直流強(qiáng)磁干擾下防竊電檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

王家壕，陳炳文，林淑娜，曾昭杰，郭卓航，劉嘉誠(chéng)

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

0 引 言

電能計(jì)量工作是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作。長(zhǎng)期以來(lái)，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(jì)，每年竊電行為多達(dá)幾十萬(wàn)起，竊電量可達(dá)幾百億千瓦時(shí)，已嚴(yán)重影響了電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著電力行業(yè)市場(chǎng)改革的深入，高科技竊電方式越來(lái)越多，常用竊電方式主要有欠流法、欠壓法以及移相法等。國(guó)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(zhǎng)云等人針對(duì)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(duì)電流互感器起始飽和時(shí)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(jì)特性，通過(guò)計(jì)量回路與測(cè)量回路的多日電量比對(duì)進(jìn)行竊電分析與日常監(jiān)控，最終形成良好的防范機(jī)制[5]。本文針對(duì)直流強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(qiáng)磁竊電方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。

1 直流強(qiáng)磁干擾機(jī)理

直流強(qiáng)磁竊電原理是基于直流產(chǎn)生的強(qiáng)磁通對(duì)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(huì)感應(yīng)或感應(yīng)電流小于實(shí)際電流，從而實(shí)現(xiàn)竊電行為。強(qiáng)磁干擾電磁變化示意如圖1所示。實(shí)線為無(wú)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(diǎn)A點(diǎn)附近。直流強(qiáng)磁場(chǎng)干擾會(huì)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(lì)磁電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而導(dǎo)致電能計(jì)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(cè)出勵(lì)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

防強(qiáng)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(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7606進(jìn)行信號(hào)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(shí)物電路板如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖和實(shí)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(hào)預(yù)處理，如圖3所示。在直流強(qiáng)磁場(chǎng)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(jì)量出現(xiàn)錯(cuò)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?gòu)?qiáng)磁干擾的影響，獲得不受強(qiáng)磁干擾的電流信號(hào)。由于兩個(gè)互感器的直接輸出都存在高次諧波，使得比較過(guò)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(guò)積分器后，兩個(gè)波形相位基本一致。一旦出現(xiàn)直流強(qiáng)磁干擾，則羅氏線圈相位和電流互感器波形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，此時(shí)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(wú)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(hào)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(yùn)行，主控通過(guò)SPI讀取被測(cè)信息的數(shù)字量。模塊工作受主控控制，當(dāng)CVA為上升沿時(shí)，模塊完成一次信號(hào)采集，所以CVA引腳接主控芯片的控制信號(hào)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(guò)外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的綜合管理以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算。STM32F407作為Cortex M4系列的代表，其優(yōu)點(diǎn)是在于新增了硬件FPU單元和DSP指令，同時(shí)適用于需要浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(jì)

防強(qiáng)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(bǔ)償計(jì)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(hào)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(hào)為IKA、電流互感器采集信號(hào)為IKB，為了獲得穩(wěn)定的電流信號(hào)，去除高次諧波，必須對(duì)IKA信號(hào)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(chǎng)干擾影響的電流信號(hào)。

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(duì)IKA信號(hào)和IKB信號(hào)同時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和比較。為了獲得同步信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)獲取相位零點(diǎn)的方式，調(diào)整羅氏線圈和電流互感器的波形，使兩個(gè)波形實(shí)現(xiàn)同一個(gè)時(shí)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(diǎn)IKA0和IKB0。設(shè)定每次采樣的時(shí)間設(shè)定為t≥40 ms，采樣頻率為100 kHz，確保兩個(gè)電流波形的采樣有一個(gè)完整的周期信號(hào)。如果不存在強(qiáng)磁竊電時(shí)，則IKA=IKB；若存在強(qiáng)磁竊電時(shí)，IKB的波形會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，即有IKA≠IKB。

2.3.3 竊電量補(bǔ)償計(jì)量

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

2.4 檢測(cè)功能測(cè)試

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

圖7 裝置實(shí)際驗(yàn)證顯示

3 結(jié) 論

本文主要通過(guò)計(jì)算羅氏線圈與電流互感器的計(jì)量誤差，將其作為判斷系統(tǒng)是否存在強(qiáng)磁竊電的依據(jù)，并通過(guò)實(shí)物測(cè)試，驗(yàn)證了防竊電裝置檢測(cè)的有效性和實(shí)用性。