直流強磁干擾下防竊電檢測裝置的設(shè)計

王家壕，陳炳文，林淑娜，曾昭杰，郭卓航，劉嘉誠

（1.揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 揭陽 520000；2.揭陽供電局，廣東 揭陽 522000；3.廣東立德電氣有限公司，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

電能計量工作是電力系統(tǒng)的一項重要工作。長期以來，總有一些用戶存在竊電行為，近年竊電行為愈演愈烈。據(jù)專家保守估計，每年竊電行為多達(dá)幾十萬起，竊電量可達(dá)幾百億千瓦時，已嚴(yán)重影響了電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。隨著電力行業(yè)市場改革的深入，高科技竊電方式越來越多，常用竊電方式主要有欠流法、欠壓法以及移相法等。國內(nèi)外很多科技工作者在防竊電技術(shù)方面作了大量的研究，并取得很多有效的成果[1-5]。如李長云等人針對直流偏磁研究保護(hù)，用電流互感器的傳變特性推導(dǎo)出直流偏磁電流對電流互感器起始飽和時間影響的數(shù)值關(guān)系[2]。任燕康等人提出一種新型防竊電策略，利用專變采集終端自帶的表計特性，通過計量回路與測量回路的多日電量比對進(jìn)行竊電分析與日常監(jiān)控，最終形成良好的防范機制[5]。本文針對直流強磁場對電流互感器進(jìn)行直流偏磁極化方式，提出一種判斷準(zhǔn)確的防強磁竊電方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

1 直流強磁干擾機理

直流強磁竊電原理是基于直流產(chǎn)生的強磁通對電流互感器的干擾，使電流互感器達(dá)到磁飽和，導(dǎo)致表內(nèi)互感器不會感應(yīng)或感應(yīng)電流小于實際電流，從而實現(xiàn)竊電行為。強磁干擾電磁變化示意如圖1所示。實線為無直流偏磁情況，虛線為直流偏磁情況。電流互感器通常使其工作在磁化曲線的飽和點A點附近。直流強磁場干擾會造成直流磁通φ0的存在，導(dǎo)致電流互感器總磁通φ發(fā)生偏移，從而引起電流互感器的磁路飽和，降低磁導(dǎo)率。若要產(chǎn)生相同的磁通，則需要更大磁化電流，使勵磁電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而導(dǎo)致電能計量不正常。即磁化電流正半周波急劇增大，負(fù)半周則逐漸減小至零，如圖1（c）中虛線所示。若檢測出勵磁電流出現(xiàn)嚴(yán)重異常，則可以判斷出現(xiàn)竊電行為。

圖1 電磁變化示意圖

2 防竊電檢測裝置的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

防強磁竊電裝置主要由采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及主控模塊等組成。其中，采樣模塊采用電流互感器和羅氏互感器采集信號，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7606進(jìn)行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，主控模塊控制核心芯片選用基于ARM Cortex M4核的STM32F407配合相應(yīng)外圍電路。系統(tǒng)框圖和裝置實物電路板如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖和實物圖

2.2 電路原理分析

2.2.1 采樣模塊電路

采樣模塊電路采用電流互感器和羅氏互感器進(jìn)行信號預(yù)處理，如圖3所示。在直流強磁場干擾下，電流互感器采集到的波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致電能計量出現(xiàn)錯誤。羅氏互感器采用PCB羅氏線圈，將銅導(dǎo)線均勻地印制在PCB板上[6，7]。這種結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)于普通的羅氏線圈，可進(jìn)一步盡量減少強磁干擾的影響，獲得不受強磁干擾的電流信號。由于兩個互感器的直接輸出都存在高次諧波，使得比較過程變得復(fù)雜，導(dǎo)致羅氏互感器的輸出滯后于電流互感器。正常情況下，通過積分器后，兩個波形相位基本一致。一旦出現(xiàn)直流強磁干擾，則羅氏線圈相位和電流互感器波形會出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，此時可判斷用戶存在竊電行為。

