但是很難檢測。

MSP430FE42x系列單片機是美國德州儀器公司新推出的單相防竊電多功能電能表專用芯片，它是德州儀器MSP430系列產品的成員，是一款超低功耗的16位單片機。MSP430FE42x芯片內部包含了單相防竊電多功能電能表計量模塊ESP430CE1，所以無需再擴展計量芯片，僅用單個MSP430FE42x芯片就可以實現單相防竊電多功能電能表。下面本文將以MSP430FE42x單相防竊電多功能電能表為例，分析當前的竊電行為以及相應的防竊電技術。

竊電行為的類型

人們已經發現了很多防竊電行為，一些竊電行為是非常容易實施的，然而要檢測這些竊電行為卻是非常困難的；一些竊電行為不易實施，而且不太可能發生，但是供電部門還是希望有針對這些竊電行為的對策。

竊電行為的種類很多，這里我們把它們概括為以下幾種類型：由于表殼或電表箱的原因導致竊電者有機可乘而發生的竊電行為；磁場干擾的竊電行為；增加額外的導線、旁路部分電流的竊電行為；移動或移除電能表接線的竊電行為；增加額外的器件，如二極管、電容、電阻及其組合，改變電壓回路的波形、相位，降低電壓回路電壓的竊電行為。

電能表防竊電技術

與三相電能表比較，單相電能表的市場更加注重于電能表的防竊電技術。圖1所示沒有設計防竊電測量的簡單單相電能表，它僅能測量火線的電流信號和電能表進線端的電壓信號，而對于即使是非常簡單的竊電行為也是無能為力的。

接下來我們討論針對各類竊電行為的防竊電技術。

1. 表殼和電表箱的防竊電技術

表殼是對付竊電的第一道防線。一些供電部門要求采用聚碳酸酯的表殼，但是這樣表殼的費用會占據整個電表成本的很大一部分，為此我們可以壓縮電表的體積，使用緊湊的表殼來節省材料，降低費用。

很多供電部門對電能表表殼的鉛封和膠合都有詳細的要求，他們通常要求電表有出廠鉛封，有些供電部門甚至要求把電能表表殼通過焊接膠合，要打開電表就必須損壞它，以此來對抗一些竊電行為。

支持通過通信口自動校表的電能表，在校表時，應要求打開電表，短接內部的跳線才能實現校表，以此降低非正常校表發生的可能性。

圖1：簡單的單相電能表。

另外，使用電表箱也能抑制一些竊電行為的發生。用某些形式鉛封電表箱，盡量減小導線周圍的間隙，增加旁路電流、反接電能表等竊電行為的難度。如果必要，還可以在電表箱內添加檢測設備，以檢測竊電者對電表箱的非法操作。

2. 磁場干擾

永久磁場和電磁場都會影響電表的正常計量。如圖2a所示，竊電者在電表附近放置強磁磁鐵或大線圈都能干擾電表的正確計量，達到竊電的目的。

強磁磁鐵靠近表殼將減小功率的測量值，甚至能將功率減小到0。由于磁鐵的影響范圍比較小，所以電流互感器在表殼內的位置對抵御磁鐵的干擾是相當有幫助的。大線圈產生的電磁場會影響電能表中大多數的元器件，例如，錳銅電阻、電流互感器、核心的電子器件等。

為防止磁場干擾，電能表內部元器件的位置及其安裝位置是非常重要的。應把易受磁場影響的敏感器件盡量放置在貼近電能表背面的地方，因為通常竊電者很難從電能表背后干預電表的正確計量；應保持易受磁場影響的敏感器件遠離電能表的頂部和兩邊，因為頂部和兩邊是容易粘附磁鐵的地方。

磁屏蔽是一種非常有效的防止磁場干擾的做法，首先我們可以使用金屬外殼的電流互感器，屏蔽磁場對它的影響。其次我們可以在表殼內襯薄層金屬，以屏蔽整個電能表模塊。但是這種做法將增大原材料、生產及安裝的成本。

如果確實不能排除磁場的干擾，可以測量磁場，并補償相應的磁場產生的測量誤差。當磁場強度達到0.5T或更大時，就很難有效地屏蔽它，此時可以用低成本的磁場強度傳感器來檢測磁場，并把這些用戶的收費定得足夠高，以此來補償由于強磁干擾而產生的計量誤差。

3. 電流不平衡

通常電流不平衡體現為接地模式，實際上電流不平衡包括任何的火線和零線的測量所得到的負載電流不平衡的情況。竊電者可能旁路部分電流，導致電表的測量值小于真實值。如圖2b所示，竊電者可能用簡單的金屬楔打進電表的接線端，這種切電行為比較容易實施。如果要求讀表，竊電者可以在幾秒內移除旁路電流的金屬楔，所以很難檢測這種竊電方式。

圖2：（a）磁場干擾影響電表的正常計量。（b）旁路電流竊電。（c）電流不平衡的防竊電測量。（d）電表反接竊電。

要檢測電流的不平衡就不可避免增加電表的成本，必須要額外增加一個電流傳感器，以實現零線的電流檢測；由于隔離原因，可以在第一路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，但是另一路就必須使用成本相對較高的電流互感器。對于單相表，可以同時測量火線和零線的電流來檢測電流是否不平衡；對于三相表，可以監控中線的電流來檢測三相的電流是否不平衡。

MSP430FE42x內置有三個獨立的16位ADC及電能計量模塊ESP430。其中ESP430能夠自動控制三個獨立的16位ADC進行兩個電流通道（火線、零線）和一個電壓通道的采樣，并自動比較兩個電流通道的電流大小，實現電流不平衡時的檢測和防竊電測量。圖2c為同時測量兩個電流通道的模型。

