電磁干擾對智能電能表的影響

張 志，胡水菁，代燕杰，陳祉如，王平欣

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南 250003；2.山東省實驗中學(xué)，濟南 250001）

電磁干擾對智能電能表的影響

張 志1，胡水菁2，代燕杰1，陳祉如1，王平欣1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南 250003；2.山東省實驗中學(xué)，濟南 250001）

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進，智能電能表得到大規(guī)模應(yīng)用。與傳統(tǒng)電能表不同，智能電能表含有大量電子元器件，易受電磁干擾。在全性能檢測中，不能完全建立現(xiàn)場運行及人為原因帶來的高強度電磁干擾環(huán)境。如存在干擾源干擾表計的情況，會造成CPU及芯片損壞，導(dǎo)致電能表失效，且不易被發(fā)現(xiàn)。從干擾源、電磁場等方面對竊電機理進行分析，提出防竊電措施。改進后的智能表能夠有效防范電磁干擾竊電。

智能電能表；強電磁干擾；竊電；機理分析

0 引言

竊電行為由于其隱蔽性、分散性及多樣化等特點，嚴重損害了供電企業(yè)的合法權(quán)益，擾亂了正常的供用電秩序。隨著智能電能表的廣泛應(yīng)用，簡單的竊電方法逐漸減少，針對智能電能表的高科技竊電方法層出不窮。

文獻［1-3］對欠壓法、欠流法以及移相法等竊電方法進行了描述，提出了預(yù)防措施。文獻［4］定性的對發(fā)展及發(fā)達兩大環(huán)境下的代表地區(qū)進行竊電分析。在竊電及隱私權(quán)控制方面，文獻［5］從理論上提出一種對策論模型。在安全方面，文獻［6］將遺傳算法與支持向量機算法相結(jié)合，提出一種基于遺傳算法支持向量機的防竊電檢測方法。以上文獻僅是針對傳統(tǒng)的竊電方法進行研究。隨著科技的發(fā)展，針對智能電能表的竊電方式也更加隱蔽和智能化。智能電能表含有大量的電子元器件，極易受強電磁干擾的影響。普通塑料表箱無法阻止強電磁干擾，可造成電能表失效或非正常工作，但是用戶依舊可以正常用電。

在智能電網(wǎng)大力推廣的新形勢下，開展防竊電工作，對于供電企業(yè)非常重要。保證智能電能表在強電磁干擾的情況下正常工作，不受竊電用戶控制，成為首要關(guān)心的問題。

1 竊電機理分析

在智能電能表運行現(xiàn)場，人為原因造成的強電磁干擾對對智能電能表干擾最嚴重。竊電者通過各種方式制作高頻高壓干擾源，干擾電能表正常工作。目前，竊電者使用最多的干擾源如圖1所示。

為了準確有效地反映高頻電磁干擾源的特性，干擾源的建模必須能夠建立影響智能電能表正常運行的電磁干擾因素。對于高頻電擊器來說，要建立電場和磁場的細節(jié)，必須提取出電擊器線圈的輻射特性。分析現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的竊電干擾源，其原理如圖2所示。

圖1 電磁脈沖干擾源

圖2 干擾源原理

由圖2可知，電池的直流電源通過放大、整流升壓到直流30 kV，通過高壓電容充電蓄能，當(dāng)電容充滿電后通過前方的放電電極放電，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。此時，會在圓形線圈中通過脈沖電流，進而在其周圍產(chǎn)生高頻變化的磁場。

這種干擾源功率小但電壓極高，電源采用2～4節(jié)可充電的鎳氫電池或鋰電池，體積小，便于藏匿。由于干擾源電壓能達到10～100 kV，加上放電線圈的影響，可產(chǎn)生2 MHz左右的高頻高壓電磁波輻射。當(dāng)放電線圈靠近表計放電時，由電磁感應(yīng)原理可知，表計內(nèi)部線路會感應(yīng)出同樣頻率的脈沖，脈沖幅值可達數(shù)百伏，對表計3.3 V或5 V的弱電系統(tǒng)形成極大傷害，甚至?xí)斐蒑CU死機，或者直接擊穿晶體管而損壞。不論是死機還是損壞，智能電能表均不再能進行計量，從而達到竊電目的。將干擾源的空心線圈靠近環(huán)路線圈，得到感應(yīng)電壓波形如圖3所示。

