直流强磁干扰下防窃电检测装置的设计

王家壕，陈炳文，林淑娜，曾昭杰，郭卓航，刘嘉诚

（1.揭阳职业技术学院，广东 揭阳 520000；2.揭阳供电局，广东 揭阳 522000；3.广东立德电气有限公司，广东 汕头 515041）

0 引 言

电能计量工作是电力系统的一项重要工作。长期以来，总有一些用户存在窃电行为，近年窃电行为愈演愈烈。据专家保守估计，每年窃电行为多达几十万起，窃电量可达几百亿千瓦时，已严重影响了电力企业的经济效益。随着电力行业市场改革的深入，高科技窃电方式越来越多，常用窃电方式主要有欠流法、欠压法以及移相法等。国内外很多科技工作者在防窃电技术方面作了大量的研究，并取得很多有效的成果[1-5]。如李长云等人针对直流偏磁研究保护，用电流互感器的传变特性推导出直流偏磁电流对电流互感器起始饱和时间影响的数值关系[2]。任燕康等人提出一种新型防窃电策略，利用专变采集终端自带的表计特性，通过计量回路与测量回路的多日电量比对进行窃电分析与日常监控，最终形成良好的防范机制[5]。本文针对直流强磁场对电流互感器进行直流偏磁极化方式，提出一种判断准确的防强磁窃电方法，以解决现有技术中存在的问题。

1 直流强磁干扰机理

直流强磁窃电原理是基于直流产生的强磁通对电流互感器的干扰，使电流互感器达到磁饱和，导致表内互感器不会感应或感应电流小于实际电流，从而实现窃电行为。强磁干扰电磁变化示意如图1所示。实线为无直流偏磁情况，虚线为直流偏磁情况。电流互感器通常使其工作在磁化曲线的饱和点A点附近。直流强磁场干扰会造成直流磁通φ0的存在，导致电流互感器总磁通φ发生偏移，从而引起电流互感器的磁路饱和，降低磁导率。若要产生相同的磁通，则需要更大磁化电流，使励磁电流波形发生严重畸变，从而导致电能计量不正常。即磁化电流正半周波急剧增大，负半周则逐渐减小至零，如图1（c）中虚线所示。若检测出励磁电流出现严重异常，则可以判断出现窃电行为。

图1 电磁变化示意图

2 防窃电检测装置的设计

2.1 总体设计

防强磁窃电装置主要由采样模块、AD转换模块以及主控模块等组成。其中，采样模块采用电流互感器和罗氏互感器采集信号，A/D转换模块采用AD7606进行信号模数转换，主控模块控制核心芯片选用基于ARM Cortex M4核的STM32F407配合相应外围电路。系统框图和装置实物电路板如图2所示。

图2 系统框图和实物图

2.2 电路原理分析

2.2.1 采样模块电路

采样模块电路采用电流互感器和罗氏互感器进行信号预处理，如图3所示。在直流强磁场干扰下，电流互感器采集到的波形发生畸变，导致电能计量出现错误。罗氏互感器采用PCB罗氏线圈，将铜导线均匀地印制在PCB板上[6，7]。这种结构和参数优于普通的罗氏线圈，可进一步尽量减少强磁干扰的影响，获得不受强磁干扰的电流信号。由于两个互感器的直接输出都存在高次谐波，使得比较过程变得复杂，导致罗氏互感器的输出滞后于电流互感器。正常情况下，通过积分器后，两个波形相位基本一致。一旦出现直流强磁干扰，则罗氏线圈相位和电流互感器波形会出现严重畸变，此时可判断用户存在窃电行为。

图3 采集模块电路

2.2.2 A/D转换电路

A/D转换电路采用16位的模数数据采集系统AD7606，如图4所示。AD7606采用5 V单电源供电，采样速率可达200 kS/s，输入钳位保护电路耐压为±16.5 V。无论器件工作在何种采样频率下，AD7606的模拟输入阻抗均为1 MΩ。从滤波器输出的信号接AD7606模数转换模块的输入端“SIN”，模数转换模块与主控并行运行，主控通过SPI读取被测信息的数字量。模块工作受主控控制，当CVA为上升沿时，模块完成一次信号采集，所以CVA引脚接主控芯片的控制信号输出引脚，REST为硬件复位引脚。

图4 A/D转换电路

2.2.3 主控模块电路

主控电路如图5所示，数据处理部分的核心处理器采用STM32F407，主频达到了168 MHz，通过外围电路实现对系统的综合管理以及数据的运算。STM32F407作为Cortex M4系列的代表，其优点是在于新增了硬件FPU单元和DSP指令，同时适用于需要浮点运算和DSP处理的应用，也被称为DSC。主控电路除了完成数字信息的处理之外，同时还负责数据的存储、显示以及传输等通信功能。

图5 主控电路

2.3 软件算法设计

防强磁窃电装置软件部分主要负责数据采集、处理比较以及补偿计量。算法的流程框图如图6所示[8]。

图6 软件流程图

2.3.1 信号采集与数据上传

PCB罗氏线圈与磁式电流互感器采用并联形式。设罗氏线圈采集信号为IKA、电流互感器采集信号为IKB，为了获得稳定的电流信号，去除高次谐波，必须对IKA信号进行滤波、积分以及放大处理，在一次侧获得不受外磁场干扰影响的电流信号。

2.3.2 A/D转换与数据比较

数据采集后，必须对IKA信号和IKB信号同时进行模数转换和比较。为了获得同步信号，系统通过获取相位零点的方式，调整罗氏线圈和电流互感器的波形，使两个波形实现同一个时刻的比较。根据IK-1＜0和IK+1＞0分别确定IKA和IKB进行比较的起始点IKA0和IKB0。设定每次采样的时间设定为t≥40 ms，采样频率为100 kHz，确保两个电流波形的采样有一个完整的周期信号。如果不存在强磁窃电时，则IKA=IKB；若存在强磁窃电时，IKB的波形会发生饱和现象，即有IKA≠IKB。

2.3.3 窃电量补偿计量

当系统处于强磁窃电时，可进一步折算成窃电量W1。由于电压基本不变，强磁干扰前后，电能与电流成正比。设W2表示电能表已计算电量，g=IA/IB，则补偿电量为W1=（g-1）W2。

2.4 检测功能测试

图7为防窃电报警装置的实际验证结果。图（a）为初始状态，显示“误差为0，状态为0”时，属于正常情况。图（b）和图（c）为测试状态，图（b）显示“误差为41、状态为0”，说明误差没有超出报警边界条件，属于正常无窃电情况。图（c）显示“误差为843、状态为1”，说明误差已明显超出报警边界条件，属于窃电行为。

图7 装置实际验证显示

3 结 论

本文主要通过计算罗氏线圈与电流互感器的计量误差，将其作为判断系统是否存在强磁窃电的依据，并通过实物测试，验证了防窃电装置检测的有效性和实用性。