隨著進入家庭的各類電器越來越多，民用電量劇增，受經濟利益的驅使，竊電現象也日益嚴重[1-2]。而傳統的電表不具備監測和預防竊電的能力，因此市場廣泛需要防篡改的電能表。
電能表計量電量，取決于電壓、電流、功率因數三要素與時間的乘積，因此，只要改變三要素中的任何1個就能達到竊電的目的。常見的竊電手法主要有欠(失)壓法竊電、欠(失)流法竊電、移相法竊電、擴大誤差法竊電、繞越計量裝置法竊電及高科技竊電等[3]。
1 單相防竊電電子式電能表的工作原理
1.1系統設計
MSP430系列單片機是美國德州儀器公司的一款超低功耗，16位RISC結構的單片機，具有豐富的外圍模塊和靈活的時鐘源，其中數字控制振蕩器DC0可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16位計數器和常數發生器使MSP430系列微控制器能達到最高的代碼效率。這些特性特別適合電池供電，可大大延長電池壽命。MSP430F42x系列單片機配置有3個獨立的24位Σ-Δ模數轉換器，是適用于測量和計算二線或三線制的單相電能表的微控制器[4]，其構成的單相防竊電電子式電能表的功能框圖如圖1所示。
MSP430F42x內部具有LCD驅動器，最多可驅動顯示128段碼，能很好地完成LCD顯示功能，無需再擴展LCD驅動器,只要直接將液晶的各個腳與MSP430F42x對應的LCD驅動輸出腳相連即可。
1.1.3 通信接口
MSP430F42x具有1個硬件通用異步/同步接收發送外圍模塊（USART0），用于串行數據通信。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可選擇光學通信接口、RS-232/RS485接口或者兩者兼有。
1.1.4 脈沖輸出
脈沖輸出用來校表及計量，脈沖輸出的電路由普通I/O加光耦隔離實現。
1.1.5 帶溫度補償的實時時鐘RTC
實時時鐘RTC可由單片機內部的定時器實現。內部的溫度傳感器可方便地實現溫度的測量，實現對實時時鐘RTC的溫度補償。
1.2 總體工作原理
MSP430F42x單相防竊電電子式電能表的工作過程程中有2個關鍵值：外部電壓（電網電壓、供電CT產生或者兩者共同起作用的電壓）和電壓有效值。當外部電壓不存在時，電表在睡眠狀態，僅保持RTC 運行和LCD顯示。在外部電壓存在的情況下，若電壓有效值大于電網電壓的最小極限值（80 V），則認為電網電壓存在，電能表在正常計量狀態,通過電流回路和電壓回路的實際測量值計量；若電壓有效值小于電網電壓的最小極限值（80 V），則認為電網電壓不存在，此時進入移除主電壓防竊電測量狀態。電壓以這個地區的額定電壓為準，電流以電流回路的實際測量值為準進行計量。
1.3 工作流程
電表進入工作狀態后，在主程序中，程序循環查詢標志，主要進行各種判斷，判斷操作模式是否異常模式、是否等于掉電模式、是否有新的能量產生標志、是否等于掉零線模式等，當有相應的標志位置出現時，則進行相應的處理或進入中斷程序。在中斷程序中，完成主要的計量工作。
2 多功能防竊電計量
多功能計量體現在電能表能夠實現有功、無功、視在功率、功率因數、電流有效值、電壓有效值、頻率、相位等的測量。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表很容易實現單相電能表以下防竊電的測量。
2.1 電流不平衡時的防竊電測量
電流不平衡的典型情況為零線接地或火線短接。為了檢測電流的不平衡，除了檢測火線的電流外，還要檢測零線的電流，因此需要2個電流傳感器；由于隔離的原因，可以在1路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，而另1路就必須使用成本相對較高的電流互感器。圖1即為以火線上使用電流互感器,與I1+、I1-相連接，零線上使用錳銅電阻,與I2+、I2-相連接。內置3個獨立24位的Σ-Δ ADC的MSP430F42x進行2個通道（火線、零線）和1個電壓通道的采樣，并在單片機內部處理、比較2個電流通道上的電流，實現電流不平衡時的檢測。2個電流通道的傳感器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實現。
2.2 電流反向時的防竊電測量
電流反向的典型情況為火線的進出端口連接對換。通過在單片機內部判斷測量的功率正負來檢測電流是否反向，不需要任何的輔助元件就能實現電流的反向檢測。同時可以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，實現電流反向的防竊電測量。
2.3 移除主電壓時的防竊電測量
典型的移除主電壓為拆除電表的零線或火線連接，使得無電壓信號進入電表。
對這種竊電行為，可用1個低成本的電流互感器CT（圖1中的供電CT）從剩下的連接電表導線中流經的電流上獲取很小的電能，經過電源管理模塊處理，給電能表供電，使電能表實現防竊電測量。由于電能表成本、表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流的影響，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此，能從電流上獲取給電能表供電的電能也是受限制的，特別是當負載電流很小時，從電流上取得的電能將不能勝任電能表的供電電源。供電部門通常希望當負載電流大于1 A時就能實現電能表的防竊電測量,而且希望這個值越小越好。基于以上要求，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能順利完成防竊電的測量。因此本設計采用MSP430F42x系列單片機，利用其超低功耗特性和豐富的模擬前端,較為容易地實現了移除主電壓時的防竊電測量。模擬前端的具體電路如圖3所示。
