基于羅氏線圈的強(qiáng)磁竊電補(bǔ)償方法*

林松泉 謝東桂 方培清 許澤玲 李隆淳

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基于羅氏線圈的強(qiáng)磁竊電補(bǔ)償方法*

林松泉 謝東桂 方培清 許澤玲 李隆淳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局）

針對(duì)強(qiáng)磁竊電，提出一種帶補(bǔ)償?shù)姆婪斗椒āＭㄟ^(guò)電流互感器采集的波形與羅氏傳感器采集的波形比較，獲得計(jì)量誤差，最終判斷是否出現(xiàn)強(qiáng)磁竊電情況；發(fā)現(xiàn)竊電情況時(shí)，通過(guò)波形分析，記錄竊電數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為需補(bǔ)償量。測(cè)試結(jié)果表明：強(qiáng)磁干擾下，電流互感器波形明顯上移，當(dāng)直流電流大于4.6 A后，負(fù)半周電流波形峰值僅為0.1074 A，當(dāng)直流電流達(dá)到9 A時(shí)，負(fù)半周電流波形峰值僅為0.0018 A，通過(guò)計(jì)量誤差可計(jì)算竊電量。

強(qiáng)磁竊電；磁飽和；羅氏線圈；竊電補(bǔ)償

0 引言

電能計(jì)量是電力企業(yè)一項(xiàng)非常重要的工作，也是電力企業(yè)和用戶建立信任關(guān)系的關(guān)鍵，然而竊取電能的事件時(shí)有發(fā)生。最近，出現(xiàn)新型竊電手段——強(qiáng)磁竊電，其實(shí)施簡(jiǎn)便、隱蔽性強(qiáng)，嚴(yán)重影響電力企業(yè)正常工作。本文針對(duì)強(qiáng)磁竊電特點(diǎn)，提出一種基于羅氏線圈的防強(qiáng)磁竊電方法。該方法以一定的分析精度，對(duì)電流互感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，可有效追回被竊取的電量。

1　竊電原理

當(dāng)前，電能計(jì)量是通過(guò)對(duì)電流、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，再由電能表以特定的算法計(jì)算，得出用戶用電量。強(qiáng)磁竊電是針對(duì)互感器鐵芯具有飽和特性這一特點(diǎn)，使電能計(jì)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。

本文以直流強(qiáng)磁場(chǎng)為例進(jìn)行分析，不同情況下的電磁變化示意圖如圖1所示，其中實(shí)線為正常情況，虛線為竊電情況。計(jì)量用電流互感器工作在磁化曲線的飽和點(diǎn)附近，如圖1(b)中的A點(diǎn)，鐵芯未飽和，磁導(dǎo)率較大。在強(qiáng)磁場(chǎng)下，存在一個(gè)直流磁通0，使得電流互感器總磁通的方向發(fā)生向上或向下平移，磁通的偏移將引起電流互感器中鐵芯單向磁飽和。磁路飽和，磁導(dǎo)率降低，由鐵芯材料的磁化曲線可知[1]，產(chǎn)生相同的磁通需要更大的磁化電流。因此，與強(qiáng)磁場(chǎng)方向一致的磁化電流的峰值在半個(gè)周波內(nèi)急劇增大，而在另半周則逐漸減小至0，勵(lì)磁電流波形發(fā)生畸變（如圖1(c)中的虛線所示），從而導(dǎo)致電能計(jì)量不正常，這就是強(qiáng)磁場(chǎng)影響電能計(jì)量的基本原理。

圖1　不同情況下的電磁變化示意圖

2　竊電補(bǔ)償方法

強(qiáng)磁竊電的原理是強(qiáng)磁場(chǎng)使計(jì)量用電流互感器鐵芯磁飽和[2]，從而導(dǎo)致電能計(jì)量異常。防強(qiáng)磁竊電方法設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。本方法采用一種不受磁場(chǎng)影響的傳感器與電流互感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)要求的分析精度和2組波形可能存在的最大誤差，判斷是否發(fā)生強(qiáng)磁竊電。本方法主要由信號(hào)采集、信號(hào)處理和竊電補(bǔ)償3個(gè)步驟組成。

圖2 防強(qiáng)磁竊電方法設(shè)計(jì)流程圖

2.1　信號(hào)采集

為了能在強(qiáng)磁場(chǎng)下采集到正常的波形，需要一種不受強(qiáng)磁干擾的傳感器。羅氏線圈是一種均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，理論上可獲得不受強(qiáng)磁干擾的電流信號(hào)[3]。但由于普通羅氏線圈的工藝較復(fù)雜，很難做到線圈均勻繞制和每匝線圈橫截面相等。所以本方法采用PCB羅氏線圈[4]，其導(dǎo)線由機(jī)器均勻印刷在線圈上，且結(jié)構(gòu)和參數(shù)都優(yōu)于普通的羅氏線圈。如圖3所示，用2個(gè)相同的PCB羅氏線圈半圓可組成一個(gè)完整的羅氏互感器，它采集的數(shù)據(jù)不受強(qiáng)磁場(chǎng)影響。但需要注意的是PCB羅氏線圈因線圈匝數(shù)較少，測(cè)量的電流需比較大；當(dāng)電流較小時(shí)，可考慮通過(guò)串聯(lián)多個(gè)PCB羅氏互感器解決。

