智能電能表小電量走字原因分析及抑制方法

田正其，紀(jì) 峰，徐 晴，金 萍

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

智能電能表作為電能交易系統(tǒng)中的終端計(jì)費(fèi)裝置，以其計(jì)量精度高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、電能量存儲(chǔ)、抄表時(shí)間凍結(jié)、開表蓋等竊電事件記錄、信息遠(yuǎn)程傳送等先進(jìn)功能特性正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)老式電能表。智能電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到廣大用戶與供電公司的切身利益。智能電能表推廣試點(diǎn)應(yīng)用期間，極少部分用戶反應(yīng)現(xiàn)場新安裝的表計(jì)，偶爾會(huì)出現(xiàn)小電量走字現(xiàn)象。通過用電信息系統(tǒng)對用戶的電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[1]，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除空載小電量走字的現(xiàn)象。

1 智能電能表計(jì)量原理分析

智能電能表通過準(zhǔn)確地提取用戶側(cè)的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)中央處理器的運(yùn)算完成電能計(jì)量。電壓信號(hào)普遍采用精密電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，電流信號(hào)常常采用錳銅分流式電流傳感器的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)變化。單相智能電能表原理框圖如圖1 所示。錳銅分流器其本質(zhì)為一種阻抗很小的精密電阻，串接在待測電流信號(hào)回路中,當(dāng)錳銅分流器上有電流信號(hào)通過時(shí)，利用歐姆定律：

通過測量分流器兩端上的電壓降ui（t），則電能表在u（t）工作電壓下，電能計(jì)量公式為：

圖1 單相智能電能表原理框圖

2 智能電能表小電量走字原因分析

現(xiàn)場安裝的智能電能表出現(xiàn)小電量走字，其可能性為現(xiàn)場存在某些隱蔽的用電裝置導(dǎo)致小電量走字、電能表被某些干擾信號(hào)干擾從而導(dǎo)致小電量走字或其他某些原因。

2.1 某些隱蔽用電導(dǎo)致小電量走字

（1）電能表是否真的處于“空載”狀態(tài)，日常生活中用戶對節(jié)能知識(shí)缺乏系統(tǒng)了解，對很多用電細(xì)節(jié)不夠關(guān)注。比如關(guān)閉電視不關(guān)閉電源、關(guān)閉電腦不關(guān)閉顯示器等不注意的細(xì)節(jié)，導(dǎo)致“空載”時(shí)有小電量走字。且對一些常用辦公及家用電器，做外部電源接入情況下待機(jī)功耗的測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 常用辦公及家用電器待機(jī)功耗 W

從表1 實(shí)際測量數(shù)據(jù)可得，所測試的電器在外部電源接入，電器電源開關(guān)關(guān)閉工況下仍均處于微功耗的狀態(tài)下。以某品牌微波爐舉例，在電源接入，微波爐電源關(guān)閉的情況下，根據(jù)電能計(jì)量公式：

可以算出每個(gè)月產(chǎn)生的電量為：1.152 kW·h。智能電能表計(jì)量的高靈敏度有利于引導(dǎo)用戶的節(jié)能意識(shí)，對于長期不使用的電器應(yīng)盡量拔掉其電源線，使電器處于真正的關(guān)閉狀態(tài)。

（2）傳統(tǒng)的樓道公共用電設(shè)備如每層的樓道燈、應(yīng)急燈、可視對講門鈴等，均采用加裝一個(gè)公共用電電能表來計(jì)量，所產(chǎn)生的電費(fèi)按月或年平均分到每個(gè)住戶中，定時(shí)由物業(yè)管理人員到用戶家中收取。但常常出現(xiàn)收取困難的現(xiàn)象，為避免這類現(xiàn)象發(fā)生，很多小區(qū)開始安裝使用公用電均分器來平均分配公用電能。公用電均分器通過復(fù)雜的功率計(jì)算程序，無須單獨(dú)裝設(shè)公共用電電能表，即可將樓道公共設(shè)備用電的電量，按功率自動(dòng)地平均分配到每一個(gè)住戶的電能表中，由供電局直接收取，從而避免了物業(yè)管理人員挨戶上門收取電費(fèi)的繁瑣之事，減少物業(yè)管理公司與住戶之間的矛盾。一種公用電均分器工作原理圖如圖2 所示。公用電均分器通過多路繼電器開關(guān)并連接到樓道每個(gè)用戶的智能電能表的出線端，可根據(jù)公共用電的情況，智能切換計(jì)費(fèi)所用的電能表，保證每只電能表所計(jì)電量均等。

