高頻輻射對數字功率電表計量的影響

王 昕，畢志周，趙艷峰，張 杰

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明 650217)

目前部分不法分子利用高科技智能化的大功率高頻輻射技術對數字式功率電能表的計量芯片進行干擾，使計量表計不能正常工作。這種竊電方法隱蔽性強(在表箱外發射大功率信號就能達到干擾表計計量的目的，不需動電力設備和計量裝置的任何部分)，在現場也不留任何痕跡，使用電稽查人員即使在短時間內發現竊電，也無法定性，只能更換電能表，且電能量追補困難重重。

高科技竊電對供電企業所造成危害遠遠超過傳統竊電方式，因此，應進一步加大反竊電措施:(1)建立健全各用戶計量裝置的運行檔案，加強鉛封和封印鉗的管理及完善用戶簽證;(2)針對用電負荷波動比較大的用戶安裝網絡表，實時監控，分析負荷變化曲線;(3)采用高磁不銹鋼內部加裝高科技材料特殊制成的雙層屏蔽網，有效地屏蔽大功率高頻輻射信號對電表計量元器件的沖擊［2－3］。

1 高頻干擾原理分析

電磁輻射是看不見，摸不著的，雖然在電力系統中高頻電磁輻射干擾不是很普遍，但也不容忽視，很多時候輻射的能量雖小，但對電力系統中敏感度較高的二次設備(如一些計量裝置)會產生極大的干擾［4］。

精密測量電路中的許多不穩定問題都可以歸結到高頻干擾，對于具有差分放大作用的儀表放大器卻是比較常見的，因為儀表放大器的兩個輸入端對地輸入阻抗很高，因此容易受到低功率RF 干擾。在儀表放大器中很重要的一個因素是共模抑制隨頻率增加而減小(從很低的頻率開始減小)，即失真隨頻率的增加而增大。這樣不僅僅是不抑制高頻共模信號，而且使高頻共模信號失真，產生失調［5，8］。

無線電工程師對于這種幾根長導線有一個專有名詞，稱之為“天線”，它是電波的換能器件，用以發射和接收電波，它的工作有點像音響里的揚聲器和話筒，它把在電路里流動的高頻電流通過電磁感應轉換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過任何導體時，導體內部的電子隨著高頻電流振動，在導體外面空間會感應激發電磁波。從設備到其電子設備之間的這種長饋線按照同樣的表現行為也會起到一個天線的作用，即使我們不希望它起到天線的作用也是如此。如果設備的外殼接地就有問題了，因為在高頻情況下外殼的電抗和饋線使整個系統起到一個天線的作用，而且天線接受的任何高頻信號(電場、磁場或電磁場)都將出現在阻抗上。形成共模干擾的原因很多，總結起來主要有以下幾點:

①電網串入共模干擾電壓;

②輻射干擾(如雷電、設備電弧、附近無線電臺、大功率輻射源)在信號線上感應出共模干擾;(原理就是交變的磁場產生交變的電流，兩個回路阻抗不同等原因造成電流大小不同)

③接地電壓不一樣，也就是地電位差引入共模干擾;

④設備內部電線對電源線的影響。

工作原理如圖1所示。

圖1 共模干擾原理圖

圖1 中的“電子設備”表示用戶側的設備裝置(即干擾信號源)，而“天線”可以看成是被干擾的設備(即計量表計)，對于上述高頻信號最可能的影響位置是在表計的進出線端子，精密低頻放大器很少與大的高頻信號耦合，所以輸出結果會表現出常見的可調整失調誤差［7］。

有些情況下共模電壓較大，特別是在一些采用隔離性能較差的配電箱里面，變壓器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的甚至高達130V 以上，共模電壓通過不對稱電路可轉化成差模電壓，直接影響測量信號，同時造成采樣元器件的損壞，這種共模干擾有可能是直流的也有可能是交流的［6］。工作原理如圖2所示。

圖2 差模干擾原理圖

圖2 中ICM2近似等于ICM1，而Z1不等于Z2，Up=ICM2×ZCM2，UQ=ICM1×ZCM1;