圖3 電擊器感應(yīng)電壓波形

圖3中，每一縱格代表200 V，電擊器線圈的能量在數(shù)字示波器上可以感應(yīng)到高達數(shù)千伏的電壓（圖中最高電壓達1 600 V，脈沖前沿頻率在109數(shù)量級），通過輻射與傳導(dǎo)耦合，能量會傳遞到智能電能表的內(nèi)部，直接損壞CPU及計量芯片。

目前，通過對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的表計進行分析，高壓電擊器故障現(xiàn)象分為兩種：一種是直接擊壞，另一種是電擊后表計黑屏死機，再電擊一次即可恢復(fù)。對于這種竊電方式，文獻［7-10］提出當(dāng)檢測到外部強電磁干擾時，實現(xiàn)對電能表跳閘斷電，阻止竊電行為，并上報采集系統(tǒng)。但在實際情況下，往往電能表來不及上報，表計已經(jīng)燒毀，這種方法不能從根本上解決此問題。因此，要從根本上解決由電磁脈沖干擾竊電帶來的影響及損失，必須對智能電能表進行改進。

2 改進措施

2.1 屏蔽措施

電磁干擾信號一般是通過空間輻射傳遞到智能電能表內(nèi)部然后影響內(nèi)部的電子線路工作。金屬板在高頻變化的電磁場中會產(chǎn)生渦流，從而大幅度衰減干擾信號。若在環(huán)路線圈與電擊器輻射線圈之間加入一層薄金屬板，環(huán)路線圈檢測到的感應(yīng)電壓會大幅度降低。新型防竊電智能電能表通過PCB板的銅層以及外部附加的金屬屏蔽層來實現(xiàn)對高頻電磁干擾信號的衰減，進一步提升智能電能表整體的抗電磁干擾能力，如圖4所示。

圖4 加金屬屏蔽層的智能電能表

由圖4可知，紅線圈住的部分為金屬屏蔽層，對加屏蔽層后的智能電能表進行電擊干擾，其感應(yīng)電壓波形如圖5所示。

圖5 加金屬屏蔽層后感應(yīng)電壓波形

由圖5可知，加金屬屏蔽層后，智能電能表感應(yīng)到的電壓會大幅降低。另外，智能電能表內(nèi)部的電源是所有功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，當(dāng)電源受到干擾而出現(xiàn)異常時，智能電能表可能出現(xiàn)不計量、少計量等嚴重問題。目前普通智能電能表內(nèi)部電源使用的工頻電源變壓器在受到強磁場作用時會出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象而導(dǎo)致輸出大幅下降，從而使電能表無法正常工作。新型防竊電智能電能表內(nèi)部電源變壓器采用高導(dǎo)磁率、低損耗的硅鋼片制作并外加抗強磁屏蔽層，能夠大幅提升電能表抗強磁場的能力，維持智能電能表在強磁干擾環(huán)境下電源的正常工作。

2.2 電路布局優(yōu)化

智能電能表內(nèi)部有大量的集成芯片及電子元器件，通過PCB板及板上的線路構(gòu)成一個完整的計量系統(tǒng)。電子器件及集成芯片都對電磁信號敏感，在受到強電磁干擾時，可能會出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致電子器件或集成芯片功能喪失。如果受干擾的是電源芯片，可能會使穩(wěn)壓電路輸出異常。輸出偏低時，表計停止工作；輸出升高時，則可能會造成其他器件過壓損壞。在智能電能表中對強電磁干擾敏感的元器件有電源芯片、復(fù)位芯片、時鐘芯片、單片機、紅外接收器等。

元器件與電子線路外圍也構(gòu)成很多類似于傳感空心線圈的回路，感應(yīng)電壓的強弱與PCB板上電路的整體布局設(shè)計緊密相關(guān)。通過理論分析及大量試驗，在改進措施中對電路設(shè)計進行了充分優(yōu)化，盡可能地降低線路對電磁干擾信號的敏感度，從而減少電磁干擾信號對電路的損害或不利影響。

2.3 關(guān)鍵器件保護

智能電能表內(nèi)部電路MCU微處理器、計量芯片的重要部位如電源供電、復(fù)位、時鐘信號等，最容易受到干擾而直接導(dǎo)致工作異常。竊電干擾器是通過產(chǎn)生高頻、高幅值的瞬間強電磁信號破壞智能電能表。可以利用陶瓷電容對高頻信號的低阻抗特性，以及壓敏或瞬變抑制器對瞬間高幅值信號的強吸收特性，在電路上的敏感位置增加保護及濾波器件如壓敏器件、瞬變抑制器件、陶瓷電容等，大幅提升關(guān)鍵器件對電磁干擾信號的耐受能力。