圖2 公用電均分器接線

因此，如圖2 中所示的樓道燈、應(yīng)急燈、保安門等公共用電設(shè)備的電能會(huì)平均分配到每一個(gè)用戶，使得用戶的電能表每天或每周會(huì)出現(xiàn)小電量走字的現(xiàn)象，屬于正常現(xiàn)象。

2.2 絕緣引起

有些用戶，電線老化、破損，相互絕緣不好，或是家里某個(gè)線路通過的地方很潮濕，在這種情況下，可能會(huì)出現(xiàn)線路漏電引起電能表的空載小電量走字。家用電器、電能表組成回路的等效示意圖如圖3 所示。

圖3 漏電計(jì)量等效電路

可以知道，R為無窮大時(shí)E 沒有能量累計(jì)；一旦線路絕緣出現(xiàn)問題，即等效電阻R 不是無窮大，E 就有微弱電量累積，進(jìn)而反映在電能表上造成空載時(shí)小電量走字。此種情況下，應(yīng)把整個(gè)線路或故障部分線路進(jìn)行更新，避免微弱漏電導(dǎo)致小電量走字，并提高用電的安全性。

2.3 外部干擾導(dǎo)致

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使用電能作為動(dòng)力的設(shè)備越來越多，特別是各種大功率非阻性設(shè)備的投入使用，導(dǎo)致電能表現(xiàn)場運(yùn)行的環(huán)境越來越惡劣，部分地區(qū)諧波干擾很嚴(yán)重、部分地區(qū)工頻磁場干擾嚴(yán)重等等，這些干擾可能造成智能電能表空載小電量走字。

2.3.1 工頻磁場干擾

如前所述，國內(nèi)單相智能電能表通常使用錳銅分流器做電流信號(hào)傳感器[2]，錳銅分流器的連接方式如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)有錳銅分流器的設(shè)計(jì)及連接方式

從圖4 可以看出，該連接方式在X 軸方向形成圍合區(qū)域Q2 和Q3，在Z 軸方向形成圍合區(qū)域Q1。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)X 軸方向存在交變磁場，圍合區(qū)域Q3，Q2 及錳銅橫截面均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)Z 軸方向存在交變磁場，圍合區(qū)域Q1 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，在該感應(yīng)電流的作用下電能表會(huì)出現(xiàn)微弱電量。此感應(yīng)電流的大小取決于交變磁場的大小與圍合區(qū)域的面積[3]。

變壓器漏磁通在錳銅分流器兩端感應(yīng)的電壓，可用如下函數(shù)表達(dá)式描述[3]：

式（5）中：S為閉合線圈包圍的面積，m2；Lg為空氣氣隙長度；irms為變壓器線圈電流有效值；C為錳銅離變壓器的距離。

當(dāng)變壓器靠近錳銅時(shí)（即C 變小），感應(yīng)電壓就會(huì)變大。當(dāng)某用戶未用電時(shí)，由于電能表中的電流采樣回路受到自身變壓器漏磁或其他工頻磁場的影響，電能表中產(chǎn)生的能量根據(jù)式（2）和式（5）可得：

隨著時(shí)間的增加，即T 變大，電能E 逐漸累積，當(dāng)累積到一定程度時(shí)電能表就會(huì)產(chǎn)生小電量走字。

2.3.2 干擾來源分析（1）自身變壓器漏磁。智能電能表的電源部分常采用以硅鋼片為鐵心的變壓器，由于制造工藝及成本原因，這種變壓器在工作時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生漏磁。若在設(shè)計(jì)電能表時(shí)變壓器與電流采樣回路處理不當(dāng)，會(huì)造成電能表出現(xiàn)微弱的電量遞增。

（2）臨近電能表或II 型采集器的漏磁。變壓器漏磁除了對電能表自身有影響外，一旦電能表之間的距離太近，當(dāng)距離小于2 cm時(shí)，就會(huì)對附近的電能表產(chǎn)生影響，導(dǎo)致小電量走字。旁側(cè)表漏磁影響示意圖如圖5 所示。

