Ⅱ型采集器接入電力系統(tǒng)對電能表的影響分析

金 萍，田正其，鮑 進(jìn)

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

自2010年以來，作為國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)第一個(gè)全面普及的工程，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)在國網(wǎng)范圍內(nèi)大規(guī)模展開。用電信息采集系統(tǒng)主要包括主站軟件、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、采集終端等部分，低壓電力載波通信技術(shù)在系統(tǒng)建設(shè)過程中發(fā)揮了很大作用，而Ⅱ型采集器是完成電能表與集中器載波通信的關(guān)鍵設(shè)備。在對Ⅱ型采集器進(jìn)行全性能檢測過程中，發(fā)現(xiàn)工作中的Ⅱ型采集器會(huì)導(dǎo)致電能表在無負(fù)荷的情況下出現(xiàn)正反向小電流，造成電能表計(jì)量不準(zhǔn)。為避免這種情況，文中通過一系列的試驗(yàn)并從理論上進(jìn)行了分析，找出了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，同時(shí)給出了現(xiàn)場安裝建議，并提出了Ⅱ型采集器及智能電能表的改進(jìn)意見。

1Ⅱ型采集器介紹

Ⅱ型采集器主要由電源電路、下行RS485通信電路、上行載波通信電路、MCU處理器電路和紅外通信電路等模塊組成。上行通道采用低壓電力線載波通信方式與集中器進(jìn)行通信，下行通道采用RS485與智能電能表通信。

為控制成本，Ⅱ型采集器的電源模塊常常采用降壓、整流、穩(wěn)壓的方式來實(shí)現(xiàn)，電源模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)中采用硅鋼片疊制而成的鐵心變壓器[1]作為降壓變壓器，電源輸入經(jīng)過降壓變壓器后，獲得10 V左右交流電壓，然后通過橋式整流電路轉(zhuǎn)換為直流，最后通過穩(wěn)壓芯片獲得5 V或3.3 V的工作電壓。

圖1電源模塊結(jié)構(gòu)

2影響原因分析

2.1Ⅱ型采集器電源端對電能表的影響分析

由于Ⅱ型采集需要市電供電且載波電路也需要接入市電，因此現(xiàn)場安裝過程中Ⅱ采集器的電源端口1'和2'分別連接于電能表的1，3口，如圖2所示。

圖2電能表和采集器等效圖

從圖2可以看出，線路總電流I˙為用戶負(fù)載電流（I˙L）、電表消耗電流（I˙S）、Ⅱ型采集器消耗的電流（I˙C）之和。由于電能表內(nèi)部工作電壓和Ⅱ型采集器的工作電壓，取至錳銅采樣的前級，所以電表自身工作產(chǎn)生的功耗電流I˙S并不通過計(jì)量回路 （不通過錳銅分流器），也就是說電能表內(nèi)部功耗（包括計(jì)量、顯示、通信所需的功耗）和采集器的功耗不會(huì)計(jì)入用戶電量，而是由線路損耗承擔(dān)。可見，采集器的自身功耗不會(huì)影響電能表的計(jì)量，Ⅱ采集器的電源端口1'和2'分別連接于電能表的1，3口不會(huì)增加電能表的計(jì)量?？梢耘懦蛐筒杉麟娫炊税惭b在電能表電壓端對電能表的影響。

2.2Ⅱ型采集器內(nèi)部變壓器漏磁對電能表影響分析

2.2.1Ⅱ型采集器電源變壓器的漏磁產(chǎn)生機(jī)理

變壓器在工作過程中，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，初級繞組、次級繞組中的電流會(huì)產(chǎn)生交變的磁通，所產(chǎn)生的磁通基本都沿著鐵磁材料制成的變壓器鐵心構(gòu)成的封閉磁力回路，這部分磁通稱作為主磁通，如圖3所示。

圖3變壓器漏磁示意圖

由于在E型與I型鐵心的結(jié)合處將產(chǎn)生空氣隙，因空氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵心的磁阻，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁力線在通過空氣隙時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生泄漏，使得線圈產(chǎn)生的磁通部分通過空氣構(gòu)成回路，如圖3所示，這部分磁通形象的稱之為漏磁通[2]。

