图1　农村配变电能计控箱原理框图

1　工作原理及主要功能
　　农村配变电能计控箱是将机械式电能表或静止式电能表、电压互感器、电流互感器、跳闸机构(接触器或断路器)和微电脑控制板等安装在一个箱体内，通过IC卡作为购电媒介，微控制器采用美国Microchip公司的芯片，完成预付电费、有功电能计量、报警、自动跳闸、可编程、数据处理与显示等功能。
　　存储器用于存储用户的地区号、装置号、倍率、脉冲常数、本次购电度和剩余电度等数据。由于电可擦读写存储器中数据可以长期保存(达100年)，擦写次数达10万次，停电不会引起数据丢失，电子部分无电池、免维护，所以一般采用电可擦读写存储器。
　　LED显示器为超高亮度数码管，共4位。显示器平时是暗的(降低功耗、延长寿命)，要它变亮只需将一张IC电度卡插入IC插口中，此时循环显示剩余电度数、最近一次所购电度数、倍率、装置号码、脉冲常数；电能表记录的用电数等微电脑记录的用电数，而用户的购电款为：

购电款=所购电度数×倍率×电价

　　IC卡为美国Atmal公司的AT88SC102加密卡(或法国Gemplus公司的896加密卡)，采用随机加密算法，其安全性优于磁卡和“电卡”［1］，是国际公认的电子货币。IC卡按用途不同，可分为电度卡、自检卡、总清卡三种，其中电度卡由用户掌握，用于购电，用户持电度卡到供电部门购电后，将该卡插入计控箱表面的插座中，所购电度即输进了自控装置并存储在存储器中，最大存储电量为9 999 kWh；自检卡由生产单位掌握，用于检查计控箱中LED显示器、报警灯、跳闸机构的硬件故障；总清卡由供电部门和生产单位掌握，用于计控箱中有关数据清零。
　　执行机构为接触器或断路器、报警信号灯，600 A以下的负荷由接触器控制(接触器分为普通型、有压型、无压型三种)，600 A以上的负荷由断路器控制，微控器发出跳、合闸脉冲信号，通过继电器送到接触器中断路器的跳、合闸控制回路。存储电量小于10 kWh时，显示器和报警信号灯变亮，提醒用户购电；电量用完后，自动切断该用户的供电回路并关灭信号灯。用完后违章超用电，则记录负电量(无压型交流接触则是每输入一次电度合闸一次)。
　　电能表可用三相三线制、三相四线制三相表或3只单相表，既可以用传统的感应式电能表，也可以用全电子式电能表，电能表的输出脉冲通过光电隔离器送到微控器的输出口，微控器统计脉冲数，并进行变换，得到电度数：