圖3　PCB羅氏線圈

2.2　信號(hào)處理

2.3　竊電補(bǔ)償

3　測(cè)試分析

利用羅氏線圈對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，2個(gè)互感器直接輸出都存在高次諧波，使得比較過(guò)程變得復(fù)雜，需要進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。本文選取公頻作為比較對(duì)象，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。羅氏線圈和電流互感器信號(hào)處理前后輸出波形如圖4(a)、圖4 (b)所示。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明：羅氏線圈和電流互感器經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，強(qiáng)磁干擾信號(hào)完全補(bǔ)濾除掉，輸出電流波形比較穩(wěn)定，效果較好。

信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后，再經(jīng)過(guò)積分器和放大器，可使羅氏線圈相位與電流互感器基本一致，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖4(c)所示。結(jié)果表明：輸出波形信號(hào)穩(wěn)定，符合檢測(cè)要求，可進(jìn)行竊電補(bǔ)償計(jì)算。

為模擬竊電補(bǔ)償，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真測(cè)試，設(shè)定直流電流dc分別為0.5％n，10％n（n為電流互感器空載時(shí)電流）。隨著直流偏磁的增大，勵(lì)磁電流正半軸峰值進(jìn)一步增大，負(fù)半軸幾乎沒(méi)有波形，電流畸變更加嚴(yán)重，即計(jì)量誤差增大。圖5為正常狀態(tài)和受干擾狀態(tài)下，直流強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電流互感器二次波形的影響波形，表1列出了不同直流偏磁下電流互感器勵(lì)磁電流峰值。

由圖5可以看出：圖5(a)的電流峰值約1.25 kA，而圖5(b)的正半周電流峰值達(dá)到5.75 kA，這表明：強(qiáng)磁干擾下，電流互感器的波形明顯發(fā)生變形，波形上移，且隨著直流電流的增加，電流互感器波形畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。

圖4　羅氏線圈和電流互感器處理前后輸出波形

圖5(a) 正常情況下電流互感器二次側(cè)波形

(b) 強(qiáng)磁干擾下電流互感器波形

圖5 直流強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電流互感器二次波形的影響波形

從表1可以看出：當(dāng)直流電流大于4.6 A后，由于互感器鐵芯材料已高度飽和，負(fù)半周電流波形峰值僅為0.1074 A；當(dāng)直流電流達(dá)到9 A時(shí)，負(fù)半周電流波形峰值僅為0.0018 A，電流已接近為零。結(jié)果表明：勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，通過(guò)電流互感器傳變特性發(fā)生偏差竊取電量，偏差越大，竊電量越多，可以通過(guò)計(jì)量誤差計(jì)算出竊電量。

表1 不同直流偏磁下勵(lì)磁電流峰值

4　結(jié)論

本文通過(guò)分析強(qiáng)磁場(chǎng)竊電的原理，提出一種基于羅氏線圈的防強(qiáng)磁竊電方法。選擇一種不受磁飽和影響的采樣元件，用此元件采集的數(shù)據(jù)與電流互感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以文中推導(dǎo)的公式作為判據(jù)，準(zhǔn)確地判別是否存在強(qiáng)磁竊電，并通過(guò)計(jì)量誤差轉(zhuǎn)化竊電量，便于工作人員追回電量。

[1] 魏梅芳,吳細(xì)秀,胡國(guó)昭,等.變壓器中低頻暫態(tài)模型研究綜述[J].變壓器,2016,53(9):22-30.

[2] 李長(zhǎng)云,李慶民,李貞,等.直流偏磁條件下電流互感器的傳變特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(19):127-132.

[3] 司小平,樂(lè)麗琴,趙國(guó)生.羅氏線圈電子式電流互感器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(21):144-147.

[4] 龔勇鎮(zhèn),黃崇林,廖輝,等.PCB型羅氏線圈電流傳感器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2017,39(2):100-103.

Compensation Method for Strong Magnetic Theft Based on Roche Coil

Lin Songquan Xie Donggui Fang Peiqing Xu Zeling Li Longchun

(Guangdong Power Grid Co., Ltd. Chaozhou Power Supply Bureau Zip)

A new method of prevention and control is proposed for the new method of stealing electricity by strong magnetic stealing. By comparing the waveform collected by the current Transformer with that collected by the Roche sensor, the measurement error is obtained, and whether there is a strong magnetic theft is finally judged. When the theft is discovered, the data is recorded through waveform analysis and converted to the amount of compensation required. The simulation results show that under strong magnetic interference, the waveform of the current Transformer moves upwards obviously. When the DC current is greater than 4.6 A, the peak value of the negative half-cycle current waveform is only 0.1074 A. When the DC current reaches 9 A, the peak value of the negative half-cycle current waveform is only 0.0018 A, and the current is close to zero. The amount of electricity stolen can be calculated by measuring errors.

Strong Magnetic Theft; Magnetic Saturation; Roche Coil; Stealing Power Compensation

林松泉，男，1971年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。E-mail: 352991620@qq.com

謝東桂，男，1988年生，本科，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。E-mail: 527486587@qq.com

方培清，男，1979年生，本科，經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向：電力工程、市場(chǎng)營(yíng)銷。E-mail: 13553722440@.139.com

許澤玲，女，1983年生，本科，經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向：電力工程、市場(chǎng)營(yíng)銷。E-mail: 17702066@qq.com

李隆淳，男，1981年生，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。E-mail: 19303363@qq.com

潮州供電局營(yíng)銷創(chuàng)新項(xiàng)目（0351002017030102SC00049）