智能電能表EMC試驗(yàn)分析及判別措施探究

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特010020）

電能表作為發(fā)、供、用電各方電量貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，其計(jì)量是否公平、公正、準(zhǔn)確、可靠，直接關(guān)系到社會(huì)民生。智能電能表是指由測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能量計(jì)量、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、信息交互等功能的電能表[1]，其相對(duì)于傳統(tǒng)的電能表具有精確度高、功能擴(kuò)展性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。近幾年，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入發(fā)展，智能電能表開(kāi)始在電力系統(tǒng)中普及應(yīng)用。然而，由于智能電能表均為電子式電能表，其工作原理不同于傳統(tǒng)電表，內(nèi)含大量的電子元件，因此易受各種電磁干擾的影響，需要對(duì)其電磁兼容性給出特殊的要求[2-3]。隨著智能電能表在電力系統(tǒng)中的普及，智能電能表的電磁兼容性越來(lái)越受到各檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的重視。

1 電磁兼容的定義及要求

根據(jù)國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)IEC（international electrotechnical commission）的定義，電磁兼容EMC就是 “它是設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”，從定義上可以得出，EMC是一種能力，是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中不產(chǎn)生不允許的干擾，并能達(dá)到規(guī)定的性能要求[4-5]。EMC 包括電磁干擾EMI（ElectroMagnetic Interference）和電磁敏感性EMS（ElectroMagnetic Susceptibility），形成EMI 的3個(gè)基本要素是電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備[6]。對(duì)于電能表而言，其所受的電磁干擾主要由電磁騷擾源和耦合途徑這2個(gè)因素造成，三要素中的敏感設(shè)備即指智能電能表。

電能表作為國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的計(jì)量器具之一[7]，按照國(guó)標(biāo)的要求，必須進(jìn)行一系列的電磁兼容試驗(yàn)，同時(shí)國(guó)內(nèi)各電網(wǎng)企業(yè)也針對(duì)智能電能表，在電磁兼容方面提出了相應(yīng)的要求。依據(jù)內(nèi)蒙古電力公司最新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/NMDW-YX-005—2012《智能電能表技術(shù)規(guī)范》的要求，電能表的設(shè)計(jì)應(yīng)能保證在傳導(dǎo)和輻射以及靜電放電的電磁騷擾影響下，不損壞或不受實(shí)質(zhì)性影響，考慮的EMC試驗(yàn)包括電能表的靜電放電抗擾度、浪涌抗擾度、高頻電磁場(chǎng)抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、衰減振蕩波抗擾度等6 項(xiàng)[1]。

1.1 靜電放電

靜電放電主要通過(guò)傳導(dǎo)和輻射的形式干擾智能電能表內(nèi)的電子元件，進(jìn)而影響電能表系統(tǒng)工作[8]。其干擾源主要有：電子設(shè)備帶電而引起；摩擦產(chǎn)生；氣候干燥產(chǎn)生的靜電放電。靜電放電對(duì)智能電能表的影響主要體現(xiàn)在接口和電源部分，容易損害電能表的芯片和內(nèi)置電子器件，導(dǎo)致電能表工作異常。

1.2 高壓雷擊浪涌

在雷雨天氣出現(xiàn)直擊雷電產(chǎn)生電磁，干擾到附近的電線管路上，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成感應(yīng)磁場(chǎng)，從而影響電能表的正常工作。其騷擾的特點(diǎn)是產(chǎn)生輻射波的頻域極廣（從幾千赫到幾百兆赫或更高頻域），且無(wú)規(guī)律[9]。

1.3 高頻電磁場(chǎng)及射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)

高頻率電磁干擾非常廣泛地存在于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。例如日常使用的移動(dòng)電話、信號(hào)基站及其他具有發(fā)射高頻率電磁波功能的儀器設(shè)備等，產(chǎn)生的高頻率電磁波干擾都會(huì)影響智能電能表工作的可靠性和穩(wěn)定性。

按照干擾傳播的路徑，射頻干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。干擾信號(hào)通過(guò)直接傳輸或間接耦合的方式進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部而產(chǎn)生影響，稱為傳導(dǎo)干擾；輻射干擾是指干擾通過(guò)空間輻射及接受的方式產(chǎn)生影響[10]。高頻電磁場(chǎng)與射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)區(qū)別就在于干擾傳播路徑不同。

1.4 快速瞬變脈沖群

感性負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)處出現(xiàn)間歇性的觸點(diǎn)彈跳或絕緣擊穿等現(xiàn)象，導(dǎo)致斷開(kāi)位置出現(xiàn)暫態(tài)騷擾，稱之為快速瞬變脈沖。當(dāng)負(fù)載多次重復(fù)開(kāi)關(guān)，該騷擾會(huì)以對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔多次重復(fù)出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱之為快速瞬變脈沖群[11]。其騷擾頻譜分布較寬，會(huì)對(duì)電能表的工作可靠性產(chǎn)生影響。