2.2.2智能電能表計(jì)量原理

智能電能表通過準(zhǔn)確提取用戶側(cè)的電壓、電流信號，經(jīng)中央處理器的運(yùn)算完成電能計(jì)量。電壓信號普遍采用精密電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)信號變換，電流信號常采用錳銅分流式電流傳感器的方式實(shí)現(xiàn)信號變化。

錳銅分流器其本質(zhì)為一種阻抗很小的精密電阻，串接在待測電流信號回路中,當(dāng)錳銅分流器上有電流信號通過時(shí)，利用歐姆定律∶ui（t）=i（t）×R （1）通過測量分流器兩端上的電壓降ui（t），如圖4所示，則電能表在u（t）工作電壓下，電能W計(jì)量公式如下：

圖4錳銅采樣回路

2.2.3Ⅱ型采集器變壓器對電能表的的影響

當(dāng)Ⅱ型采集器安裝于電能表左側(cè)時(shí)，錳銅采樣回路就可以看作與Ⅱ型采集器的距離為C的感應(yīng)線圈，匝數(shù)為1，面積為S，如圖4中的等效線圈所示。

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：當(dāng)變化的磁力線穿過一個(gè)閉合線圈時(shí)就會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，錳銅采樣線圈中的感應(yīng)電壓[3]為：

式中：Lg為空氣氣隙長度；L為磁芯磁路長度；Le為變壓器鐵心有效磁路長度；irms為變壓器線圈電流有效值；N為變壓器線圈的匝數(shù)；K0為系數(shù)，修正與鐵心、繞線的螺距、繞組的排列方式及結(jié)構(gòu)有關(guān)的影響量；K1為修正系數(shù)；K2為修正系數(shù)，距離C處的漏磁通只有部分進(jìn)入線圈，用K2修正；n為閉合線圈的匝數(shù)，文中為1；S為閉合線圈包圍的面積。當(dāng)?shù)刃Ь€圈中感應(yīng)出電壓時(shí)，電能表的計(jì)量產(chǎn)生改變，此時(shí)的電能計(jì)量如下：如式（3）所示，電能表內(nèi)部的錳銅采集回路的面積S越大，Δu越大；變壓器距離電能表的距離C越小，Δu越大，對電能表的影響越大。

2.2.4試驗(yàn)分析

通過上述分析可初步確定，采集器漏磁導(dǎo)致電能表在無負(fù)荷的情況下出現(xiàn)正反向小電流。為驗(yàn)證這一結(jié)論，選擇了15家不同生產(chǎn)廠家的Ⅱ型采集器，分別完成了采集器側(cè)面漏磁大小的測試、采集器與電能表的距離對電能表顯示電流影響測試，結(jié)果如表1所示。

表1采集器漏磁對電能表的影響

從測試數(shù)據(jù)來看，不同廠家的Ⅱ型采集器側(cè)面的漏磁通大小不同。拆開采集器發(fā)現(xiàn)，不同廠家的采集器內(nèi)部的變壓器安裝方式不同，導(dǎo)致了側(cè)面的漏磁通大小不同。漏磁通較小的幾個(gè)Ⅱ型采集器的變壓器線圈方向如圖5中的箭頭所示，主磁場方向如圖中箭頭所示，故側(cè)面漏磁較小。漏磁通較大的Ⅱ型采集器的內(nèi)部變壓器線圈方向如圖6中箭頭所示，主磁場方向平行于箭頭方向，側(cè)面漏磁通較大，電能表內(nèi)部的錳銅電流采集回路感應(yīng)的電流較大，故影響較大。

此外，變壓器的材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及工藝的不同，導(dǎo)致式（3）中的補(bǔ)償系數(shù)K0有所不同，因此相同位置的漏磁通大小也不同[4]。

圖5線圈方式1

圖6線圈方式2

由表1可見，試驗(yàn)過程中，1～9與10～15的Ⅱ型采集器對電能表造成的干擾后顯示的電流方向不同，這是由于不同廠家的變壓器設(shè)計(jì)過程中繞組的方向不同，即irms的方向不同，Δu正負(fù)極性不同，導(dǎo)致了電能表在被干擾時(shí)顯示的電流正負(fù)極性有所不同。隨著距離由0增加到5 cm，漏磁通的大小也逐漸減小，對電能表的干擾也隨著距離的增加而減小，當(dāng)距離達(dá)到3.1 cm時(shí)，所測試的Ⅱ型的采集器對電能表的影響均消失。由此進(jìn)一步驗(yàn)證了電能表被干擾的原因是由于采集器的漏磁導(dǎo)致。

