民用智能電能表在直流強磁場中的抗干擾性能的研究

沈明炎，張杰梁，林艷紅

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

民用智能電能表在直流強磁場中的抗干擾性能的研究

沈明炎，張杰梁，林艷紅

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

文中針對民用智能電能表的直流強磁干擾的典型竊電方式，詳細闡述了電能表在直流強磁鐵干擾下的計量性能，指明電能表的電流采樣回路是受強磁干擾的關鍵部分。通過理論分析與實驗驗證，提出電能表通過合理科學設計和制造，可以有效提高電能表的抗直流強磁場干擾的性能，在提升民用智能電能表的抗干擾性能方面具有重要的參與價值。

直流強磁場；智能電能表；計量性能；抗干擾性能

1 引言

近幾年，隨著我國智能電網(wǎng)的深入建設，民用智能電能表已基本替代了原先的感應式電能表和普通電子式電能表，因其所具有的計量準確性高、功能多、可靠性高和抗干擾能力強等特點，大大提高了我國電力建設的集約化程度[1]。與此同時，因物質(zhì)生活水平提高，居民家電用電量大大增加，應繳電費也隨之增長，各種的竊電手段也應運而生，其中利用高強直流磁場干擾電能表計量的手段就是一種較為普遍的竊電方式[2]。為了分析外部直流強磁場對智能電能表的影響，下文從專業(yè)的技術角度，以較為直觀的方式，對智能電能表的電流采樣方式在抗直流強磁場干擾的性能方面做出了詳細的闡述，并通過分析驗證，提出電能表設計和制造方面的改良對提升抗干擾性能的思路。

2 智能電能表的構(gòu)造原理

智能電能表是帶有多種功能的強化版電子式電能表，其主要由電流采樣模塊、電壓采樣模塊、電能計量芯片、微處理器、顯示模塊、直流穩(wěn)壓電源、控制通訊模塊和其他輔助電路等部分組成，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示[3]。智能電能表的處理核心是微處理器，它負責將各單元送到的數(shù)據(jù)進行計算處理，并協(xié)同控制其他模塊的運行；電能計量芯片則是智能電能表的計量核心，電能的乘法運算、功率頻率轉(zhuǎn)換和分頻計數(shù)輸出等工作都是在電能計量芯片內(nèi)部完成的；顯示模塊和控制通訊模塊可實現(xiàn)智能電能表的人機交互工作，用于智能電能表的輸入操作和輸出顯示功能；直流穩(wěn)壓電源則是智能電能表內(nèi)部各模塊運行的能源供給；最后則是電流采樣模塊和電壓采樣模塊，這兩個模塊作為智能電能表的交流采樣單元，能夠?qū)崟r采集線路中的交流電信號，是電能表計量數(shù)據(jù)的源頭，其采樣的準確性直接影響到整個智能電能表的計量性能。

圖1 智能電能表的結(jié)構(gòu)原理框圖

3 抗磁場干擾性能分析

從智能電能表的結(jié)構(gòu)原理上可以看出，電能表模擬量部分主要包括交流采樣和電能計量芯片兩部分，其他模塊都是數(shù)字量單元，因此，研究直流磁場對智能電能表的影響應從電能表的模擬量部分著手。由于電能計量芯片是高集成度微電子器件，受外磁場的影響非常小，基本不受影響。同時，由于大部分的智能電能表是采用電阻分壓的采樣方式，電壓采樣回路為阻性線路，并且電流很小，基本可以忽略磁場對電壓參數(shù)的影響，所以智能電能表承受直流磁場影響能力的強弱主要取決了電流采樣部分的抗干擾能力[4]。

直流強磁場的干擾下，電能表中的電流采樣回路會產(chǎn)生一個磁化電流，會引起電能表采樣電流的幅值和相位產(chǎn)生偏差，引入相位誤差和幅值誤差，使電能表計量的電功率發(fā)生變化，從而影響電能表的計量誤差。其中根據(jù)線路中的電流大小，可分為直接接入式和經(jīng)互感器接入式兩種，其電流采樣方式也相應地分為錳銅電阻采樣和儀用CT采樣兩種。由于結(jié)構(gòu)上的不同，不同的電流采樣方式對直流磁場的抗干擾性能也不同[5]。

根據(jù)磁感應原理，在磁動勢即安匝數(shù)一定的情況下，磁感應強度與氣隙的長度成反比，即隨著電能表受干擾點與直流磁場源的距離增大，磁感應強度快速減弱，因此減小直流磁場干擾的一個十分有效的方法就是遠離磁場源[6]。但是很多時候則是由于空間的限制，無法采用遠離磁場源的方式，則此時就要采取一些措施來增加屏蔽層，以達到減小直流磁場干擾的效果。由于可以屏蔽射頻干擾的鈹銅復合材料、銀、錫或鋁等材料不能用于屏蔽直流磁場，價格昂貴的高磁導率的鐵磁合金才會對直流磁場具有屏蔽效果[7]，這樣會大大增加成本投入，并且會影響智能電能表的外形設計。因此，為了節(jié)約資源，提高利用率，在不增加屏蔽層的情況下，在不改變電能表體積和大體形態(tài)的情況下，通過調(diào)整電能表內(nèi)部受磁場干擾元器件的位置和方向，或是更換相應抗性的材料，就可以在直流強磁場中大大提升電能表的抗磁場干擾性能。