圖5 旁側(cè)表漏磁影響示意圖

從圖5 可以看出電能表的變壓器的漏磁會(huì)對電能表2的計(jì)量產(chǎn)生影響。另外，隨著用電信息采集系統(tǒng)的普及，II 型采集器被大量使用，II 型采集器緊貼著電能表安裝于右側(cè)，II 型采集器漏磁同樣會(huì)導(dǎo)致電能表出現(xiàn)小電量走字[4]。

（3）現(xiàn)場布線不合理。電能表安裝中，現(xiàn)場走線不合理，當(dāng)其他用戶的大電流導(dǎo)線或表箱的進(jìn)線經(jīng)過某無負(fù)載用戶電能表時(shí)，因大電流感應(yīng)出的工頻交變磁場會(huì)導(dǎo)致無負(fù)載用戶電能表出現(xiàn)小電量走字。如圖6所示中，電能表左側(cè)有大電流導(dǎo)線通過，可以看出大電流感應(yīng)出的工頻磁場會(huì)導(dǎo)致電能表錳銅采樣電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致小電量走字。

圖6 布線不合理影響計(jì)量示意圖

2.3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目測試。為驗(yàn)證工頻磁場導(dǎo)致智能電能表出現(xiàn)小電量走字的這一原因，本文選取了6個(gè)不同廠家的智能電能表分別按照技術(shù)規(guī)范完成了工頻磁場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

由以上試驗(yàn)可以看出，所選擇的電能表正面0.5 mT 工頻磁場影響試驗(yàn)符合技術(shù)規(guī)范要求，而技術(shù)規(guī)范未規(guī)定的側(cè)面在工頻磁場作用下受到一定的影響。這一試驗(yàn)可以看出，漏磁、布線不合理導(dǎo)致的工頻磁場干擾，會(huì)對極少部分電能表造成小電量走字。

表2 工頻磁場影響試驗(yàn) （imp·h-1）

（2）電能表安裝現(xiàn)場測試。為進(jìn)一步驗(yàn)證前面的理論分析及實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，且到電能表安裝現(xiàn)場對實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過程中影響較大的廠家4的表計(jì)進(jìn)行了相關(guān)測試分析。該電能表與本樓其他電能表安裝在一起，該電能表左側(cè)緊貼供電母線，通過高斯計(jì)測得電能表左側(cè)磁場最小值為0.15 mT，但磁場變化較大，5 min 內(nèi)磁場峰值多次達(dá)到0.5 mT 以上（約2 次/min），每次維持3 s 左右，即每天0.5 mT 磁場出現(xiàn)的時(shí)間有144 min（2.4 h），結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，電能表側(cè)面在0.5 mT 工頻磁場影響下脈沖頻率約為8 imp/h，則144 min的0.5 mT 工頻磁場影響可使電表走字為：

計(jì)算結(jié)果與用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)基本一致。用電信息采集系統(tǒng)中查詢到每日用電量均在0.01 kW·h左右。所以這只電能表的小電量走字現(xiàn)象是由于周圍供電母線線路產(chǎn)生的磁場引起的。

3 解決措施

通過以上分析可知，智能電能表出現(xiàn)小電量走字主要由隱蔽用電、現(xiàn)場磁干擾造成。解決隱蔽用電一方面需要養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，另外一方面需要根據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行排查，對癥下藥。現(xiàn)場磁干擾可以通過如下改進(jìn)措施，來避免現(xiàn)場運(yùn)行的智能電能表出現(xiàn)小電量走字。

3.1 提高智能電能表抗擾能力

3.1.1 智能電能表硬件設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化

（1）根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)原理以及漏磁產(chǎn)生的機(jī)理，變壓器的設(shè)計(jì)可以從變壓器的鐵心選材、線圈繞制方式、屏蔽等方面來優(yōu)化變壓器的設(shè)計(jì)，減小變壓器的漏磁通[5]。

①選用導(dǎo)磁性能更好的鐵心材料，增加鐵心對磁力線的束縛；通過改變變壓器的鐵心材料，變壓器的漏磁會(huì)得到明顯的改善。

②非晶態(tài)合金作為在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)材料的新型材料主要是利用磁旁路原理來引導(dǎo)場源所產(chǎn)生的電磁能流使它不進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)。可以采用非晶態(tài)合金完成變壓器的屏蔽[6]。