所以Up≠UQ，從而轉換為差模電壓UPQ，也就是說，共模干擾不直接影響設備，而是通過轉換為差模電壓來影響計量設備等。

2 試驗分析

本次曲靖供電公司查獲的用戶帶有天線“裝置”的正、背面控制面板如圖3所示。

圖3 送樣“裝置”正、反面控制面板圖

該送樣“裝置”產生的高頻輻射電場強度達到1 kV/m～5 kV/m，磁場強度的幅值為1 A/m～5 A/m，而目前云南電力試驗研究院采用的高頻電磁場抗擾度型式試驗標準為:

①試驗設備:高頻電磁場發生器、GTEM 室;

②試驗方法及條件:試驗頻端:80 MHz～1 000 MHz;

(a)試驗時電流線路無電流，電壓線路加參比電壓，試驗場強:E=20 V/m;

(b)線路加基本電流Ib，電壓線路加參比電壓，cosφ=1.0，試驗場強:E=10 V/m

③試驗判定:儀表在高頻電磁場輻射干擾試驗中計量誤差改變量(以在常溫標準狀態下為基準)應在表1 極限內，試驗過程中儀表功能應正常;試驗后，儀表不應出現損壞或信息的改變(單片機的復位，更不允“死機”等等不正常現象)，計度器示值不應出現變化。

表1 儀表在高頻電磁場輻射干擾試驗中計量誤差允許值

本次試驗選用寧波三星電氣股份有限公司生產的DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表(電壓:3×220 V/380 V，電流:3×1.5(6)A，編號:10039927，有功等級為1.0，有功常數為5 000 imp/(kW·h)進行試驗室驗證分析。

(1)當驗證表計(DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表)在送樣“裝置”處于不工作情況下測量誤差穩定，測量誤差符合JJG 596—1999《電子式電能表檢定規程》的要求。

(2)當驗證表計(DTSD188S 型三相四線電子式多功能電能表)在送樣“裝置”處于工作情況下測量誤差及功率變化與上述試驗相同(測量誤差向負方向變化，測量功率減少，導致電能表少計電量)，隨著“裝置”輸出功率的不斷增大，表計受干擾程度也越大。

在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下驗證電能表有功測量誤差如表2所示，誤差曲線變化如圖4所示。

表2 驗證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測量誤差

圖4 驗證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的誤差變化曲線圖

送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下驗證電能表的功率如表3所示，功率曲線變化如圖5所示。

表3 驗證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測量功率

圖5 驗證電能表在送樣“裝置”處于不工作情況與送樣“裝置”處于工作情況下的測量功率變化曲線圖

如果將高頻信號發射裝置的發射頻率調至6 W以上，測試臺體將復位甚至無動作(死機)，無法校驗誤差與功率。在信號發射裝置的發射頻率調至6 W 時，對誤差的影響較大，但是功率變化不明顯，但從測試數據來看功率示值呈現下降的趨勢。此次測試所用的臺體為海鹽電力儀表廠的三相標準表裝置，等級0.05 級，型號:HY9352d－06。

驗證測試試驗中如果設備輸出功率在10 W 以內的時候表計計量模塊工作正常，能夠正常通訊，但采樣端的采樣功率有一定的下降，可導致表計計量誤差偏負;而當設備輸出功率大于10 W 時，計量表計輸入采樣功率明顯降低，計量芯片不出脈沖，導致表計不走字，且內部數據總線錯亂，RS485 無法正常通信，而且同在一個實驗室中的負控終端所進行的無線通信也受到干擾，導致通信失敗。

3 結論

根據上述現象，同時結合相關理論可以推斷:表計處于用戶高頻信號發射裝置的高頻輻射干擾環境中時，因內部接地使得其表計本身演變成類似天線的載體，當輻射源輸出高頻輻射功率的增強，表計進出線端阻抗增加，同時向外輻射能量，可能導致回路電流降低，對電子式電能表的CPU 進行干擾，使電表不能正常工作;同時高頻輻射信號本身是離散個不同頻率信號，在無線通信系統中極易產生同頻干擾，即高頻輻射源的載頻與負控終端的無線模塊通信信號的載頻相同，并對接收同頻道有用信號的無線模塊造成干擾，使得終端通信成功率下降。

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