圖3 采集模塊電路

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位的模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)AD7606，如圖4所示。AD7606采用5 V單電源供電，采樣速率可達(dá)200 kS/s，輸入鉗位保護(hù)電路耐壓為±16.5 V。無論器件工作在何種采樣頻率下，AD7606的模擬輸入阻抗均為1 MΩ。從濾波器輸出的信號接AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端“SIN”，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與主控并行運行，主控通過SPI讀取被測信息的數(shù)字量。模塊工作受主控控制，當(dāng)CVA為上升沿時，模塊完成一次信號采集，所以CVA引腳接主控芯片的控制信號輸出引腳，REST為硬件復(fù)位引腳。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.2.3 主控模塊電路

主控電路如圖5所示，數(shù)據(jù)處理部分的核心處理器采用STM32F407，主頻達(dá)到了168 MHz，通過外圍電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的綜合管理以及數(shù)據(jù)的運算。STM32F407作為Cortex M4系列的代表，其優(yōu)點是在于新增了硬件FPU單元和DSP指令，同時適用于需要浮點運算和DSP處理的應(yīng)用，也被稱為DSC。主控電路除了完成數(shù)字信息的處理之外，同時還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、顯示以及傳輸?shù)韧ㄐ殴δ堋?/p>

圖5 主控電路

2.3 軟件算法設(shè)計

防強磁竊電裝置軟件部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理比較以及補償計量。算法的流程框圖如圖6所示[8]。

圖6 軟件流程圖

2.3.1 信號采集與數(shù)據(jù)上傳

PCB羅氏線圈與磁式電流互感器采用并聯(lián)形式。設(shè)羅氏線圈采集信號為IKA、電流互感器采集信號為IKB，為了獲得穩(wěn)定的電流信號，去除高次諧波，必須對IKA信號進(jìn)行濾波、積分以及放大處理，在一次側(cè)獲得不受外磁場干擾影響的電流信號。

2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)比較

數(shù)據(jù)采集后，必須對IKA信號和IKB信號同時進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和比較。為了獲得同步信號，系統(tǒng)通過獲取相位零點的方式，調(diào)整羅氏線圈和電流互感器的波形，使兩個波形實現(xiàn)同一個時刻的比較。根據(jù)IK-1＜0和IK+1＞0分別確定IKA和IKB進(jìn)行比較的起始點IKA0和IKB0。設(shè)定每次采樣的時間設(shè)定為t≥40 ms，采樣頻率為100 kHz，確保兩個電流波形的采樣有一個完整的周期信號。如果不存在強磁竊電時，則IKA=IKB；若存在強磁竊電時，IKB的波形會發(fā)生飽和現(xiàn)象，即有IKA≠IKB。

2.3.3 竊電量補償計量

當(dāng)系統(tǒng)處于強磁竊電時，可進(jìn)一步折算成竊電量W1。由于電壓基本不變，強磁干擾前后，電能與電流成正比。設(shè)W2表示電能表已計算電量，g=IA/IB，則補償電量為W1=（g-1）W2。

2.4 檢測功能測試

圖7為防竊電報警裝置的實際驗證結(jié)果。圖（a）為初始狀態(tài)，顯示“誤差為0，狀態(tài)為0”時，屬于正常情況。圖（b）和圖（c）為測試狀態(tài)，圖（b）顯示“誤差為41、狀態(tài)為0”，說明誤差沒有超出報警邊界條件，屬于正常無竊電情況。圖（c）顯示“誤差為843、狀態(tài)為1”，說明誤差已明顯超出報警邊界條件，屬于竊電行為。

圖7 裝置實際驗證顯示

3 結(jié) 論

本文主要通過計算羅氏線圈與電流互感器的計量誤差，將其作為判斷系統(tǒng)是否存在強磁竊電的依據(jù)，并通過實物測試，驗證了防竊電裝置檢測的有效性和實用性。