1.5 衰減振蕩波

在高壓和中壓變電站中的閘刀開(kāi)關(guān)特別是高壓母線閘刀開(kāi)關(guān)的分合操作，會(huì)產(chǎn)生非常陡峭的瞬變電壓波，對(duì)電能表的工作性能產(chǎn)生影響，其振蕩頻率的范圍約為100 kHz 到幾兆赫，其中1 MHz 的振蕩頻率可以代表大多數(shù)情況。

2 電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果分析

在上述6 項(xiàng)電磁兼容試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)電能表進(jìn)行誤差實(shí)時(shí)采集的試驗(yàn)項(xiàng)目，包括電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)、高頻電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)，以及衰減振蕩波抗擾度試驗(yàn)。經(jīng)大量試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)、高頻電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)電能表實(shí)時(shí)采集的誤差常出現(xiàn)誤差超差現(xiàn)象，并且檢定裝置會(huì)出現(xiàn)異動(dòng)、花屏、死機(jī)等現(xiàn)象。

分析產(chǎn)生粗大誤差的原因，主要有3個(gè)：①施加電能表的干擾信號(hào)去耦合不完全，通過(guò)脈沖線、電壓線、電流線等連接線返送回檢定裝置，導(dǎo)致檢定裝置工作異常；②施加在電源線路上的干擾信號(hào)去耦合不完全，通過(guò)線路返送施加到檢定裝置，導(dǎo)致檢定裝置工作異常，出現(xiàn)粗大誤差結(jié)果，甚至死機(jī)現(xiàn)象；③耦合干擾通過(guò)電能表與金屬地面之間的雜散電容傳輸?shù)降?，由地再返回檢定裝置，導(dǎo)致檢定裝置工作異常。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在外部線路纏繞磁環(huán)，防止耦合干擾的高頻信號(hào)干擾檢定裝置準(zhǔn)確測(cè)量的方法進(jìn)行解決，有效地抑制了耦合干擾信號(hào)干擾檢定裝置[12]。

然而，運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題并不能完全消除，檢定裝置在采集電能表誤差的過(guò)程中仍會(huì)頻繁出現(xiàn)誤差超差現(xiàn)場(chǎng)。一般分析認(rèn)為，超差現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有2個(gè)：試驗(yàn)過(guò)程對(duì)電能表檢定裝置有干擾，影響誤差計(jì)算結(jié)果；電能表本身質(zhì)量問(wèn)題受試驗(yàn)過(guò)程影響，性能下降出現(xiàn)超差。由前述分析可知，通過(guò)增加磁環(huán)的方法可以有效地抑制耦合干擾信號(hào)對(duì)檢定裝置的干擾。但是，通過(guò)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)1批次3 只不同的樣表，得到的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。由表可知，在高頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)、電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)過(guò)程中，同一塊電能表在3次不同的試驗(yàn)過(guò)程中得出的結(jié)果不同，且有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的差異，直接影響試驗(yàn)結(jié)果。

表1 高頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of high frequency magnetic field immunity

表2 電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of electrical burst immunity

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以肯定的是通過(guò)增加外部線路磁環(huán)纏繞的方式，能夠一定程度上抑制耦合干擾信號(hào)對(duì)檢定裝置的干擾，但并不能完全消除。受試驗(yàn)室環(huán)境、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)裝置本身等內(nèi)外部因素的影響，沒(méi)有哪一種方法可以完全消除騷擾信號(hào)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的影響。因此應(yīng)從試驗(yàn)結(jié)果綜合分析判斷試驗(yàn)結(jié)果的可信與否。

3 試驗(yàn)結(jié)果判別措施分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

有時(shí)，僅僅懷疑某個(gè)值，對(duì)于不能確定哪個(gè)是異常值時(shí)，可以采用統(tǒng)計(jì)判別法加以判別。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，一般將明顯地歪曲了測(cè)量結(jié)果的誤差數(shù)據(jù)定義為粗大誤差。粗大誤差常使用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)判斷，其基本思想是，給定一置信概率P （或顯著性水平α=1-P），并確定一個(gè)置信限，凡超過(guò)這個(gè)限的誤差，都認(rèn)為它不屬于隨機(jī)誤差范疇，而是粗大誤差，應(yīng)予以剔除。常用的統(tǒng)計(jì)判斷方法有拉依達(dá)準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、t 檢驗(yàn)準(zhǔn)則、狄克遜準(zhǔn)則等5種。格拉布斯準(zhǔn)則使用最為廣泛[13-14]。

在此，對(duì)編號(hào)130111912001 的電能表進(jìn)行了原始誤差測(cè)量，在水平橫向進(jìn)行了高頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)，連續(xù)記錄10個(gè)誤差值，得出的高頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)電能表水平橫向誤差測(cè)試列見(jiàn)表3。