3解決措施

通過以上分析可知：Ⅱ型采集器對電能表準(zhǔn)確度的影響主要是由于內(nèi)部變壓器漏磁在錳銅采樣電阻構(gòu)成的閉合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓造成的。因此可以通過如下改進(jìn)措施，避免現(xiàn)場安裝過程中Ⅱ型采集器對電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性造成的影響。

3.1優(yōu)化Ⅱ型采集器的設(shè)計(jì)

3.1.1變壓器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）選用導(dǎo)磁性能更好的鐵心材料，增加鐵心對磁力線的束縛；通過改變變壓器的鐵心材料，其漏磁會(huì)得到明顯的改善。

（2）由法拉第電磁感應(yīng)定律，交變磁通可以在導(dǎo)磁材料中產(chǎn)生出感應(yīng)電勢，可以考慮在變壓器的周圍增加導(dǎo)磁材料做的封閉屏蔽外殼，將主要漏磁磁通束縛在屏蔽外殼內(nèi)。非晶態(tài)合金作為在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)材料的新型材料主要是利用磁旁路原理來引導(dǎo)場源所產(chǎn)生的電磁能流使它不進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)[5]?？梢圆捎梅蔷B(tài)合金完成變壓器的屏蔽。

（3）變壓器安裝方式的優(yōu)化。將漏磁通較大的方向平行于采集器的長邊安裝，減少電能表位置獲得的漏磁通；變壓器盡量安裝于電路板的中央，這樣可以提高變壓器與外殼的距離，減小漏磁。

選用3只Ⅱ型采集器，通過優(yōu)化變壓器的鐵心材料、增加屏蔽、改變變壓器安裝方式等方案對Ⅱ型采集器進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)前后的Ⅱ型采集器六面的漏磁通大小如表2所示。表2對比數(shù)據(jù)可見，通過這3種方式的優(yōu)化，改進(jìn)后的Ⅱ型采集器對電能表的影響基本消失。

表2Ⅱ型采集器改進(jìn)前的漏磁大小 mT

3.1.2改變采集器電源部分設(shè)計(jì)方案

Ⅱ型采集器的電源部分可以采用不使用硅鋼降壓變壓器的電源設(shè)計(jì)方案方案，例如采用阻容式電源或開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，從根本上避免變壓器的漏磁。

3.2優(yōu)化現(xiàn)場安裝方式

現(xiàn)場安裝過程中，避免采集器緊貼于電能表左側(cè)安裝。對于已設(shè)計(jì)好的表箱可以按照如下方式安裝：采集器盡量安裝于遠(yuǎn)離電能表的最左側(cè) （建議采集器與電能表相距的最小距離5 cm）；若有條件，采集器安裝于電能表的右側(cè)。

3.3提高電能表的抗擾能力

提高電能表的對工頻磁場的抗擾能力，可以從以下幾個(gè)方面來改進(jìn)：（1）減小錳銅采樣回路導(dǎo)線構(gòu)成的線圈面積。（2）錳銅采樣回路，增加一個(gè)反向補(bǔ)償方案，即針對文中式（4）中的Δu，通過錳銅的設(shè)計(jì)，增加一個(gè)-Δu進(jìn)行抵消。（3）優(yōu)化電能表印制電路板上電流采樣回路的布線設(shè)計(jì)，避免線路板上走線形成封閉的等效線圈，在磁場作用下出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢。

4結(jié)束語

從Ⅱ型采集器的結(jié)構(gòu)原理及錳銅采樣電能表的工作原理出發(fā)，分析了Ⅱ型采集器對電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響原因，提出了Ⅱ采集器及電能表設(shè)計(jì)上的改進(jìn)措施，并對Ⅱ型采集器的現(xiàn)場安裝方式提供了參考。通過改進(jìn)Ⅱ型采集器內(nèi)部變壓器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化變壓器的安裝方式，優(yōu)化電能表內(nèi)部的錳銅采樣回路、將采集器安裝于合適的位置等方式，可以消除Ⅱ型采集器對電能表的影響，進(jìn)一步提高了用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的質(zhì)量。

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