4 模擬測試抗磁場干擾性能

根據(jù)上文提及的智能電能表的工作原理，要提升智能電能表的抗直流強磁場的干擾能力，就需要處理好智能電能表的電流采樣部分。因此下文對圖2中的幾種電能表電流采樣方式進行磁場干擾試驗，分析總結(jié)其在磁場干擾的情況下的電能計量性能。

圖2 電能表電流采樣單元

根據(jù)測試要求，按圖2的樣式取4臺按JJG 596-2012《電子式交流電能表檢定規(guī)程》的要求誤差檢測合格，并且電能誤差相近，計量性能穩(wěn)定的智能電能表作為試驗驗證的樣品，編號為a、b、c、d。在實驗室選用一塊強磁鐵作為磁場干擾試驗的磁場發(fā)生源，對樣品進行模擬干擾試驗。先用特斯拉計測得強磁鐵在各個間隔距離的磁場強度，如表1所示。再將強磁鐵分別放置在各個指定的位置，觀察電能表受干擾的情況，如表2所示。最后將強磁鐵放置于受干擾程度最大的位置上，測得各個間隔距離的電能誤差值，通過比較可較為直觀地得出電能表的抗磁場干擾性能，如表3所示。

表1 磁鐵磁場強度

表2 電能表受強磁場干擾的情況

表3 強磁場干擾下的電能誤差測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

上文詳細闡述了電能表在直流強磁鐵干擾下的計量性能，電能表在近距離接觸直流強磁鐵的情況下，計量性能受到較大的影響，通過增大接觸距離，可減少相應的干擾。根據(jù)理論分析和模擬試驗，電能表受強磁干擾的部分是電流采樣回路。在直流強磁場的干擾下，電能表中的電流采樣回路產(chǎn)生的磁化電流，使電能表采樣的電流變小，電能表計量的電功率減少，電能表的計量誤差偏負。經(jīng)過分析和驗證，電能表電流回路中器件位置和方向合理調(diào)整，或是更換相應抗性的材料，會使電能表在直流強磁場中的抗磁場干擾性能大大提升。電能表各個部分合理科學設計和制造，都是提高電能表的計量性能以及抗干擾性的有效途徑。

[1]代燕杰,張宇,石燕,等.永久磁鐵對靜止式電能表計量性能的試驗研究[J].電測與儀表.2012,(2):60-63.

[2]崔幼,賀民.淺談恒定磁場對電子式電能表的影響[J].浙江電力.2009,(1):75-77.

[3]沈明炎,黃洪,等.智能電能表新型竊電方式的研究[J].機電技術.2014,(3):127-130.

[4]劉建,徐晴,王忠東,等.直流磁場和靜電對智能電表的影響仿真分析[J].電測與儀表.2014,(16A):88-92.

[5]沈明炎,經(jīng)電流互感器工作的三相電子式電能表在直流和偶次諧波影響下的計量性能分析[J].計量技術.2015,(5):34-37.

[6]馮慈璋,等.工程電磁場導論[M].北京:高等教育出版社.2009.

[7]桑大治,孫向華.強磁鐵對電能表基本誤差的影響分析[J].現(xiàn)代營銷.2011,(12):303-303.

Research on Anti-jamming Performance of Civil Smart Electricity Meter in DC Strong Magnetic Field

SHEN Ming-Yan, ZHANG Jie-Liang, LIN Yan-Hong
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

This paper is aimed at the typical electricity stealing type of the dc magnetic interference of the civil smart electricity meter, the measurement performance of the electric energy meter under the interference of the DC magnet is described in detail, and it is pointed out that the current sampling circuit of the electric energy meter is a key part of the strong magnetic interference. Through the theoretical analysis and experimental veri fi cation, the proposed electric energy meter ,through a reasonable scienti fi c design and manufacturing, can effectively improve the electric energy meter anti-DC strong magnetic fi eld interference performance, it is of great value in improving the anti-jamming performance of the civil smart electricity energy meter.

DC strong magnetic fi eld; Smart electricity meter; Measurement performance; Anti - jamming performance

2017-07-05

沈明炎，男，福建省計量科學研究院，國家一級注冊計量師，工程師，碩士

張杰梁，男，福建省計量科學研究院，國家一級注冊計量師，工程師，碩士

林艷紅，女，福建省計量科學研究院，助理工程師，碩士