在圖2c中，ESP430將同時計量經錳銅電阻取樣的火線電流和經CT取樣的零線電流。在正常情況下，漏電流是很小的，所以火線回路和零線回路的電流基本一致，可以給電能計量模塊ESP430預置一個兩電流通道的竊電比例因子RatioTamp，當電流通道1的電流I1》I2*RatioTamp或電流通道2的電流I2》I1*RatioTamp時，ESP430認為兩個電流通道電流不平衡，表明有竊電行為發生。

有一點需要注意，當負載很小時，可能會發生電流不平衡的錯誤檢測，這是應該避免的。應根據不同的應用給ESP430預置相應的電流不平衡檢測開始電流ITamp，只有當負載電流大于ITamp時，電流不平衡的檢測才起作用。

竊電者可能會同時旁路兩個電流通道進行竊電。要檢測這種竊電行為，我們應該使用更小的電流不平衡檢測開始電流ITamp，但是這個時候錯誤的防竊電檢測必須要更加重視，應該根據負載電流的大小，動態地改變竊電比例因子RatioTamp。RatioTamp一般的標準為（1＋1/8），大電流時可以用（1＋1/16）或（1＋1/32），在小電流時可以用更大的竊電比例因子。

4. 電流反向

調換進出線是竊電者經常采取的竊電行為，他們企圖讓電表負計量，使計量值向后退，這種竊電行為比接地或旁路電流的竊電行為更具侵害性。竊電者需要對電表重新接線，一般他們不可能在幾秒內完成整個過程，而且經過一定時間后必須要恢復接線正常，否則電表的計量將小于0。由于電表一般被安裝在狹小的空間內，很難看清導向的走向，分清進線和出線，因此檢查這種竊電行為存在一定的難度。圖2d給出了電表反接竊電的模型。

MSP430FE42x的電能計量模塊有自動檢測電流反向功能，不需要任何的輔助元器件就能實現電流反向的檢測。同時，可以給電能計量模塊預置電流反向時的處理方式，如電流反向時取功率或電能的絕對值為測量值等等。

對于電流反接時的防竊電，有一點需要注意，當負載電流非常小的時候，可能會出現錯誤的電流反向警告，這是需要避免的。可以設定一個電流反向檢測的最小電流極限，當小于這個最小電流極限時，關閉電流反向檢測功能，防止錯誤的電流反向警告。

5. 移除主電壓

移除主電壓表現為移除電表接線中的一路，通常竊電者移除零線，使得電表沒有電網電壓的進入，導致電表不能正常計量或不能工作，如圖3a所示。

對付這種竊電行為，可用一個低成本的電流互感器CT，從其余的連接電表導線中流經的電流上竊取很小的電能給電能表供電，使電能表實現防竊電測量。由于受到電能表成本、電能表表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流等諸多因素的影響，選擇從電流上竊電的CT是受限制的，因此能從電流上竊電給電能表供電的電能也受限制。尤其當負載電流很小時，能從電流上竊取的電能將不能勝任電能表供電。

供電部門通常希望當負載電流大于1A－2A時就能實現電能表的防竊電測量，而且這個能實現防竊電測量的負載最小電流極限值越小越好。基于以上的要求，我們需要選擇一個在移除主電壓防竊電測量時功耗很小的方案，以保證順利完成防竊電的測量。

圖3：（a）移除主電壓竊電。（b）移除主電壓時的防竊電測量。（c）移除主電壓竊電補充。

TI的MSP430FE42x系列單片機具有豐富的模擬前端和防竊電多功能電能表計量模塊ESP430，可以較為容易地實現移除主電壓時的防竊電測量。圖3b為移除主電壓時的防竊電測量模型。

在這個方案中，除電池外，電能表的電源供給由兩部分組成，一是火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上竊取提供電源，如圖3b中的Supply CT。所以當移除主電壓時，供電CT從電流上竊取的電源仍能保持電能表工作，進行防竊電測量。

供電CT要在小電流時也能夠驅動電能表工作。通常當負載電流為1A時，一個小的CT提供等效于1mA/3V，這對于MSP430FE42x單片機來說已經可以實現防竊電測量。當然如果選用更大的CT，能降低移除主電壓防竊電測量負載的最小電流極限值，但是這一方面將增加供電CT的成本，另一方面，當負載電流很大時，電源管理相關的元器件將承受很大的壓力，并有可能損壞，所以以選用大CT的方法是不可取的。

采用移除主電壓，CT供電進行防竊電測量時，測量的精度不是最終要的指標。由于沒有主電壓信號存在，功率因素和外部電壓的測量已經不可能實現。一般可以使用額定電壓作為估計值進行計量。沒有功率因素，最高的電流精度對于電能的計量都是沒有意義的，而且主電壓的估計值在不同地區，不同電網會有幾個百分比的誤差，即使在同一個城市誤差也依然存在。

前面提到的移除主電壓竊電行為是斷開一根導線的連接，主電壓為零。竊電者可能會附加二極管、電容、電阻等器件及其組合來干擾對主電壓的正常檢測。如圖3c所示。

在圖3c中，我們以附加二極管為例，實際上這個二極管可能被電容、電阻以及三者的組合所代替。竊電者企圖通過這些附加的元器件改變主電壓的特性，干擾電能表檢測竊電行為的發生。對于這種竊電行為，首先要區分是真正的低電壓還是竊電行為造成的低電壓。如果附加的元器件組合使這個電源供給仍然是全波的波形，這將很難區分是低電壓還是竊電行為；如果是半波的波形，則可以通過檢測它的周期來區別是否有附加的元器件存在。

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