表3 電能表水平橫向誤差測(cè)試列Tab.3 Horizontal lateral error test column of electric meter

3.2 格拉布斯準(zhǔn)則判別

設(shè)在一組重復(fù)觀測(cè)結(jié)果xi中，其殘差vi的絕對(duì)值最大者為可疑值xd，在給定的包含概率為P=0.99 或P=0.95，即顯著性水平為0.01 或0.05時(shí)，如果滿足式（1）的要求，可以判定xd為異常值。

式中：G（α，n）為與顯著性水平α 和重復(fù)觀測(cè)次數(shù)n有關(guān)的格拉布斯臨界值；s為該組觀察結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。

表4 殘差Tab.4 Residual

由表可知，絕對(duì)值最大的殘差為0.94361，相應(yīng)的試驗(yàn)值x4=0.1012為可疑值xd，則

按P=95%=0.95，即α=1-0.95=0.05，n=10，查格拉布斯異常值檢驗(yàn)法的臨界值表，得G（0.05，10）=2.176，則

可以判定x4=0.1012為異常值，應(yīng)予以剔除。

在剔除x4=0.1012 后，剩下9個(gè)重復(fù)試驗(yàn)值，重新計(jì)算算術(shù)平均值為0.0527，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0122。在這9個(gè)數(shù)據(jù)中找出絕對(duì)值最大的殘差為0.0758，則再按格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行判定，查表得G（0.05，9）=2.110，則

可以判定xd=0.0758 不是異常值。

3.3 異常值分析

根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)測(cè)試誤差1.1012為異常值，應(yīng)予以剔除。然而，根據(jù)異常值的定義（異常值是指對(duì)一個(gè)被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)所獲得的若干觀測(cè)結(jié)果中，出現(xiàn)了與其他值偏離較遠(yuǎn)，且不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的個(gè)別值[15-16]），這里面有一個(gè)明確的前提——“重復(fù)觀測(cè)”，意為條件一致，但是在實(shí)際的試驗(yàn)環(huán)境下，射頻輻射信號(hào)一直在改變，缺少了“重復(fù)”這一先決條件，因此無(wú)法判斷所謂的異常值，是由于表計(jì)本身的問(wèn)題，還是檢定裝置受不斷變化的試驗(yàn)過(guò)程干擾引起的誤差超差。故不能簡(jiǎn)單地通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將離群的試驗(yàn)結(jié)果定義為“異常值”。

4 判別措施及結(jié)果驗(yàn)證

4.1 判別措施

經(jīng)分析，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)判別法進(jìn)行誤差結(jié)果的人工分析不可取，因此必須提出新的判別措施來(lái)輔助試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析判斷，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度與工作效率。

表1和表2為一批試驗(yàn)樣品的單次試驗(yàn)結(jié)果，由表可知，單一批次的3只樣表的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，然而同一廠家送檢的同一批次的3只樣表在結(jié)構(gòu)、原材料及設(shè)計(jì)原理上一致，所以在性能方面原則上（排除特殊條件下工藝的差異及次品率）也應(yīng)符合一致性原則。因此提出一種通過(guò)增加試驗(yàn)次數(shù)及樣品間試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的方式來(lái)確定試驗(yàn)結(jié)果，具體如下：

1）原始誤差合格，單次試驗(yàn)條件下3只樣表中合格數(shù)量n=3，試驗(yàn)結(jié)果可信，直接判定合格。

2）原始誤差合格，單次試驗(yàn)條件下3只樣表中合格數(shù)量3>n≥0，試驗(yàn)結(jié)果存在質(zhì)疑，重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程3次并記錄試驗(yàn)結(jié)果。若3只樣表每只的合格記錄數(shù)ni≥1 則試驗(yàn)結(jié)果判定合格，否則試驗(yàn)結(jié)果判定不合格。

3）原始誤差不合格，直接判定試驗(yàn)結(jié)果不合格。

4.2 結(jié)果的驗(yàn)證

依據(jù)所提判別措施，重新分析表1和表2數(shù)據(jù)，每種試驗(yàn)進(jìn)行3次，得出的結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果的判定Tab.5 Determination of test results

5 結(jié)語(yǔ)

電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果是判斷一款電能表是否符合相關(guān)規(guī)范的重要指標(biāo)，然而在試驗(yàn)過(guò)程中很難保證試驗(yàn)設(shè)備不受試驗(yàn)影響量的影響，即無(wú)法保證在試驗(yàn)過(guò)程中僅有被測(cè)電能表被影響量所干擾，因此試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)候存在質(zhì)疑。以往的做法常常是增加屏蔽，減少試驗(yàn)設(shè)備受影響量干擾，以提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。這種做法雖然有一定的效果，但在具體實(shí)施過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)超出預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果。在此所提出的新的試驗(yàn)結(jié)果判別措施，從另一個(gè)角度來(lái)提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度，取得了良好的效果，有效地提升了工作效率及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。