电度数=脉冲数/脉冲常数

　　IC卡售电机既可独立使用，也可与计算机通讯，实现计算机的售电管理［2,3］。

2　抗干扰措施
　　微控器对干扰的抗御途径一是通过硬件，二是通过软件。
2.1　硬件抗干扰措施
　　不管什么样的干扰源，对配变电能计控箱的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入的。通过电容耦合或感性耦合可把电磁场干扰直接辐射到计控箱中，通过输入输出信号线、电源线和地线把干扰传导到计控箱中。按干扰的作用不同，可以分为常态干扰和共模干扰两种，常态干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，共模干扰是指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。
　　配变电能计控箱中重点抑制常态干扰，兼顾共模干扰，其措施有：
　　采用输入低通滤波器和抑制高频常态干扰。
　　采用压敏电阻、隔离变压器、干扰抑制器等抑制尖峰型常态干扰，对“漏网”的尖峰干扰，最后用“看门狗”(Watchdog)消除其影响。
　　采用隔离和屏蔽等措施抑制主要来自电磁感应的常态干扰。
　　采用远离技术抑制线间耦合干扰，强电的馈线必须单独走线，绝对不能与信号线混拉在一起，强信号线与弱信号线应尽量避免平行走向，有条件的地方应努力使两者正交；电表的脉冲输出信号经过光电隔离器送到微控器，微控器的输出信号也要通过光电隔离器送到执行机构，利用光电隔离器较高的输入/输出绝缘电阻把“输入地”和“输出地”隔离开来，以使共模干扰电压不成回路。
　　为防止强电板与弱电板间的相互干扰，应在电源板与地线的引入处附近并接一个电解电容和一个无感瓷片电容，最好每块板上有独立的供电系统。
　　精心设计印刷线路板，电源线、地线和信号线布线合理，防止布线成回路型。
　　在每一个集成电路芯片的电源与地之间接一个无感的瓷片电容器。
　　还要充分利用接地技术抑制噪声和防止干扰，信号地线、噪声地线和金属件地线应在一点联接接地，特别是铁箱外壳、滤波器的金属外壳、变压器的铁芯和屏蔽层必须可靠地接大地。
　　为了保证绝缘强度，任一根导线绝缘层的绝缘强度大于2 kV(工频)，电路板、导线、接头等与箱体之间要达到一定的绝缘距离(大于5 mm)。
　　为保证MCU微控器的程序正常执行，不发生乱码现象，还要注意上电、掉电时可能出现的各种情况，保证在电压稳定后才执行程序(开启状态)，在上电、掉电的过程中MCU处于复位状态(关闭状态)。实践证明，MCU系统的可靠性很大程度上在于正确的启闭。
　　为进一步提高可靠性，必须保证元器件的质量，使用电压范围宽的工业级或军用级集成电路芯片，电子元件要经过老化筛选，最后，计控箱必须经过功能测试和试运行测试。
2.2　软件抗干扰措施
　　干扰对微控器的影响主要表现为以下两种情况：一是程序跑飞，产生一些错误的动作，甚至进入死循环；二是改变数据、标志位及输出口，造成运算错误、判断失误和输出混乱。为防止死机和乱码现象，除了采用硬件抗干扰措施以外，还要考虑采用软件方法抗干扰。
　　配变电能计控箱的软件中重点采取程序结构化、功能模块化，编程时防止构成死循环抗干扰措施。
　　在程序存储器中未用的存储单元、模块与模块之间以及较大模块跳转指令的后面都必须插入设置陷阱捕获跑飞的程序。
　　对关键性数据和标志位可采用一个数据重复3处存放的方法，在纠错程序中，对数据进行表决，若3个数据全相同，表示数据没有受到干扰，3个中有1个不同，2个相同，以相同的2个数据为正确数据对不同的数据进行纠正，若3个都不同，则对其进行初始化，填入一个缺省值；对重要标志位和输出口重复赋值，以防干扰影响标志位和输出口方向位。
　　选用美国Microchip公司的微控器，利用其单字节指令的特点，可以防止出现多字节指令程序跑飞后程序指针指向某条指令的中间字节，而使微控器按照错误程序执行；选用串行EEPROM存储器代替RAM存取数据，一方面省去电池，简化了硬件，一方面对于串行EEPROM的读写必须遵循严格的时序，干扰不会引起数据被改写，因此可靠性大大提高。
　　当MCU发生程序跑飞后不可能可靠翻转时，易发生系统死机现象。为防止死机，必须采用“看门狗”技术。配变电能计控箱中采用双重“看门狗”，设定MCU内部“看门狗”的时间常数为2.5 s，MCU外部“看门狗”的时间常数为20 s。不论“看门狗”电路在MCU片外，还是在MCU片内，其核心均是一个可重触发单稳态电路，要使“看门狗”可靠工作，除“看门狗”电路本身没有错误及与MCU接口正确外，还必须做到：MCU正常执行程序期间，每隔一定时间(小于设定时间常数)给“看门狗”发一个重触发脉冲，使“看门狗”电路“复位”；一旦因干扰使MCU程序跑飞，“看门狗”电路不应再接收到定时触发脉冲；“看门狗”电路在暂态过程结束后发生翻转，输出一定宽度的脉冲信号以引起MCU重新复位或产生不可屏蔽的中断；要有一个设计合理的跑飞处理程序模块。因此，应避免在中断服务子程序中和局部循环圈内加“复位”指令，消除看门狗电路非常“复位”的隐患。

3　结　语
　　采用新型农村配变电能计控箱可以对农村及小动力用户实现IC卡电能预收费管理，是一种符合我国国情的新的电能管理模式，可应用于当前的农村电网改造。要使配变电能计控箱真正应用于实际，计控箱必须具有功能全面、操作简便、运行可靠等特点，在技术上重点要解决准确性、死机和乱码等难题。

参 考 文 献