電能表計量電量，取決于電壓、電流、功率因數三要素與時間的乘積，因此，只要改變三要素中的任何1個就能達到竊電的目的。常見的竊電手法主要有欠(失)壓法竊電、欠(失)流法竊電、移相法竊電、擴大誤差法竊電、繞越計量裝置法竊電及高科技竊電等[3]。
1 單相防竊電電子式電能表的工作原理
1.1系統設計
MSP430系列單片機是美國德州儀器公司的一款超低功耗，16位RISC結構的單片機，具有豐富的外圍模塊和靈活的時鐘源，其中數字控制振蕩器DC0可使器件從低功耗模式迅速喚醒，16位計數器和常數發生器使MSP430系列微控制器能達到最高的代碼效率。這些特性特別適合電池供電，可大大延長電池壽命。MSP430F42x系列單片機配置有3個獨立的24位Σ-Δ模數轉換器，是適用于測量和計算二線或三線制的單相電能表的微控制器[4]，其構成的單相防竊電電子式電能表的功能框圖如圖1所示。
1.1.1 電源管理
圖1中，除電池外，電源表的電源供給由兩部分組成：一是由火線和零線的主電壓提供電源，另一部分是供電CT從電流上取得提供電源,當進行移除主電壓竊電時，電能表仍進行正常計量。電源管理的電路圖如圖2所示。
MSP430F42x內部具有LCD驅動器，最多可驅動顯示128段碼，能很好地完成LCD顯示功能，無需再擴展LCD驅動器,只要直接將液晶的各個腳與MSP430F42x對應的LCD驅動輸出腳相連即可。
1.1.3 通信接口
MSP430F42x具有1個硬件通用異步/同步接收發送外圍模塊（USART0），用于串行數據通信。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可選擇光學通信接口、RS-232/RS485接口或者兩者兼有。
1.1.4 脈沖輸出
脈沖輸出用來校表及計量，脈沖輸出的電路由普通I/O加光耦隔離實現。
1.1.5 帶溫度補償的實時時鐘RTC
實時時鐘RTC可由單片機內部的定時器實現。內部的溫度傳感器可方便地實現溫度的測量，實現對實時時鐘RTC的溫度補償。
1.2 總體工作原理
MSP430F42x單相防竊電電子式電能表的工作過程程中有2個關鍵值：外部電壓（電網電壓、供電CT產生或者兩者共同起作用的電壓）和電壓有效值。當外部電壓不存在時，電表在睡眠狀態，僅保持RTC 運行和LCD顯示。在外部電壓存在的情況下，若電壓有效值大于電網電壓的最小極限值（80 V），則認為電網電壓存在，電能表在正常計量狀態,通過電流回路和電壓回路的實際測量值計量；若電壓有效值小于電網電壓的最小極限值（80 V），則認為電網電壓不存在，此時進入移除主電壓防竊電測量狀態。電壓以這個地區的額定電壓為準，電流以電流回路的實際測量值為準進行計量。
1.3 工作流程
電表進入工作狀態后，在主程序中，程序循環查詢標志，主要進行各種判斷，判斷操作模式是否異常模式、是否等于掉電模式、是否有新的能量產生標志、是否等于掉零線模式等，當有相應的標志位置出現時，則進行相應的處理或進入中斷程序。在中斷程序中，完成主要的計量工作。
2 多功能防竊電計量
多功能計量體現在電能表能夠實現有功、無功、視在功率、功率因數、電流有效值、電壓有效值、頻率、相位等的測量。MSP430F42x單相防竊電電子式電能表很容易實現單相電能表以下防竊電的測量。
2.1 電流不平衡時的防竊電測量
電流不平衡的典型情況為零線接地或火線短接。為了檢測電流的不平衡，除了檢測火線的電流外，還要檢測零線的電流，因此需要2個電流傳感器；由于隔離的原因，可以在1路的電流通道上選用低成本的錳銅電阻，而另1路就必須使用成本相對較高的電流互感器。圖1即為以火線上使用電流互感器,與I1+、I1-相連接，零線上使用錳銅電阻,與I2+、I2-相連接。內置3個獨立24位的Σ-Δ ADC的MSP430F42x進行2個通道（火線、零線）和1個電壓通道的采樣，并在單片機內部處理、比較2個電流通道上的電流，實現電流不平衡時的檢測。2個電流通道的傳感器分別選用了錳銅電阻和電流互感器，電壓通道采用電阻分壓實現。
2.2 電流反向時的防竊電測量
電流反向的典型情況為火線的進出端口連接對換。通過在單片機內部判斷測量的功率正負來檢測電流是否反向，不需要任何的輔助元件就能實現電流的反向檢測。同時可以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，實現電流反向的防竊電測量。
2.3 移除主電壓時的防竊電測量
典型的移除主電壓為拆除電表的零線或火線連接，使得無電壓信號進入電表。
對這種竊電行為，可用1個低成本的電流互感器CT（圖1中的供電CT）從剩下的連接電表導線中流經的電流上獲取很小的電能，經過電源管理模塊處理，給電能表供電，使電能表實現防竊電測量。由于電能表成本、表殼的尺寸以及電子元器件能夠承受的最大電流的影響，選擇從電流上取電的CT是受限制的，因此，能從電流上獲取給電能表供電的電能也是受限制的，特別是當負載電流很小時，從電流上取得的電能將不能勝任電能表的供電電源。供電部門通常希望當負載電流大于1 A時就能實現電能表的防竊電測量,而且希望這個值越小越好。基于以上要求，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能順利完成防竊電的測量。因此本設計采用MSP430F42x系列單片機，利用其超低功耗特性和豐富的模擬前端,較為容易地實現了移除主電壓時的防竊電測量。模擬前端的具體電路如圖3所示。
本文介紹的單相防竊電電子式電能表實際是在正常的單相多功能、多費率電能表上加防竊電功能，所以MSP430F42x單相防竊電電子式電能表可以是單相多功能表的形式，也可以是單相多費率的形式以及其他電能表形式。該表投入市場以來，產生了巨大的經濟效益和社會效益，也為電力管理部門打擊竊電行為提供了更強有力的武器。