經(jīng)過對重要器件有針對性地進行防護電路改進，智能電能表抗干擾能力明顯加強，在連續(xù)干擾的條件下，未發(fā)現(xiàn)有黑屏、復(fù)位、數(shù)據(jù)錯亂現(xiàn)象。

2.4 電磁干擾檢測

干擾源線圈這種竊電方式隱蔽性極強，在智能電能表改進措施中，需要設(shè)計強電磁干擾檢測電路，為追查竊電行為提供依據(jù)。

在智能電能表設(shè)計時，增加強電磁干擾檢測電路，檢測外部電磁信號耦合至表內(nèi)檢測線圈，由CPU進行軟件處理。智能電能表將此干擾行為作為事件記錄進行保存，并在DL／T 645—2007中擴展相應(yīng)的通信協(xié)議，可以通過通信接口（載波、RS485接口）及時上傳至管理監(jiān)控系統(tǒng)，對此類破壞或竊電行為進行監(jiān)控。在智能電能表受到強磁場干擾時能夠記錄磁干擾事件及發(fā)生時間等信息，并能在智能電能表異常事件發(fā)生后進行追溯。但是，當(dāng)智能電能表受到嚴重干擾，CPU損壞的情況下，往往不能及時做出處理。

3 結(jié)語

強電磁干擾竊電具有隱蔽性強的特點，竊電實施方便，現(xiàn)場認證非常困難。為了解決目前智能電能表在防強電磁干擾竊電方面的不足，針對目前干擾源的竊電機理進行分析，提出了智能電能表改進措施。現(xiàn)場運行情況表明，改進后的智能電能表不僅可以有效防范電磁脈沖干擾竊電，而且為竊電取證提供了有力依據(jù)。

［1］王偉能，王志強，楊帥.智能電能表中竊電與防竊電技術(shù)分析［J］.湖南電力，2012，32（5）：30-31，33.

［2］韓松林.對幾種防竊電電路的功能分析［J］.電測與儀表，1999，36（7）：8-12.

［3］邵強，李丹，劉曉湘.單相電能表防竊電原理的研究及應(yīng)用［J］.電測與儀表，2009，46（6）：59-62.

［4］WINTHER T.Electricity theft as a relational issue：A compara tive look at Zanzibar，Tanzania，and the Sunderban Islands，India［J］.Energy for Sustainable Development，2012，16（1）：111-119.

［5］DEPURU SSSR，WANG Lingfeng，DEVABHAKTUNI Vijay，et al.High performance computing for detection of electricity theft［J］.International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2013，47（6）：21-30.

［6］NAGI J，YAP KS，TIONG SK，et al.Detection of abnormalities and electricity theft using genetic Support Vector Machines［J］. proceedings of IEEE Region 10 Conference，2008.

［7］MOHAMMAD Nabil，BARUA Anomadarshi，ARAFAT MA.A Smart Prepaid Energy Metering System to Control Electricity Theft［C］//Proceedings of 2013 International Conference on Power，2013.

［8］胡漢梅，汪元龍.竊電方式與防范措施的分析探討［J］.電測與儀表，2004，41（3）：54-56.

［9］郭立才，彭志煒，范強.電能計量及反竊電方法綜述［J］.高壓電器，2010，46（5）：86-88.

［10］MILJANIC PN，SO E.，MOORE WJM.An electronically enhanced magnetic core for current transformers［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1991，40（2）：410-414.

Analysis on Influence of Electromagnetic Interference on Smart Energy Meters

ZHANG Zhi1，HU Shuijing2，DAI Yanjie1，CHEN Zhiru1，WANG Pingxin1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shangdong Experimental High school，Jinan 250001，China）

Smart energy meters have been widely used with the construction of smart grid.Unlike the traditional watt-hour meter， the smart energy meter contains many electronic components， which makes it to be easily affected by strong electromagnetic pulse interference.Strong electromagnetic environment induced by operation and human factors can not be fully established in performance testing.When the meter is interfered，CPU and chips should be damaged，the meter will be failure，and the pilfer-electricity is difficult to detect.The electricity stealing mechanism is analyzed in aspects of interference sources and electromagnetic fields，and improved measures are proposed.The improved smart energy meter can efficiently solve the issue of electricity stealing.

smart energy meter；strong electromagnetic interference；electricity stealing；mechanism analysis

TM933

A

1007－9904（2017）01－0029－03

2016-08-27

張 志（1984），男，工程師 ，從事電能表計量工作。