直流強磁干擾下防竊電檢測裝置的設計

王家壕，陳炳文，林淑娜，曾昭杰，郭卓航，劉嘉誠

（1.揭陽職業技術學院，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。據專家保守估計，每年竊電行為多達幾十萬起，竊電量可達幾百億千瓦時，已嚴重影響了電力企業的經濟效益。隨著電力行業市場改革的深入，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。國內外很多科技工作者在防竊電技術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，用電流互感器的傳變特性推導出直流偏磁電流對電流互感器起始飽和時間影響的數值關系[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行竊電分析與日常監控，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行直流偏磁極化方式，提出一種判斷準確的防強磁竊電方法，以解決現有技術中存在的問題。

1 直流強磁干擾機理

直流強磁竊電原理是基于直流產生的強磁通對電流互感器的干擾，使電流互感器達到磁飽和，導致表內互感器不會感應或感應電流小于實際電流，從而實現竊電行為。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，導致電流互感器總磁通φ發生偏移，從而引起電流互感器的磁路飽和，降低磁導率。若要產生相同的磁通，則需要更大磁化電流，使勵磁電流波形發生嚴重畸變，從而導致電能計量不正常。即磁化電流正半周波急劇增大，負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嚴重異常，則可以判斷出現竊電行為。

圖1 電磁變化示意圖

2 防竊電檢測裝置的設計

2.1 總體設計

防強磁竊電裝置主要由采樣模塊、AD轉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轉換模塊采用AD7606進行信號模數轉換，主控模塊控制核心芯片選用基于ARM Cortex M4核的STM32F407配合相應外圍電路。系統框圖和裝置實物電路板如圖2所示。

圖2 系統框圖和實物圖

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行信號預處理，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生畸變，導致電能計量出現錯誤。羅氏互感器采用PCB羅氏線圈，將銅導線均勻地印制在PCB板上[6，7]。這種結構和參數優于普通的羅氏線圈，可進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雜，導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。一旦出現直流強磁干擾，則羅氏線圈相位和電流互感器波形會出現嚴重畸變，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轉換電路

A/D轉換電路采用16位的模數數據采集系統AD7606，如圖4所示。AD7606采用5 V單電源供電，采樣速率可達200 kS/s，輸入鉗位保護電路耐壓為±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模數轉換模塊的輸入端“SIN”，模數轉換模塊與主控并行運行，主控通過SPI讀取被測信息的數字量。模塊工作受主控控制，當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為硬件復位引腳。

圖4 A/D轉換電路

2.2.3 主控模塊電路

主控電路如圖5所示，數據處理部分的核心處理器采用STM32F407，主頻達到了168 MHz，通過外圍電路實現對系統的綜合管理以及數據的運算。STM32F407作為Cortex M4系列的代表，其優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處理的應用，也被稱為DSC。主控電路除了完成數字信息的處理之外，同時還負責數據的存儲、顯示以及傳輸等通信功能。

圖5 主控電路

2.3 軟件算法設計

防強磁竊電裝置軟件部分主要負責數據采集、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 信號采集與數據上傳

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

2.3.2 A/D轉換與數據比較

數據采集后，必須對IKA信號和IKB信號同時進行模數轉換和比較。為了獲得同步信號，系統通過獲取相位零點的方式，調整羅氏線圈和電流互感器的波形，使兩個波形實現同一個時刻的比較。根據IK-1＜0和IK+1＞0分別確定IKA和IKB進行比較的起始點IKA0和IKB0。設定每次采樣的時間設定為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的波形會發生飽和現象，即有IKA≠IKB。

2.3.3 竊電量補償計量

當系統處于強磁竊電時，可進一步折算成竊電量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果。圖（a）為初始狀態，顯示“誤差為0，狀態為0”時，屬于正常情況。圖（b）和圖（c）為測試狀態，圖（b）顯示“誤差為41、狀態為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 論

本文主要通過計算羅氏線圈與電流互感器的計量誤差，將其作為判斷系統是否存在強磁竊電的依據，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。