（2）若要控制此類交變磁場干擾信號(hào)的等級(jí)在電能表安裝布線及電能表設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：改進(jìn)錳銅分流器設(shè)計(jì)、安裝工藝、PCB 布線可有效地抑制該類干擾，主要的原則是盡量縮小Q1，Q2，Q3的圍和面積，對于Q1 可通過PCB 板布線設(shè)計(jì)盡量縮小其有效面積，對于Q3 可要求安裝工藝?yán)@緊電流信號(hào)采樣線盡量縮小其有效面積，對于Q2 及錳銅橫截面可通過采用新型的穿孔型錳銅分流器使得Q2 和錳銅橫截面在交變磁場下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相互抵消。新型錳銅分流器的設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 新型穿孔型錳銅分流器的設(shè)計(jì)及連接方式

3.1.2 提高智能電能表軟件抗擾能力

（1）電能表性能規(guī)范中對電能表的起動(dòng)和潛動(dòng)性能有明確要求，即要求在0.004Ib起動(dòng)電流條件下，儀表應(yīng)能起動(dòng)并連續(xù)記錄電量；當(dāng)電能表只加電壓，電流線路無電流時(shí)，其測試輸出不應(yīng)產(chǎn)生多于一個(gè)的脈沖。電能表起動(dòng)、潛動(dòng)性能的考核主要在于功率閾值的合理設(shè)置，一般情況下設(shè)置為起動(dòng)功率的50%，當(dāng)實(shí)際功率大于功率閾值時(shí)，電能表開始計(jì)量電能，但在工況下時(shí)常存在各干擾源的干擾，這些干擾一旦大于功率閾值（如圖8 所示），電能表亦會(huì)進(jìn)行計(jì)量，長時(shí)間積累也會(huì)出現(xiàn)微小電能，從而產(chǎn)生電量脈沖。因此功率閾值的合理設(shè)置，需考慮電能表內(nèi)部存在固有的干擾信號(hào)，其主要來源于變壓器的漏磁，DC/DC，AC/DC 電源對外輻射對信號(hào)傳感器的影響，實(shí)際的功率閾值設(shè)置值應(yīng)為理論功率閾值設(shè)置值與固有干擾等級(jí)的總和。固有干擾等級(jí)因變壓器等器件的一致性因素存在一定的差異，因此在設(shè)置功率閾值時(shí)應(yīng)對電能表逐只設(shè)置，切勿按統(tǒng)一數(shù)據(jù)設(shè)置。功率閾值的合理設(shè)置如圖9 所示。

（2）通常情況下，在受到工頻磁場干擾時(shí)，電能表功率因數(shù)會(huì)不斷變化，因此可以通過軟件進(jìn)行自動(dòng)判斷剔除：當(dāng)電能表采樣電流小于一定值（起動(dòng)閥值）且功率因數(shù)在反復(fù)變化，則認(rèn)為電能表此時(shí)處于工頻干擾狀態(tài)，電能表起動(dòng)相應(yīng)的防潛措施。

圖9 功率閾值的合理設(shè)置

3.2 優(yōu)化智能電能表現(xiàn)場安裝環(huán)境

根據(jù)試驗(yàn)，表與表之間的距離達(dá)到5 cm 以上，漏磁對附近電能表的影響將微乎其微[3]，因此現(xiàn)場安裝時(shí)應(yīng)保證電能表與電能表、電能表與采集器之間的安裝距離大于5 cm，電能表附近不要有其他用戶大電流的走線經(jīng)過。另外，還可以選擇防工頻磁場干擾的多用戶電表箱，如專利為CN2708321 Y的表箱，采用屏蔽結(jié)構(gòu)，能有效地防強(qiáng)電磁干擾，避免用戶間電能表采集的相互影響，保證了智能電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文從智能電能表的計(jì)量原理出發(fā)，分析了各種可能導(dǎo)致表計(jì)小電量走字的原因，并給出了幾種解決措施。通過試驗(yàn)證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)電能表、優(yōu)化現(xiàn)場安裝方式等對應(yīng)的改進(jìn)措施可以避免出現(xiàn)小電量走字。

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